Development of a DEM–VOF Model for the Turbulent Free-Surface Flows with Particles and Its Application to Stirred Mixing System

混合(物理) 流体体积法 湍流 离散元法 机械 自由面 粒子(生态学) 多孔性 雷诺数 材料科学 流量(数学) 物理 地质学 复合材料 量子力学 海洋学
作者
Liang Wu,Ming Gong,Jingtao Wang
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:57 (5): 1714-1725 被引量:78
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.7b04833
摘要

The free-surface flows with particles are widely found in chemical engineering, and numerical modeling is a strong computing tool for in-depth understanding of the local and macrocharacteristics. In this study, a discrete element method–volume-of-fluid (DEM–VOF) model is extended to turbulent free-surface flows with particles, by means of Reynolds stress model. Also, we adopt a novel virtual dual-grid porosity model to calculate the fluid porosity. The simulated results of single particle sedimentation, the falling of sinking particles, and the floating of buoyant particles agree well to analytical and literatures, which validate the proposed DEM–VOF model. Furthermore, the DEM–VOF model developed in this paper is applied to the simulation of free surface flow with particles in solid–liquid mixing system for the first time. It is found that elliptical-head vessel is preferred to a flat-bottomed vessel for solid–liquid mixing by comparing the simulation results of four different stirred tanks, which agrees well to the related content of the book Handbook of Industrial Mixing (Paul, E. L.; Atiemo-Obeng, V. A.; Kresta, S. M. Eds.; John Wiley & Sons, 2004).
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