[发明专利]一种细长柔性丝状颗粒模型的构建及其数值模拟方法

说明书

提供一种细长柔性丝状颗粒模型的构建及其数值模拟方法，本发明是依据细长柔性丝状生物质的物理特点而构建细长柔性丝状颗粒模型，并与开源的OpenFoam软件进行耦合，实现细长柔性丝状颗粒在流态化加工过程中数值模拟，数值模拟结果能够全息仿真细长柔性丝状颗粒在流态化加工过程中的运动特性，生动逼真的表征不同工况条件下细长柔性丝状颗粒流化形态以及传质传热效率，经验证，本方法模拟结果与现场实验数据基本趋于一致，可靠性教高，使得细长柔性丝状颗粒在流态化过程中的相互作用机理得到了便捷、高效的捕捉和再现，得到较真实客观的反映，为细长柔性丝状颗粒的流态化加工设备的改进与优化设计提供了有效解决途径，具有重要的理论意义和实用价值。

技术领域

本发明属于计算机数值模拟技术领域，具体涉及一种细长柔性丝状颗粒模型的构建及其数值模拟方法。

背景技术

在烟草、食品加工、农业、生物质燃烧、医药、环保等领域细长柔性丝状颗粒广泛存在，在上述领域，以流态化技术为基础的机械在对细长柔性丝状颗粒加工处理的过程中广泛涉及到颗粒在两相或多相流的流动。尤其在烟草行业，烟丝的流态化加工广泛存在于打叶复烤、气流干燥、梗丝分离、松散冷却、去杂除尘、物料输送等操作单元，而烟丝作为细长丝状颗粒的代表，其本身的运动特性较球型颗粒复杂，而在两相或多相流中情况更为复杂，涉及到材料力学、流体力学、流变学、多刚体系统、湍流理论等多个方面，细长的柔性丝状颗粒在流化过程中，连续流体与颗粒相互作用，颗粒与颗粒相互影响，又极大的增加烟丝运动的复杂性。目前，在烟草流态化加工中，对烟丝流态化加工过程中的运动特性总体研究还不完善，处在不断探索中，有许多的流态化问题待解决。例如：气流干燥过程中的烟丝团聚，气力输送中的烟丝造碎。因此，对烟丝流态化加工过程中流动特性进行研究，对优化工艺参数，降低流态化加工中的烟丝团聚、造碎、水分不均，优化流态化设备进而提高烟丝品质，提高卷烟质量稳定性有着重大的意义。

然而烟丝柔软、易变形，且运动复杂多变，如果以传统的实验手段去探索烟丝流化过程中的运动特性，实验周期长，采集的数据有限，费用昂贵。而近年来以计算流体力学为基础的气固两相流模拟取得了较大的进步，但对于以烟丝为代表的细长柔性丝状颗粒模拟多是基于球型颗粒的假设，忽略了颗粒尺度上几何结构特性的变化，极大的简化了细长柔性丝状颗粒的流化运动状态以及相互影响因素，在模拟的过程中也丢失了细长柔性丝状颗粒自身的空间运动特性，模拟的结果也不能很好的表征细长柔性丝状颗粒的复杂运动特性以及传质传热过程的不足，与烟丝的真实形态相差甚远，很难较为真实的展现出烟丝的运动特性。从而在数值模拟的过程中大大降低了模拟的精度。因此，构建一种细长柔性丝状颗粒模型及其数值模拟方法显得十分必要。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种细长柔性丝状颗粒模型的构建及其数值模拟方法，本发明能够较真实客观的反映出细长柔性丝状颗粒与颗粒之间的相互作用机理，细长柔性丝状颗粒在流态化设备中的运动特性，为细长柔性丝状颗粒流态化加工设备的产品设计和优化提供有效的途径，同时为以后的传质传热的数值模拟研究奠定基础。

本发明采用的技术方案：一种细长柔性丝状颗粒模型的构建及其数值模拟方法，包括以下步骤；

1)依据细长柔性丝状颗粒的物理结构特性，基于DEM模型，构建细长柔性丝状颗粒模型，添加细长柔性丝状颗粒模型约束力方程，建立细长柔性丝状颗粒模型的运动方程；

2)通过CAD绘图软件画出三维实体模型，并使用Pointwise依据三维实体模型划分出模拟区域的计算网格节点；

3)利用OpenFoam对所述网格建立基本物理模型：基本控制方程，即连续性方程、动量方程、能量方程，并建立壁面碰撞模型；

4)定义细长柔性丝状颗粒的物性参数，所述的物性参数包括：密度ρ、厚度h、宽度d、长度l、滚动摩擦系数μ_r；

5)将构建的柔性丝状颗粒模型与开源的计算流体力学数值模拟软件OpenFoam耦合，实现柔性丝状颗粒模型离散模拟的并行模拟计算；