稠密颗粒两相流的CFD-DEM耦合并行算法及数值模拟

摘要

稠密颗粒气固两相流是颗粒流体系统中的一个重要而又前沿的研究领域。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟方法已成为研究稠密颗粒气固两相流动的一种强有力的工具。基于欧拉法建立的欧拉-欧拉模型(TFM，双流体模型)和基于拉格朗日法建立的欧拉-拉格朗日模型(CFD-DEM，计算流体力学-离散单元法)是目前描述该类气固流动系统主要的数值模拟方法。由于CFD-DEM法可跟踪单个颗粒的运动信息，并可考虑颗粒-颗粒、颗粒-壁面碰撞及颗粒-流体间的相互作用，已引起众多学者的重视。
　　基于FLUENT软件单相流体求解器的MPICH2并行计算环境，在二次开发框架内，本文利用用户自定义函数(User Defined functions，UDFs)文件，发展了一套适用于非规则边界计算域的拟三维CFD-DEM耦合并行算法，并通过相关实验数据对该CFD-DEM耦合并行模型进行验证，然后将其用于沉浸管流化床气固两相流动和颗粒混合特性的数值模拟中。
　　首先，详细介绍了基于FLUENT软件的CFD-DEM耦合算法的具体实旌策略，主要包括:
　　(1)连续相控制方程采用基于压力梯度力(PGF)模型的Model A;构建空隙率标量场、重组Model A，通过UDFs在单相流控制方程上添加源项就可实现Model A。重组后的气相控制方程在SIMPLE算法下显示出良好的求解稳定性与收敛性。
　　(2)基于曳力平衡与双流体模型中两相间的耦合关系计算颗粒曳力，其中，曳力系数采用Huilin-Gidaspow公式计算;气固两相间的相互作用符合牛顿第三定律。
　　(3)在计算颗粒所占据的面积份额获得拟三维系统的空隙率后，采用Hoomans[38]提出的关系式将拟三维空隙率映射至三维空隙率。
　　(4)在颗粒碰撞模块中，颗粒碰撞检测采用具有O(NT)的检测效率的相邻单元检测法。
　　(5)发展了基于非结构四面形网格的CFD-DEM算法。其中，颗粒信息、碰撞颗粒对内存地址和网格内颗粒内存地址的存储均采用自定义结构体和动态链表的数据类型。所建立的CFD-DEM耦合算法具有较强的适应性，无需修改源代码即可推广到更复杂边界的计算域。
　　其次，采用一维域分解技术将所发展的DEM算法并行化，并引入了相关评价指标;测试了颗粒运动、颗粒碰撞和颗粒信息传递模块，主要包括:
　　(1)确立了基于FLUENT软件的MPICH2消息传递模式并行化DEM算法的目标，以使所发展的CFD-DEM耦合并行算法应用于大规模并行集群上。
　　(2)引入加速比和可扩展性作为评价本文所发展的CFD-DEM耦合并行算法的指标。
　　(3)采用一维域分解技术将所发展的CFD-DEM耦合算法并行化，其中FLUENT标准模块实现了气相流场的并行化求解，而UDFs中的信息传递宏实现了相邻子域间颗粒信息传递。
　　(4)对所发展的CFD-DEM算法进行了简单测试，测试数值模拟结果验证了该CFD-DEM耦合并行算法中颗粒运动、颗粒碰撞及颗粒信息传递模块的可靠性。
　　然后，采用已发展的CFD-DEM耦合并行算法数值模拟了稠密颗粒气固两相流的流动特性、鼓泡特性和颗粒混合特性，并将数值模拟结果与有关实验结果进行了对比。数值模拟结果表明串行算法与并行算法的结果吻合良好，且该模型具有良好的加速性能和扩展性能。获得的主要结果如下:
　　(1)连续鼓泡流化床
　　在连续鼓泡床中，随表观气速增大，压降值先增大后减小;数值模拟的获得的临界流化速度及其压降值与实验值吻合良好、流态化阶段的时均颗粒速度矢量图与Tsuji[40]数值模拟结果相近。当Uf=2.6m/s时，物料流动具有明显的周期性，脉动周期为420-460ms，略低于实验值的480 ms。
　　(2)锥形喷动床
　　锥形喷动床内的颗粒流动经历了鼓泡阶段和稳定流态化阶段;在稳定流态化阶段，物料流动具有明显的周期性;基于锥形喷动床内颗粒相的瞬时速度场，获得了稳定流态化阶段颗粒的时均速度分布规律:①喷射区半径随高度增加而变大，模拟结果与实验结果的喷射区边界出口宽度相差约12mm。②从喷射区边界卷吸进入中央喷射区的颗在较短的距离内即被迅速加速，然后在喷射区的后半段缓慢加速至最大垂向速度，随后颗粒进入“喷泉”区。预测的颗粒最大攀升高度(182mm)略高于实验值(155mm)。③在喷射区，颗粒垂向速度在轴心处最大，且沿径向逐渐减小。④在环隙区，随着径向距离的增大，颗粒垂向速度在lcm内迅速增大至最大值，然后逐渐减小，壁面附近的颗粒不滞止。
　　(3)脉冲鼓泡床
　　在鼓泡过程中，气泡不断长大且主流两侧的小尺度涡逐渐发展为双主涡。中央气体射流150ms时，数值模拟获得的气泡呈“矮胖”形，且颗粒垂向速度为0的高度值(9mm)略低于实验值(10mm)。单气泡通过床层后，下层颗粒呈峰形分布，最大攀升高度略高于实验值，但与Bokkers等人[51]的数值模拟结果相近，这主要是由于所采用的曳力模型夸大了气固两相间的相互作用。
　　最后，将单/多沉浸管流化床内颗粒分为上下两层，采用所发展的CFD-DEM耦合并行模型数值模拟了单/多沉浸管流化床内不同表观气速时的颗粒混合过程，揭示了气固两相的运动特性、颗粒混合机制和沉浸管的磨损特性，获得了如下结论:
　　(1)单沉浸管流化床
　　沉浸管引起床内气泡的聚并和破碎，气泡主要绕沉浸管而非沿两侧壁向上移动;随着表观气速的增加，气相流场沿径向的分布更加均匀;颗粒宏观流动结构与分布呈现出明显的环核流动结构:中心区域颗粒速度向上的稀相运动和壁面区域颗粒速度向下的密相运动;沉浸管的存在和表观气速的增加均有助于颗粒混合，使颗粒达到完全混合的时间减少;颗粒撞击管壁的频次和冲刷速度是造成沉浸管磨损的主要原因。
　　(2)多沉浸管流化床
　　沉浸管束引起床内气泡的聚并和破碎，气泡主要在床层中心区域而非沿两侧壁向上移动。多沉浸管流化床内呈现出明显的环核流动结构:中心区域颗粒速度向上的稀相运动和壁面区域颗粒速度向下的密相运动。表观气速对气固流动特性和颗粒混合特性具有重要影响:随着表观气速的增加，气相流场沿径向的分布更加均匀，颗粒达到完全充分混合的时间减少。管束排列形式对气固流动特性和颗粒混合特性具有重要影响:在顺排沉浸管流化床中，气泡易被拉长且易从纵向管排间通过，因而在沉浸管后部易形成气相滞止区;而在错排沉浸管流化床中，错排沉浸管束阻碍了颗粒的垂向迁移而使得颗粒群达到充分混合的时间变长。多沉浸管流化床内不同区域沉浸管的磨损规律不同，颗粒冲刷是造成沉浸管束磨损的主要原因。

