顆粒群
關注創建者：gm_1602 創建時間：2018-09-20
顆粒群的實例教程
兩相流：通常把含有大量固體或液體顆粒的氣體或液體流動稱為兩相流；其中含有多種尺寸組顆粒群為一個“相”，氣體或液體為另一“相”，由此就有氣—液，氣—固，液—固等兩相流之分。
兩相流的研究：對兩相流的研究有兩種不同的觀點：一是把流體作為連續介質，而把顆粒群作為離散體系；而另一是除了把流體作為連續介質外，還把顆粒群當作擬連續介質或擬流體。
引入兩種坐標系：即拉格朗日坐標和歐拉坐標，以變形前的初始坐標為自變量稱為拉格朗日Langrangian 坐標或物質坐標；以變形后瞬時坐標為自變量稱為歐拉Eulerian 坐標或空間坐標。
離散相模型
FLUENT在求解連續相的輸運方程的同時，在拉格朗日坐標下模擬流場中離散相的第二相；
? 離散相模型解決的問題：煤粉燃燒、顆粒分離、噴霧干燥、液體燃料的燃燒等；
? 應用范圍：FLUENT中的離散相模型假定第二相體積分數一般說來要小于10-12%（但顆粒質量承載率可以大于10-12%，即可模擬離散相質量流率等/大于連續相的流動）；不適用于模擬在連續相中無限期懸浮的顆粒流問題，包括：攪拌釜、流化床等；
? 顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分數對連續相的影響未考慮；
? 湍流中顆粒處理的兩種模型：Stochastic Tracking，應用隨機方法來考慮瞬時湍流速度對顆粒軌道的影響；Cloud Tracking，運用統計方法來跟蹤顆粒圍繞某一平均軌道的湍流擴散。
展開 每次實驗向儲液箱中添加75g顆粒（圓形陶粒如圖2所示，直徑約0.6mm），顆粒撞擊試樣后，利用試驗段中的篩網過濾回收顆粒。實驗射流液體速度為3m/s、6m/s和9m/s，溫度為室溫，介質為蒸餾水+3.5wt%NaCl。
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實驗結果
如圖3所示為射流速度由3m/s向9m/s連續變化過程，液固兩相中的試樣表面電流密度變化曲線。
圖3 13Cr表面在液固兩相流中的電流密度連續變化曲線
結果顯示出在3m/s～6m/s流速范圍，13Cr不銹鋼表面的電流密度增長量很小。當流速大于7m/s時，電流密度快速增長。測試結果表明不銹鋼表面電流密度隨流速變化存在臨界值，高于此臨界流速時，電流密度會急劇增加。
當采用顆粒回收方式測試表面開路電位時，得到如圖4所示的開路電位變化測試曲線。
圖4 13Cr表面受顆粒群撞擊開路電位變化曲線
圖中為各流速下的兩次顆粒群撞擊過程開路電位變化，結果顯示顆粒撞擊前受氯離子影響，金屬表面電位值不斷跳躍，說明表面局部可能連續發生鈍化膜溶解及再鈍化過程。當顆粒群撞擊表面，開路電位急劇減小，且隨著撞擊速度增大，電位減小量隨之增大。在顆粒群撞擊后，13Cr表面開始再鈍化過程，這一過程的開路電位的增長速率由快到慢，最終達到較為穩定的區間。但受表面結構破壞的影響，再鈍化穩定開路電位始終小于顆粒撞擊前的電位。
展開 分析認為: 當振動方向角較小時，顆粒群沿篩面方向的作用力較大，而受篩面法向作用力較小，顆粒的拋擲效果差，顆粒群的運動活躍性不高，導致透篩率較差，振動篩生產效率低; 隨著振動方向角的增大，顆粒沿篩面法向作用力逐漸增大，提高了顆粒在空中的拋擲時間和沿篩面下方運動的距離，顆粒的拋擲效果得到改善，篩分效率和篩上物輸送量均增加; 當振動方向角繼續增加，顆粒受沿篩面方向的作用力減少，篩上物顆粒沿篩面的下滑速度會逐漸放慢; 當振動方向角增大至45°時，顆粒群所受拋擲作用達到最佳，顆粒透篩率達到最高值。
3. 5 篩面傾角對篩分效果的影響
