一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法

摘要

本发明提供了一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法，其包括如下步骤：构建移动床物理模型；根据移动床物理模型构建移动床中颗粒传输过程中的流体相控制方程组，流体相控制方程组包括连续性方程以及动量方程；根据移动床物理模型构建固相控制方程，固相控制方程包括颗粒运动控制方程；构建过程放大模型；选取不同的放大因子，在基本求解参数相同的条件下对气固传输过程进行模拟计算；根据不同放大因子下移动床内气固流动模式获取数值计算加速规律。本发明可以提高计算速度，节约计算成本。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机数据处理技术领域，具体而言，涉及一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法。

背景技术

颗粒-流体流动普遍存在于化学过程中，涉及到传热、传质和化学反应。近些年来，数值模拟方法被广泛运用于颗粒-流体系统的研究。越来越多的人采用CFD(ComputationalFluid Dynamics，计算流体动力学)与DEM(Discrete Element Method，离散单元法)耦合方法研究多尺度多相流传输过程。

然而采用CFD与DEM耦合方法研究多尺度多相流传输过程时，存在数值计算速度缓慢的问题。

发明内容

基于此，为了解决采用CFD与DEM耦合方法研究多尺度多相流传输过程时存在的数值计算速度缓慢的问题，本发明提供了一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法，其具体技术方案如下：

一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法，其包括如下步骤：

构建移动床物理模型；

根据所述移动床物理模型构建移动床中颗粒传输过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程以及动量方程；

根据所述移动床物理模型构建固相控制方程，所述固相控制方程包括颗粒运动控制方程；

构建过程放大模型；

选取不同的放大因子，在基本求解参数相同的条件下对气固传输过程进行模拟计算；

根据不同放大因子下移动床内气固流动模式获取数值计算加速规律。

所述颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法通过构建过程放大模型对移动床中的气固传输过程进行放大，选取不同放大因子并在基本求解参数相同的条件下对气固传输过程进行模拟计算，最后根据不同放大因子下移动床内气固流动模式获取数值计算加速规律，可以提高计算速度，节约计算成本。

进一步地，所述连续性方程为

进一步地，所述动量方程为

进一步地，所述颗粒运动控制方程为

进一步地，在根据所述移动床物理模型构建移动床中颗粒传输过程中的流体相控制方程组前，先对所述移动床物理模型进行网格划分。

进一步地，所述移动床物理模型的入口、出口、壁面分别采用速度入口边界条件、压力出口边界条件以及周期性边界条件。

进一步地，在根据所述移动床物理模型构建移动床中颗粒传输过程中的流体相控制方程组前，设定基本求解参数，所述基本求解参数包括入口气体速度、气体密度、颗粒密度、颗粒直径、床层颗粒总数以及时间步长。

进一步地，所述入口气体速度为20m/s，所述气体密度为1.2kg/m

进一步地，通过结构化方法对所述移动床物理模型进行网格划分，所述网格的大小所述颗粒直径的1.3倍。

相应地，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1是本发明一实施例中一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法的整体流程示意图；

图2是本发明一实施例中一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法的移动床物理模型的网格划分及边界条件示意图；

图3是本发明一实施例中一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法的移动床中气固传输过程的理论加速远离示意图；

图4是本发明一实施例中一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法的初始床层的结构示意图；

图5是本发明一实施例中一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法在λ＝100、仿真时间分别为0s、20s、40s、60s、80s时的颗粒的流态分布示意图；

图6是本发明一实施例中一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法在仿真时间为80s时达到稳定的气体流场分布示意图；

图7是本发明一实施例中一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法λ分别为1、10、100以及200时的颗粒的流态分布示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

如图1所示，本发明一实施例中的一种颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法，其包括如下步骤：

构建移动床物理模型；

根据所述移动床物理模型构建移动床中颗粒传输过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程以及动量方程；

