基于格子波尔兹曼方法的鼓泡塔反应器复杂流动的多尺度模拟

发布时间：2020-10-31 22:50

　　 鼓泡塔反应器在过程工业中已经得到广泛的应用,其内部气液两相流动的快速和准确模拟对这类反应器的设计和放大具有十分重要的意义。然而,气液两相的多尺度流动结构、复杂内构件以及气液两相湍流等使得鼓泡塔反应器的快速和准确模拟非常困难。针对这些问题,本文以格子波尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)为基础,研究了鼓泡塔反应器内的微尺度、介尺度和宏尺度气液两相流动问题；实现了LBM方法对气液两相流中微、介尺度物理现象的直接数值模拟以及基于LBM的混合物模型的气液两相流中的宏尺度现象的模拟,并将LBM与浸入边界法(Immersed Boundary Method, IBM)耦合,用以模拟带有复杂内构件和复杂边界条件的反应器内的流动；进一步研究了湍流模拟中LBM-RANS耦合模型显式求解的数值收敛性问题和LBM-RANS耦合模型隐式求解的计算加速问题,具体内容如下：1、气液两相流动中微尺度和介尺度问题的直接数值模拟(LBM-DNS):应用直接数值模拟方法,一方面可以强化对气液两相流动微介尺度物理现象的认识,另一方面也可以为上层连续介质模型本构关系的建立和验证提供依据。当前,在高运动粘度比、高雷诺数流动条件下,基于LBM的气液直接数值模拟存在模拟计算稳定性差的问题。本文发展了基于LBM的气液两相流直接数值模拟方法,实现了气液运动粘度比1：103、高雷诺数、低莫顿数的气液两相流动模拟。以此为基础研究了单气泡、双气泡以及气泡群的运动。模拟能捕捉到空气-水体系2mm气泡Z字型上升过程以及特定条件下水并列的两个气泡的波浪形上升过程,结果表明气泡水平方向上的运动主要是由气泡尾涡引起的。气泡群运动模拟中气泡之间聚并现象明显,未发现气泡破碎,这可能是由于气液直接数值模拟中液相湍动微弱,无法达到气泡破碎条件引起的,需要进一步提高网格数量才可能模拟出聚并与破碎共存的现象。2、基于LBM的气液两相混合物模型(LBM-Mixture):由于计算量的限制,直接数值模拟目前尚无法直接应用于工业规模的反应器的模拟,一个较为实际的方法是应用连续介质层次的混合物模型,并用采用LBM方法求解和GPU加速计算,这可以为反应器的初步概念设计提供一种快速的计算方法。基于此设想,本文发展了基于LBM的混合物模型,该模型将压力项的作用以外力源项的方式添加到LBM方程中,克服了文献报道的模型中无量纲松弛时间τ必须为1才能恢复到宏观NS (Navier-Stokes, NS)方程的限制。在LBM模拟中,流体的运动粘度v与τ以及时间步长△t以及空间步长Δh相关,即v= (τ-0.5)△h2/(3△t)。如取τ1,模拟中必须选取较小的Δh才能模拟低运动粘度的流动,因而难以模拟大尺度、低粘度流动问题。本文发展的LBM混合物模型被成功应用于中心或偏心进气的二维鼓泡塔的模拟(空气-水体系)。模拟结果表明该方法能准确捕捉到二维鼓泡塔中的气相水平摆动过程,模拟预测的摆动频率和时均液速与文献报道的实验结果吻合。进一步比较了GPU并行加速的LBM-Mixture模型求解速度与Fluent中双流体求解速度。相同网格和时间步长情况下,4块GPU卡加速的LBM-Mixture模型的计算速度约为Fluent求解的双流体模型(4个CPU核)的250倍。LBM-Mixture模型的GPU并行加速方法为气液体系实时模拟和VPE(Virtual Process Engineering)的实现打下了基础。3、LBM耦合浸入边界法(LBM-IBM)模拟复杂构体和复杂边界的流动问题：工业规模的鼓泡塔或者气液搅拌釜内往往有十分复杂的内构件或不规则的几何边界,如换热管、搅拌桨、折流板等等。对于LBM模拟而言,一方面在经典的LBM框架下,LBM处理复杂边界时具有一定的局限性；另一方面,使用基于有限体积的LBM处理复杂边界,需要生成贴体网格,增加了网格生成的时间成本。本文采用IBM来处理复杂边界,缩短了前处理时间。建立了GPU并行加速的LBM耦合IBM模型,并通过模拟Rushton桨搅拌釜内的流动来验证模型的准确性。单GPU卡的计算速度为CPU核的50倍以上。相比于16核CPU并行计算的基于Fluent的滑移网格模拟,4块GPU卡加速的LBM-IBM模拟的计算速度是其270倍左右。GPU并行加速的LBM耦合IBM模拟具有准确和快速的优点,进一步可与本文发展的LBM-DNS/LBM-Mixture/LBM-RANS等模型结合,用于模拟带有复杂内构件的鼓泡塔气液两相流动。4、LBM-RANS耦合模型的数值收敛和计算加速问题：相比于直接数值模拟和大涡模拟,采用LBM-RANS耦合模型模拟实际工业反应器中的湍流和多相流是较为经济的方法。一方面,显式求解的RANS模型与LBM耦合的计算效率较高,但计算稳定性差；另一方面,隐式求解的RANS模型与LBM耦合的计算稳定性好,但计算效率低。本文研究了二维显式求解的标准k-ε模型与LBM耦合的数值稳定性问题,并给出了可提高数值稳定性的数值格式组合方式。然而,这些数值格式组合很难保证三维计算的稳定性。隐式求解RANS模型能使计算更加稳定,但计算效率低。本文提出了一种时空异步多尺度方法,提高了LBM耦合隐式求解RANS模型的计算效率,解决了LBM耦合隐式求解RANS模型快速计算的关键技术问题。以上四个关键问题的解决,将为LBM方法模拟实际工业过程的气液两相流动建立基础。本文的研究工作表明,LBM方法可研究从微、介尺度的气泡动力学(LBM-DNS),到反应器尺度的多相流动。后者涵盖了从反应器多相流的模拟和初步概念设计(LBM-Mixture)到复杂内构件(LBM-IBM)和湍流的模拟(LBM-RANS)。
【学位单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TQ052
【部分图文】：

