發(fā)布時(shí)間：2021-07-11 08:26

　　在氣固兩相流的數(shù)值模擬中,MP-PIC（Multiphase Particle-In-Cell）作為一種粒子與網(wǎng)格混合的方法,兼具了效率與精確性:對(duì)顆粒的離散處理使其在計(jì)算、分析顆粒行為時(shí)比連續(xù)方法更具優(yōu)勢(shì);以少量計(jì)算粒子代替大量屬性相同的顆粒并以固相應(yīng)力模型模擬顆粒間的碰撞顯著降低了計(jì)算量并提高了計(jì)算效率。因此,本論文采用MP-PIC方法實(shí)現(xiàn)流態(tài)化反應(yīng)器的快速模擬,并探討進(jìn)一步提高其模擬精度和效率的途徑。在MP-PIC方法中,固相正應(yīng)力模型表征顆粒間的相互作用,而傳統(tǒng)模型并未考慮介尺度結(jié)構(gòu)的影響;在計(jì)算時(shí),離散顆粒的定位、顆粒屬性在非規(guī)則流體網(wǎng)格上的插值復(fù)雜耗時(shí)。這些因素限制了 MP-PIC方法在工業(yè)模擬中的應(yīng)用�；谏鲜鰡�(wèn)題,本論文在模型方面基于EMMS（Energy Minimization Multi-Scale）理論發(fā)展了考慮介尺度結(jié)構(gòu)的非均勻固相應(yīng)力模型;在算法方面通過(guò)網(wǎng)格映射簡(jiǎn)化顆粒計(jì)算;在應(yīng)用方面,對(duì)程序進(jìn)行了并行及優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)裝置的模擬。具體如下:1)作為研究基礎(chǔ),本論文整合了一套現(xiàn)有單相PIC代碼與開(kāi)源軟件OpenFOAM構(gòu)建了功能完整的MP-PIC計(jì)算程序F... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所)北京市

【文章頁(yè)數(shù)】：180 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１氣固流態(tài)化系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)變化的復(fù)雜性ｗ??

ｅｒｉｃａｌ?Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，?ＤＮＳ），雙流??體模型（Ｔｗｏ－ＦｌｕｉｄＭｏｄｅｌ，?ＴＦＭ）?＿以及離散顆粒模型（ＤｉｓｃｒｅｔｅＰａｒｔｉｃｌｅＭｏｄｅｌ，??ＤＰＭ）?［３１］。??１．２．１直接數(shù)值模擬??ＤＮＳ起源于單相揣流分析，要求在不需任何湍流模型的情況下對(duì)Ｎａｖｉｅｒ－??Ｓｔｏｋｅｓ?（Ｎ－Ｓ）方程進(jìn)行數(shù)值求解，因而需要保證網(wǎng)格的解析度在Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ尺??度以下氣固兩相流的ＤＮＳ同樣要求較高的網(wǎng)格解析度，通常網(wǎng)格的尺寸??比顆粒直徑小一個(gè)量級(jí)，如圖１．２所示。由于顆粒周圍的流場(chǎng)己完全解析，因此??不需要封閉Ｎ－Ｓ方程中的氣固兩相相互作用項(xiàng)。在計(jì)算時(shí)，顆粒表面被視為流體??流場(chǎng)中的自由移動(dòng)邊界，因此可以將流場(chǎng)中的顆粒表示為一系列運(yùn)動(dòng)壁面的集合，??通過(guò)對(duì)其表面的應(yīng)力積分獲得顆粒的受力情況。??ｆ?１—＃￣＾??＜?ｊ?）?？?？?？?？?？?？?？?＊?＊?？－＊?？?？?＊?？?？?？？？？？?？?＊?？??ｊ?：?！?：?？?？?Ｈ………??．．．ｉｙｉｉＳＰ；：；：；??ｉ?？?ｉ??圖１．２直接數(shù)值模擬中的顆粒及周圍流體節(jié)點(diǎn)Ｍ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｐａｒｔｉｃｌｅ?ａｎｄ?ｆｌｕｉｄ?ｎｏｄｅｓ?ｉｎ?ＤＮＳ，３４１??在ＤＮＳ中，可使用歐拉方法＾３７］、拉格朗日方法以及格子玻爾茲曼方??法（Ｌａｔｔｉｃｅ?Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ?Ｍｅｔｈｏｄ，?ＬＢＭ）?［４２－４４］求解氣相。其中，ＬＢＭ通過(guò)求解格子??玻爾茲曼方程解析顆粒周圍的流場(chǎng)，通過(guò)求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程跟蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)，是??對(duì)計(jì)算資源消耗較小的一種ＤＮＳ氣相求解方法但即使使用ＬＢＭ求解氣相??４??