篩面傾角主要影響顆粒沿篩面長度方向的重力分量和拋擲強度指數。根據TQLZ 型振動篩常用的篩面傾角，取6 組不同篩面傾角做模擬實驗，篩上物輸送量隨篩面傾角的增加而遞增，大的篩面傾角可以將物料在較短時間內篩分完畢，說明較大的篩面傾角可以提高振動篩的產量; 當篩面傾角為6° 時，篩分效率達到最大值，篩面傾角低于5°時，篩分效率處于比較低的位置，篩面傾角在7° ～ 12°之間時篩分效率與6°時相比略微降低，但均處于比較高的數值，且幅度變化不大。原因分析認為: 較小的篩面傾角使得顆粒在篩面上的停留時間加長和拋擲指數較低，造成后續物料堆積，不利于物料的自動分級，結果是大顆粒阻礙細小篩顆粒不能有效地接觸篩面，透篩率和產量都較低。增大篩面傾角，顆粒沿篩面長度方向的重力分量和拋擲指數增大，有利于物料的自動分級，同時顆粒群能快速地流向排料端，生產效率提高; 但是過大的篩面傾角使顆粒沿篩面長度的下滑速度過大，顆粒很容易滑過篩孔而不過篩，這時篩分效率會降低。
4 結論
1) 篩上物輸送量隨振動頻率、振幅和篩面傾角的增加均呈遞增關系; 篩上物輸送量隨振動方向角的增加先遞增后減小，在30°時達到最大值。
展開 物料顆粒群在進入管道初始，沿曲線管道運動的物料顆粒群會帶著顆粒間隙中的氣體以及緊挨著顆粒群的氣體流動，形成誘導氣流，流場在類離心力的作用下，會形成旋渦；當物料顆粒在重力作用下，從一段曲線管道末端位置跳躍式過渡到下一段管道的時候，物料顆粒和夾雜在顆粒群之間的氣體會有分離，并且此時流體通道截面積減小，物料對誘導風的流通有一定的阻礙作用，因而會進一步促使相應位置旋渦流場的形成。
3.2 擋塵簾
由圖3.2(b)含擋塵簾裝置時轉運站內氣體流場速度矢量圖可以觀察到，導料槽擋塵簾之間出現多個氣體旋渦。由相關研究可知，由于撞擊改向而形成的旋流存在有利于減少揚塵的產生。
無抑塵裝置時，物料落入受料輸送帶后，導料槽內部氣流速度最大值出現在導料槽出口處，導料槽出口氣體的速度為2.41 m/s，接近受料輸送帶的運行速度。在裝備擋塵簾后，顆粒群和氣流在導料槽中擋塵簾的作用下，形成了分布合理的旋渦流場，使得導料槽內的氣體流動速度更加平緩，出口平均速度下降至1.68 m/s，可以有效降低粉塵往外噴發的現象。
3.3 泄壓閥
裝配泄壓閥后，從圖3.3(b)可以看到，大量氣體從泄壓閥出口處逸出。矢量箭頭的大小可以反映氣體流量，在導料槽裝配泄壓閥后，出口流量減少，可以降低誘導風帶出的揚塵。
整個轉運站內，管道中誘導風速最高，接近物料下落速度，在無抑塵裝置時，最高氣體流速為4.65 m/s，含抑塵裝置擋塵簾和泄壓閥時，管道內的最大風速為4.48 m/s，導料槽出口平均風速1.56 m/s。
展開 利用PFC3D模擬顆粒攪拌運動 ￥35
顆粒物質被視為傳統固體、液體和氣體之外的第四態物質, 激起高度關注和大量研究. 其中顆粒物料的堆積、堵塞、密集流動、混合分離等是備受關注的熱點和難點問題。顆粒物質混合是工業生產中常見的過程, 廣泛地應用在制藥、化工、能源等領域。
本算例采用離散單元法的數值模擬手段。對方形罐體內同屬性的分區顆粒混合過程進行模擬研究。可以利用本算例分析仿真系統內單顆粒運動、顆粒群宏觀矢量運動規律與特征、攪拌設備所受荷載等參量。
方形罐體和攪拌葉片如下圖所示（為減小計算成本，對攪拌葉片進行了簡化）,算例比較簡單，讀者可以在其基礎上增加模型復雜性。
模型的建模過程如下：
首先在罐體內生成球顆粒，并在自重作用下平衡。顆粒之間采用赫茲接觸模型。
生成攪拌葉片，并刪除與葉片相交的球顆粒。為增加顯示效果，將顆粒劃分成了四組。
為葉片指定旋轉的角速度。攪拌過程如下所示。
攪拌過程中葉片所受力矩如下所示：
模型全部完整代碼如下：
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顆粒群的最新內容
多相流模型|DPM01基礎知識9個月前
