气固流态化的多尺度离散模拟

发布时间：2017-10-04 09:05

  本文关键词：气固流态化的多尺度离散模拟

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【摘要】：气固流态化系统广泛存在于化工、材料、能源、资源和食品医药等过程工业中。在此类系统中颗粒和流体之间、颗粒和颗粒之间有着复杂的相互作用,是典型的非线性非平衡系统,有着明显的多尺度结构。随着计算能力的提高和模型、算法的发展,数值模拟已成为研究该系统的有力工具。双流体模型将颗粒处理成流体,在网格尺度描述颗粒的运动,无法提供颗粒尺度的信息。同时颗粒相的粘度和压力等本构关系也难以准确建立。离散颗粒方法则直接在颗粒尺度上计算颗粒间的作用力,跟踪颗粒的运动,可以方便地研究多粒径体系、非规则颗粒、颗粒间复杂作用力、颗粒停留时间分布等。但对于实际体系,由于颗粒数量巨大,并且颗粒间作用力的计算需要较小的时间步长,离散颗粒方法还鲜有应用。目前即使采用超级计算,离散模拟也多用于研究小规模实验装置。而随着过程工业的发展,对模拟精度与规模的要求不断提高,对离散颗粒方法进行深入的改进与扩展显得尤为重要。本论文试图通过对模型和计算方法的系统改进,从时间和空间尺度上扩展离散模拟的适用范围,为工业过程的模拟提供可能。论文的主要创新点如下：从源头上减少跟踪颗粒数目、加大时间步长是提高离散模拟速度、扩大其规模的根本途径,为此论文提出了以颗粒团代替单颗粒的粗粒化离散模型EMMS-DPM.该模型根据EMMS模型描述的团聚物尺寸和空隙率分布限定了所定义的颗粒团,即粗颗粒(coarse-grained particle, CGP)的大小,流体与粗颗粒之间的作用力采用EMMS曳力封闭。为了保证粗颗粒的碰撞能量耗散和原系统相当,我们根据颗粒动理论对恢复系数进行了修正。通过对固定床压降、循环流化床空隙率分布的模拟验证了模型的正确性。内容详见第三章。鉴于颗粒流体系统的多尺度特征和颗粒间以近程力为主的相互作用方式,发展了耦合利用多核与众核处理器(如Graphics Processing Unit, GPU)的离散模拟大规模多尺度并行计算方法,达到了计算与通信操作的高度重叠,显著提高了计算速度、效率与可扩展性。采用系统共享内存,实现了CPU端计算流体的同时在GPU端进行颗粒的计算,同时避免了通过文件交换数据带来的IO开销。计算程序通过了固定床压降和提升管空隙率分布等计算的验证。内容详见第二章。在上述改进的基础上,论文对气固流态化系统完整实现了“先分布、后演化”的EMMS计算范式。首先根据宏尺度EMMS模型预测的空隙率分布确定模拟的初始条件,然后据此非均匀地划分并行模拟区域以平衡计算负载,最后采用上述粗粒化方法模拟系统的动态行为。在典型的循环床提升管模拟中,采用该范式进一步提高了计算速度20%左右。集成上述工作并与可视化以及控制程序在线耦合运行,建立了循环流化床虚拟过程演示系统,实现了准实时的交互模拟。应用该系统,在对中试规模提升管的精度、速度和效率优先模拟中分别达到了与单颗粒离散模拟相当的准确性,二维实时模拟和目前所知最高的单GPU颗粒更新速率,表明了在现有工作基础上最终实现虚拟过程的可能性。内容详见第四章。基于上述工作,论文通过模拟实例表明了离散模拟已经能够提供实验与连续介质模拟难以获得的全面而详细的流场信息。一方面,对工业规模的流态床模拟时间可达小时量级,每天演化进度超过10分钟,为了解的很多操作和反应过程的颗粒与产物停留时间分布等信息提供了有力手段。比如对甲醇制烯烃工艺中的流态化反应器的模拟时间已超过6800s,对了解其中的催化剂结焦过程有很大帮助。另一方面,对接近中试规模的循环流化床实验装置可实现三维全回路离散模拟。比如对一个包含30公斤80微米直径的A类颗粒的系统采用302万30倍粒径的粗颗粒达到了每天8秒的计算速度。模拟获得的循环时间分布、停留时间分布、空隙率分布等重要参数均与实验数据及理论分析吻合。上述研究有力证明了本论文改进的离散模拟的实际应用能力与优势。内容详见第五章。综上所述,本论文提出的EMMS-DPM通过基于介尺度结构分析的粗粒化方法在基本保持准确性的前提下显著降低了离散模拟的计算量；提出的CPU-GPU耦合并行计算方法实现了CPU和GPU计算以及计算与通信操作的重叠,显著提高了计算速度。通过上述工作与宏尺度模型耦合减少了负载不均衡对并行计算速度的影响,通过与可视化程序、控制程序的耦合实现了在线交互模拟；通过模型、算法和软件、硬件的统一,在时空尺度上扩展了离散模拟的应用范围,初步建立了气固流态化系统虚拟过程的计算模式。
【关键词】：气固流态化 离散模拟 粗粒化 虚拟过程工程 并行计算
