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1. 研究目的与意义（文献综述）
气力输送技术是符合现代物料输送和物流工程要求的输送方式之一具有许多独特的优点，如结构简单，管路布置灵活方便，造价低，能保证良好的工作环境，连续性好，易于实现自动化等。气力输送是十九世纪工业革命的重要产物，目前已广泛应用于化工、建材、粮食、冶金、环保和能源等领域，被研究者广泛研究。在粮食颗粒散料的运输过程中，气力输送起着不可或缺的作用[1-3]。
国外众多科学家对于颗粒流动特性的研究相对较早，他们在试验测试的基础上进行建模分析，有的还考虑了流动中颗粒的旋转、碰撞等问题，取得了较大成就。
国外众多学者对气力输送的研究现状：hadinot和curtispsi改进了传统的双流体模型，使用分子动力学理论来描述颗粒间因碰撞而产生的动量和动能交换，并考虑气体造成的固体剪切黏度的减小，对比发现该模型所获取的气相和颗粒相的时均和脉动速度比传统双流体模型得到的结果更准确[4]。zhu等人研究了颗粒－颗粒、颗粒－碰撞影响显著的大尺寸颗粒在水平管、倾斜管和垂直管中的湍流气力输送。研究表明，双流体模型与湍流模型相结合可得到更好的仿真结果，从而证明了湍流在稀相气力输送中扮演了重要角色[5]。quek等利用仿真手段，发现入口处湍流对颗粒分散程度影响很微小，颗粒分布与颗粒大小有着紧密关系[6]。behera等开发出一种以连续性方程，动量方程和能量方程等方程控制的数学模型，来预测稀薄流动气力输送不同的参数[7]。h. kalman通过对磨损机理进行了解释和分析，提出了减少气力运输自然损耗的可能方法[8]。c. gonzález-montellano通过实验测定粒子几种微观性质的值，包括颗粒密度、弹性模量、颗粒-壁恢复系数、颗粒-颗粒再分配系数以及玉米籽粒和橄榄的颗粒壁摩擦系数，用于dem模拟，极大的提高了仿真模拟的准确性[9]。soroor karimi通过采用低雷诺数k-湍流模型来解释湍流效应，在壁面附近使用非常细的网格间距来解决粘性亚层和边界层的问题，并研究颗粒-流体相互作用在近壁面区域的影响。探讨了了cfd网格和不同湍流模型对小颗粒行为预测的影响[10]。yun等利用cfd-dem耦合方法和实验方法，研究了文丘里管中不同补充速度和水分含量的空气下的喷涂材料的流动特性。系统地比较了不同补充速度气体下的颗粒浓度，速度和气体压降，发现气体压降先随补充气体速度的增加先减小后增加，最后达到该喷涂材料的临界风速[11]。hasan等开发了一种基于欧拉-欧拉方法的计算流体动力学模型（cfd），以研究垂直和水平管道内部的颗粒分布和沉降情况，这些分布和沉降是管道直径，颗粒大小，流速和颗粒入口体积分数的函数。结果表明，垂直管道上的颗粒沉积物低于水平管道，颗粒大小对沉降的分布和位置影响最大[12]。hiromi等研究了在水平圆形管道中塑料颗粒的稀相气动输送行为，获得了湍流模型和模型碰撞参数对压降，固体体积分数和速度分布的影响[13]。
2. 研究的基本内容与方案
| 1、研究内容 粮食颗粒在输送管道内流动时，其运动形式错综复杂，主要有滚动和滑动，同时还伴随着粮粒之间以及粮粒与管道之间强度不同的撞击。这些相对运动和撞击所引起的摩擦磨损和冲击破坏是导致输送管道磨损和粮食颗粒破裂的主要原因。通过选择欧拉双流体模型，对直管内的粮食颗粒进行简单的气固两相流动模拟试验，通过模拟试验来研究管内气固两相的流动规律及流场特性，其主要内容：（1）建立以双流体模型和k-ε湍流模型为基础，运用 Fluent 软件气固两相流进行数值模拟；（2）分析不同参数对直管球形粮食颗粒流动特性的影响。 2、研究目标 通过对粮食颗粒气力输送的仿真计算，学习及深化相关理论知识和学会相关软件的使用，并结合已有文献对仿真结果进行分析讨论，提出直管粮食气力输送的优化方案。总结经验，对科学研究的方法和步骤有初步了解。 3、技术方案及措施 （1）搜集并研究气力输送相关文献，了解相关领域的研究现状和研究方法。 （2）建立二维直管模型，并对其划分网格并检查网格质量。 （3）学习计算流体力学相关基础知识及Fluent软件的使用方法。 （4）建立双流体模型和k-ε湍流模型,对直管内的球形粮食颗粒流动进行仿真计算，并对计算结果进行讨论。 |
3. 研究计划与安排
（1）查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需技术方案及措施。确定方案，完成英文翻译、文献阅读报告及开题报告。 （第1周—第3周）
（2）学习相关软件，搜集相关参数，完成对直管的三维实体建模。 （第4周—第5周）
（3）学习有限元、计算流体力学相关基础知识及软件的使用方法。（第6周—第8周）
4. 参考文献（12篇以上）
