本文關(guān)鍵詞：氣固流態(tài)化的多尺度離散模擬

  更多相關(guān)文章： 氣固流態(tài)化 離散模擬 粗粒化 虛擬過程工程 并行計算

【摘要】：氣固流態(tài)化系統(tǒng)廣泛存在于化工、材料、能源、資源和食品醫(yī)藥等過程工業(yè)中。在此類系統(tǒng)中顆粒和流體之間、顆粒和顆粒之間有著復(fù)雜的相互作用,是典型的非線性非平衡系統(tǒng),有著明顯的多尺度結(jié)構(gòu)。隨著計算能力的提高和模型、算法的發(fā)展,數(shù)值模擬已成為研究該系統(tǒng)的有力工具。雙流體模型將顆粒處理成流體,在網(wǎng)格尺度描述顆粒的運動,無法提供顆粒尺度的信息。同時顆粒相的粘度和壓力等本構(gòu)關(guān)系也難以準確建立。離散顆粒方法則直接在顆粒尺度上計算顆粒間的作用力,跟蹤顆粒的運動,可以方便地研究多粒徑體系、非規(guī)則顆粒、顆粒間復(fù)雜作用力、顆粒停留時間分布等。但對于實際體系,由于顆粒數(shù)量巨大,并且顆粒間作用力的計算需要較小的時間步長,離散顆粒方法還鮮有應(yīng)用。目前即使采用超級計算,離散模擬也多用于研究小規(guī)模實驗裝置。而隨著過程工業(yè)的發(fā)展,對模擬精度與規(guī)模的要求不斷提高,對離散顆粒方法進行深入的改進與擴展顯得尤為重要。本論文試圖通過對模型和計算方法的系統(tǒng)改進,從時間和空間尺度上擴展離散模擬的適用范圍,為工業(yè)過程的模擬提供可能。論文的主要創(chuàng)新點如下：從源頭上減少跟蹤顆粒數(shù)目、加大時間步長是提高離散模擬速度、擴大其規(guī)模的根本途徑,為此論文提出了以顆粒團代替單顆粒的粗�；x散模型EMMS-DPM.該模型根據(jù)EMMS模型描述的團聚物尺寸和空隙率分布限定了所定義的顆粒團,即粗顆粒(coarse-grained particle, CGP)的大小,流體與粗顆粒之間的作用力采用EMMS曳力封閉。為了保證粗顆粒的碰撞能量耗散和原系統(tǒng)相當,我們根據(jù)顆粒動理論對恢復(fù)系數(shù)進行了修正。通過對固定床壓降、循環(huán)流化床空隙率分布的模擬驗證了模型的正確性。內(nèi)容詳見第三章。鑒于顆粒流體系統(tǒng)的多尺度特征和顆粒間以近程力為主的相互作用方式,發(fā)展了耦合利用多核與眾核處理器(如Graphics Processing Unit, GPU)的離散模擬大規(guī)模多尺度并行計算方法,達到了計算與通信操作的高度重疊,顯著提高了計算速度、效率與可擴展性。采用系統(tǒng)共享內(nèi)存,實現(xiàn)了CPU端計算流體的同時在GPU端進行顆粒的計算,同時避免了通過文件交換數(shù)據(jù)帶來的IO開銷。計算程序通過了固定床壓降和提升管空隙率分布等計算的驗證。內(nèi)容詳見第二章。在上述改進的基礎(chǔ)上,論文對氣固流態(tài)化系統(tǒng)完整實現(xiàn)了“先分布、后演化”的EMMS計算范式。首先根據(jù)宏尺度EMMS模型預(yù)測的空隙率分布確定模擬的初始條件,然后據(jù)此非均勻地劃分并行模擬區(qū)域以平衡計算負載,最后采用上述粗�；椒M系統(tǒng)的動態(tài)行為。在典型的循環(huán)床提升管模擬中,采用該范式進一步提高了計算速度20%左右。集成上述工作并與可視化以及控制程序在線耦合運行,建立了循環(huán)流化床虛擬過程演示系統(tǒng),實現(xiàn)了準實時的交互模擬。應(yīng)用該系統(tǒng),在對中試規(guī)模提升管的精度、速度和效率優(yōu)先模擬中分別達到了與單顆粒離散模擬相當?shù)臏蚀_性,二維實時模擬和目前所知最高的單GPU顆粒更新速率,表明了在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上最終實現(xiàn)虛擬過程的可能性。內(nèi)容詳見第四章。基于上述工作,論文通過模擬實例表明了離散模擬已經(jīng)能夠提供實驗與連續(xù)介質(zhì)模擬難以獲得的全面而詳細的流場信息。一方面,對工業(yè)規(guī)模的流態(tài)床模擬時間可達小時量級,每天演化進度超過10分鐘,為了解的很多操作和反應(yīng)過程的顆粒與產(chǎn)物停留時間分布等信息提供了有力手段。比如對甲醇制烯烴工藝中的流態(tài)化反應(yīng)器的模擬時間已超過6800s,對了解其中的催化劑結(jié)焦過程有很大幫助。另一方面,對接近中試規(guī)模的循環(huán)流化床實驗裝置可實現(xiàn)三維全回路離散模擬。比如對一個包含30公斤80微米直徑的A類顆粒的系統(tǒng)采用302萬30倍粒徑的粗顆粒達到了每天8秒的計算速度。模擬獲得的循環(huán)時間分布、停留時間分布、空隙率分布等重要參數(shù)均與實驗數(shù)據(jù)及理論分析吻合。上述研究有力證明了本論文改進的離散模擬的實際應(yīng)用能力與優(yōu)勢。內(nèi)容詳見第五章。綜上所述,本論文提出的EMMS-DPM通過基于介尺度結(jié)構(gòu)分析的粗粒化方法在基本保持準確性的前提下顯著降低了離散模擬的計算量；提出的CPU-GPU耦合并行計算方法實現(xiàn)了CPU和GPU計算以及計算與通信操作的重疊,顯著提高了計算速度。通過上述工作與宏尺度模型耦合減少了負載不均衡對并行計算速度的影響,通過與可視化程序、控制程序的耦合實現(xiàn)了在線交互模擬；通過模型、算法和軟件、硬件的統(tǒng)一,在時空尺度上擴展了離散模擬的應(yīng)用范圍,初步建立了氣固流態(tài)化系統(tǒng)虛擬過程的計算模式。
