CFD-DEM耦合方法在纤维过滤介质气-固两相流动模拟中的应用

安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会CFD-DEM耦合方法在纤维过滤介质气-固两相流动模拟中的应用报告人：钱付平博士、教授安徽工业大学通风与空气净化研究所E-mail:[e-mail]-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会1234研究背景CFD-DEM耦合方法理论基础应用案例部分结果5主要结论及存在的问题Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会Wang等（2006）CFD计算过滤效率和压力损失研究背景未考虑颗粒-颗粒及颗粒-纤维粒间相互作用，未考虑颗粒对流体相作用，沉积型态不能可视化LBMWang等（2013）分析颗粒沉积型态，并计算过滤效率和压力损失二维规则排列，未考虑颗粒-颗粒及颗粒-纤维粒间相互作用Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会Mead-Hunter等（2013）VOF计算过滤效率和压力损失规则排列，未考虑颗粒-颗粒及颗粒-纤维粒间相互作用，沉积型态不能可视化LBM-MCLantermann等（2007）分析颗粒沉积型态，并计算过滤效率和压力损失规则排列，未考虑颗粒-颗粒及颗粒-纤维粒间相互作用，未考虑颗粒对流体相作用Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会CFD-DEMQian等（2013）分析颗粒沉积型态，并计算瞬时过滤效率和压力损失未考虑颗粒-颗粒及颗粒-纤维间相互作用Saleh等（2013）CFD+UDF分析颗粒沉积型态，计算瞬时过滤效率和压力损失未考虑颗粒-颗粒及颗粒-纤维间相互作用Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会DEMTong等(2009):细颗粒团聚体破碎模拟，粒径为5µmChen等(2012):细颗粒在呼吸道沉积模拟，粒径为10µmTong等(2010):多分散粒径颗粒团聚模拟，粒径为50µmMarshall(2007):细颗粒在圆管中流动模拟，粒径为10µm及40µmHi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会EDEM•整合颗粒、流体以及机械动力学Fluent•提供单相及多相流的基本算法•提供耦合软件开发的框架EDEM-Fluent•欧拉法及拉格朗日法两种耦合模式•EDEM显式计算颗粒相的运动，代替Fluent对固相的近似计算Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会离散相控制方程非粘弹性碰撞接触模型粘弹性碰撞接触模型气相控制方程CFD-DEM耦合理论基础Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会流体相控制方程严格遵循局部平均变量质量守恒及动量守恒定律。Gidaspow给出两种适用于气-固两相流数值模拟流体相控制方程ModelA和ModelB。ModelAModelB假设压降被气体与固体共同承担假设压降仅被气体承担Fluent、CFX等气相控制方程Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会()0ut()()()fffpfuuuPFgtModelA控制方程表述如下：连续性方程动量方程Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会μcnctktParticleiParticlejknParticlejParticleiδn,ijδt,ijvi颗粒相互作用力示意图软球模型作用机制示意图基于非线性软球模型，对颗粒进行受力分析。离散相控制方程Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会cncfgiiijikiijktdvmFFFFdiiijjtdIMd牛顿第二运动定律可以用来描述单个颗粒的运动。颗粒i的平动及转动方程如下所示：平动方程转动方程Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会曳力Saffman力Basset力压力梯度力Magnus力虚拟质量力流体对颗粒作用力Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会Hertz-Mindlin黏结接触模型Hertz-Mindlin无滑动接触模型Hertz-Mindlin线性黏附接触模型运动平面接触模型线弹性接触模型摩擦带电接触模型Hertz-MindlinwithJKR接触模型DEM主要接触模型粘弹性接触模型非粘弹性接触模型Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会非粘弹性碰撞接触模型对于粗大颗粒系统，可以用传统Hertz-Mindlin接触模型来计算颗粒弹性碰撞所受的接触作用力及力矩，该模型忽略非接触作用力。