目录

声明

摘要

主要符号

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 稠密颗粒气固两相流系统的非线性非平衡特征

1．2．1 流动结构中的非均匀性

1．2．2 状态多值性

1．2．3 耗散结构的性质

1．3 稠密颗粒气固两相流的数值模拟研究进展

1．3．1 欧拉-欧拉模型(TFM)

1．3．2 硬球模型

1．3．3 软球模型

1．4 论文目标及主要工作

第2章 非结构网格上的CFD-DEM模型

2．1 控制方程

2．1．1 气相控制方程

2．1．2 颗粒相控制方程

2．2 气固相互作用

2．2．1 曳力基本公式

2．2．2 气固相耦合的处理方法

2．3 非结构化网格上CFD-DEM模型的实现

2．3．1 FLUENT数据结构及基于该平台的CFD-DEM算法流程

2．3．2 连续相控制方程重组

2．3．3 连续相空隙率的计算

2．3．4 连续相空隙率的转化

2．3．5 颗粒碰撞检测和碰撞处理

2．4 本章小结

第3章 CFD-DEM耦合并行算法的构建

3．1 并行程序设计概述

3．1．1 共享内存模型

3．1．2 消息传递模型

3．2 信息传递标准平台MPI(Message Passing Interface)

3．3 并行算法的评价及设计原则

3．4 并行FLUENT进程概述及域、面和单元分割原则

3．4．1 进程通信概述

3．4．2 进程全局变量

3．4．3 并行FLUENT域分解划分方法

3．4．4 并行FLUENT中的网格单元

3．4．5 并行FLUENT中的网格面

3．5 FLUENT软件并行UDF节点间的数据传递和同步

3．5．1 主进程传递数据到节点进程

3．5．2 节点进程传输数据到主进程

3．5．3 消息传递宏

3．6 非结构网格下DEM算法的并行化

3．7 CFD-DEM耦合并行算法程序设计

3．8 模型的简单测试

3．8．1 四边形规则网格计算域

3．8．2 非结构网格、非规则边界多联通计算域

3．9 本章小结

第4章 CFD-DEM耦合并行算法的验证

4．1 连续鼓泡流化床

4．2 锥型喷动床

4．3 脉冲鼓泡床

4．4 本章小结

第5章 沉浸管流化床内离散颗粒数值模拟

5．1 单沉浸管流化床

5．2 多沉浸管流化床

5．3 本章小结

第6章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 本文的主要创新点

6．3 不足与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文目录

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