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1、内蒙古科技大学本科生毕业论文题 目：气固两相流中颗粒间互相影响规律的数值模拟研究学生姓名： 学 号：0862126313专 业：热能与动力工程班 级：热动08-3班指导教师： 内蒙古科技大学毕业论文气固两相流中颗粒间互相影响规律的数值模拟研究摘 要流化床燃烧锅炉在运行过程中普遍存在着颗粒团聚现象。产生这一现象的主要原因在于气相流体与固相颗粒之间复杂的相互作用，因此研究气固两相流的流动特性对研究流化床的煤粉燃烧过程有着重要意义。以往的两相流研究过程往往是着眼于整个流场的总体性分析，得到的也是总体性的研究结果。而当我们截取整个流场的一个微小单元，对小流场区域内的双颗粒进行研究分析时就会发现，流场中
2、任何一个颗粒对流场的干扰都会间接的影响到其附近的颗粒，同时其本身运动状态也将受到其附近颗粒的影响。分析这种流场中相邻双颗粒的相互影响颗将可以清晰的从单元级结构上解释颗粒团聚现象的成因及影响因素。因此本文将着眼于大流场中的单元级结构来研究气固两相流中颗粒间互相影响规律。研究采用计算机数值模拟方法进行，使用先进较为先进的商业ansys14.0软件平台。研究过程中，单球模拟阶段采用了ansys14.0内部集成的Fluent及CFX双平台进行比对模拟，验证了模拟结果的可靠性。双球模拟阶段以雷诺数及颗粒相对位置为变量，进行了系统的数据收集。对双颗粒在互相影响下的受力情况与单颗粒同一雷诺数下的受力进行比较
3、。并对导致两颗粒聚合的聚合力变化规律加以分析。在最后的的流固动态双向耦合阶段利用动态结果证实了最终结论的可靠性。关键词：团聚现象；团聚力；数值模拟；单元级结构；双向耦合The numerical simulation study of solid phased particles influence law between each other of Gas-solid two-phase flowAbstractParticles are common reunion phenomenon in the running of fluidized bed combustion boiler.T
4、he main reason is the complex interaction between The gas phase fluid and solid phase particles. So it is important to study the gas.solid two-phase flow，if we want to study the coal burning process of the fluidized bed. The past two-phase flow the research generally focus on the whole flow field，ge
5、t the result of the whole flow field too. However if we focus on a small part that there is only two particles in the flow field，we will find there is the influence between each of the two particles. And we can explain the particles reunion phenomenon from the research of the influence law between t
6、he particles.So this text will just focus on the unit level structure of the flow field to study the solid phased particles influence law between each other of Gas-solid two.phase flow. Research by using the computer numerical simulation, use the business ansys14.0 software platform. In the course o
7、f the study, Single ball simulation use both of the CFX14.0 and the Fluent14.0 platform which are integrationed in ansys14.0 to insure the result is believable. In two balls simulation, get data of different situation by change Reynolds number and particles stage position. And compare the foce with