每個顆粒表征一個真實的顆粒或一組真實的顆粒群（取決于具體的應用）。
一般要求第二相的體積分數小于10%，才能夠使用DPM模型，且網格尺寸要大于顆粒直徑。由于未考慮顆粒體積變化及顆粒之間碰撞影響，因此會降低部分精度。
拉格朗日粒子追蹤
支持顆粒間的直接碰撞模型，考慮顆粒間的彈性碰撞、摩擦力等相互作用，以模擬顆粒群的集體行為。
耦合流場模型
集成了Langevin湍流擴散模型，用于描述顆粒在湍流背景下的隨機擴散行為，考慮了顆粒與流體微團之間的相對速度差異及湍流脈動對顆粒擴散的影響；稀相模型和密相模型的靈活切換，適應不同顆粒濃度條件下的模擬需求。
[2]馮吉奎,皮愛國,劉源,景瑩琳.爆炸驅動亞毫米級金屬顆粒群的飛散特性[J].高壓物理學報,2019(06):173-181.
[3]張傳山,馮春,薛琨.爆炸載荷下脆性顆粒體系破碎特性的數值研究[J].計算力學學報,2022,39(03):307-314.
物料顆粒群在進入管道初始，沿曲線管道運動的物料顆粒群會帶著顆粒間隙中的氣體以及緊挨著顆粒群的氣體流動，形成誘導氣流，流場在類離心力的作用下，會形成旋渦；當物料顆粒在重力作用下，從一段曲線管道末端位置跳躍式過渡到下一段管道的時候，物料顆粒和夾雜在顆粒群之間的氣體會有分離，并且此時流體通道截面積減小，物料對誘導風的流通有一定的阻礙作用，因而會進一步促使相應位置旋渦流場的形成。
考慮了顆粒群壓縮和膨脹時的阻力，默認值是0，也可以設置為Lun et al方程</span></p><p><br></p><p><span style="color: rgb(249, 110, 87);">Granular Temperature：設置為1e-05。Granular Temperature為固體顆粒溫度，與粒子的隨機運動的動能成正比。單位m2/s2。
<p>本案例基于<a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/comsol" rel="noopener noreferrer" target="_blank">COMSOL軟件</a>的流體模塊和粒子場模塊仿真了不同粒徑群顆粒在通道內的運動過程，模擬結果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202203/
可以利用本算例分析仿真系統內單顆粒運動、顆粒群宏觀矢量運動規律與特征、攪拌設備所受荷載等參量。
方形罐體和攪拌葉片如下圖所示（為減小計算成本，對攪拌葉片進行了簡化）,算例比較簡單，讀者可以在其基礎上增加模型復雜性。
模型的建模過程如下：
首先在罐體內生成球顆粒，并在自重作用下平衡。顆粒之間采用赫茲接觸模型。
生成攪拌葉片，并刪除與葉片相交的球顆粒。
它把流體作為連續介質，在歐拉坐標系內加以描述，對此連續相求解輸送方程，而把霧滴顆粒群作為離散體系，通過積分拉氏坐標系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道，可以計算出這些顆粒的軌道以及由顆粒引起的熱量/質量傳遞。同時，在計算中，相間耦合以及耦合結果對離散相軌道、連續相流動的影響均可考慮進去。
本式例采用離散顆粒群軌跡模型DPM模擬噴嚏氣溶膠與空氣的相間耦合流動，采用k-ω SST模型模擬空氣的湍流運動，以Coupled方法進行壓力-速度耦合計算，最后與STEPS聯合仿真，構建軌道交通內生物源性氣溶膠擴散及感染人群的數值模擬解決方案。
本式例采用離散顆粒群軌跡模型DPM模擬噴嚏氣溶膠與空氣的相間耦合流動，采用k-ω SST模型模擬空氣的湍流運動，以Coupled方法進行壓力-速度耦合計算，最后與STEPS聯合仿真，構建軌道交通內生物源性氣溶膠擴散及感染人群的數值模擬解決方案。
