文摘

另一种实验方法和数值分析研究不稳定的局部流化提出了一种沉浸密集的颗粒状材料。可视化的演进的内部结构颗粒介质,水凝胶珠,由99%的水和在实质上相同的折射指数,用作固相。使用LED照明系统代替激光照明系统。因此,多孔结构的光学访问限制。一个真正的经济替代fluid-grain耦合的实验研究在不稳定的局部流化颗粒物质被创建。在文献中提出的实验现象:验证系统先后经历了三个不同的固定制度:静态政权,怜腔政权,怜烟囱政权。一些限制使用水凝胶珠颗粒在液-固相交互的研究进行了讨论。

1。介绍

一般来说,流化包括设置在运动包的粒子在流体流动的影响。在过去的几个技术已经用于实验和数值研究之间的水动力耦合阶段出现在流化。其中,我们可以挑出实验作品,由Zoueshthiagh和Merlen [1)和菲利普Badiane (2),和一些数字作品,包括对崔et al ., Marzougui et al .,杰夫音带et al ., Montell等人和Rigord et al。3- - - - - -7]。研究的不稳定的局部流化颗粒材料以及研究多孔介质中流动的行为,需要一个广泛使用的几种光学技术:iso-index技术和激光诱导荧光(PLIF),激光多普勒测速仪(LDA),粒子跟踪测速技术(PTV)和粒子图像测速仪(PIV)已被广泛应用2,8- - - - - -10]。这些调查方法强烈依赖于质量的固体和液体的折射率充足率阶段(11,12]。许多研究人员报道,为了形象化颗粒介质的内部结构的演进而无需求助于一个二维几何、组织液必须适应混合物硅油的例子,甘油,或任何其他矿物油(9,10]。然而,它是可能的,这些流体混合物的光学特性随时间变化的实验(流变特性的灵敏度温度)13]。虽然这些材料的使用给了惊人的结果在不同的作品中,维护一个常数可视化通过颗粒材料仍是最困难的任务在实验工作。终极关怀的可视化的运动粒子的颗粒在多孔介质结构,菲利普和Badiane iso-index技术和激光诱导荧光(PLIF) [2]。垂直激光板集中在注射区(s)照亮iso-index介质从而创建。一个可能的替代,激光系统,这是昂贵和繁琐的安全问题,通过LED照明,也被一些研究的主题在过去(14- - - - - -16]。此外,一些研究人员报道,水凝胶珠也适合作为可视化的固相颗粒材料。拜伦和Variano [17]在研究小固体与流体介质的交互使用固体水凝胶材料的折射率和水一样。此外,流速测量固体,Weitzman et al。18使用固体水凝胶材料。最后,杰et al。19)已经成功地使用水珠子多相流模型。这些不同的研究的成功带我们去试水凝胶珠和LED照明的使用不稳定的实验研究局部浸致密颗粒的流化介质。这些水凝胶珠交联材料吸收大量的溶剂溶解。这些能力使他们独特的材料(20.,21]。根据水凝胶的设计矩阵,可以通过吸收,改变他们的对刺激做出反应体积,如温度、溶剂的质量,pH值和电场(22,23]。

另一种实验性的方法提出了这项工作。可视化的演进的内部结构颗粒介质,水凝胶,由大约99%的水,实质上相同的折射率,用作固相。三维模型已经开发使用的商业软件数值模拟基于离散元素法(EDEM)来描述颗粒的力学行为堆栈和连续模型,基于CFD ANSYS-FLUENT代码,解决流体动力学方程的封闭几何,更确切地说在颗粒之间的孔隙空间。

2。实验装置

多孔介质的安排是由一组标准(调整光学指数)与可视化的终极目标颗粒介质的内部结构的变化。我们使用水凝胶珠的密度比水肿胀时,商业上可用。这些水凝胶珠的优势在玻璃珠是光学访问限制消除。这也消除了使用复杂的光学技术(矿物油混合需要匹配的折射率)可视化颗粒介质内颗粒运动。这种可能性取代固定介质的透明玻璃珠含浸在液体混合物在水中矿物油的简单的水凝胶珠构成的一个创新的工作。

