本發(fā)明涉及一種顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)：

1、作為粉末冶金中應(yīng)用最廣泛的原材料，球形金屬粉末常見的生產(chǎn)工藝為真空感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法，等離子絲材霧化法等。受制于粉末制備工藝原理，粉末顆粒的粒徑范圍呈正態(tài)分布(粒徑范圍為0.1μm～200μm)。不同粉末冶金工藝所需的顆粒粒徑范圍不同，粒徑過小和過大的粉末無法應(yīng)用粉末冶金工藝中，約有20％～40％粉末存在浪費(fèi)現(xiàn)象，因此粒徑不符合實(shí)際生產(chǎn)需求的球形金屬粉末循環(huán)再利用成為亟待解決的問題。球形金屬粉末的回收再利用可有效降低生產(chǎn)成本。

2、通過直接感應(yīng)加熱由球形金屬粉末與母合金組成的混合物料，熔化后的熔體再經(jīng)惰性氣體霧化噴粉的工藝方法是目前國內(nèi)一種新型的粉末循環(huán)再利用生產(chǎn)方法。為了保證霧化工藝前熔體不被氧化，需確保在真空環(huán)境下感應(yīng)加熱混合物料。

3、以往研究在探究顆粒床氣固兩相流運(yùn)動規(guī)律時，未考慮復(fù)雜腔體與氣體流動的耦合作用對顆粒流動的影響。在抽真空工藝中，過大抽真空速度會導(dǎo)致感應(yīng)熔煉爐內(nèi)氣體流動速度增大，堆積在熔煉坩堝內(nèi)顆粒床表層的細(xì)小粉末顆粒在氣體曳力的作用下被拖曳出坩堝，部分粉末顆粒會隨氣體進(jìn)入真空系統(tǒng)，進(jìn)而破壞真空系統(tǒng)。因此，過快的抽真空速度會破壞真空系統(tǒng)，而過慢的抽真空速度會降低生產(chǎn)效率，現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于粉末回收重熔工藝前的抽真空過程中顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬的方法尚未見報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的球形金屬粉末的回收再利用過程易造成真空感應(yīng)熔煉爐的真空系統(tǒng)破壞或生產(chǎn)效率低的問題，提出一種基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法。本發(fā)明充分考慮抽真空速度對顆粒運(yùn)動軌跡的影響，同時通過曲線擬合確定了顆粒在不同抽真空速度的最大飛行速度；并研究感應(yīng)熔煉爐內(nèi)不同抽真空速度的顆粒運(yùn)動軌跡，實(shí)現(xiàn)在不損害真空系統(tǒng)的前提下提高生產(chǎn)效率，模擬結(jié)果對粉末回收重熔前的抽真空工藝具有指導(dǎo)意義。

2、本發(fā)明基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按照以下步驟進(jìn)行：

3、步驟1、采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件建立感應(yīng)熔煉爐內(nèi)顆粒床氣固兩相流區(qū)域二維模型；根據(jù)感應(yīng)熔煉爐內(nèi)各部件所在位置、感應(yīng)熔煉爐外形尺寸和感應(yīng)熔煉爐的真空口尺寸建立感應(yīng)熔煉爐內(nèi)抽真空工藝顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬計(jì)算域；

4、步驟2、采用網(wǎng)格劃分軟件對感應(yīng)熔煉爐內(nèi)抽真空工藝顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對氣體與顆粒床顆粒相鄰所在區(qū)域范圍進(jìn)行網(wǎng)格加密；

5、步驟3、采用計(jì)算流體力學(xué)求解器對感應(yīng)熔煉爐內(nèi)抽真空工藝的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬進(jìn)行求解；

6、所述進(jìn)行求解的設(shè)置包括：采用壓力基瞬態(tài)求解；定義重力及方向；采用歐拉-歐拉兩相流模型結(jié)合sst湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算；定義各計(jì)算區(qū)域相、材料屬性、相間相互作用；根據(jù)抽真空工藝設(shè)置真空口抽氣速度邊界條件對計(jì)算域各物理?xiàng)l件進(jìn)行初始化設(shè)置；壓力速度耦合采用simple算法；設(shè)置收斂殘差、計(jì)算時間步長、計(jì)算總時長；

