磨损问题广泛存在于能源化工过程的各类设备中。与此同时,我国贫油少气多煤的能源结构特点,使得煤炭的重要性尤为突出。在煤的开采利用过程中,大量设备均需面对严峻的磨损问题,如磨煤用球磨机衬板磨损,广泛存在的管道系统的冲蚀磨损,流化床的冲蚀磨损等。由于磨损大大增加了运行维护成本,因此是设备研发和设计中需要重点考虑的问题之一。随着计算机技术的迅速发展,数值计算方法已经成为了基础研究和工程设计的重要手段之一。而一个能较为准确预测设备中磨损的数值计算方法,可以显著缩短装置的研发周期,指导设备的设计制造和运行维护,因此具有较大的工程实际意义。围绕煤炭处理设备的磨损,本文建立了一种高精度数值预测方法,主要研究内容陈述如下:(1)提出一种基于离散单元法(Discrete Element Method,DEM)的可计算稀相和浓相颗粒流造成磨损的颗粒尺度磨损模型——切向撞击能量模型(Shear Impact Energy Model,SIEM)。在DEM中,为了节约计算时间,一般在允许范围内取较小的弹性系数,而不同弹性系数下计算所得切向撞击能量不同,故为确保弹性系数对切向撞击能量的计算没有影响,应用了新的确定碰撞点的方法。SIEM是从能量的角度分析冲蚀磨损获得。基于能量角度观察Finnie塑性材料冲蚀磨损模型,可以发现磨损与颗粒的部分动能有关。比较DEM模拟获得的切向撞击能量与Finnie的理论计算值,发现两者成明显的正比例关系,进而通过大量模拟计算确定磨损与切向撞击能量的比例系数为常数,最终获得基于切向撞击能量的颗粒尺度磨损模型。模型预测的单个颗粒以不同角度碰撞铝板的磨损值与Finnie理论值几乎一致;模型预测的颗粒流以不同角度碰撞铝板的磨损值亦与实验结果基本符合。相比于Finnie的模型,SIEM只需在进行DEM模拟的同时记录壁面接收的切向撞击能量即可,而不需要入射速度和入射角,因此可以直接计算当颗粒浓度较大时滑动和非直接碰撞造成的磨损。(2)建立DEM-SIEM耦合模型并应用于粉磨设备磨损的预测。模拟得到的半自磨机提升条磨损与实验结果符合较好,表明SIEM可以准确预测颗粒浓度极大时的磨损。为了考察数值计算方法对粉磨机械磨损进行机理研究和工程指导的可行性,基于模拟结果分析了磨机转速和提升条形状对磨损影响。然后,不同转速和提升条形状下的磨损和能量利用效率亦在本文中进行了综合评估,以期为粉磨机械设计和维护起到一定指导作用。为了确认粒径大小对衬板磨损的影响,考察了不同粒径颗粒造成的衬板磨损。结果表明小颗粒造成磨损小于大颗粒,即使碰撞频率显著更大。由于实际煤粉颗粒并非为球形,故将SIEM与非球形DEM耦合以研究颗粒形状对衬板磨损影响,与将颗粒简化为球形的模拟结果对比,发现颗粒形状对磨损有重要影响,尤其是提升条上表面磨损。(3)建立CFD-DEM-SIEM耦合模型并应用于管道及流化床的磨损预测。首先,采用这一方法对弯管中稀气固两相流造成的冲蚀磨损进行了数值模拟,结果与相应实验数据基本吻合,表明建立的数值计算方法能够准确预测稀相下的冲蚀磨损。然后,考察了不同颗粒浓度下,使用不同两相耦合方法预测弯管冲蚀磨损的准确性,结果表明在本文使用的颗粒浓度下,使用单向耦合CFD-DEM足以较为准确地计算弯管冲蚀磨损。相比于使用双向耦合,这将大大节约计算时间。接着,对二维错排埋管流化床中稠密气固两相流造成的冲蚀磨损进行了数值模拟,预测结果与实验数据符合较好。基于模拟数据,文中还考察了计算方法在研究流化床冲蚀磨损问题上的表现,如埋管磨损特性与流化床内颗粒相的内循环特性关系等。最后,通过应用SIEM耦合CFD-DEM对三维流化床内埋管磨损进行数值模拟研究,并结合二维流化床模拟结果,可知床层中部位置埋管冲蚀磨损主要受颗粒速度影响(即颗粒的规律运动起决定性作用),而靠近侧壁面位置的埋管磨损主要受管周颗粒运动的混乱度影响(即颗粒运动的波动能量起决定性作用)。