基于MP-PIC方法的流态化反应器快速模拟研究
发布时间：2021-07-11 08:26
在气固两相流的数值模拟中,MP-PIC（Multiphase Particle-In-Cell）作为一种粒子与网格混合的方法,兼具了效率与精确性:对颗粒的离散处理使其在计算、分析颗粒行为时比连续方法更具优势;以少量计算粒子代替大量属性相同的颗粒并以固相应力模型模拟颗粒间的碰撞显著降低了计算量并提高了计算效率。因此,本论文采用MP-PIC方法实现流态化反应器的快速模拟,并探讨进一步提高其模拟精度和效率的途径。在MP-PIC方法中,固相正应力模型表征颗粒间的相互作用,而传统模型并未考虑介尺度结构的影响;在计算时,离散颗粒的定位、颗粒属性在非规则流体网格上的插值复杂耗时。这些因素限制了 MP-PIC方法在工业模拟中的应用。基于上述问题,本论文在模型方面基于EMMS（Energy Minimization Multi-Scale）理论发展了考虑介尺度结构的非均匀固相应力模型;在算法方面通过网格映射简化颗粒计算;在应用方面,对程序进行了并行及优化并实现了工业级装置的模拟。具体如下:1)作为研究基础,本论文整合了一套现有单相PIC代码与开源软件OpenFOAM构建了功能完整的MP-PIC计算程序F...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市
【文章页数】：180 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１气固流态化系统中结构变化的复杂性ｗ??
ｅｒｉｃａｌ?Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，?ＤＮＳ），双流??体模型（Ｔｗｏ－ＦｌｕｉｄＭｏｄｅｌ，?ＴＦＭ）?＿以及离散颗粒模型（ＤｉｓｃｒｅｔｅＰａｒｔｉｃｌｅＭｏｄｅｌ，??ＤＰＭ）?［３１］。??１．２．１直接数值模拟??ＤＮＳ起源于单相揣流分析，要求在不需任何湍流模型的情况下对Ｎａｖｉｅｒ－??Ｓｔｏｋｅｓ?（Ｎ－Ｓ）方程进行数值求解，因而需要保证网格的解析度在Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ尺??度以下气固两相流的ＤＮＳ同样要求较高的网格解析度，通常网格的尺寸??比颗粒直径小一个量级，如图１．２所示。由于颗粒周围的流场己完全解析，因此??不需要封闭Ｎ－Ｓ方程中的气固两相相互作用项。在计算时，颗粒表面被视为流体??流场中的自由移动边界，因此可以将流场中的颗粒表示为一系列运动壁面的集合，??通过对其表面的应力积分获得颗粒的受力情况。??ｆ?１—＃￣＾??＜?ｊ?）?？?？?？?？?？?？?？?＊?＊?？－＊?？?？?＊?？?？?？？？？？?？?＊?？??ｊ?：?！?：?？?？?Ｈ………??．．．ｉｙｉｉＳＰ；：；：；??ｉ?？?ｉ??图１．２直接数值模拟中的颗粒及周围流体节点Ｍ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｐａｒｔｉｃｌｅ?ａｎｄ?ｆｌｕｉｄ?ｎｏｄｅｓ?ｉｎ?ＤＮＳ，３４１??在ＤＮＳ中，可使用欧拉方法＾３７］、拉格朗日方法以及格子玻尔兹曼方??法（Ｌａｔｔｉｃｅ?Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ?Ｍｅｔｈｏｄ，?ＬＢＭ）?［４２－４４］求解气相。其中，ＬＢＭ通过求解格子??玻尔兹曼方程解析颗粒周围的流场，通过求解牛顿运动方程跟踪颗粒的运动，是??对计算资源消耗较小的一种ＤＮＳ气相求解方法但即使使用ＬＢＭ求解气相??４??