用固相壓力這一個(gè)用于ＴＦＭ的固相連續(xù)屬性模??擬顆粒之間的碰撞效果［６＋７１１。計(jì)算粒子的使用大大減小了需要跟蹤的粒子數(shù)量，??固相壓力的使用則避免了對(duì)顆粒之間頻繁碰撞的計(jì)算、增加了顆粒計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，??二者結(jié)合使得ＭＰ－ＰＩＣ方法的計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的ＤＰＭ方法。因此，ＭＰ－ＰＩＣ??方法在近年來(lái)發(fā)展迅速，逐漸應(yīng)用于各種較大規(guī)模的氣固流態(tài)化計(jì)算中。??ｄｐ?＝?１??〇°〇??〇〇??／＼??ｎ：：Ｓ〇?０?＝?Ｗ??ＭＰ－ＰＩＣ?Ｃｏａｒｓｅ－ｇｒａｉｎｅｄ?ＤＰＭ??圖１．３?ＭＰ－ＰＩＣ方法中計(jì)算粒子與粗�；模校头椒ㄖ写诸w粒的對(duì)比Ｈ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｔｈｅ?ｐａｒｃｅｌ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＭＰ－ＰＩＣ?ｍｅｔｈｏｄ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｃｏａｒｓｅ?ｐａｒｔｉｃｌｅ??ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏａｒｓｅ－ｇｒａｉｎｅｄ?ＤＰＭ｜７？１??目前，研究者們己經(jīng)驗(yàn)證了?ＭＰ－ＰＩＣ方法的計(jì)算高效性［７｜］與物理準(zhǔn)確性［７８】，??并且ＭＰ－ＰＩＣ方法在較稠密的氣固流態(tài)化體系中也可以較為容易地計(jì)算且能夠避??免數(shù)值擴(kuò)散［６９１，因而ＭＰ－ＰＩＣ方法的數(shù)值穩(wěn)定性也較為優(yōu)秀。ＭＰ－ＰＩＣ方法的這??９??

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]The Sunway Taihu Light supercomputer:system and applications[J]. Haohuan FU,Junfeng LIAO,Jinzhe YANG,Lanning WANG,Zhenya SONG,Xiaomeng HUANG,Chao YANG,Wei XUE,Fangfang LIU,Fangli QIAO,Wei ZHAO,Xunqiang YIN,Chaofeng HOU,Chenglong ZHANG,Wei GE,Jian ZHANG,Yangang WANG,Chunbo ZHOU,Guangwen YANG.  Science China（Information Sciences）. 2016(07)
[2]A multi-scale architecture for multi-scale simulation and its application to gas-solid flows[J]. Bo Li,Guofeng Zhou,Wei Ge,Limin Wang,Xiaowei Wang,Li Guo,Jinghai Li.  Particuology. 2014(04)
[3]基于多尺度模型的MIP提升管反應(yīng)歷程數(shù)值模擬[J]. 魯波娜,程從禮,魯維民,王維,許友好.  化工學(xué)報(bào). 2013(06)
[4]Direct numerical simulation of particle-fluid systems by combining time-driven hard-sphere model and lattice Boltzmann method[J]. Limin Wanga,*,Guofeng Zhoua,b,Xiaowei Wanga,Qingang Xionga,b,Wei Gea a State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China b Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China.  Particuology. 2010(04)
[5]Three-dimensional simulation of liquid injection,film formation and transport,in fluidized beds[J]. Paul Zhao,Peter J. O’Rourke,Dale Snider.  Particuology. 2009(05)
[6]各向同性湍流內(nèi)顆粒碰撞率的直接模擬研究[J]. 李瑞霞,柳朝暉,賀鑄,陳胤密,鄭楚光.  力學(xué)學(xué)報(bào). 2006(01)
[7]一個(gè)氣固兩相流動(dòng)阻力的新模型[J]. 肖海濤,祁海鷹,由長(zhǎng)福,徐旭常.  化工學(xué)報(bào). 2003(03)
[8]Macro-scale pseudo-particle modeling for particle-fluid systems[J]. GE Wei & LI JinghaiMulti-phase Reaction Laboratory, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China.  Chinese Science Bulletin. 2001(18)

博士論文
[1]氣固流態(tài)化介尺度結(jié)構(gòu)及非均勻曳力模型研究[D]. 陳程.清華大學(xué) 2014

碩士論文
[1]離散顆粒法的EMMS曳力模型及其應(yīng)用[D]. 王曉贊.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所) 2018



本文編號(hào)：3277725