密集颗粒物料流动特性的多尺度模拟

Dense granular media is commonly encountered in chemical industry. Such system is characterized by the highly relevance of the dynamic response of the particles. Developing suitable constitutive law which can properly depict such relevance is thus fundamental to precisely predict the flow behavior of dense granular assemblies. This proposed project is designed to first establish a non-local rheological model which can account for the relevance of particle’s dynamic response. This is achieved via analyzing the influence of stress fluctuation on the local rheological properties. The values of parameters and the expressions of functions appeared in the model are then identified through a discrete element simulation-complex network theory-perturbation analysis combination strategy. The developed non-local rheological model is then integrated with continuum model to systematically investigate the flow characteristics of granular assembly in a cold model of coal pyrolysis moving bed reactor which is currently being developed in the Institute of Process Engineering, CAS. The anticipated results of present project will not only significantly intensify our knowledge of the micro/meso- mechanism under the complex macro- dynamic response of dense granular materials, but also provide the theoretical base for the design and optimization of chemical unit operations handling dense granular media such as moving bed, silo, etc.

化工领域常常涉及到密集颗粒系统，其基本特点是系统内颗粒的动态响应特性存在强烈的相关性。建立能准确刻画这一相关性的本构模型是准确预测密集颗粒系统宏观流动特性的基础。本项目首先通过分析应力波动对颗粒物料局部流变特性的影响，建立合理的反映颗粒动态响应特性相关性的非局部流变模型。进而通过开展离散单元法数值模拟，并结合复杂网络理论和扰动分析，确定该模型中相关参数的函数表达式。在此基础上，将该非局部流变模型与连续介质模型耦合，通过计算机模拟，实现对中科院过程所正在研发的大型煤热解移动床反应器冷模装置中固体物料流动特性的系统研究。预期的研究结果将不仅有助于加深对密集颗粒物质复杂宏观动力学响应特性微观/介观机理的认识，也有望为化工领域涉及密集颗粒物质的单元操作如移动床、料斗等的设计与优化提供理论依据。

密集颗粒物料在各种过程工业中广泛存在。深入认识密集颗粒物料复杂宏观力学响应特性的微观机理，进而建立和发展能刻画其复杂宏观流动力学行为的流变模型，对模拟和预测涉及密集颗粒物料操作的各种实验室/工业尺度装置系统具有重要的意义。围绕密集颗粒物料的力学响应问题，尤其是局部力学扰动统计规律及局部力学扰动对颗粒物料宏观流变行为的影响，本项目开展了相应的离散单元法和欧拉双流体数值模拟研究。通过颗粒物料双轴压缩的离散单元法数值模拟，分析了颗粒属性和颗粒组成对接触力分布的影响，考察了不同经验模型对颗粒间接触力概率分布的描述和预测能力，发现Weibull模型和Nagan模型能够很好地预测不同应变状态下的颗粒间接触力概率分布；基于单颗粒弹簧牵引的离散单元法数值模拟，考察了密集颗粒物料中局部区域力学失稳的形成过程，分析结果表明弱接触对强接触的几何/力学支撑作用随着剪切的进行而减弱，进而导致力学失稳的形成，而力学失稳使得局部区域颗粒形成集体运动，呈现出空间相关性效应；针对目标体系——移动床系统，开展了小尺度的离散单元法数值模拟研究，发现无论是在漏斗流还是在半整体流流型下，局部颗粒速度都呈现有规律的波动特性。参数相关系分析结果表明，颗粒速度波动的形成源自于移动床出口处应力拱的不断形成与破坏，其导致的局部应力波动以指数的形式向上方传播；在离散单元法数值模拟结果的基础上，本项目通过在经典的Schaeffer模型和μ(I)模型引入颗粒温度，将其拓展为非局部流变模型。欧拉双流体模拟结果表明，拓展的μ(I)模型能够很好地预测颗粒物料的卸料特性；在此基础上，通过耦合传热模型和煤热解反应模型，本项目对目标体系——煤热解移动床反应器——开展了欧拉双流体模拟研究，考察了颗粒属性和反应器结构参数对传热和热解特性的影响。本项目的研究成果，有力地支撑了新型大型煤热解移动床的开发和优化。