水凝胶珠,初始直径1毫米,包含吸收性聚合物,扩大与溶剂水分时,可以达到直径8 - 9毫米,如果溶剂纯化水。订单的直径也可以4 - 5毫米,如果溶剂是盐水,因为最后的大小是非常依赖于大量的离子在盐水中。它们可以包含大约99%的水如果溶剂纯化水,因此水一样的折射率。

此外,Harshani et al。13]表明,这些珠子的直径是低流率保持不变,并可用于至少三个月没有大小和形状退化时存储在溶剂中。

parallelepipedic细胞(1000×30×600毫米)与透明的丙烯酸和良好的光学清晰度墙作为主要设备。一系列的五个圆形开口(5毫米,10毫米,15毫米,10毫米,和直径5毫米),彼此间隔45毫米,钻孔底部的细胞。为了生成一个统一、常数和垂直流进细胞,一个齿轮泵(vg 24 v OEM),流量计和水箱作为显示在图1。可视化粒状结构内的颗粒运动,我们选择了一个开明的环境由一层薄薄的板从一个高功率LED模块,创建一个垂直板集中在区域或区域注入,这有助于提高捕获的图像的质量。快速相机,放置在前面的细胞,垂直于这个平面的领导表被用来捕获照明区域。

首先,细胞充满液体。水凝胶珠,引入到细胞,排列散装和包装底部的细胞根据所需的堆码高度。因此,开始样品是可再生的其他实验阶段的初始安排。

3所示。程序:模拟方法和模拟的细节

三维模型,基于两个微粒的耦合方法EDEM和CFD-FLUENT代码,开发了模拟颗粒流体不稳定的互动沉浸密集的细粒度的媒体。EDEM,用于描述固体质点动力学,是一个商业软件的离散单元法(DEM)考虑散装材料仿真的扩大。连续模型,基于CFD-FLUENT中的欧拉多相模型代码,用于解决流体动力学方程。图2概述了EDEM-FLUENT耦合工艺流程。目前的研究中,涉及致密颗粒材料沉浸的情况下,考虑变形的身体接触的方法。这种方法允许多个粒子的相互作用(包括可能的接触点附近的变形频繁密集的流化床)。

粒子运动跟踪分别根据牛顿运动定律: 在哪里是粒子的质量,粒子速度,是粒子的重力,流体质点阻力,接触力,是粒子的角速度,是粒子惯性动量,是应用在粒子产生的扭矩。

阻力代表产生的能量耗散的影响上的流体粒子在运动。它是表达的 在哪里是粒子的体积吗是相间转移。

粒子的重力所表达的

软球模型,提出Cundal和斯特拉克24),第一次使用信et al。25),在这项研究中采用的粒子变形和解决所有的问题每个粒子的碰撞。部队正在研究的三种模式(弹簧、阻尼器和一个滑动条)。这些粒子与粒子之间的和particle-wall接触力计算弹簧常数的函数和阻尼系数。以下列举方程用于占软球粒子重叠模型中粒子碰撞时:

是净接触力作用在一个粒子吗我因为它的邻居,是这对夫妇作用于粒子吗我因为它的邻居和是正常和切向力粒子我通过粒子j。 在哪里和表达正常和切向两个粒子的渗透我和j,分别是在正常和切向接触刚度,分别是正常和切向粘滞阻尼系数,和正常和切向相对速度和是由以下关系:

摩擦滑动条限制了切向力由库仑摩擦定律(26]。

水相建模在CFD-FLUENT连续的流体相。连续性方程和动量守恒为每个时间步解决相关流体阶段:

的连续方程问阶段是

的动量平衡问阶段是

表达式是问相密度,重力加速度,和相速度,是问应力-应变张量的阶段 在哪里和的问阶段的剪切和体积粘性。

是相间动量交换系数。对颗粒流,阶段之间的动量交换是基于流体交换系数值。在CFD-ANSYS流畅,界面交换系数模型是基于经验的。Gidaspow模型,这是一个组合的温家宝和Yu模型(27)和水系方程(28),在这项研究中使用。这种模式适合高密度流化床。 在哪里是水动力粘度,是粒子直径,是一个单粒子的阻力系数。表达的是

雷诺数如下:

更多详细信息Gidaspow模型可以在找到29日]。

流体相,在一开始,分析了商业CFD ANSYS-FLUENT代码使用navier - stokes方程的解决方案和标准k-epsilon湍流模型。对于一个给定的时间步长,迭代仿真执行的流利,直到达到收敛。然后,EDEM计算每个粒子的身体力(重力、流体阻力、静电)使用数据提取液网状细胞,最终决定更新粒子的位置,加速度和速度。这些粒子的不同坐标从而更新解决转移到CFD ANSYS-FLUENT和流体上的力的粒子引入流体通过一系列的动量源项。

模拟进行了细粒度的silicon-si组装构成离散相EDEM而提供的运动粘度的液体水ν_f= 2.0 10 - 6米²年代⁻¹流利的构成提供了连续的阶段。层流选项并在CFD-FLUENT双精度模式选择。球形的粒子形成的密度2500公斤米⁻³和平均大小为1.610⁻³水的密度是1000公斤米⁻³。为了证明实验观察,parallelepipedic细胞600×30×1000毫米的计算域构成模拟工作。图3显示了计算域网状使用集成的计算机工程和制造业(ICEM)代码和仿真领域EDEM粒子。的网格模型指定为墙边界条件,洞底(图3 (c))指定为速度入口根据相应的仿真阶段,上表面是指定为流出边界。湍流模型的选择影响分析因为每个模型使用一组不同的边界条件。的Reynolds-Averaged Naiver-Stokes(跑)模拟湍流流动的结果平均稳态和动态流变量。我们采用这个模型由于其简单性和易于理解。准确精细的网格分辨率是必不可少的检测最小的湍流涡的形成;因此需要高计算能力。并表明,用更精细的网格,所有迭代解法收敛精度好。计算可能需要更多时间30.]。此外,准确捕获粒子的行为,一个更小的集成时间步也是必不可少的。2979507的计算域由一个总细网格共有594217个节点。此外,时间步长为10⁻⁴s是选择在这工作,这应该是肯定足够小,产生合理准确的结果。这个数值模型的验证也是基于动态过程的视觉观察在实验工作。此外,CFD-DEM双向耦合更使用近年来处理两相流的特点耦合系统准确的结果(31日]。

此外,重力加速度的方向(= 9.81理学硕士⁻²相反)被评为通量的方向进入域入口。然后,我们实施了流速U大于流化阈值,颗粒层的底部,在仿真期间保持不变。

4所示。结果与讨论

在这部作品中,土木工程结构的崩溃或部分破裂的水渗透流化在实验室研究了通过一个模型基于细粒度的堆栈受到一个提升液体流动。三维模型,基于两个微粒的耦合方法EDEM和CFD-FLUENT代码,开发实际报告的主要物理机制参与我们的实验研究。fluid-grain交互的研究是出于这一事实产生的现象有时在原点的流体力学的不稳定的出现。流体产生空气动力或流体动力晶粒界面,然后移动或变形。这个位移或变形的谷物也影响当地流场。更好的理解fluid-grain耦合及其水力机械不稳定发展的作用可以帮助应对混凝土水工建筑物的安全问题,在流化位于脚出现递减侵蚀的启动机制。

我们看一个沉浸颗粒层的局部流化的情况下,单喷嘴位于细胞的中心。通过注射直径不同的流速d_我= 15毫米,我们观察到流体力学不稳定性的增长,创建的粒状结构内的注入喷嘴和传播到床的表面。