用固相压力这一个用于ＴＦＭ的固相连续属性模??拟颗粒之间的碰撞效果［６＋７１１。计算粒子的使用大大减小了需要跟踪的粒子数量，??固相压力的使用则避免了对颗粒之间频繁碰撞的计算、增加了颗粒计算时间步长，??二者结合使得ＭＰ－ＰＩＣ方法的计算量远远低于传统的ＤＰＭ方法。因此，ＭＰ－ＰＩＣ??方法在近年来发展迅速，逐渐应用于各种较大规模的气固流态化计算中。??ｄｐ?＝?１??〇°〇??〇〇??／＼??ｎ：：Ｓ〇?０?＝?Ｗ??ＭＰ－ＰＩＣ?Ｃｏａｒｓｅ－ｇｒａｉｎｅｄ?ＤＰＭ??图１．３?ＭＰ－ＰＩＣ方法中计算粒子与粗粒化ＤＰＭ方法中粗颗粒的对比Ｈ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｔｈｅ?ｐａｒｃｅｌ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＭＰ－ＰＩＣ?ｍｅｔｈｏｄ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｃｏａｒｓｅ?ｐａｒｔｉｃｌｅ??ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏａｒｓｅ－ｇｒａｉｎｅｄ?ＤＰＭ｜７？１??目前，研究者们己经验证了?ＭＰ－ＰＩＣ方法的计算高效性［７｜］与物理准确性［７８】，??并且ＭＰ－ＰＩＣ方法在较稠密的气固流态化体系中也可以较为容易地计算且能够避??免数值扩散［６９１，因而ＭＰ－ＰＩＣ方法的数值稳定性也较为优秀。ＭＰ－ＰＩＣ方法的这??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]The Sunway Taihu Light supercomputer:system and applications[J]. Haohuan FU,Junfeng LIAO,Jinzhe YANG,Lanning WANG,Zhenya SONG,Xiaomeng HUANG,Chao YANG,Wei XUE,Fangfang LIU,Fangli QIAO,Wei ZHAO,Xunqiang YIN,Chaofeng HOU,Chenglong ZHANG,Wei GE,Jian ZHANG,Yangang WANG,Chunbo ZHOU,Guangwen YANG. Science China（Information Sciences）. 2016(07)
[2]A multi-scale architecture for multi-scale simulation and its application to gas-solid flows[J]. Bo Li,Guofeng Zhou,Wei Ge,Limin Wang,Xiaowei Wang,Li Guo,Jinghai Li. Particuology. 2014(04)
[3]基于多尺度模型的MIP提升管反应历程数值模拟[J]. 鲁波娜,程从礼,鲁维民,王维,许友好. 化工学报. 2013(06)
[4]Direct numerical simulation of particle-fluid systems by combining time-driven hard-sphere model and lattice Boltzmann method[J]. Limin Wanga,*,Guofeng Zhoua,b,Xiaowei Wanga,Qingang Xionga,b,Wei Gea a State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China b Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China. Particuology. 2010(04)
[5]Three-dimensional simulation of liquid injection,film formation and transport,in fluidized beds[J]. Paul Zhao,Peter J. O’Rourke,Dale Snider. Particuology. 2009(05)
[6]各向同性湍流内颗粒碰撞率的直接模拟研究[J]. 李瑞霞,柳朝晖,贺铸,陈胤密,郑楚光. 力学学报. 2006(01)
[7]一个气固两相流动阻力的新模型[J]. 肖海涛,祁海鹰,由长福,徐旭常. 化工学报. 2003(03)
[8]Macro-scale pseudo-particle modeling for particle-fluid systems[J]. GE Wei & LI JinghaiMulti-phase Reaction Laboratory, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China. Chinese Science Bulletin. 2001(18)
博士论文
[1]气固流态化介尺度结构及非均匀曳力模型研究[D]. 陈程.清华大学 2014
硕士论文
[1]离散颗粒法的EMMS曳力模型及其应用[D]. 王晓赞.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2018
本文编号：3277725
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市
【文章页数】：180 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１气固流态化系统中结构变化的复杂性ｗ??
ｅｒｉｃａｌ?Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，?ＤＮＳ），双流??体模型（Ｔｗｏ－ＦｌｕｉｄＭｏｄｅｌ，?ＴＦＭ）?＿以及离散颗粒模型（ＤｉｓｃｒｅｔｅＰａｒｔｉｃｌｅＭｏｄｅｌ，??ＤＰＭ）?［３１］。??１．２．１直接数值模拟??ＤＮＳ起源于单相揣流分析，要求在不需任何湍流模型的情况下对Ｎａｖｉｅｒ－??Ｓｔｏｋｅｓ?（Ｎ－Ｓ）方程进行数值求解，因而需要保证网格的解析度在Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ尺??度以下气固两相流的ＤＮＳ同样要求较高的网格解析度，通常网格的尺寸??比颗粒直径小一个量级，如图１．２所示。由于颗粒周围的流场己完全解析，因此??不需要封闭Ｎ－Ｓ方程中的气固两相相互作用项。在计算时，颗粒表面被视为流体??流场中的自由移动边界，因此可以将流场中的颗粒表示为一系列运动壁面的集合，??通过对其表面的应力积分获得颗粒的受力情况。??ｆ?１—＃￣＾??＜?ｊ?）?？?？?？?？?？?？?？?＊?＊?？－＊?？?？?＊?？?？?？？？？？?？?＊?？??ｊ?：?！?：?？?？?Ｈ………??．．．ｉｙｉｉＳＰ；：；：；??ｉ?？?ｉ??图１．２直接数值模拟中的颗粒及周围流体节点Ｍ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｐａｒｔｉｃｌｅ?ａｎｄ?ｆｌｕｉｄ?ｎｏｄｅｓ?ｉｎ?ＤＮＳ，３４１??在ＤＮＳ中，可使用欧拉方法＾３７］、拉格朗日方法以及格子玻尔兹曼方??法（Ｌａｔｔｉｃｅ?Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ?Ｍｅｔｈｏｄ，?ＬＢＭ）?［４２－４４］求解气相。其中，ＬＢＭ通过求解格子??玻尔兹曼方程解析颗粒周围的流场，通过求解牛顿运动方程跟踪颗粒的运动，是??对计算资源消耗较小的一种ＤＮＳ气相求解方法但即使使用ＬＢＭ求解气相??４??