8、the single ball in the same Reynolds number.Then Ill get a result with the force,witch lead to the aggregation of the balls. Finally,in the fluid.structure coupling dynamic two-way stages，I will use dynamic results to confirmed the reliability of the final conclusions.Key wrlds：Reunion phenomenon；Re
9、union force；numerical simulation；Unit level structure；Two.way coupling目录摘 要IAbstractII第一章 引言11.1研究背景11.2文献综述3第二章 物理数学模型的建立及研究方法52.1模拟研究总体思路52.2物理模型的建立62.3数学模型的建立72.4研究平台简介9第三章 瞬态双向耦合操作示例113.1 创建分析项目113.2 建立几何模型123.3固体颗粒网格划分及求解设置143.4利用ICEM进行流场网格划分173.5 流场初始化及求解设置223.6 求解监视及结果输出28第四章 计算过程及结果分析294.1稳态
10、受力模拟过程294.2双颗粒瞬态流固耦合模拟过程324.3 单颗粒曳力随雷诺数变化规律334.4 双颗粒互相影响规律354.4.1后颗粒对前颗粒影响分析384.4.2前颗粒对后颗粒影响分析394.4.3双颗粒聚合力的分析404.5流固双向耦合结果分析41结论及展望44参考文献45致谢4747第一章 引言1.1研究背景能源是支持社会发展和经济增长的重要物质基础和生产要素，充足稳定的能源供应不仅为工业提供动力，为农业提供保障，推动技术进步，保障国民经济的发展，而且还促进人民生活质量的改善，创造众多就业机会，促进人类社会的发展和进步。而世界经济的快速发展，又促进了能源的开发和利用技术水平的提高，两者
11、既相互促进，又相互制约。煤炭是中国的基础能源，与其它化石燃料相比，煤的储量丰富的多，占我国一次能源构成的比例约为75%，这种比例在长期内不会有很大改变，且由于其价格低廉，煤炭必将仍是未来发电的主要能源。在工业上随着高效洁净燃煤技术的发展，煤粉颗粒燃烧理论引起了国内外学者的广泛兴趣。而在这一研究过程中，科学工作者们发现在煤粉颗粒喷燃，和流化床式燃烧过程中,气固两相流的流动特性都对燃烧有着重要的影响。在循环流化床锅炉运行过程中，由于气相与固相，以及固相与固相间的复杂相互作用使固相颗粒在炉膛内产生了明显的团聚现象，对煤粉颗粒的燃烧有着显著影响。因此研究两相流中各相流体间的相互作用规律对研究煤粉颗粒的
12、燃烧过规律,以及颗粒团聚现象有着非常重要得到意义。本课题题目为气固两相流中颗粒间互相影响规律的数值模拟研究意在研究流场中单颗粒的存在对其周围颗粒运动状态的影响规律。研究过程采用计算机数值模拟方法进行,以计算流体力学为理论基础。所谓计算流体力学英文为(Computational Fluid Dynamics，简称CFD，是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和有热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理场（如速度场和压力场，以及热力场等），用一系列有限个离散点上变量值的集合来代替；并通过一定的原则和规律建立起关于这些离散点上的场变
13、量之间关系，从而组成这些场变量之间关系的代数方程组；然后求解这种代数方程组，来获得这些场变量的近似值；这就是流动的数值计算。或者直观地说，通过数值计算中的各种离散方法，把描述连续流体运动的控制偏微分方程离散成代数方程组，由此建立该流动的数值模型；再根据问题的具体情况，设定边界条件和初始条件封闭方程组；然后通过计算机数值计算求解这种代数方程组，从而获得描述该流场场变量的某些运动参数的数值解。计算流体动力学是在经典流体力学、数值计算理论、计算方法，以及计算机科学与技术的基础上建立和发展起来的多学科、多领域交叉的流体力学中的一个新分支。他将科学的理论知识与实际工程计算紧密地结合在了一起，是我们流体机