根据所述移动床物理模型构建固相控制方程，所述固相控制方程包括颗粒运动控制方程；

构建过程放大模型；

对所述流体相控制方程组、固相控制方程组以及过程放大模型进行CFD-DEM耦合仿真，并选取不同的放大因子，在基本求解参数相同的条件下对气固传输过程进行模拟计算；

根据不同放大因子下移动床内气固流动模式获取数值计算加速规律，并根据所述加速规律实现所述颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法。

所述颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法通过构建过程放大模型对移动床中的气固传输过程进行放大，选取不同放大因子并在基本求解参数相同的条件下对气固传输过程进行模拟计算，最后根据不同放大因子下移动床内气固流动模式获取数值计算加速规律，可以提高计算速度，节约计算成本。另外，由于所述颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法可通过选择不同放大因子对气固传输过程进行模拟计算，对比气固传输效果，不仅可适用于不同的移动床气固传输过程，还可很方便轻易地获得某些通过试验方法不容易获得的移动床气固传输过程的加速规律及参数，为实际移动床气固传输过程参数的优选提供了重要的理论依据。

图3所示为移动床中气固传输过程的理论加速远离示意图，Q

对所述流体相控制方程组、固相控制方程组以及过程放大模型进行CFD-DEM耦合仿真，选取不同的放大因子并在基本求解参数相同的条件下对气固传输过程进行模拟计算，具体而言如图4所示，首先通过DEM生成由A、B两种不同材料的颗粒组成的总数为5000个的初始床层，颗粒由初始床层上部进料，在进气口处以每5s排出2个的速率排出颗粒，上部进料保持相同速率，以此保证整个初始床层高度不变，然后在DEM中计算单元中的孔隙率以及颗粒-流体相互作用力，最后将单元中的孔隙率以及颗粒-流体相互作用力用于CFD以确定流体流动，并分别找到颗粒-流体相互作用力，将所产生的力结合到DEM中，产生下一时间步骤的单个颗粒的位置以及速度的信息，按此循环直至达到预设的仿真时间，模拟计算结束。

在基本求解参数相同的条件下对气固传输过程进行模拟计算后，对气固传输过程进行分析。按照本发明所述方法，选择λ＝100，计算颗粒在移动床中的传输过程，仿真时间为80s。如图5以及图6所示，随着颗粒的排料和进料，料层的颜色有所改变，但是气体流场在不同的时间基本保持不变。如图7所示，在λ＝1、10、100以及200时，分别观察到相似的颗粒流态。结合图5、6以及7可以证明，过程放大模型在保证气固流动相似方面的有效性。

在其中一个实施例中，所述连续性方程为

其中，ρ

在其中一个实施例中，所述动量方程为

其中，p为气体压力，F

在其中一个实施例中，所述颗粒运动控制方程为

其中，m

在其中一个实施例中，在根据所述移动床物理模型构建移动床中颗粒传输过程中的流体相控制方程组前，先对所述移动床物理模型进行网格划分。

具体而言，可通过ANSYS Fluent Meshing或者其它相关软件对所述移动床物理模型进行网格划分。

在其中一个实施例中，所述移动床物理模型的入口、出口、壁面分别采用速度入口边界条件、压力出口边界条件以及周期性边界条件。如图2所示，所述移动床模型的喷动床宽为800mm，喷动床厚为160mm，喷动床高位4000mm。

在其中一个实施例中，在根据所述移动床物理模型构建移动床中颗粒传输过程中的流体相控制方程组前，设定基本求解参数，所述基本求解参数包括入口气体速度、气体密度、颗粒密度、颗粒直径、床层颗粒总数以及时间步长。

具体而言，所述入口气体速度为20m/s，所述气体密度为1.2kg/m

在其中一个实施例中，通过结构化方法对所述移动床物理模型进行网格划分，所述网格的大小为所述颗粒直径的1.3倍。

在其中一个实施例中，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的颗粒移动床中气固相间传输过程模拟仿真加速方法。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。