CAS OpenIR  > 研究所(批量导入)
基于EMMS 的简化双流体模型及其在气固流动模拟中的应用
邱小平
学位类型博士
导师李静海
2017-07
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位专业化学工程
关键词气固两相流动 Emms曳力 简化双流体模型 气固流态化 多相流
摘要

气固两相流系统中普遍存在的颗粒聚团和气泡等介尺度结构对流动有着重要的影响。研究这类结构的数值模拟方法主要分为三类,分别是直接数值模拟(Direct Numerical Simulation, DNS)、离散颗粒模拟(Discrete Particle Model, DPM)和双流体模型(Two-Fluid Model, TFM)。对于工业装置的模拟,DNS和DPM需要的计算量太大,因此主要的模拟方法是TFM。但双流体模型的模拟精度依赖于子模型的准确度,比如衡量固相颗粒之间相互作用的固相应力模型以及气固相间曳力模型等。当前广泛采用的双流体模型通过基于颗粒动理论的(Kinetic Theory of Granular Flow, KTGF)的固相应力模型来考虑固相颗粒之间的作用,该方法需要额外的计算量来迭代求解颗粒温度的输运方程,同时也容易带来计算稳定性的问题。对于相间曳力的计算,目前研究者的一个共识是需要考虑介尺度结构。此外,许多研究发现,对于气固系统的模拟,相间曳力模型比固相应力模型更重要。因此,如果将考虑了介尺度结构的EMMS(Energy-Minimization Multi-Scale)曳力与简化的固相应力模型结合起来,将有望得到计算速度快同时精度也较高的简化双流体模型。如果进一步采用稳定性更好的数值离散方法,将能进一步提高模型的稳定性。 在这一思路下,本论文第二章提出了一种简化双流体模型(Simplified Two-Fluid Model,STFM),将固相应力模型作了简化,同时耦合了EMMS曳力。并对该模型中的两相动量方程进行了恒等变形,将两相的体积分率与相速度进行了分离,以避免固相动量守恒方程中的奇点问题。论文第三章首先介绍了OpenFOAM(Open source Field Operation And Manipulation)平台下有限体积方法的基础,然后详细介绍了简化双流体模型在OpenFOAM下的具体实现,并重点阐述了求解固相连续性方程的MULES(Multi-dimensional Universal Limiter with Explicit Solution)算法的原理。第四章用三个不同复杂度的算例对简化双流体模型进行了验证,总体上讲,简化双流体模型耦合EMMS曳力的模拟精度较高,与完整双流体模型(Full Two-Fluid Model,FTFM)耦合EMMS曳力相当,但是STFM的计算速度提高到FTFM的二倍以上。 然而,对于复杂的工业装置,可能同时存在着多种流域。不同流域可能呈现出截然不同的流动特点,很难有一套模型能适用于所有流域。为此,本论文第五章提出了一种多区域简化双流体模型,这种模型能将工业装置划分成不同的区域并根据不同区域的流动特点选择不同的子模型。对于双流体框架下的模型,主要的两种子模型是摩擦应力模型和曳力模型。本论文首先考察了不同摩擦应力模型在颗粒堆积和密相鼓泡床模拟中的影响,然后考察了不同的曳力模型在不同流域情况下的表现。在此基础上,本论文开发了能针对不同流域选择不同摩擦应力模型和曳力模型的多区域简化双流体模型。 此外,为了提高数值稳定性,本论文实现了一种延迟修正的离散格式,既能保持一阶迎风格式的稳定性,又能达到二阶离散精度。本章最后用此多区域简化双流体模型对一个实验室尺度的全回路循环流化床进行了模拟,并与之前的单区域简化双流体模型模拟的结果进行了比较,对比结果显示多区域简化双流体模型显著提高了模拟的精度。 论文第六章总结了所取得的成果,并对简化双流体模型的应用前景以及未来的研究方向提出了展望。

语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/24328
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
邱小平. 基于EMMS 的简化双流体模型及其在气固流动模拟中的应用[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2017.
条目包含的文件
文件名称/大小 文献类型 版本类型 开放类型 使用许可
基于EMMS 的简化双流体模型及其在气固(20025KB)学位论文 开放获取CC BY-NC-SA请求全文
个性服务
推荐该条目
保存到收藏夹
查看访问统计
导出为Endnote文件
谷歌学术
谷歌学术中相似的文章
[邱小平]的文章
百度学术
百度学术中相似的文章
[邱小平]的文章
必应学术
必应学术中相似的文章
[邱小平]的文章
相关权益政策
暂无数据
收藏/分享
所有评论 (0)
暂无评论
 

除非特别说明,本系统中所有内容都受版权保护,并保留所有权利。