亦称为流型。宏观上，鼓泡塔中气液两相流动存在王种典型流型：均匀鼓??泡区（Ｂｕｈ）ｂｌｙ?ｆｌｏｗ）、端动鼓泡区（Ｃｈｕｒｎ－ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ?ｆｌｏｗ）、柱塞鼓泡区（Ｓｌｕｇ?ｆｌｏｗ），??如所图１．１示。鼓泡塔内气液两相流动所处流型与表观气速Ｗ及鼓泡塔直径紧密相关。??在低表观气速时，流型属于均匀鼓泡区，也被称为均匀安静鼓泡区，气含率随着表观??气速增长线性增长，气液两相流动相对均匀，气泡尺寸分布较窄，气泡尺寸主要受分??布器影响，气泡几乎不发生聚并破碎。在高表观气速、大塔径条件下，鼓泡塔反应器??

１．３气液两相流数值模拟方法??根据不同方法对气泡细节描述情况，气液两相流数值模拟方法可划分为直接数值??模拟、欧拉－拉格朗日方法、欧拉－欧拉方法（或双流体）及混合物模型。图１．４为??不同层次方法对气泡的解析程度，包括直接数值模拟、欧拉－拉格朗日、双流体（其??

另一种方法是使用连续光滑的函数Ｆ代替阶跃函数好，当Ｆ＝０时为气液相界面；??护＞０是一种流体，是另外一种流体。??这些方法对于流体界面识别方式如图１．５所示由图１．５可知，不同的界面识??别方法对于界面识别的准确度不同。描述最为准确的是好与水平集函数八而光滑函??数／Ｗ及颜色函数Ｃ描述的界面位置精度与网格大小有关。??Ｊ—１／２?Ｊ＋１／２???Ｌ?Ｌ４Ｗ??＿＿?？、斯）????Ｍ?ｊ?片广护托）??图１．５界面在网格上的不同描述方法：实线为阶跃函数好，阴影为颜色函数Ｃ，，虚线为光滑的指??示函数／，点画线为水平集函数Ｆ（其中护＝０为界面）??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｔｈｅ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ?ｆｏｒ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓ?ｏｎ?ａ?ｇｒｉｄ：?ｔｈｅ?ｓｏｌｉｄ?ｌｉｎｅ?ｉｓ?Ｈ，?ｔｈｅ?ｓｈａｄｅ??ｐａｒｔｓ?ａｒｅ?ｔｈｅ?ｃｏｌｏｒ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ?Ｑ，?ｄａｓｈｅｄ?ｌｉｎｅ?ｉｓ?ａ?ｓｍｏｏｔｈ?ｉｎｄｉｃａｔｏｒ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ?／，?ｄａｓｈ－ｄｏｔ?ｌｉｎｅ?ｉｓ?ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ??ｆｌｍｃｔｉｏｎ?（护二０?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ?ｔｈｅ?ｉｎｔｅｒ估ｃｅ）畔］??颤色函数Ｃ?（当地流体体积分率函数）物质导数方程，??—＋?？－ＶＣ?＝?０?（ｌ．Ｕ）??ｄｔ??方程０．１１）中的对流项可Ｗ采用保单调格式、总变差不増格式【＂］（Ｔｏｔａｌ?Ｖａｒｉａｔｉｏｎ??Ｄｉｍｉｎｉｓｈｉｎｇ?Ｓｃｈｅｍｅ，?ＴＶＤ）离散Ｗ咸少数值振荡和扩育义。虽然ＴＶＤ格式能准确地捕??捉短时间内间断问题

本文编号：2864617