底瑛棠,赵兰浩,毛 佳

(河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

颗粒沉降现象在自然界中普遍存在,具有广泛的工程应用背景,如泥沙运移[1]、血液流动[2]、气力输送[3]等。无论从工程应用价值或基础研究角度,颗粒与流体间的相互作用机理研究都意义重大。

颗粒沉降涉及颗粒间的碰撞及流固之间的双向强烈耦合,其高精度数值模拟目前仍极具挑战。描述颗粒两相流的数值方法主要有欧拉- 欧拉(Eulerian- Eulerian,E- E)方法[4- 5]和欧拉- 拉格朗日(Eulerian- Lagrangian,E- L)方法[6,8]。然而,E- E方法将流固两相视作可以相互渗透的连续介质,无法考虑颗粒的离散特性,实际更适用于固体呈现显著流态化特征的流动。为考虑颗粒的非连续性,张涛和李红文[6]基于E- L方法采用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM)模拟了气固两相流管道内的孔板测量工况,将颗粒视作无体积的质点,通过牛顿第二定律描述颗粒运动。DPM模型假定颗粒相非常稀疏,忽略颗粒的相互作用,不考虑其对流体运动的影响,实则只是单向耦合,适用于固相体积分数小于10%～12%的情况[7]。针对稠密颗粒流,Hwang等[8]考虑了颗粒的体积效应与粒间碰撞及相间耦合,采用密集离散相模型(Dense Discrete Phase Model,DDPM)模拟了旋转分离器中的流动特性。但DDPM通过颗粒动力学理论计算颗粒间的相互作用,模化碰撞过程,并无清晰的物理碰撞面。

近年来,计算流体力学与离散单元法(Computational Fluid Dynamics- Discrete Element Method,CFD- DEM)因其处理颗粒碰撞问题的优势,被越来越多地用于颗粒两相流的研究。Yue等[9]基于CFD- DEM方法研究了喷动流化床中颗粒密度对喷流偏转的影响;杨文婧等[10]采用CFD- DEM方法对固体火箭发动机中气固两相流进行了数值模拟。……