14、械及流体工程学科和工程领域中目前科学研究与工程计算、分析或设计的高质、高效，短周期、低费用的强有力不可或缺的重要工具。CFD方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体运动问题的完整体系，三者之间的互补关系如图1.1 所示。单纯实验测试计算流体动力学单纯理论分析图1.1 研究流动的三种方法互补关系示意图理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性和一定准确性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证数值计算方法正确与否及其计算精确度的基础。但是，它往往需要对计算对象进行抽象和简化，且只有对较简单的流动问题才可能得出理论上的解析解；对于复杂的特别是非线性的问题，很难求解。因此，对存在于自然
15、界和实际工程中的流动问题，只有其中的极少数才能给出解析结果。实验测量方法所得到的实测结果一般真实可信，它是对理论分析和数值计算结果的验证依据。然而，实验往往受到试验条件（如模型尺寸、形状，流场扰动和测量精度等）的影响和限制，有时也很难得到很准确的结果。此外，实验还会遇到人力和物力的巨大耗费而受到经费投入及周期长等许多因素的制约。而CFD方法恰好克服了前面两种方法的弱点，它是在计算机上实现对某一流动系统或某一流动现象的一个特定的计算。这个特定的计算，就是用数值的方法所作的近似计算，即通过数值求解各种简化的或非简化的流体动力学基本方程，以获得流动在各种条件下的状态参数和作用在形成流道的边壁或绕流物
16、上的力或力矩等数据，以及流场的分布与流动的状态等。这种计算就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼的绕流，通过计算并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场分布的各种细节，如激波的运动及其强度，涡的生成与传播，流动的分离及其表面的压力分布、受力的大小及其随时间的变化等。数值模拟实质上就是在计算机上进行的数值试验，可以形象地再现流动的场景。在某种意义上讲，与做物理实体实验我没有什么区别的。1.2文献综述查阅相关的文献资料可知关于两相流的研究由来已久，包括传统的实验方法和较为先进的计算机数值模拟方法。以往的两相流研究往往是着眼于整个流场的总体性分析，得到的也是总体性的研究结果。如王淑彦的稠密气固两相
17、流颗粒聚团流动与反应特性的数值模拟研究1一文。文中作者应用LES-DSMC方法研究了流化床内气固两相流流动特性。得到了颗粒团与分散颗粒间不同的运动规律等研究成果。这一类的总体性研究以及研究成果对于工作和生产有着非常重要的指导意义。但就计算机数值模拟而言由于计算机性能的限制，这类总体性的研究在研究过程中就必须对两相流的流动模型做出种种假设和简化（包括流动模型，碰撞模型，和耦合方式的处理）。欧阳洁和李静海在确定性颗粒轨道模型在流化床模拟中的研究进展2一文中对现今主流的两相流模型进行了简单的介绍与比较。文中提到，由于计算机性能的限制，两相流模型必须简化，简化后的两相流模型又由于都没有能够真实的对流场
18、进行描述，所以其应用范围和模拟精度都受到了很大限制。即使现今普遍认为较为先进的确定性颗粒轨道模型也没能完善的解决两相流中颗粒间的碰撞和流固两相间的耦合问题。总而言之，现今计算机性能条件下进行完整的两相流数值模拟研究存在困难。由于流固两相流的总体性研究存在着种种困难。因此个人认为可以从另一个角度出发，截取整个流场中的一个微小单元，对这个只包含几个颗粒的流场单元进行全尺度的研究分析。再通过这种单元级结构内颗粒间的影响规律反推出整个流场的两相流运动规律。通过这种流场内单元级结构的研究会发现，流场中任何一个颗粒对流场的干扰都会间接的影响到其附近的颗粒，同时其本身运动状态也将受到其附近颗粒的影响。分析这
19、种流场中相邻双颗粒间的相互影响规律将可以清晰的从单元级结构上解释颗粒团聚现象的成因及影响因素。这种单元级的流场区域的模拟研究非常类似于在以往的绕流模拟研究。因此有着诸多文献资料可以借鉴。如桑文慧的平行壁面二维圆柱绕流尾迹3；张海伟, 尤云祥, 魏岗, 缪国平的两层粘性流体中运动球体尾流的数值模拟4； 高继贤, 刘辉,李成岳,杨立英的颗粒绕流问题中几何形体效应的数值模拟5；刘宇，苏中地的不同雷诺数下方柱绕流的数值模拟6；杨烁，吴宝山的二维圆柱绕流数值模拟7等。然而本课题的研究内容同传统的绕流研究相似的同时，二者之间也有着本质的区别。普通的绕流研究所着重分析的是不同形状的绕流钝体在不同雷诺数下涡街
