鼓泡塔反應(yīng)器在過程工業(yè)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,其內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)的快速和準(zhǔn)確模擬對(duì)這類反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和放大具有十分重要的意義。然而,氣液兩相的多尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)、復(fù)雜內(nèi)構(gòu)件以及氣液兩相湍流等使得鼓泡塔反應(yīng)器的快速和準(zhǔn)確模擬非常困難。針對(duì)這些問題,本文以格子波爾茲曼方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)為基礎(chǔ),研究了鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的微尺度、介尺度和宏尺度氣液兩相流動(dòng)問題；實(shí)現(xiàn)了LBM方法對(duì)氣液兩相流中微、介尺度物理現(xiàn)象的直接數(shù)值模擬以及基于LBM的混合物模型的氣液兩相流中的宏尺度現(xiàn)象的模擬,并將LBM與浸入邊界法(Immersed Boundary Method, IBM)耦合,用以模擬帶有復(fù)雜內(nèi)構(gòu)件和復(fù)雜邊界條件的反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)；進(jìn)一步研究了湍流模擬中LBM-RANS耦合模型顯式求解的數(shù)值收斂性問題和LBM-RANS耦合模型隱式求解的計(jì)算加速問題,具體內(nèi)容如下：1、氣液兩相流動(dòng)中微尺度和介尺度問題的直接數(shù)值模擬(LBM-DNS):應(yīng)用直接數(shù)值模擬方法,一方面可以強(qiáng)化對(duì)氣液兩相流動(dòng)微介尺度物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí),另一方面也可以為上層連續(xù)介質(zhì)模型本構(gòu)關(guān)系的建立和驗(yàn)證提供依據(jù)。當(dāng)前,在高運(yùn)動(dòng)粘度比、高雷諾數(shù)流動(dòng)條件下,基于LBM的氣液直接數(shù)值模擬存在模擬計(jì)算穩(wěn)定性差的問題。本文發(fā)展了基于LBM的氣液兩相流直接數(shù)值模擬方法,實(shí)現(xiàn)了氣液運(yùn)動(dòng)粘度比1：103、高雷諾數(shù)、低莫頓數(shù)的氣液兩相流動(dòng)模擬。以此為基礎(chǔ)研究了單氣泡、雙氣泡以及氣泡群的運(yùn)動(dòng)。模擬能捕捉到空氣-水體系2mm氣泡Z字型上升過程以及特定條件下水并列的兩個(gè)氣泡的波浪形上升過程,結(jié)果表明氣泡水平方向上的運(yùn)動(dòng)主要是由氣泡尾渦引起的。氣泡群運(yùn)動(dòng)模擬中氣泡之間聚并現(xiàn)象明顯,未發(fā)現(xiàn)氣泡破碎,這可能是由于氣液直接數(shù)值模擬中液相湍動(dòng)微弱,無法達(dá)到氣泡破碎條件引起的,需要進(jìn)一步提高網(wǎng)格數(shù)量才可能模擬出聚并與破碎共存的現(xiàn)象。2、基于LBM的氣液兩相混合物模型(LBM-Mixture):由于計(jì)算量的限制,直接數(shù)值模擬目前尚無法直接應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器的模擬,一個(gè)較為實(shí)際的方法是應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)層次的混合物模型,并用采用LBM方法求解和GPU加速計(jì)算,這可以為反應(yīng)器的初步概念設(shè)計(jì)提供一種快速的計(jì)算方法。基于此設(shè)想,本文發(fā)展了基于LBM的混合物模型,該模型將壓力項(xiàng)的作用以外力源項(xiàng)的方式添加到LBM方程中,克服了文獻(xiàn)報(bào)道的模型中無量綱松弛時(shí)間τ必須為1才能恢復(fù)到宏觀NS (Navier-Stokes, NS)方程的限制。在LBM模擬中,流體的運(yùn)動(dòng)粘度v與τ以及時(shí)間步長△t以及空間步長Δh相關(guān),即v= (τ-0.5)△h2/(3△t)。如取τ1,模擬中必須選取較小的Δh才能模擬低運(yùn)動(dòng)粘度的流動(dòng),因而難以模擬大尺度、低粘度流動(dòng)問題。本文發(fā)展的LBM混合物模型被成功應(yīng)用于中心或偏心進(jìn)氣的二維鼓泡塔的模擬(空氣-水體系)。模擬結(jié)果表明該方法能準(zhǔn)確捕捉到二維鼓泡塔中的氣相水平擺動(dòng)過程,模擬預(yù)測的擺動(dòng)頻率和時(shí)均液速與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。