稠密颗粒两相流的CFD-DEM耦合并行算法及数值模拟
发布时间：2020-12-19 15:51
稠密颗粒气固两相流是颗粒流体系统中的一个重要而又前沿的研究领域。随着计算机技术的飞速发展,数值模拟方法已成为研究稠密颗粒气固两相流动的一种强有力的工具。基于欧拉法建立的欧拉-欧拉模型（TFM,双流体模型）和基于拉格朗日法建立的欧拉-拉格朗日模型（CFD-DEM,计算流体力学-离散单元法）是目前描述该类气固流动系统主要的数值模拟方法。由于CFD-DEM法可跟踪单个颗粒的运动信息,并可考虑颗粒-颗粒、颗粒-壁面碰撞及颗粒-流体间的相互作用,已引起众多学者的重视。基于FLUENT软件单相流体求解器的MPICH2并行计算环境,在二次开发框架内,本文利用用户自定义函数（User Defined functions, UDFs）文件,发展了一套适用于非规则边界计算域的拟三维CFD-DEM耦合并行算法,并通过相关实验数据对该CFD-DEM耦合并行模型进行验证,然后将其用于沉浸管流化床气固两相流动和颗粒混合特性的数值模拟中。首先,详细介绍了基于FLUENT软件的CFD-DEM耦合算法的具体实施策略,主要包括：（1）连续相控制方程采用基于压力梯度力（PGF）模型的Model A；构建空隙率标量场、重组M...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：189 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 稠密颗粒气固两相流系统的非线性非平衡特征
1.2.1 流动结构中的非均匀性
1.2.2 状态多值性
1.2.3 耗散结构的性质
1.3 稠密颗粒气固两相流的数值模拟研究进展
1.3.1 欧拉-欧拉模型（TFM）
1.3.2 硬球模型
1.3.3 软球模型
1.4 论文目标及主要工作
第2章 非结构网格上的CFD-DEM模型
2.1 控制方程
2.1.1 气相控制方程
2.1.2 颗粒相控制方程
2.2 气固相互作用
2.2.1 曳力基本公式
2.2.2 气固相耦合的处理方法
2.3 非结构化网格上CFD-DEM模型的实现
2.3.1 FLUENT数据结构及基于该平台的CFD-DEM算法流程
2.3.2 连续相控制方程重组
2.3.3 连续相空隙率的计算
2.3.4 连续相空隙率的转化
2.3.5 颗粒碰撞检测和碰撞处理
2.4 本章小结
第3章 CFD-DEM耦合并行算法的构建
3.1 并行程序设计概述
3.1.1 共享内存模型
3.1.2 消息传递模型
3.2 信息传递标准平台MPI（MESSAGE PASSING INTERFACE）
3.3 并行算法的评价及设计原则
3.4 并行FLUENT进程概述及域、面和单元分割原则
3.4.1 进程通信概述
3.4.2 进程全局变量
3.4.3 并行FLUENT域分解划分方法
3.4.4 并行FLUENT中的网格单元
3.4.5 并行FLUENT中的网格面
3.5 FLUENT软件并行UDF节点间的数据传递和同步
3.5.1 主进程传递数据到节点进程
3.5.2 节点进程传输数据到主进程
3.5.3 消息传递宏
3.6 非结构网格下DEM算法的并行化
3.7 CFD-DEM耦合并行算法程序设计
3.8 模型的简单测试
3.8.1 四边形规则网格计算域
3.8.2 非结构网格、非规则边界多联通计算域
3.9 本章小结
第4章 CFD-DEM耦合并行算法的验证
4.1 连续鼓泡流化床
4.2 锥型喷动床
4.3 脉冲鼓泡床
4.4 本章小结
第5章 沉浸管流化床内离散颗粒数值模拟
5.1 单沉浸管流化床
5.2 多沉浸管流化床
5.3 本章小结
第6章 全文总结与展望
6.1 全文总结
6.2 本文的主要创新点
6.3 不足与展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文目录
ENGLISH PAPER
PAPER Ⅰ
PAPER Ⅱ
学位论文评阅及答辩情况表
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CFD-DEM耦合并行算法的锥形喷动床内离散颗粒数值模拟[J]. 任立波,韩吉田. 东南大学学报(自然科学版). 2014(05)
[2]A new drag model for TFM simulation of gas-solid bubbling fluidized beds with Geldart-B particles[J]. Yingce Wang,Zheng Zou,Hongzhong Li,Qingshan Zhu. Particuology. 2014(04)
[3]Euler-Euler CFD modeling of fluidized bed:Influence of specularity coefficient on hydrodynamic behavior[J]. Chanchal Loha,Himadri Chattopadhyay,Pradip K.Chatterjee. Particuology. 2013(06)
[4]三维流化床内埋管传热及磨损特性的LES-DEM研究[J]. 杨世亮,罗坤,张科,房明明,樊建人. 工程热物理学报. 2013(11)
[5]椭球形颗粒动力效应模型(DEM)构建方法的比较(英文)[J]. 陶贺,钟文琪,金保升. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2013(07)
[6]带有内构件错流移动床颗粒流动特性的数值模拟[J]. 曹俊,金保昇,钟文琪,王恺,陶敏,张勇,陶贺. 机械工程学报. 2013(10)
[7]埋管流化床颗粒流动行为的数值模拟[J]. 杨春振,段钰锋,孙荣峰,范晓旭. 化工学报. 2013(08)
[8]CFD-DEM simulation of spouting of corn-shaped particles[J]. Bing Ren, Wenqi Zhong , Yu Chen, Xi Chen, Baosheng Jin, Zhulin Yuan, Yong Lu Ministry of Education of Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing, 210096, China. Particuology. 2012(05)