20、的形成与分布规律。而本文所要探讨的将是全尺度颗粒在流场中的受力情况以及双颗粒共存于流场时聚合力的变化规律。另外以往的绕流模拟研究中一般也都是将钝体作为固定壁面来进行处理，而没有进行双向的流固耦合，换句话说没有考虑到钝体会在流场的作用下发生的抖动和位移，而事实上这种抖动和位移对流场的影响是值得研究的。因此本文在通过稳态模拟取得相关实验数据的同时，进行了瞬态的双向流固耦合模拟，并希望借此来验证通过稳态数据得出的实验结论。胡赞远, 吕志咏在风沙运动中沙粒阻力的数值研究8 一文中对颗粒间的影响规律进行了一定探讨，但该文中以前后颗粒曳力系数的变化做为颗粒间影响程度的度量。本文中并未采用这一做法，因为一方
21、面曳力系数本身不能反映颗粒运动的变化趋势。另一方面，猜想这两位作者的本意是想通过分析分析颗粒的曳力系数得到无关于颗粒直径的颗粒曳力计算公式或曳力变化规律，然而在颗粒曳力计算公式中的绕流雷诺数中还是一个颗粒直径的相关量，所以事实上并没有达成作者的本意。而且这篇文章中也没有进行双向的流固耦合研究。因此本文的总体思想是（1）通过两相流流场的单元级结构，来研究整个流场的流动规律。（2）以稳态的模拟，来研究真实的动态过程。（3）以定量数据分析得到定性的影响规律。（4）以双向耦合模拟来验证稳态模拟得出的结论。第二章 物理数学模型的建立及研究方法2.1模拟研究总体思路真实的流场内部流体运动状态是非常复杂的。
22、以流化床锅炉内部流场为例，其内部不同位置上的气相流速大小，方各不相同，且梯度变化强烈。并且流场中的煤粉颗粒尺寸大小不一，既有直径几微米的小颗粒，也有直径达几千微米的大颗粒存在。因此在进行理论研究以及数值模拟时就必须对流场，以及固相颗粒进行简化。也就是所谓的物理，数学模型的建立。流场的简化主要包括将复杂和难于计算的三维流动进行的降维简化和对流体控制方程的简化。所谓降维即是将三维的问题降为二维的来计算或将二维的问题降为一维的来计算。所谓简化流动的基本控制方程，即依据某一具体流动，从流体运动连续方程、欧拉(Euler)运动微分方程、纳维斯托克司(Navier-Stokes)方程出发，推导出描述该流动
23、的更直接、更简明和便于求解的实用控制方程。而处理流场中固体颗粒时同样存在着不同的方法。如基于宏观连续介质理论的双流体模型，直接对颗粒进行跟踪的确定性颗粒轨道模型，随机性颗粒轨道模型等1。这些模型在两相流的研究中均有着不同的应用，而正如本文引言中所说本文意在研究两相流流场中的单元级结构因而采用了全尺度的固体颗粒模型，以得到更加真实的流场运动状态。 本次模拟研究中整个模拟过程分为3个部分:（1）单颗粒稳态模拟部分；（2）双颗粒稳态模拟部分;（3）双颗粒瞬态双向耦合模拟部分；单颗粒模拟部分主要内容为通过cfx及fluent双平台模拟求解单颗粒在不同雷诺数下受力。并且通过fluent和cfx双平台所得
24、到的结果，互相验证模拟结果可靠性。双颗粒稳态模拟部分应用fluent平台，通过改变双球相对距离，来流雷诺数获得不同情况下双球受力相关数据。双颗粒瞬态耦合模拟采用cfx平台（fluent平台不包含双向耦合功能），其目的在于验证通过分析单，双颗粒模拟数据得到实验结论。2.2物理模型的建立如小节 2.1 中所说，本次研究过程主要分为3个模拟部分，其物理模型也略有不同。首先以单球模拟部分为例，气相流体取为空气，各参量取于1标准大气压，25时值。为减小计算量，模型建立时将3维流场简化为2维矩形流场，3维颗粒简化为2维圆盘。流场为100mm200mm的矩形流场，经模拟实验证实这一边界大小满足要求，对颗粒受
25、力分析无影响。 煤粉颗粒直径为10mm。具体形状，尺寸如 图2.1所示。（煤粉炉煤粉颗粒直径一般在01000m，流化床锅炉煤粉颗粒直径为013000m，为便于计算故取值d=10000m）图2.1 单颗粒物理模型由于单球模拟阶段需要进行cfx和fluent的双平台比对模拟以验证模拟结果的可靠性，而cfx在计算二维流场时流场有厚度要求，故而在建立模型的时候赋予了整个模型1mm的厚度。这样这个流场实际上就存在这7个表面，其各个表面属性或者边界条件分别为： （1）左侧端面为速度进口（在这里控制速度变量）；（2）右侧端面为压力出口。压力为0Pa（操作压力为1标准大气压）；（3）上下两端面为滑移边界；（4
26、）颗粒表面为无滑移边界；（5）流场中剩余的两侧面设为为对称面；双球稳态模拟以及双球瞬态耦合模拟的物理模型同单颗粒模型基本相同，只是在单颗粒之后增加了一个同一粒径颗粒。两球球心距离D=nd，其中d为颗粒直径，n为模拟变量。另外双球模拟时加大了流场尺寸，以满足计算要求。具体尺寸见 图2.2图2.2 双颗粒物理模型2.3数学模型的建立模型的建立上采用N-S直接模拟法进行求解，空气简化为不可压缩粘性流体。其流体控制方程如下：不可压缩流体连续性方程： （2-1）运动微分方程：X- Y- Z- （2-2）其中，X,Y,Z是质量力，X=Y=Z=0，p是流体压力，是流体密度，t表示时间表示流体运动黏度系数。