| [1]赵会永. 粮食颗粒流动特性的试验研究与数值模拟[D].内蒙古农业大学,2009. [2]王明旭,秦超,李永祥,曹宪周.气力输送过程中粮食颗粒的输送特性研究[J].农机化研究,2014,36(09):18-22. [3]王明旭,赵贝贝,王中营,曹宪周.气力输送过程中粮食破碎机理的研究[J].农业机械,2012(36):70-72. [4]Hadinoto K,Curtis J.S. Effect of interstitiai fluid onparticle-particle interactions in kinetic theory approach of dilyte turbulentfluid-particle flow[J].IndustrialEngineering ChemistryResearch,2004,43(14):3604-3615. [5]Zhu K, Wong C.K, Madhusudana S. Pneumatic conveying of granularsolids in horizontal andinclined pipes [J]. AIChE Journal, 2004, 50(8):1729-1745. [6]T.Y. Quek, C.H. Wang, M.B. Ray. Dilute gas-solid flows in horizontaland vertical bends[J]. IndustrialEngineering Chemistry Research, 2005,44: 2301-2315. [7]Behera N,Agarwal V K,Jones M G,et al. Modeling andanalysis of dilutephase pneumatic conveying of fine particles [J].PowderTechnology,2013,249(11):196-204. [8]H Kalman. Attrition control by pneumatic conveying[J]. Powder Technology,1999,104(3)：214-220. [9]C. González-Montellano,J.M. Fuentes,E. Ayuga-Téllez,F. Ayuga.Determination of the mechanical properties of maize grains and olivesrequired for use in DEM simulations[J]. Journal of FoodEngineering,2012,111(4):553-562. [10]Soroor Karimi,Siamack A. Shirazi,Brenton S. McLaury. Predicting fineparticle erosion utilizing computational fluid dynamics[J]. Wear,2017，376-377:1130-1137. [11]Yun Ji,Songyong Liu,Jianping Li. Experimental and numerical studieson dense-phase pneumatic conveying of spraying material in venturi[J]. PowderTechnology,2018,339:419-433. [12]Hasan Ghafori. Computational fluid dynamics (CFD) analysis ofpipeline in the food pellets cooling system[J]. Journal of Stored ProductsResearch,2020,87：6. [13]W. K. Hiromi Ariyaratne,Chandana Ratnayake,Morten C. Melaaen. CFDmodeling of dilute phase pneumatic conveying in a horizontal pipe usingEuler–Euler approach[J]. Particulate Science and Technology,2019,37(8)：1011-1019. [14]杜俊,胡国明,方自强,范召.弯管稀相气力输送CFD-DEM法数值模拟[J].国防科技大学学报,2014,36(04):134-139. [15]杜俊. 基于CFD-DEM方法的稀相气力输送数值模拟研究[D].武汉大学,2015. [16]周文秀. 玉米籽粒的物理力学特性研究[D].东北农业大学,2015. [17]Lijun Wang,Zhaohui Zheng,Yongtao Yu,Tianhua Liu,Zhiheng Zhang.Determination of the energetic coefficient of restitution of maize grain basedon laboratory experiments and DEM simulations[J]. Powder Technology,2020,362:645-658. [18]关佳斌,裴旭明,张琳荔.粮食颗粒群密相变径气力输送的流动特性[J].中国粉体技术,2018,24(02):38-43. [19]H. Kruggel-Emden,T. Oschmann. Numerical study of rope formation anddispersion of non-spherical particles during pneumatic conveying in a pipebend[J]. Powder Technology,2014,268:219-236. |
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