立式上行管内正四面体颗粒群的运动分布特性

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240222

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (5): 130-138.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240222

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立式上行管内正四面体颗粒群的运动分布特性

彭德其¹, 周靖强¹, 冯源¹, 黄治中², 谭卓伟¹, 唐明成³, 彭建国³, 陈莹¹

^1.湘潭大学机械工程与力学学院，湖南湘潭 411105
^2.湘潭通用离心机有限公司，湖南湘潭 411200
^3.株洲宏大高分子材料有限公司，湖南株洲 412007

收稿日期:2024-05-07 出版日期:2025-05-25 发布日期:2024-09-06
通信作者: 谭卓伟（1990—），男，博士，讲师，主要从事动态流场下的强化传质过程研究。 E-mail:tanzhuowei1990@126.com
作者简介:彭德其（1972—），男，博士，教授，主要从事过程强化与节能环保研究。E-mail： pengshuaike@163.com
基金资助:
湖南省自然科学基金项目(2024JJ7546)

Motion Distribution Characteristics of Regular Tetrahedral Particle Population in Vertical Uppipe

PENG Deqi¹, ZHOU Jingqiang¹, FENG Yuan¹, HUANG Zhizhong², TAN Zhuowei¹, TANG Mingcheng³, PENG Jianguo³, CHEN Ying¹

^1.School of Mechanical Engineering and Mechanics，Xiangtan University，Xiangtan 411105，Hunan，China
^2.Xiangtan General Centrifuge Co. ，Ltd. ，Xiangtan 411200，Hunan，China
^3.Zhuzhou Hongda Polymer Materials Co. ，Ltd. ，Zhuzhou 412007，Hunan，China

Received:2024-05-07 Online:2025-05-25 Published:2024-09-06
Contact: 谭卓伟（1990—），男，博士，讲师，主要从事动态流场下的强化传质过程研究。 E-mail:tanzhuowei1990@126.com
About author:彭德其（1972—），男，博士，教授，主要从事过程强化与节能环保研究。E-mail： pengshuaike@163.com
Supported by:
the Natural Science Foundation of Hunan Province(2024JJ7546)

摘要/Abstract

摘要：

液固两相流技术广泛应用于换热器的强化传热设计，其关键在于引导低体积分数颗粒运动至壁面以扰动并破坏附近的热边界层，进而实现强化传热效果。颗粒的运动行为是深入解析传热强化机理的关键因素，其中非球形颗粒因其形状的各向异性而具有更佳的扰动效果以及更为复杂的运动行为。该文以正四面体颗粒群为研究对象，为分析其在立式上行管内液固两相流中的运动分布规律，基于CFD-DEM（计算流体动力学-离散单元模型）耦合方法模拟研究颗粒进口体积分数（1%、2%、3%、4%、5%）和液相进口流速（1.0、1.2、1.5、1.8、2.0 m/s）对管内颗粒群平均速度和颗粒群相对体积分数分布的影响，并通过PIV（粒子图像测速技术）实验验证数值模拟的准确性。结果表明：在研究参数范围内，颗粒群平均速度沿轴向波动，波动幅度随进口流速的增大而加剧，沿径向由中心至管壁递减，分布随流体轴向的充分发展而越发集中；颗粒群相对体积分数沿径向遵循管中心区域和近壁面较高、过渡区域较低的双峰规律；颗粒进口体积分数为1%、液相进口流速为2.0 m/s时，管壁附近的颗粒体积分数最高。

关键词: 液固两相流, 正四面体颗粒, 运动特性, 速度分布, 体积分数分布

Abstract:

Liquid-solid two-phase flow technology is widely applied to the heat transfer enhancement in heat exchanger design, the key lies in guiding low-volume-fraction particles to the wall region to disrupt the thermal boundary layer and thereby improve the heat transfer efficiency. The movement behavior of particles is a key factor for deep analysis of heat transfer enhancement mechanism. Non-spherical particles have better disturbance effects and more complex movement behaviors due to the anisotropy of their shapes. This paper takes regular tetrahedral particle groups as the research subject to analyze their motion and distribution law in liquid-solid two-phase flow in vertical uppipe. In the investigation, the effects of particle inlet volume fraction (1%, 2%, 3%, 4% and 5%) and liquid inlet velocity (1.0, 1.2, 1.5, 1.8 and 2.0 m/s) on the average velocity and relative volume fraction distribution of particle groups in tubes are simulated based on CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Model) coupling method, and the accuracy of the numerical simulation is verified by PIV (Particle Image Veloci-metry) experiments. The results show that, within the studied parameter range, the average velocity of particle groups exhibits axial fluctuations, with a fluctuation amplitude intensifying as the liquid inlet velocity increases, and decreases radially from the pipe center to the wall. Furthermore, the velocity distribution becomes increasingly centralized as the fluid flow develops axially. Along the radial direction, the relative volume fraction of particles follows the double peak law, that is, being higher in the central area and near the wall of the tube, while being lower in the transition area. When the particle inlet volume fraction is 1% and the liquid inlet velocity is 2.0 m/s, the particle volume fraction near the pipe wall is the highest.

Key words: liquid-solid two-phase flow, regular tetrahedral particle, motion characteristic, velocity distribution, volume fraction distribution

中图分类号:

TK124

彭德其, 周靖强, 冯源, 黄治中, 谭卓伟, 唐明成, 彭建国, 陈莹. 立式上行管内正四面体颗粒群的运动分布特性[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(5): 130-138.

PENG Deqi, ZHOU Jingqiang, FENG Yuan, HUANG Zhizhong, TAN Zhuowei, TANG Mingcheng, PENG Jianguo, CHEN Ying. Motion Distribution Characteristics of Regular Tetrahedral Particle Population in Vertical Uppipe[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(5): 130-138.

图/表 14

图1

图2

图3

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表1

表2

图5

图6

图7

图8

图9

表3

图10

图11

参考文献 23

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对象	具体设置
求解器	基于压力的瞬态求解器
湍流模型	Realizable k-ε湍流模型
进出口条件	速度进口，z轴正方向；压力出口，出口静压为0，参考压力为大气压；湍流强度依据模拟条件计算选取；设置管径32 mm为水力直径
壁面条件	Enhanced Wall Treatment，非滑移壁面，壁温恒定为350 K

参数	数值		数值
颗粒泊松比	0.29	颗粒-颗粒恢复系数	0.3
颗粒剪切模量/Pa	1×10⁸	颗粒-颗粒静摩擦系数	0.3
颗粒密度/（kg·m^-3）	2 500	颗粒-颗粒滚动摩擦系数	0.02
管壁（钢）泊松比	0.28	颗粒-管壁恢复系数	0.45
管壁（钢）剪切模量/Pa	7×10¹⁰	颗粒-管壁静摩擦系数	0.5
管壁（钢）密度/（kg·m^-3）	7 800	颗粒-管壁滚动摩擦系数	0.05

流速/（m·s^-1）	管段	不同颗粒群进口体积分数下的标准差
流速/（m·s^-1）	管段	1%	2%	3%	4%	5%
1.0	2	0.029 9	0.027 7	0.025 7	0.022 1	0.023 9
	13	0.014 1	0.013 5	0.013 0	0.012 5	0.012 0
	19	0.012 3	0.011 6	0.010 9	0.010 2	0.009 6
1.2	2	0.029 5	0.027 4	0.023 6	0.025 4	0.022 9
	13	0.013 3	0.012 8	0.012 3	0.011 8	0.011 4
	19	0.011 4	0.010 7	0.010 1	0.009 5	0.008 9
1.5	2	0.027 0	0.025 1	0.022 3	0.023 2	0.021 1
	13	0.012 1	0.011 7	0.011 2	0.010 8	0.010 4
	10	0.011 3	0.010 6	0.010 0	0.009 4	0.008 8
1.8	2	0.026 1	0.025 2	0.022 5	0.022 8	0.019 3
	13	0.011 2	0.010 7	0.010 3	0.009 9	0.009 6
	19	0.010 9	0.010 2	0.009 6	0.009 0	0.008 5
2.0	2	0.025 4	0.025 7	0.023 5	0.020 5	0.019 2
	13	0.010 2	0.009 8	0.009 4	0.009 1	0.008 7
	19	0.010 2	0.009 6	0.008 5	0.008 7	0.007 9

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