進(jìn)一步比較了GPU并行加速的LBM-Mixture模型求解速度與Fluent中雙流體求解速度。相同網(wǎng)格和時(shí)間步長情況下,4塊GPU卡加速的LBM-Mixture模型的計(jì)算速度約為Fluent求解的雙流體模型(4個(gè)CPU核)的250倍。LBM-Mixture模型的GPU并行加速方法為氣液體系實(shí)時(shí)模擬和VPE(Virtual Process Engineering)的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。3、LBM耦合浸入邊界法(LBM-IBM)模擬復(fù)雜構(gòu)體和復(fù)雜邊界的流動(dòng)問題：工業(yè)規(guī)模的鼓泡塔或者氣液攪拌釜內(nèi)往往有十分復(fù)雜的內(nèi)構(gòu)件或不規(guī)則的幾何邊界,如換熱管、攪拌槳、折流板等等。對(duì)于LBM模擬而言,一方面在經(jīng)典的LBM框架下,LBM處理復(fù)雜邊界時(shí)具有一定的局限性；另一方面,使用基于有限體積的LBM處理復(fù)雜邊界,需要生成貼體網(wǎng)格,增加了網(wǎng)格生成的時(shí)間成本。本文采用IBM來處理復(fù)雜邊界,縮短了前處理時(shí)間。建立了GPU并行加速的LBM耦合IBM模型,并通過模擬Rushton槳攪拌釜內(nèi)的流動(dòng)來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。單GPU卡的計(jì)算速度為CPU核的50倍以上。相比于16核CPU并行計(jì)算的基于Fluent的滑移網(wǎng)格模擬,4塊GPU卡加速的LBM-IBM模擬的計(jì)算速度是其270倍左右。GPU并行加速的LBM耦合IBM模擬具有準(zhǔn)確和快速的優(yōu)點(diǎn),進(jìn)一步可與本文發(fā)展的LBM-DNS/LBM-Mixture/LBM-RANS等模型結(jié)合,用于模擬帶有復(fù)雜內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔氣液兩相流動(dòng)。4、LBM-RANS耦合模型的數(shù)值收斂和計(jì)算加速問題：相比于直接數(shù)值模擬和大渦模擬,采用LBM-RANS耦合模型模擬實(shí)際工業(yè)反應(yīng)器中的湍流和多相流是較為經(jīng)濟(jì)的方法。一方面,顯式求解的RANS模型與LBM耦合的計(jì)算效率較高,但計(jì)算穩(wěn)定性差；另一方面,隱式求解的RANS模型與LBM耦合的計(jì)算穩(wěn)定性好,但計(jì)算效率低。本文研究了二維顯式求解的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型與LBM耦合的數(shù)值穩(wěn)定性問題,并給出了可提高數(shù)值穩(wěn)定性的數(shù)值格式組合方式。然而,這些數(shù)值格式組合很難保證三維計(jì)算的穩(wěn)定性。隱式求解RANS模型能使計(jì)算更加穩(wěn)定,但計(jì)算效率低。本文提出了一種時(shí)空異步多尺度方法,提高了LBM耦合隱式求解RANS模型的計(jì)算效率,解決了LBM耦合隱式求解RANS模型快速計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)問題。以上四個(gè)關(guān)鍵問題的解決,將為LBM方法模擬實(shí)際工業(yè)過程的氣液兩相流動(dòng)建立基礎(chǔ)。本文的研究工作表明,LBM方法可研究從微、介尺度的氣泡動(dòng)力學(xué)(LBM-DNS),到反應(yīng)器尺度的多相流動(dòng)。后者涵蓋了從反應(yīng)器多相流的模擬和初步概念設(shè)計(jì)(LBM-Mixture)到復(fù)雜內(nèi)構(gòu)件(LBM-IBM)和湍流的模擬(LBM-RANS)。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TQ052
【部分圖文】：

亦稱為流型。宏觀上，鼓泡塔中氣液兩相流動(dòng)存在王種典型流型：均勻鼓??泡區(qū)（Ｂｕｈ）ｂｌｙ?ｆｌｏｗ）、端動(dòng)鼓泡區(qū)（Ｃｈｕｒｎ－ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ?ｆｌｏｗ）、柱塞鼓泡區(qū)（Ｓｌｕｇ?ｆｌｏｗ），??如所圖１．１示。鼓泡塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)所處流型與表觀氣速Ｗ及鼓泡塔直徑緊密相關(guān)。??在低表觀氣速時(shí)，流型屬于均勻鼓泡區(qū)，也被稱為均勻安靜鼓泡區(qū)，氣含率隨著表觀??氣速增長線性增長，氣液兩相流動(dòng)相對(duì)均勻，氣泡尺寸分布較窄，氣泡尺寸主要受分??布器影響，氣泡幾乎不發(fā)生聚并破碎。在高表觀氣速、大塔徑條件下，鼓泡塔反應(yīng)器??