【關(guān)鍵詞】：氣固流態(tài)化 離散模擬 粗�；� 虛擬過程工程 并行計算
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ019
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 緒論13-29
• 1.1 氣固系統(tǒng)的時空多尺度結(jié)構(gòu)與EMMS模型13-17
• 1.1.1 整體非均勻結(jié)構(gòu)13-14
• 1.1.2 局部非均勻結(jié)構(gòu)14-15
• 1.1.3 EMMS模型15-17
• 1.2 物理模型與計算方法17-23
• 1.2.1 雙流體模型18-20
• 1.2.2 離散顆粒模型20-21
• 1.2.3 直接數(shù)值模擬21
• 1.2.4 粗粒化方法21-23
• 1.3 兩相流模擬軟件與高性能計算23-26
• 1.3.1 高性能計算23-24
• 1.3.2 相流模擬商業(yè)軟件的發(fā)展24-25
• 1.3.3 兩相流模擬開源軟件的發(fā)展25-26
• 1.4 虛擬過程工程26-27
• 1.5 本論文研究思路及內(nèi)容27-29
• 2 離散模擬的并行計算及其改進29-48
• 2.1 物理模型29-31
• 2.1.1 氣固兩相控制方程29
• 2.1.2 顆粒碰撞模型29-30
• 2.1.3 相間作用模型30-31
• 2.2 算法流程31-40
• 2.2.1 流體相的求解31-33
• 2.2.2 顆粒相的求解33-36
• 2.2.3 相間作用的計算36-39
• 2.2.4 整體算法流程39
• 2.2.5 改進的算法流程39-40
• 2.3 驗證計算40-46
• 2.3.1 固定床起始流態(tài)化的模擬41-43
• 2.3.2 A類顆粒提升管流態(tài)化的模擬43-46
• 2.4 本章小結(jié)46-48
• 3 粗粒化離散模型：EMMS-DPM48-82
• 3.1 EMMS-DPM模型48-57
• 3.1.1 粗顆粒的定義48-52
• 3.1.2 粗顆粒的控制方程52-53
• 3.1.3 粗顆粒碰撞作用力的計算53-57
• 3.2 EMMS-DPM模型求解流程57-58
• 3.3 EMMS-DPM模型驗證和應(yīng)用58-80
• 3.3.1 固定床起始流態(tài)化的模擬59-63
• 3.3.2 A類顆粒提升管流態(tài)化的模擬63-72
• 3.3.3 提升管大規(guī)模離散模擬72-80
• 3.4 本章小結(jié)80-82
• 4 基于EMMS范式的氣固流態(tài)化虛擬過程82-114
• 4.1 虛擬過程工程與EMMS范式82-84
• 4.2 基于EMMS范式的多尺度離散模擬84-93
• 4.2.1 宏尺度EMMS模型85-86
• 4.2.2 多尺度離散模擬計算流程86-87
• 4.2.3 多尺度離散模擬算例87-93
• 4.3 虛擬過程工程中的可視化與交互控制93-97
• 4.3.1 可視化程序93-95
• 4.3.2 控制程序95-97
• 4.3.3 系統(tǒng)集成97
• 4.4 虛擬過程初探：在線交互模擬97-113
• 4.4.1 Case DPM：基礎(chǔ)驗證計算98-101
• 4.4.2 Case A：精度優(yōu)先計算101-104
• 4.4.3 Case C：速度優(yōu)先計算104-106
• 4.4.4 Case E：效率優(yōu)先計算106-108
• 4.4.5 Case VPE：綜合集成計算108-113
• 4.5 本章小結(jié)113-114
• 5 離散模擬的擴展應(yīng)用114-134
• 5.1 甲醇制烯烴(MTO)裝置的長時模擬114-121
• 5.1.1 實驗裝置與模擬參數(shù)115-117
• 5.1.2 結(jié)果分析117-121
• 5.2 三維全回路離散模擬121-132
• 5.2.1 全回路模擬現(xiàn)狀121-122
• 5.2.2 實驗裝置與模擬參數(shù)122-125
• 5.2.3 結(jié)果分析125-132
• 5.3 本章小結(jié)132-134
• 6 結(jié)論與展望134-137
• 6.1 主要工作與結(jié)論134-135
• 6.2 論文創(chuàng)新點135-136
• 6.3 展望136-137
• 符號表137-141
• 參考文獻141-150
• 個人簡歷及發(fā)表文章目錄150-151
• 致謝151-152

【引證文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張二強;堵勁松;江家森;張煒;李斌;朱文魁;;基于OpenFOAM大規(guī)模并行計算的煙草氣流干燥裝置中氣固流動數(shù)值模擬[J];煙草科技;2017年04期

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本文編號：969775