27、流体方程边界条件,定解条件为:（1）左侧端面为速度进口uin（在这里控制速度变量）；（2）右侧端面为压力出口。压力为Pout=0Pa（操作压力为1标准大气压）；（3）上下两端面为滑移边界ux边界=ux临近边界,uy=0；（4）颗粒表面为无滑移边界u=0；（5）流场中剩余的两侧面设为为对称面uz=0；（6）耦合模拟中流场初始值ut0=uin;固体控制方程由牛顿第二定律导出： (2-3) 式中，p是压强，A是压力作用面。流固耦合方程：流固耦合方程遵循基本的守恒原则，既流固耦合交界面处满足应力与位移的变量等值关系：pl=ps （2-4）dl=ds （2-5）式中，p是压强（包括切向压强和法向压强），
28、d是位移，下标l表示流体，s表示固体。在数学模型的建立上通常有直接求解的数值模拟方法以及非直接数值模拟法的雷诺平均法和大涡模拟法等。所谓直接解法。就是直接求解瞬时湍流控制方程。其优点是：无需对湍流运动作任何近似或简化，可以得到理论上的准确解或计算结果；但目前其只能求解一些简单流动。而非直接模拟，就是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对流动做出某种程度的近似和简化处理后再进行数值计算。并且依据所采用的近似和简化方法的不同，非直接的数值模拟又分为大涡模拟法和统计平均法与雷诺（Reynolds）平均法。由于所研究的流场形状并不复杂且已经进行了降维简化故而采用N-S直接模拟法以取得更为精确的结果。2.
29、4研究平台简介本次模拟研究的实验平台为商务ansys14.0平台。做为世界通用的仿真分析软件，ansys很早便开始流固耦合方面的研究和应用。并先后收购组合了著名的流体仿真软件CFX和FLUENT,使得新开发的ANSYS Workbench有能力在不需要第三方软件的情况下，实现单向和双向耦合分析。本次模拟中主要应用其内部集成的fluent，cfx两个流体动力学分析模块，固体静力分析模块，以及ICEM高级网格构建模块等。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享
30、和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。ANSYS，Inc. (NASDAQ: ANSS)成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术的研发，在全球众多行业中，被工程师和设计师广泛采用。ANSYS公司重点开发开放、灵活的，对设计直接进行仿真的解决方案，提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台，同时追求快速、高效和和成本意识的产品开发。ANSYS公司和其全球网络的渠道合作伙伴为客户提供销售、培训和技术支持一体化服务。ANSYS公司总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，全球拥有60多个代理。AN
31、SYS全球有1700多名员工，在40多个国家销售产品。 ANSYS公司于2006年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国Fluent公司，于2008年收购了在电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国Ansoft公司。通过整合，ANSYS公司成为全球最大的仿真软件公司。目前，ANSYS整个产品线包括 结构分析(ANSYS Mechanical)系列， 流体动力学(ANSYS CFD(FLUENT/CFX）)系列，电子设计（ANSYS ANSOFT）系列以及ANSYS Workbench和 EKM等。产品广泛应用于航空、航天、电子、车辆、船舶、交通、通信、建筑、电子、医疗、国防、石油、化工等众多行业。
32、 本次研究过程中使用的主要网格划分软件为ICEM CFD(The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics) 。ICEM CFD拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。同时作为ANSYS家族的一款专业分析环境，还可以集成于ANSYS Workbench平台, 获得Workbench的所有优势。ICEM CFD的优点在满足各种数据接口，如：CATIA, CADDS5, ICEM Surf/DDN,I