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ019
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-29
• 1.1 气固系统的时空多尺度结构与EMMS模型13-17
• 1.1.1 整体非均匀结构13-14
• 1.1.2 局部非均匀结构14-15
• 1.1.3 EMMS模型15-17
• 1.2 物理模型与计算方法17-23
• 1.2.1 双流体模型18-20
• 1.2.2 离散颗粒模型20-21
• 1.2.3 直接数值模拟21
• 1.2.4 粗粒化方法21-23
• 1.3 两相流模拟软件与高性能计算23-26
• 1.3.1 高性能计算23-24
• 1.3.2 相流模拟商业软件的发展24-25
• 1.3.3 两相流模拟开源软件的发展25-26
• 1.4 虚拟过程工程26-27
• 1.5 本论文研究思路及内容27-29
• 2 离散模拟的并行计算及其改进29-48
• 2.1 物理模型29-31
• 2.1.1 气固两相控制方程29
• 2.1.2 颗粒碰撞模型29-30
• 2.1.3 相间作用模型30-31
• 2.2 算法流程31-40
• 2.2.1 流体相的求解31-33
• 2.2.2 颗粒相的求解33-36
• 2.2.3 相间作用的计算36-39
• 2.2.4 整体算法流程39
• 2.2.5 改进的算法流程39-40
• 2.3 验证计算40-46
• 2.3.1 固定床起始流态化的模拟41-43
• 2.3.2 A类颗粒提升管流态化的模拟43-46
• 2.4 本章小结46-48
• 3 粗粒化离散模型：EMMS-DPM48-82
• 3.1 EMMS-DPM模型48-57
• 3.1.1 粗颗粒的定义48-52
• 3.1.2 粗颗粒的控制方程52-53
• 3.1.3 粗颗粒碰撞作用力的计算53-57
• 3.2 EMMS-DPM模型求解流程57-58
• 3.3 EMMS-DPM模型验证和应用58-80
• 3.3.1 固定床起始流态化的模拟59-63
• 3.3.2 A类颗粒提升管流态化的模拟63-72
• 3.3.3 提升管大规模离散模拟72-80
• 3.4 本章小结80-82
• 4 基于EMMS范式的气固流态化虚拟过程82-114
• 4.1 虚拟过程工程与EMMS范式82-84
• 4.2 基于EMMS范式的多尺度离散模拟84-93
• 4.2.1 宏尺度EMMS模型85-86
• 4.2.2 多尺度离散模拟计算流程86-87
• 4.2.3 多尺度离散模拟算例87-93
• 4.3 虚拟过程工程中的可视化与交互控制93-97
• 4.3.1 可视化程序93-95
• 4.3.2 控制程序95-97
• 4.3.3 系统集成97
• 4.4 虚拟过程初探：在线交互模拟97-113
• 4.4.1 Case DPM：基础验证计算98-101
• 4.4.2 Case A：精度优先计算101-104
• 4.4.3 Case C：速度优先计算104-106
• 4.4.4 Case E：效率优先计算106-108
• 4.4.5 Case VPE：综合集成计算108-113
• 4.5 本章小结113-114
• 5 离散模拟的扩展应用114-134
• 5.1 甲醇制烯烃(MTO)装置的长时模拟114-121
• 5.1.1 实验装置与模拟参数115-117
• 5.1.2 结果分析117-121
• 5.2 三维全回路离散模拟121-132
• 5.2.1 全回路模拟现状121-122
• 5.2.2 实验装置与模拟参数122-125
• 5.2.3 结果分析125-132
• 5.3 本章小结132-134
• 6 结论与展望134-137
• 6.1 主要工作与结论134-135
• 6.2 论文创新点135-136
• 6.3 展望136-137
• 符号表137-141
• 参考文献141-150
• 个人简历及发表文章目录150-151
• 致谢151-152

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张二强;堵劲松;江家森;张炜;李斌;朱文魁;;基于OpenFOAM大规模并行计算的烟草气流干燥装置中气固流动数值模拟[J];烟草科技;2017年04期

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本文编号：969775