[9]球团竖炉气固流动与焙烧过程耦合的三维数值模拟[J]. 蒋鹭,黄山,王天才,刘飞,钟文琪,金保昇,张智,冯上进. 东南大学学报(自然科学版). 2012(02)
[10]基于颗粒尺度的离散颗粒传热模型[J]. 卜昌盛,陈晓平,刘道银,段钰锋. 化工学报. 2012(03)
硕士论文
[1]三维离散元接触算法研究[D]. 祝涛.华中科技大学 2009
本文编号：2926169
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：189 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 稠密颗粒气固两相流系统的非线性非平衡特征
1.2.1 流动结构中的非均匀性
1.2.2 状态多值性
1.2.3 耗散结构的性质
1.3 稠密颗粒气固两相流的数值模拟研究进展
1.3.1 欧拉-欧拉模型（TFM）
1.3.2 硬球模型
1.3.3 软球模型
1.4 论文目标及主要工作
第2章 非结构网格上的CFD-DEM模型
2.1 控制方程
2.1.1 气相控制方程
2.1.2 颗粒相控制方程
2.2 气固相互作用
2.2.1 曳力基本公式
2.2.2 气固相耦合的处理方法
2.3 非结构化网格上CFD-DEM模型的实现
2.3.1 FLUENT数据结构及基于该平台的CFD-DEM算法流程
2.3.2 连续相控制方程重组
2.3.3 连续相空隙率的计算
2.3.4 连续相空隙率的转化
2.3.5 颗粒碰撞检测和碰撞处理
2.4 本章小结
第3章 CFD-DEM耦合并行算法的构建
3.1 并行程序设计概述
3.1.1 共享内存模型
3.1.2 消息传递模型
3.2 信息传递标准平台MPI（MESSAGE PASSING INTERFACE）
3.3 并行算法的评价及设计原则
3.4 并行FLUENT进程概述及域、面和单元分割原则
3.4.1 进程通信概述
3.4.2 进程全局变量
3.4.3 并行FLUENT域分解划分方法
3.4.4 并行FLUENT中的网格单元
3.4.5 并行FLUENT中的网格面
3.5 FLUENT软件并行UDF节点间的数据传递和同步
3.5.1 主进程传递数据到节点进程
3.5.2 节点进程传输数据到主进程
3.5.3 消息传递宏
3.6 非结构网格下DEM算法的并行化
3.7 CFD-DEM耦合并行算法程序设计
3.8 模型的简单测试
3.8.1 四边形规则网格计算域
3.8.2 非结构网格、非规则边界多联通计算域
3.9 本章小结
第4章 CFD-DEM耦合并行算法的验证
4.1 连续鼓泡流化床
4.2 锥型喷动床
4.3 脉冲鼓泡床
4.4 本章小结
第5章 沉浸管流化床内离散颗粒数值模拟
5.1 单沉浸管流化床
5.2 多沉浸管流化床
5.3 本章小结
第6章 全文总结与展望
6.1 全文总结
6.2 本文的主要创新点
6.3 不足与展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文目录
ENGLISH PAPER
PAPER Ⅰ
PAPER Ⅱ
学位论文评阅及答辩情况表
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CFD-DEM耦合并行算法的锥形喷动床内离散颗粒数值模拟[J]. 任立波,韩吉田. 东南大学学报(自然科学版). 2014(05)
[2]A new drag model for TFM simulation of gas-solid bubbling fluidized beds with Geldart-B particles[J]. Yingce Wang,Zheng Zou,Hongzhong Li,Qingshan Zhu. Particuology. 2014(04)
[3]Euler-Euler CFD modeling of fluidized bed:Influence of specularity coefficient on hydrodynamic behavior[J]. Chanchal Loha,Himadri Chattopadhyay,Pradip K.Chatterjee. Particuology. 2013(06)
[4]三维流化床内埋管传热及磨损特性的LES-DEM研究[J]. 杨世亮,罗坤,张科,房明明,樊建人. 工程热物理学报. 2013(11)
[5]椭球形颗粒动力效应模型(DEM)构建方法的比较(英文)[J]. 陶贺,钟文琪,金保升. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2013(07)
[6]带有内构件错流移动床颗粒流动特性的数值模拟[J]. 曹俊,金保昇,钟文琪,王恺,陶敏,张勇,陶贺. 机械工程学报. 2013(10)
[7]埋管流化床颗粒流动行为的数值模拟[J]. 杨春振,段钰锋,孙荣峰,范晓旭. 化工学报. 2013(08)
[8]CFD-DEM simulation of spouting of corn-shaped particles[J]. Bing Ren, Wenqi Zhong , Yu Chen, Xi Chen, Baosheng Jin, Zhulin Yuan, Yong Lu Ministry of Education of Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing, 210096, China. Particuology. 2012(05)
[9]球团竖炉气固流动与焙烧过程耦合的三维数值模拟[J]. 蒋鹭,黄山,王天才,刘飞,钟文琪,金保昇,张智,冯上进. 东南大学学报(自然科学版). 2012(02)
[10]基于颗粒尺度的离散颗粒传热模型[J]. 卜昌盛,陈晓平,刘道银,段钰锋. 化工学报. 2012(03)
硕士论文
[1]三维离散元接触算法研究[D]. 祝涛.华中科技大学 2009
本文编号：2926169
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