用固相压力这一个用于ＴＦＭ的固相连续属性模??拟颗粒之间的碰撞效果［６＋７１１。计算粒子的使用大大减小了需要跟踪的粒子数量，??固相压力的使用则避免了对颗粒之间频繁碰撞的计算、增加了颗粒计算时间步长，??二者结合使得ＭＰ－ＰＩＣ方法的计算量远远低于传统的ＤＰＭ方法。因此，ＭＰ－ＰＩＣ??方法在近年来发展迅速，逐渐应用于各种较大规模的气固流态化计算中。??ｄｐ?＝?１??〇°〇??〇〇??／＼??ｎ：：Ｓ〇?０?＝?Ｗ??ＭＰ－ＰＩＣ?Ｃｏａｒｓｅ－ｇｒａｉｎｅｄ?ＤＰＭ??图１．３?ＭＰ－ＰＩＣ方法中计算粒子与粗粒化ＤＰＭ方法中粗颗粒的对比Ｈ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｔｈｅ?ｐａｒｃｅｌ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＭＰ－ＰＩＣ?ｍｅｔｈｏｄ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｃｏａｒｓｅ?ｐａｒｔｉｃｌｅ??ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏａｒｓｅ－ｇｒａｉｎｅｄ?ＤＰＭ｜７？１??目前，研究者们己经验证了?ＭＰ－ＰＩＣ方法的计算高效性［７｜］与物理准确性［７８】，??并且ＭＰ－ＰＩＣ方法在较稠密的气固流态化体系中也可以较为容易地计算且能够避??免数值扩散［６９１，因而ＭＰ－ＰＩＣ方法的数值稳定性也较为优秀。ＭＰ－ＰＩＣ方法的这??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]The Sunway Taihu Light supercomputer:system and applications[J]. Haohuan FU,Junfeng LIAO,Jinzhe YANG,Lanning WANG,Zhenya SONG,Xiaomeng HUANG,Chao YANG,Wei XUE,Fangfang LIU,Fangli QIAO,Wei ZHAO,Xunqiang YIN,Chaofeng HOU,Chenglong ZHANG,Wei GE,Jian ZHANG,Yangang WANG,Chunbo ZHOU,Guangwen YANG. Science China（Information Sciences）. 2016(07)
[2]A multi-scale architecture for multi-scale simulation and its application to gas-solid flows[J]. Bo Li,Guofeng Zhou,Wei Ge,Limin Wang,Xiaowei Wang,Li Guo,Jinghai Li. Particuology. 2014(04)
[3]基于多尺度模型的MIP提升管反应历程数值模拟[J]. 鲁波娜,程从礼,鲁维民,王维,许友好. 化工学报. 2013(06)
[4]Direct numerical simulation of particle-fluid systems by combining time-driven hard-sphere model and lattice Boltzmann method[J]. Limin Wanga,*,Guofeng Zhoua,b,Xiaowei Wanga,Qingang Xionga,b,Wei Gea a State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China b Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China. Particuology. 2010(04)
[5]Three-dimensional simulation of liquid injection,film formation and transport,in fluidized beds[J]. Paul Zhao,Peter J. O’Rourke,Dale Snider. Particuology. 2009(05)
[6]各向同性湍流内颗粒碰撞率的直接模拟研究[J]. 李瑞霞,柳朝晖,贺铸,陈胤密,郑楚光. 力学学报. 2006(01)
[7]一个气固两相流动阻力的新模型[J]. 肖海涛,祁海鹰,由长福,徐旭常. 化工学报. 2003(03)
[8]Macro-scale pseudo-particle modeling for particle-fluid systems[J]. GE Wei & LI JinghaiMulti-phase Reaction Laboratory, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China. Chinese Science Bulletin. 2001(18)
博士论文
[1]气固流态化介尺度结构及非均匀曳力模型研究[D]. 陈程.清华大学 2014
硕士论文
[1]离散颗粒法的EMMS曳力模型及其应用[D]. 王晓赞.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2018
本文编号：3277725
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