Numerical investigation of particle-fluid interaction system based on discrete element method
Authors:   , Zhang Hao 
Published: October 2023

This thesis focuses on the numerical investigation of the particle-fluid systems based on the Discrete Element Method (DEM). The whole thesis consists of three parts, in each part we have coupled the DEM with different schemes/solvers on the fluid phase. In the first part, we have coupled DEM with Direct Numerical Simulation (DNS) to study the particle-laden turbulent flow. The effect of collisions on the particle behavior in fully developed turbulent flow in a straight square duct was numerically investigated. Three sizes of particles were considered with diameters equal to 50 µm, 100 µm and 500 µm. Firstly, the particle transportation by turbulent flow was studied in the absence of the gravitational effect. Then, the particle deposition was studied under the effect of the wall-normal gravity force in which the influence of collisions on the particle resuspension rate and the final stage of particle distribution on the duct floor were discussed, respectively. In the second part, we have coupled DEM with Lattice Boltzmann Method (LBM) to study the particle sedimentation in Newtonian laminar flow. A novel combined LBM-IBM-DEM scheme was presented with its application to model the sedimentation of two dimensional circular particles in incompressible Newtonian flows. Case studies of single sphere settling in a cavity, and two particles settling in a channel were carried out, the velocity characteristics of the particle during settling and near the bottom were examined. At last, a numerical example of sedimentation involving 504 particles was finally presented to demonstrate the capability of the combined scheme. Furthermore, a Particulate Immersed Boundary Method (PIBM) for simulating the fluid-particle multiphase flow was presented and assessed in both two and three-dimensional applications. Compared with the conventional IBM, dozens of times speedup in two-dimensional simulation and hundreds of times in three-dimensional simulation can be expected under the same particle and mesh number. Numerical simulations of particle sedimentation in the Newtonian flows were conducted based on a combined LBM - PIBM - DEM showing that the PIBM could capture the feature of the particulate flows in fluid and was indeed a promising scheme for the solution of the fluid-particle interaction problems. In the last part, we have coupled DEM with averaged Navier-Stokes equations (NS) to study the particle transportation and wear process on the pipe wall. A case of pneumatic conveying was utilized to demonstrate the capability of the coupling model. The concrete pumping process was then simulated, where the hydraulic pressure and velocity distribution of the fluid phase were obtained. The frequency of the particles impacting on the bended pipe was monitored, a new time average collision intensity model based on impact force was proposed to investigate the wear process of the elbow. The location of maximum erosive wear damage in elbow was predicted. Furthermore, the influences of slurry velocity, bend orientation and angle of elbow on the puncture point location were discussed.

Esta tesis se centra en la investigación numérica de sistemas partícula-líquido basado en la técnica Discrete Element Method (DEM). La tesis consta de tres partes, en cada una de las cuales se ha acoplado el método DEM con diferentes esquemas/solucionadores en la fase fluida. En la primera parte, hemos acoplado los métodos DEM con Direct Numerical Simulation (DNS) para estudiar casos de "particle-laden turbulent flow". Se investigó numéricamente el efecto de las colisiones en el comportamiento de las partículas en el flujo turbulento completamente desarrollado en un conducto cuadrado recto. Tres tamaños de partículas se consideraron con diámetros de 50, 100 y 500 micrometros. En primer lugar, el transporte de partículas por el flujo turbulento se estudió en la ausencia del efecto gravitacional. Entonces, la deposición de partículas se estudió bajo el efecto de la fuerza de gravedad normal a la pared, en el que se discutieron la influencia de la tasa de colisiones en re-suspensión de las partículas y la fase final de la distribución de partículas en el suelo del conducto, respectivamente. En la segunda parte, se ha acoplado los métodos DEM con Lattice Boltzmann Method (LBM) para estudiar la sedimentación de partículas en flujo laminar newtoniano. Un nuevo metodo combinado LBM-IBM-DEM se presentó y ha sido aplicado para modelar la sedimentación de dos partículas circulares bi-dimensionales en flujos Newtonianos incompresibles. Se estudiaron casos de sedimentación en una cavidad de una sola esfera, y sedimentación de dos partículas en un canal, las características de la velocidad de la partícula durante la sedimentación y cerca de la base fueron también examinados. En el último caso, un ejemplo numérico de sedimentación de 504 partículas fue finalmente presentado para demostrar la capacidad del método combinado. Además, se ha presentado un método "Particulate Immersed Boundary Method" (PIBM) para la simulación de flujos multifásicos partícula-fluido y ha sido evaluado en dos y tres dimensiones. En comparación con el método IBM convencional, se puede esperar con el mismo número de partículas y de malla un SpeedUp docenas de veces superior en la simulación bidimensional y cientos de veces en la simulación en tres dimensiones. Se llevaron a cabo simulaciones numéricas de la sedimentación de partículas en los flujos newtonianos basados en una combinación LBM - PIBM - DEM, mostrando que el PIBM podría capturar las características de los flujos de partículas en el líquido y fue en efecto un esquema prometedor para la solución de problemas de interacción fluido-partícula. En la última parte, se ha acoplado el método DEM con las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes (NS) para estudiar el transporte de partículas y el proceso de desgaste en la pared de una tubería. Se utilizó un caso de transporte neumático para demostrar la capacidad del modelo acoplado. Entonces se simuló el proceso de bombeo de hormigón, de donde se obtuvo la presión hidráulica y la distribución de la velocidad de la fase fluida. Se monitoreó la frecuencia de impacto de las partículas en la tubería doblada, se propuso un nuevo modelo de intensidad de colisión promediado en tiempo para investigar el proceso de desgaste del codo basado en la fuerza de impacto. Se predijo la ubicación del daño máximo desgaste por erosión en el codo. Además, se examinaron las influencias de la velocidad de pulpa, la orientación y el ángulo de curvatura del codo en la ubicación del punto de punción.