7、步驟3所述歐拉-歐拉兩相流模型的歐拉相數(shù)量為2，將主相設(shè)置為空氣，次相設(shè)置為顆粒材料；

8、步驟3中材料屬性包括顆粒直徑、顆粒粘度參數(shù)、堆積密度；顆粒直徑為10μm和100μm；顆粒粘度采用模型lun-et-al模型；堆積密度為0.55；

9、步驟3所述壓力速度耦合采用simple算法，設(shè)置收斂殘差為1e-5、計(jì)算時間步長為1e-4s、計(jì)算總時長10s；

10、步驟3所述計(jì)算域各物理?xiàng)l件進(jìn)行初始化設(shè)置包括：邊界條件設(shè)置為固定壁面采用無滑移壁面，進(jìn)口設(shè)置為速度入口，空氣的體積分?jǐn)?shù)值設(shè)定為1；

11、步驟4、采用計(jì)算流體力學(xué)后處理軟件輸出顆粒床氣固兩相流運(yùn)動特征的數(shù)值模擬結(jié)果；所述顆粒床氣固兩相流運(yùn)動特征的數(shù)值模擬結(jié)果包括體流動速度云圖，顆粒運(yùn)動速度云圖，顆粒最大飛行速度擬合曲線。

12、本發(fā)明的有益效果是：

13、現(xiàn)有技術(shù)中，通常是采用實(shí)驗(yàn)法對感應(yīng)熔煉爐內(nèi)抽真空工藝顆粒床氣固兩相流進(jìn)行研究，易破壞真空系統(tǒng)且經(jīng)濟(jì)成本較高。本發(fā)明在顆粒床氣固兩相流界面追蹤方面選用歐拉-歐拉兩相流模型，相較于歐拉-拉格朗日方法具有計(jì)算成本小，計(jì)算效率快的優(yōu)勢。結(jié)合sst湍流模型，可以獲取更多較為準(zhǔn)確的瞬態(tài)氣體流動特征，包括氣體渦流的位置與結(jié)構(gòu)、氣體流場瞬時速度分布等，同時又克服了直接數(shù)值模擬由于需要求解所有湍流信息而帶來的巨大計(jì)算能力需求的問題。本發(fā)明提供的基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法能夠準(zhǔn)確地對抽真空工藝過程中的顆粒運(yùn)動進(jìn)行模擬，闡明抽真空速度、顆粒直徑等因素對顆粒運(yùn)動軌跡的影響，模擬過程接近實(shí)際情況。相比實(shí)驗(yàn)原位測量的研究方式，具有不破壞真空系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)成本低、研究效率高的優(yōu)勢。

技術(shù)特征：

1.一種基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按，其特征在于：基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按照以下步驟進(jìn)行：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按，其特征在于：步驟1所述感應(yīng)熔煉爐內(nèi)各部件包括爐體、真空口、坩堝和顆粒原料。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按，其特征在于：步驟1所述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件為ansys?spaceclaim。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按，其特征在于：步驟1所述感應(yīng)熔煉爐外形尺寸的外形尺寸為2m和1.8m，感應(yīng)熔煉爐的真空口直徑為0.8m。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按，其特征在于：步驟2所述網(wǎng)格劃分軟件為ansys?meshing。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按，其特征在于：步驟3所述計(jì)算流體力學(xué)求解器為ansys?fluent。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按，其特征在于：步驟3所述計(jì)算流體力學(xué)求解器基于湍流方程及雙歐拉控制方程建立的歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)學(xué)模型。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按，其特征在于：所述湍流方程為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按，其特征在于：所述雙歐拉控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于歐拉-歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法按，其特征在于：所述計(jì)算流體力學(xué)后處理軟件為cfd-post。

技術(shù)總結(jié)
一種基于歐拉?歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法，涉及一種顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法。為了解決現(xiàn)有的球形金屬粉末的回收再利用過程易造成真空感應(yīng)熔煉爐的真空系統(tǒng)破壞或生產(chǎn)效率低的問題，提出一種基于歐拉?歐拉模型的顆粒床氣固兩相流數(shù)值模擬方法。本發(fā)明充分考慮抽真空速度對顆粒運(yùn)動軌跡的影響，同時通過曲線擬合確定了顆粒在不同抽真空速度的最大飛行速度；并研究感應(yīng)熔煉爐內(nèi)不同抽真空速度的顆粒運(yùn)動軌跡，實(shí)現(xiàn)在不損害真空系統(tǒng)的前提下提高生產(chǎn)效率，模擬結(jié)果對粉末回收重熔前的抽真空工藝具有指導(dǎo)意義。

技術(shù)研發(fā)人員：孫威,孫劍飛,曹福洋,黃永江,向潤方
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26