１．３氣液兩相流數(shù)值模擬方法??根據(jù)不同方法對(duì)氣泡細(xì)節(jié)描述情況，氣液兩相流數(shù)值模擬方法可劃分為直接數(shù)值??模擬、歐拉－拉格朗日方法、歐拉－歐拉方法（或雙流體）及混合物模型。圖１．４為??不同層次方法對(duì)氣泡的解析程度，包括直接數(shù)值模擬、歐拉－拉格朗日、雙流體（其??

另一種方法是使用連續(xù)光滑的函數(shù)Ｆ代替階躍函數(shù)好，當(dāng)Ｆ＝０時(shí)為氣液相界面；??護(hù)＞０是一種流體，是另外一種流體。??這些方法對(duì)于流體界面識(shí)別方式如圖１．５所示由圖１．５可知，不同的界面識(shí)??別方法對(duì)于界面識(shí)別的準(zhǔn)確度不同。描述最為準(zhǔn)確的是好與水平集函數(shù)八而光滑函??數(shù)／Ｗ及顏色函數(shù)Ｃ描述的界面位置精度與網(wǎng)格大小有關(guān)。??Ｊ—１／２?Ｊ＋１／２???Ｌ?Ｌ４Ｗ??＿＿?？、斯）????Ｍ?ｊ?片廣護(hù)托）??圖１．５界面在網(wǎng)格上的不同描述方法：實(shí)線為階躍函數(shù)好，陰影為顏色函數(shù)Ｃ，，虛線為光滑的指??示函數(shù)／，點(diǎn)畫線為水平集函數(shù)Ｆ（其中護(hù)＝０為界面）??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｔｈｅ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ?ｆｏｒ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓ?ｏｎ?ａ?ｇｒｉｄ：?ｔｈｅ?ｓｏｌｉｄ?ｌｉｎｅ?ｉｓ?Ｈ，?ｔｈｅ?ｓｈａｄｅ??ｐａｒｔｓ?ａｒｅ?ｔｈｅ?ｃｏｌｏｒ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ?Ｑ，?ｄａｓｈｅｄ?ｌｉｎｅ?ｉｓ?ａ?ｓｍｏｏｔｈ?ｉｎｄｉｃａｔｏｒ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ?／，?ｄａｓｈ－ｄｏｔ?ｌｉｎｅ?ｉｓ?ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ??ｆｌｍｃｔｉｏｎ?（護(hù)二０?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ?ｔｈｅ?ｉｎｔｅｒ估ｃｅ）畔］??顫色函數(shù)Ｃ?（當(dāng)?shù)亓黧w體積分率函數(shù)）物質(zhì)導(dǎo)數(shù)方程，??—＋?？－ＶＣ?＝?０?（ｌ．Ｕ）??ｄｔ??方程０．１１）中的對(duì)流項(xiàng)可Ｗ采用保單調(diào)格式、總變差不増格式【＂］（Ｔｏｔａｌ?Ｖａｒｉａｔｉｏｎ??Ｄｉｍｉｎｉｓｈｉｎｇ?Ｓｃｈｅｍｅ，?ＴＶＤ）離散Ｗ咸少數(shù)值振蕩和擴(kuò)育義。雖然ＴＶＤ格式能準(zhǔn)確地捕??捉短時(shí)間內(nèi)間斷問題

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