33、-DEAS, SolidWorks, Solid Edge,Pro/ENGINEERand Unigraphic，该软件还可以自动跨越几何缺陷及多余的细小特征。对CAD模型的完整性要求很低，它提供完备的模型修复工具，方便处理“烂模型”。软件中植入Replay技术：对几何尺寸改变后的几何模型自动重划分网格。方便的网格雕塑技术实现任意复杂的几何体纯六面体网格划分，能够 快速生成自动生成六面体为主的网格， 自动检查网格质量,自动进行整体平滑处理，坏单元自动重划,可视化修改网格质量。图2.3 ansys14.0启动界面第三章 瞬态双向耦合操作示例3.1 创建分析项目（1）启动ANSYS Workben
34、ch14.0。选择FileSave或单击。出现一个“另存为”对话框，选择存储路并径保存项目文件。在“文件名”处输入文件名，这里以“shili”为例。注：ANSYS 中所有的文件名，路径应全部为英文或数字，否则可能出现不识别或提示错误的状况。图3.1（2）展开位于ANSYS Workbench左侧的Toolbox选择Geometry，Transient Structural，CFX模块依次拖动至Project Schenmatic并如 图3.2进行模块连接图3.23.2 建立几何模型（1）双击Geometry模块的Geometry单元进入Design Modeler。（2）在弹出的单位选择列表内
35、选择Millimeter作为建模单位。（3）创建流场区域。单击主菜单的GreatePrimitivesBox。Details View中进行如 图3.3设置。右击模型树中的Box1，单击Generate生成外流域。图3.3（4）创建颗粒模型。单击主菜单的GreatePrimitives Cylinder。Details View中进行如 图3.4设置。右击模型树中的Cylinder1，单击Generate生成颗粒模型。同理创建第二个颗粒模型，设置如图3.5图3.4图3.5（5）选择模型树中的体并重新命名，选择各体的流固属性，如图3.6图3.6（6）右击模型中各个表面，选择弹出菜单中name s
36、election，命名模型各面，其中要注意流固耦合面包括流场与固体接触面和固体本身表面这两个表面，完成后如 图3.7图3.7（7）单击主菜单中的File Save Project保存文件，关闭操作窗口。注：ANSYS14.0的模型构建同之前版本略有不同，主要体现在冰冻体的属性上，如果使用Ansys12.1等早期版本，望加以注意。3.3固体颗粒网格划分及求解设置（1）双击Transient Structural下的model进入网格划分及约束添加界面。（2）在Meshanical中展开ProjectModelGeometry，可以看到之前设置的三个体。结构分析中不需要流场存在，故右击lc，在快捷
37、菜单中选择Suppress Body对流场区域在菜单栏内选择进行抑制。（3）右击菜单栏的Units选择mm作为单位。（4）右击Mesh，在快捷菜单选择InsertSizing。修改设置如图3.7。然后再次右击MeshGenerate Mesh生成固体网格。图3.7（5）设置结构求解时间步长。双击Project下面的Transient，将Auto Time stepping设置为off，在Time Step中输入0.05，在Step End Time中输入50s如 图3.8。此处设置应与下面流场求解中设置的时间步长等相一致，否则会出现错误。图 3.8（6）添加位移约束。右击Project下面的T
38、ransient，单击insertDisplacement，选择一个颗粒圆柱的上下面，X,Y方向上设置为Free，Z设置为0。同样设置另外一个颗粒。如 图3.9图3.9（7）设置流固耦合面。右击Project下面的Transient，单击insertFluid Solid Interface，选着颗粒圆柱侧面。同样设置另一个颗粒的流固耦合面。（8）添加弹性约束。右击Project下面的Transient，单击insertElastic support选择圆柱侧面（同Fluid Solid Interface），在foundation stiffness中输入2N/m3。同样设置另一个颗粒的流固
39、耦合面。弹性约束力的存在是为了防止颗粒运动出流场而导致计算错误，其大小应与颗粒受力处于同一量级。个人利用仅针对本模型的公式3.1进行求得 （3-1）式中，K为弹性约束，S为模型厚度，d为颗粒直径，f为单颗粒处于流场中的水平受力，L为颗粒被准许的最大位移。图 3.10（9）添加固体求解结果并输出input文件。右击Project下面的Solution，单击Insert StrainEquivalent（von-Mises）。单击Solution，然后单击工具栏中的ToolsWrite Input File如图3.11所示。输入名称（由英文和数字组成），保存类型选为*.inp。如图3.12图 3.
