随机填充球床通道内单相流动数值模拟方法研究

提高网格质量 ，反而会大幅度增加网格数量 ，提
高计 算 成本 。
差 ，最终计算通道见图 ２ 。由于大量使用非结构 化网格 ，网格的歪斜度成为判定网格质量 的关键 指标 。Ｇ ａ ｍ ｂ ｉ ｔ 中规定歪斜度介于 ｌ 之间 ， 其中 数值越小代表生成网格质量越高 。本文网格歪斜
度分布见图 ３ ， 最大歪斜率为 ０ ． ８ ７ ， 满足 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ ＮＴ 计算要求 。
收稿 日期：２ ０ １ ２ － ０ ６ － ０ ５ ￣修回日 期： ２ ０ １ ３ － ０ ６ － １ ８ 基金项 目：国家自然科学基金资助项 目 （ １ １ ０ ７ ５ ０ ４ ２ ）
摩擦系数
Ｏ ． ｏ ｏ ｌ
３ 数值模拟方法
３ ． １ 网格划 分 通道内球体随机排列 ，使得其 间的流体区域
泊 松 比
２ ５ ５ ０ ５ ５
Ｏ ． ２ ５
２ 几何模 型 对于随机排列几何结构 ，目前 的算法 和模型 大致 可以分为蒙特卡罗法 （ ＭＣ Ｍ） 和离散单元法 （ Ｄ Ｅ Ｍ） 。 ＭＣ Ｍ 通过随机模型来确定空间内球体 位置得到随机排列几何结构 ，但 由于没有考虑堆 积过程 中的力学平衡机制 ， 其堆积结构不够稳定 ，
计算模型能够很好地体现出边壁效应对流动阻力的影响。 关键词 ：随机填充球床通道 ；单相流动 ； 数值模拟
中图分类号 ：Ｔ Ｋ１ ２ ４ 文献标 志码 ：Ａ
且无法对堆积方式进行模拟。 Ｄ Ｅ Ｍ 的基本原理是 将介质分离成离散单元 的集合 ，通过运动学定律 球床通道 内部结构的高度复杂性使得相关流 动 和传热特性很难进行理论分析 ，而现有实验手 和接触模型 ，考虑颗粒间及颗粒与壁面间的相互 段通常仅限于获得宏观参量 ，不能有效地对通道 作用力 ，能够 比较真实 的反应颗粒堆积过程 。 本研究采用基于 Ｄ Ｅ Ｍ 的Ｐ Ｆ Ｃ ３ Ｄ软件来模拟 内部特性进行研究 。数值模拟方法研究球床通道 球体的堆积过程 。程序可直接模拟球形颗粒的运 内部特性逐渐成为一种有效手段。然而数值研究 球体几何参数及接触参数见表 ｌ 。 中球床通道结构 的特殊性 ，也给网格生成带来很 动和相互作用 。 大问题 ，特别是球体之 间以及球体与管壁之间的 模拟过程如下 ：首先在预先设定的圆柱形 区域 内 接触区域 。所 以，大部分研究者通 常采用球体规 按照给定的尺寸和数 量随机生成松散球体 ，然后 则排列形成对称结构 ，以此来降低 网格生成难度 对球体施加重力作用使其下落 ，在堆积过程中球 和数量 。但这与工程 中常用韵 随机结构存在很大 体间及球体与管壁间相互碰撞产生相互作用力而 发生位移 ，当达到收敛标准后计算停止 。 差异 。
的模拟 失真 。
图 ２ 计算通道示 意图
Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ Ｄｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ Ｃｏ ｍｐ ｕ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ
鉴于收缩法的不足 ， 本文采用一种新 的处理 方法——搭桥法 ，对曲面接触 区进行处理 。具体 是 ：在环绕接触 区构造出一环面 ， 通过该环面使
Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ Ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ Ｇｅ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ Ｃｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ
１ 前
言
参数名
管径／ ｍｍ
球￣ ＃ Ｊ ｍｍ
参数值
５ ０ ． ６
８
个数
２ ０ ｏ
密度／ ｌ 噜． ｍ 剪切模ｔ／ ＭＰ ａ
克服 “ 尖角”问题较简单的做法是减小球体 半径 （ 即收缩法 ）【 １ 】 ，使原本相交接触 的区域分 离（ 图１ ） 。不过由于球体积与球体半径的 ３ 次方
段
成正 比例 ，因此即使稍微减小球体半径 ，也会造 成球体积的显著减小 ，导致孔 隙率增大和流动阻 力减小 ；同时接触区的消失 ，也会造成流场分布
核 动 力 工 程 பைடு நூலகம்
ｖ ｏ Ｉ ． ３ ４ ． ＮＯ ． ４ ． ２ ０ １ ３
迂 回曲折 ，形状极不规则 ，给网格划分带来很大 困难 。虽然大部分区域可以通过减小网格尺寸来
影响 ，在填充段前后增设 了空管段来减小计算误
生成和提高精度 ， 但在球体之间及球体与管壁间
相互接触的区域 ，由于存在 曲面相交 ，使得这一 区域形成狭窄 “ 尖角”（ 图 １ ） 。这些 “ 尖角”的 存在 ，会使该处的网格歪斜度过大、质量降低 ， 对计算收敛性和结果准确性造成影响。通过计算 发现 ：在这些 区域仅仅减小网格尺寸 ，不仅不能
随机填 充球床通道 内单相流动 数值模 拟方法研 究
张 楠 ，孙 中宁
哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，哈尔滨 ．１ ５ ０ ０ ０ １
摘要 ： 利 用离散单元方法 （ Ｄ Ｅ Ｍ） 建立通道 内球体随机排列几何模 型 ， 对通道 内单相 流动进行数值模拟 并进 行验证 。网格划分 中的曲面接触区采用搭桥 法处 理不 仅可 生成 高质量 网格 ，而且使整 体网格数量也 明显 减少 。 验证结果表 明 ： 计算得 到的通道 内径 向孔 隙率分布 、 平均孔隙率 以及 流动阻力 与经典关系式吻合较好 ；
第 ３ ４卷
第 ４期
核 动 力 工 程
Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
Ｖｂｌ ＿ ３ ４ ．Ｎ Ｏ ． ４ Ａ Ｕｇ． ２０１ ３
２ ０ １ ３ 年 ８ 月
文章编号 ：０ ２ ５ ８ — ０ ９ ２ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ － ０ ０ ４ ３ ． ０ ４
本研究采用离散单元法建立球体随机排列几 何模型 ，并对 网格划分中的接触 问题进行分析和 处理 ， 然后利用 Ｃ Ｆ Ｄ软件对通道内单相水流动特 性进行数值模拟 。通过与经典关系式 的比较 ，考 核随机堆积方法 的适用性和流动模型的有效性 ， 为进一步地深入研究奠定基础 。
表 １ 几何 参数及接触参数