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粒子形態對渦旋流中顆粒跟隨行為的影響及捕獲穩定性研究。采用Fluent-EDEM耦合模型模擬多形態顆粒在旋轉流場中的兩相流動，通過數值分析與數學建模揭示球形顆粒捕獲效率顯著優于非球形形態（Φ=0.72、0.44），并建立基于角振動幅度Δθ的捕獲穩定性量化方法。研究為旋流分離設備優化提供理論支撐。
劉秀林|陳建毅|張宏斌|高申 rou|單永瑞|吳志東
齊齊哈爾大學，中國齊齊哈爾 161006
摘要
本研究采用Fluent-EDEM耦合框架模擬含有多形顆粒的固液兩相流，以探究旋流中的顆粒跟隨動力學。通過數值分析和尾流跟隨機制的數學建模確定了顆粒形態與被帶動顆粒數量之間的關系。主要發現表明，球形顆粒的帶動能力更強，每個時間點可帶動3-6個速度同步的顆粒，顯著優于非球形顆粒。非球形顆粒在空間分布和速度一致性方面表現上沒有統計學上的差異。為了量化帶動穩定性，選擇了顆粒擺動幅度Δθ作為指標，其中輕微的不規則性會導致顯著的旋轉偏差；而嚴重的不規則性則會導致高波動性和低穩定性。這項工作可能為理解渦流系統中細顆粒帶動的內在機制提供寶貴的見解。
引言
在旋流分離器等設備的運行過程中，不同大小的顆粒在旋流場中共同運動[1]。在這種系統中，較大的顆粒會帶動附近的小顆粒，從而在旋流中形成細顆粒之間的跟隨動力學[2]。
旋流中的顆粒旋轉非常復雜，表現為繞質心軸的旋轉以及繞外部軸的軌道運動[3]。旋轉軸的方向也會隨時間變化，形成顆粒自轉、軌道運動和進動的復合動態[4]。Cao等人[5]利用高速攝像技術觀察了實際旋流中的非球形顆粒，例如圖中用紅色標記的顆粒（圖1），其旋轉并非簡單穩定，而是表現出復雜的三維（3D）旋轉。這些細顆粒的動力學特性構成了一個復雜且不穩定的系統。
研究旋流中細顆粒跟隨行為有助于優化旋流分離器的結構設計和操作參數。優化設計可以顯著提高分離效率并降低能耗[6]。這一現象在許多其他工業應用中也很重要，包括流化床反應器[7]、燃燒室[8]和氣動輸送系統[9]，在這些系統中，它可以用來優化反應條件、提高工藝效率并減少設備磨損。從環境角度來看，此類研究有助于更深入地理解自然渦流（如大氣或水系）中的污染物顆粒擴散、沉降和傳輸機制[10]。類似研究的成果還可以用于預測污染物擴散、評估其他生態風險并制定修復策略。
先前的研究已經探討了旋流中的顆粒跟隨行為，這種現象在旋流分離器的分級效率曲線中表現為“魚鉤效應”[11]。例如，Abdollahzadeh等人[12]發現球形顆粒的魚鉤效應尤為明顯。魚鉤效應與顆粒大小分布之間存在強相關性[13]、[14]。此外，控制這種效應特征尺寸的關鍵參數已被確定為進料顆粒大小分布和固體濃度的函數[15]、[16]。分級效率的魚鉤效應具有雷諾數依賴性，較高的顆粒雷諾數會促進細顆粒更有效的帶動[17]、[18]。顆粒跟隨動力學還受溫度影響，在較低溫度條件下觀察到更好的帶動效果[19]、[20]。
由于實驗條件限制，對旋流中顆粒跟隨動力學的直接研究存在局限性，因此需要采用間接分析方法。更重要的是，目前尚未完全理解控制顆粒帶動能力的基本機制。目前還沒有一個完善的理論框架來解釋顆粒跟隨行為的物理原理。
在本研究中，我們結合直接數值模擬和解析建模，研究了不同顆粒形態在旋流中的跟隨動力學。我們建立了顆粒跟隨行為的理論框架，并定量分析了顆粒形狀對帶動能力的影響。這些發現可能為理解渦流系統中細顆粒帶動的內在機制提供寶貴見解，同時為設計具有更高分離效率和更低能量損耗的下一代旋流分離器提供指導。
模擬程序
本研究模擬了一個包含一個大型球形顆粒的簡化旋流場。我們研究了三種不同細顆粒形態（球形、棒狀和盤狀）在主顆粒尾流區域的帶動軌跡。每種形態部署了10個細顆粒進行統計分析。模擬使用ANSYS Fluent-EDEM實現的行業標準CFD-DEM耦合方法進行。
顆粒空間配置
在四個“快照”時刻（t = 0.1、0.2、0.3、0.4秒）分析了顆粒的相對位置。圖6顯示了三種不同細顆粒形態的帶動模式，其中主顆粒用綠色表示，被帶動的細顆粒用黃色表示。球形顆粒（Φp = 1.0）與主顆粒保持較近的距離，帶動區內有3-6個細顆粒，表明其跟隨行為穩定。非球形顆粒（Φp = 0.72和0.44）的帶動能力較弱（1-4個細顆粒）
歐拉坐標系中的控制方程
建立了一個歐拉坐標系（圖8），以闡明模擬顆粒帶動動力學中的形態效應。為了分析簡單剪切流中的顆粒運動，引入了一個與顆粒旋轉主軸對齊的輔助參考系x’y’z’。從x軸到x’軸的轉換由矩陣A控制：
矩陣A基于顆粒擺動角θ、進動角ψ和旋轉角?定義：
結論
本研究采用Fluent-EDEM耦合計算框架，數值研究了不同顆粒形態的跟隨穩定性動力學。分析了細顆粒的速度場和空間分布，并通過數學建模研究了旋轉行為，以確定顆粒形狀對跟隨行為的影響。主要結論如下：
(1)關于跟隨定位，Φp = 1.0的顆粒在跟隨區域內可帶動3-6個細顆粒
CRediT作者貢獻聲明
劉秀林：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原始草稿，概念構思。陳建毅：研究。張宏斌：監督，數據管理。高申 rou：資源提供，方法論設計。單永瑞：監督。吳志東：研究，形式分析。
利益沖突聲明
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