一旦力和扭矩被确定，颗粒运动方程就可以被实时地数值求解。因此，可以实时地得到颗粒流系统中所有颗粒的运动轨迹、速度与作用力等信息。Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会传统Hertz理论细颗粒非接触力-范德华力Johnson（1971）JKR模型材料的表面能效应无量纲Chokshi表达式被用来重新描述JKR模型中法向弹性力Fn与颗粒间接触半径a(t)及法向重叠量δn之间的关系精确描述材料间的粘附作用传统弹性力计算采用Hertz理论，不适用于细颗粒。对于一个细小的颗粒流系统，非接触力-范德华力的作用不可以忽视。Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会应用案例：纤维过滤介质气-固流动模拟数值计算模型数学模型拟态化三维模型边界条件设臵Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会由于通过纤维过滤介质的气流为层流（纤维雷诺数小于1），因此选用层流形式的控制方程求解速度场。连续性方程和动量方程采用ModelA表达形式。由于计算中涉及到的颗粒粒径范围为2~3µm，因而非接触力-范德华力的作用不可以忽视。因此，采用Hertz-Mindlin接触模型并结合经典JKR模型更加精确地描述颗粒-颗粒及颗粒-纤维间相互作用。数学模型Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会FiberTzfn,i1ft,i1ft,i2fn,i2ωiParticlejzfijfiffikfzfmigup,iup,kωkωzup,zmzgTiParticleiParticlekParticlez颗(i)-颗粒(j,k)及颗粒(z)-纤维间碰撞作用力及非接触作用力示意图Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会在气-固两相流中，根据牛顿第二定律得到颗粒相平移和旋转运动方程，表达式如下：,,i',,,i,ifpippgincintdumFFFffdtipidITdt平移方程旋转方程Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会在进行CFD-DEM耦合的数值模拟时，采用欧拉法描述流体相运动，拉格朗日法用来追踪颗粒运动轨迹。DEM采用显式时间积分方法来求解离散颗粒平移和旋转运动，CFD采用SIMPLE算法求解离散化流体控制方程。压力梯度与扩散相、对流相及时间倒数相分别采用二阶中心差分法、一阶迎风格式及二阶Crank-Nicolson格式进行离散化。Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会开始生成网格初始化气相场t=0计算气相场初始化颗粒相及几何体表面计算曳力计算接触力及范德华力判断接触更新颗粒上作用力、速度及位置等信息计算孔隙率保存结束t=END是是否否DEMCFDHi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会拟态化三维模型随机多层纤维过滤介质拟态化三维模型算法MATLABGambit拟态化三维模型由于实际纤维滤料结构极其复杂，很难建立与实际完全一致的三维模型。并且，其结构对滤料过滤性能有至关重要的影响。因此，基于随机几何学原理建立了随机多层纤维过滤介质拟态化三维模型算法，实现了对纤维空间排列的良好控制。Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会纤维过滤介质三维模型及其左、前视图Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会ParticleinjectingsurfaceVelocity-inletWall100μmPressure-outlet100μm200μm80μm40μmSymmetrySymmetryDEMsolutiondomainPeriodicParticleescaptingsurface计算区域及边界条件设臵示意图Vgas=1.0m/sC0=6.57e-11kg/sVparticle=1.0m/s2µm2.5µm3µm边界条件设臵Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会参数名称取值参数名称取值颗粒密度(kg/m3)2500纤维密度(kg/m3)7500颗粒泊松比0.25纤维泊松比0.25颗粒剪切模量(Pa)2.2×108纤维剪切模量(Pa)7.94×1010颗粒-颗粒恢复系数0.5颗粒与纤维恢复系数0.3颗粒-颗粒静摩擦系数0.154颗粒-纤维静摩擦系数0.154颗粒-颗粒滚动摩擦系数0.1颗粒-纤维滚动摩擦系数0.1颗粒-颗粒间表面能(J/m2)0.085颗粒-纤维间表面能(J/m2)0.1模拟计算参数Hi-Key安徽工业大学中国·马鞍山颗粒系统离散元仿真技术及应用研讨会--暨2014年EDEM用户大会部分结果沉积型态模拟工况设臵及经验预测模