微重力下磁场流化床内颗粒流动特性研究

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磁流化床因其振动小、噪声小、装卸方便、高传质、高传热速率等突出优点而得到国内外研究者的广泛关注。为了研究颗粒在磁流化床中的运动行为并促进实际生产,针对颗粒在流化床中的流动特性,国内外学者开展了大量的科研工作。但其在微重力领域仍有不小的局限性,而且,目前大多数的研究主要针对于单组份颗粒磁流化床,但实际不可避免会有多种组份颗粒共同出现。因此,本课题以磁性与非磁性两种颗粒为研究对象,应用数值模拟的方法对微重力条件下双组份颗粒在磁场流化床内的流动特性进行分析,获得颗粒系统中气固两相流体动力特性。本文以离散单元软球模型为基础,将磁场力模型嵌入颗粒的受力模型中,得到磁性颗粒离散单元软球模型,对气相的数值求解中选用Navier-Stokes偏微分方程组,气固相间曳力模型选取Gidaspow曳力模型,并进行数值模拟模型验证。应用建立的添加磁场力的离散颗粒软球模型,对常重力条件下双组份颗粒磁场流化床中颗粒流化行为进行数值模拟,分析磁感应强度、磁场梯度、表观气速对双组份颗粒系统颗粒分离特性的影响以及磁性颗粒受力情况。研究发现,在本文研究工况条件下,适合的磁感应强度、磁场梯度、表观气速对颗粒分离效果具有较好的促进作用。应用建立的添加磁场力的离散颗粒软球模型,对微重力条件下单组份颗粒磁场流化床中颗粒流化行为进行数值模拟,分析无磁和梯度磁场两种工况下磁性颗粒的流化状态变化。研究发现,添加合适的梯度磁场,通过颗粒间磁场力和外磁场梯度力的共同作用,可以在几乎没有颗粒成链或聚团的情况下有效地抑制气泡的生长,使得颗粒流化更为均匀,该工况相当于增加了颗粒沿重力方向的受力,即增加了颗粒的“重力”,使得颗粒流化可操作气速的范围更大。应用建立的添加磁场力的离散颗粒软球模型,对微重力条件下双组份颗粒磁场流化床中颗粒流化行为进行数值模拟,分析不同梯度磁场对密度不同的磁性颗粒与非磁性颗粒间混合特性的影响。研究发现,微重力环境中,添加合适的梯度磁场可以促进密度相差28%的两种组份颗粒的混合程度,但过高的磁感应强度,会使磁性颗粒产生聚团成链现象。
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