喷动床三维流动特性的CFD-DEM并行数值模拟

摘要

喷动流化床具有优良的颗粒循环，颗粒接触传热、传质等独特特性而被广泛的应用于工业领域。颗粒相的浓度分布、速度分布以及颗粒与墙壁的碰撞次数等等特性在工业生产设计与优化运行具有重要的意义，数值模拟成为研究气固两相流动特性的一种重要手段，可以和理论研究、实验研究优势互补，对实际工程的设计和运行具有指导意义。
　　计算流体力学(CFD)-离散单元法(DEM)被广泛应用于流化床的数值模拟中，但受DEM计算工作量大的限制，难以达到实际流化床的模拟要求，因此开展对DEM并行算法的研究具有重要意义。首先针对床内颗粒运动的特点，基于DEM方法建立了气固两相流动中颗粒相的并行化计算模型，在OpenMP并行技术的基础上，采用Fortran语言开发了DEM并行数值模拟程序，实现了颗粒受力计算、颗粒速度和位置更新的并行化，模拟了三维喷动床内颗粒堆积的过程，并与串行程序的模拟结果进行对比，结果表明：基于OpenMP技术并行程序可正确模拟颗粒堆积过程，而且具有良好的加速比，能够显著地提高计算效率。当计算线程数增加时，加速比随之增加，但增幅相对减少。
　　然后根据并行算法编制了三维喷动床内气固流动CFD-DEM数值模拟程序，得到了不同喷动速度下的流化过程图，气体和颗粒的时均速度分布，以及颗粒体积分数轴向和径向分布，结果表明：在床内中心射流的带动下，颗粒发生环核流动，在床层底部两侧处出现滞止区；当喷动速度增加，气体夹带颗粒的能力增强，颗粒流动性相对增强，致使滞止区面积相对减少，同时喷动速度增加，颗粒体积分数随之减少，床层内空隙率增大。
　　最后通过引入Lacey随机混合指数，定量分析了喷动床内轴向、径向混合机理，以及喷动速度对床内颗粒混合特性的影响，结果表明：轴向混合主要通过上下换位的方式进行混合，径向混合主要在喷动区通过左右随机换位的方式进行混合，并且轴向均分的混合速度要快于径向混合，表观气速的增加使得轴向、径向混合速度增加。

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第1章 绪论

1.1选题背景及意义

1.2气固两相流数值模拟方法

1.3 国内外研究现

1.4 本文主要工作

第2章 气固两相流动的数值模拟的数学模型

2.1离散单元法原理及固相受力模型

2.2 气相计算流体力学方法原理

2.3 气固两相间的耦合

2.4 本章小结

第3章 喷动床颗粒堆积过程的并行数值模拟

3.1颗粒堆积计算过程分析

3.2 OpenMP并行计算原理

3.3颗粒堆积过程并行结构化设计

3.4流化床内颗粒自有沉降的算例分析

3.5 本章小结

第4章 三维喷动床气固流动特性的数值模拟

4.1 模拟对象及模拟参数

4.2 模拟结果验证

4.3 模拟结果分析

4.4本章小结

第5章 三维喷动床颗粒混合特性的数值模拟

5.1随机混合指数

5.2 轴向、径向混合特性分析

5.3不同密度的颗粒混合特性分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

致谢