当注射速度U是定期增加,实验中演示的现象学(1,2非常突出。先后在三个不同的政权:描述的床(我)静态的政权,这对应于低注入速度;没有变形的颗粒堆栈或重要的谷物的床上运动。堆栈的行为像一个固定的多孔介质。(2)怜的政权腔对应足够注入速度:我们不仅观察一个重要谷物运动略高于注射喷嘴也是本地堆栈的变形表面的注射区。(3)怜烟囱政权对应更高的注入速度:我们观察到局部流化在床的厚度和垂直烟囱的存在高于注射区。

事实上,接触力的不平衡引起的颗粒的流动会导致不稳定的现象。当感应力量更重要比明显的颗粒的重量堆栈,可以有流化大型谷物在室内的相对运动,或多或少地定期扩张整个材料。较低的表面逐渐不稳定从而释放淋浴逐渐美联储的谷物流化区。提升的大小颗粒层固体平移运动经常在流化层的增加而减少。也有床的压裂注入区表面。事实上,细粒度的堆栈的内部结构重组是反动的间隙流从而导致的优先路径的低液压液体流动阻力和修改的动态行为的谷物。

更多信息三个引用机制所涉及的物理现象可以在[1]。

报告的情况下,施加的压力的液体流动水下颗粒介质足以放在某些颗粒运动,模拟是基于两个特定方法的耦合(EDEM和CFD ANSYS流利)。相同的动态增长的液化区一个最初的静态浸粒状堆栈被发现与模拟工作。数据4- - - - - -6说明实验过程中观察到三种不同的固定机制及数值为一堆工作最初的高度H₀= 400毫米直径和注射d_我= 15:静态政权,怜腔政权,怜烟囱政权。此外,通过观察床在实验阶段的行为,很明显,数值观察显示良好的协议与实验观测。然而,其他更深入的研究致力于这些数值和实验观察正在进行中,并将在不久的将来进一步提交的主题。

5。结论

在自然环境中,通常观察特定情况下的垂直局部流化现象,表现为液压流渗透到地球的基础结构,可能会导致整体提升和水力压裂。目前的实验和数值研究工作由不稳定的一种沉浸致密颗粒材料的局部流化通过发展新的PIV方法能够正确地再现液相与固相之间的相互作用。目的是迫使一个提升流体通过床上的粒子,而保持不变,直到流达到一定流量,称为流化的最小流量。除了这个流,当流体的阻力完全补偿的有效粒子的重量,怜。它试图理解混凝土水工建筑物的安全问题,在局部流化脚下出现作为一种机制启动后退侵蚀,内部侵蚀模式之一。光进入多孔结构的限制被使用水凝胶珠的固体颗粒和水液在实质上相同的折射率。LED照明系统是用来代替激光照明系统,从而避免很多操作的风险。一个真正的经济替代fluid-grain耦合的实验研究在不稳定的局部流化颗粒材料了。

这项研究的结果不稳定的流化沉浸颗粒层的一个变量大小基底注入显示,观察实验现象提出了文学(流化床先后通过了由静态政权,怜腔政权和怜烟囱政权)。承诺必须继续努力;利用低成本的PIV系统和水凝胶珠固相,减少健康和安全要求在工作中,很可能取代昂贵的激光照明系统和液体的混合物。使用这种类型的廉价的PIV系统研究颗粒的流化不稳定材料可能受某些困难如市场存在的水凝胶珠的密度与水肿胀时(在水中浮球的可能性)。本是可以避免的,由卖方所有交流所需的水凝胶珠的特点。水凝胶珠也应该洗或更改后的一系列测试通过多孔介质良好的能见度。我们还必须利用提供的信息来更好地理解定性,尤其是定量,谷物的机制导致不稳定。的角度来看,应该进行更详细的分析机制的不稳定导致谷物和扩张的模式根据水动力不稳定的政权。

数据可用性

使用的数据来支持本文的结果可用以合理请求相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

中国国家重点研发项目(批准号2016 yfb0601101)和国家重点实验室开放基金项目的钢铁工业环境保护(2016号yzc04)支持这项工作。