差异旋转运动中惯性力作用的数值模拟

本文根据物理模型试验建立适宜的数学模型,对旋转圆筒液流、双筒同心液流内固体单颗粒运动进行数值模型。使用GAMBIT13.0建立二维模型,运用流体力学计算软件ANSYS FLUENT建立数学模型,采用DPM离散相模型捕获单颗粒的运动轨迹,计算出颗粒在不同位置的速度,分析单颗粒在旋转水流体系中的运动特性和受力规律。得到以下主要结论:(1)研究单颗粒在圆筒旋转液流中的运动,通过各种模型对比分析,DPM较其他模型更为适于此类问题的研究,开启DPM模型,跟踪单颗粒的运动轨迹,并逐步保存各个时间单颗粒的速度参量。对泰勒涡胞试验中单颗粒的运动特性进行模拟时采用了滑移网格,增加了计算的精确性。(2)运用DPM模型对圆筒旋转水流中单颗粒运动特性进行数值模拟,对单颗粒受力进行分析可知旋转体系中水流速度越大,单颗粒发生离心运动趋势越快越明显。单颗粒在匀速旋转圆筒旋转水流中运动时,单颗粒做离心运动,转速越大,离心力和差异旋转惯性力越大,当转速为ω>10r/min时,单颗粒所受差异旋转惯性力在数值均为F≥0.1×10-6N,离心力比差异旋转惯性力大一个数量级;当ω≤10r/min时,其所受差异旋转惯性力F≤0.1×10-6N,离心力与差异旋转惯性力在数值上在同一个数量级。单颗粒在先匀速旋转在静止的圆筒旋转水流中运动时,当圆筒先旋转再静止时,单颗粒做向心运动,初始转速为10r/min≤ω﹤15.20r/min时,其所受离心力和差异旋转惯性力在数值上均为F≤10.1×10-6N,离心力与差异旋转惯性力方向相反,当圆筒初始转速ω≥15.20r/min时,差异旋转惯性力在数值上F≥1.0×10-6N,离心力比差异旋转惯性力小一个数量级。(3)运用滑移网格在DPM模型中模拟同心双筒旋转水流中单颗粒的运动,可以描述单颗粒在旋转水流中的运动情况。单颗粒在同心双筒旋转水流中运动时,当16r/min≤ω≤30r/min时,离心力与差异旋转惯性力在数值上在同一个数量级,在数值上差异旋转惯性力均F≤1.0×10-6N,而当ω≥30r/min时,离心力比差异旋转惯性力大一个数量级。当单颗粒在同心双筒旋转水流先旋转再静止的情况下运动时,单颗粒做向心运动,内筒初始转速越大,离心力和差异旋转惯性力越大,当内筒初始转速ω≥30r/min时,其所受差异旋转惯性力在数值上均为F≥1.0×10-6N,离心力与差异旋转惯性力在同一数量级,当16r/min≤ω≤30r/min时,离心力比差异旋转惯性力在数值上小一个数量级,二者大小均为F≤1.0×10-6N。当差异旋转惯性力在数值上小于离心力且二者方向相同时,单颗粒做离心运动。当差异旋转惯性力在数值上大于离心力且二者方向相反时,单颗粒做向心运动。

DPM模型; 固体单颗粒; 旋转液流; 离心力; 差异旋转惯性力; ANSYS FLUENT;

国家自然科学;

牧振伟;

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