40、11图3.12（10）保存并退出工作界面。3.4利用ICEM进行流场网格划分（1）启动ICEM。在Windows“开始”菜单中选择All programsAnsys14.0MeshingICEM.（2）向ICEM导入利用ANSYS Workbench Geometry构建的模型文件。单击File Workbench Reader，在弹出的对话框内选择之前生成的ANSYS Workbench图标，如图3.13。单击确定，单击Apply完成导入。图3.13（3）隐藏固体结构。展开模型树中的Parts，取消固体部分实体和面的勾选。（4）划分O型网格的前期准备。在模型树的Geometry中只勾选Cur
41、ves。分别在两个颗粒圆柱的4个圆面的圆周上画4个辅助点将圆周4等分。操作过程为单击工具栏中的GeometryCreatePoint Parameter along a Curve。Parameter填写0.125进行画点，然后改为0.375，0.625，0.875。如图3.14图3.14（4）创建block。单击工具栏的然后单击apply。（5）划分block。单击工具栏的blocking |split block中的 。单击split blockspilt MethodPrescibed point，分别以之前划分的个点为基准划分block。图3.15（6）对应Edge到Curve。将颗粒
42、圆柱上的Block对应到实体Curve。单击blockAssoiciate Assoiciate Edge to Curve 。（7）划分O型网格。单击blockSplit Block ，选择一个颗粒圆柱中的block及两侧端面。在OgridBlock对话框中勾选Around blocks，并在Offset中输入0.2，如图3.16，单击apply。同样设置另一个颗粒圆柱。图3.16（8）对齐Edge。上一步结束后流场block如图3.17。单击BlockMove VerticesAlign Vertices，Along edge direction中选择要对齐的边，Reference ver
43、tex中选择基准点，如图3.18。全部对齐后如图3.19所示。图3.17图3.18图3.19（9）删除多余的block。因为颗粒圆柱为固体，因此要将颗粒圆柱中心block删除，单击DeleteBlock选择相应的Block。（10）定义网格尺寸。单击MeshGlobal Mesh Parameters ，在Global Element Seed Size中输入1，单击apply。（11）预生成网格。单击BlockPre.MeshParams ，选择Update allapply。打开模型树中的Block，勾选Pre-Mesh，可以看到预生成网格如图3.20。图3.20（12）设置局部网格尺度及
44、网格疏密比例。单击BlockPre-Mesh ParamsMeshing，勾选Pre-Mesh Params下方的Copy Parameters，接下来分别勾选圆柱周围的的edge，节点数如图3.21进行设置，同时将Mesh Law选为linear，调整网格疏密比例，使得接近颗粒表面的网格细密，远离颗粒圆柱的网格稀疏，如图3.22。图3.21图3.22（13）再次预生成网格。检查无误后保存文件。（14）输出网格文件。单击Fileload from Blocking，然后单击OutputSelect Solve ,菜单选择如图3.23，单击apply。然后单击output中的write inpu
45、t按钮，输出*.cfx文件。图3.233.5 流场初始化及求解设置（1）双击Workbench中以调出的cfx模块中的Setup启动CFX。（2）导入流场网格。单击FileImportMesh，在弹出的对话框中，右侧的Mesh Units选择mm。在下方的Files of Type中选择ICEM CFD(*cfx*cfx5*msh)，选择划分好的流场网格文件单击open，如图2.24。图3.24（3）双击ANSYS CFX.Pre中的Analysis Type项，进行如表3.1所示设置。表3.1TabSettingsValueBasic SettingsExternal Solver Coup
46、lingANSYS MultiFieldMechanical Input FileShiliyanshi.inpCouping Time ControlCoupling Time DurationOptionTotal TimeCouping Time ControlCoupling Time DurationTotal Time50sCouping Time ControlCoupling Time StepOptionTimeStepsCouping Time ControlCoupling Time Step TimeSteps0.05sAnalysis Type Time DurationOptionCoupling Time DurationAnalysis Type TimeStepsOptionCou