[发明专利]用于模拟管道颗粒两相流动的非解析方法及电子设备

说明书

本公开提供了一种用于模拟管道颗粒两相流动的非解析方法及电子设备。其中所述方法包括：遍历颗粒周边的网格；计算颗粒附近流场的平均孔隙率与速度；计算颗粒所受的拖曳力大小；进行颗粒与流场的耦合，得到颗粒的运动情况和流场的流动情况。本公开对一种用于模拟管道颗粒两相流动的高精度非解析算法能在颗粒大小与网格尺寸相近的情况下很好地描述流场中的颗粒运动，降低了CFD‑DEM耦合算法对网格尺寸的要求，可用于处理液固、气固流化床中的两相流动问题。

技术领域

本公开属于计算力学技术领域，更具体的涉及一种用于模拟管道颗粒两相流动的非解析方法及电子设备。

背景技术

流固两相流动广泛存在与自然环境与工业生产中，例如河流中的沙石沉降、化工领域的喷动床等。采用计算力学的手段获得流场和颗粒的运动情况具有很高的实际应用价值，计算结果可用于预测自然形貌的变化、指导工业设备的设计等。计算流体动力学-离散元(CFD-DEM)耦合算法是一类用于计算流固两相流动的常用方法，采用纳维尔-斯托克斯(Navier-Stokes)方程计算流场的流动，采用离散元法计算颗粒的运动，并通过耦合算法得到流体与固体之间的相互作用。CFD-DEM耦合算法又可细分为两类：解析的耦合算法与非解析的耦合算法。在解析的耦合算法下，流体网格的尺寸需要远小于颗粒的大小，并且在颗粒表面附近需要进行动态加密，计算量较大，无法用于计算成千上万个颗粒的运动情况。而在非解析的耦合算法下，网格尺寸一般是颗粒直径的三倍以上，用拖曳力模型表征颗粒与流场之间的相互作用，计算量远小于解析的耦合算法，所以常用非解析的CFD-DEM耦合算法计算多个颗粒在流场中的运动。

然而，传统的CFD-DEM非解析耦合算法要求网格尺寸在颗粒直径的三倍以上，但是大尺寸的网格很难描述流场中的流动细节，而这些细节信息的缺失不仅会影响我们对流动情况的认知，而且可能使颗粒运动的计算结果与实际情况有所偏差。另外，在计算喷动床、流化床等管道内的流固两相流动时，如果管道内径与颗粒尺寸在同一数量级，计算流体的流动也需要一定数量的网格，那么划分的网格尺寸很难达到颗粒直径的三倍以上。在网格尺寸与颗粒直径相近的条件下，传统的CFD-DEM非解析耦合算法很难准确预测计算区域内颗粒的运动情况。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于以上问题，本公开的目的在于提出一种用于模拟管道颗粒两相流动的非解析方法和电子设备，用于将CFD-DEM非解析耦合算法的适用范围拓展至网格尺寸与颗粒直径相近的情况。

(二)技术方案

为了达到上述目的，作为本公开的一个方面，提供了一种用于模拟管道颗粒两相流动的非解析方法，包括：

设置流场和流场内颗粒的初始条件和边界条件，对流场区域划分网格；

采用希尔伯特曲线遍历颗粒周边的网格；

计算颗粒附近流场的平均孔隙率与速度；

计算颗粒所受的拖曳力大小；

根据所述拖曳力，进行颗粒与流场的耦合，得到颗粒的运动情况和流场的流动情况。

在一些实施例中，用希尔伯特曲线对流场中的网格进行重新编号，并沿该曲线对颗粒周边的网格进行遍历。

在一些实施例中，其中，计算平均孔隙率和速度都采用加权平均的形式，其表达式如下：

式中，是平均孔隙率，i是网格编号，α_i是第i个网格的孔隙率，W_α是计算平均孔隙率时所用的权函数，r_i是颗粒与第i个网格的中心之间的距离，ΔV_i是第i个网格的体积，是颗粒附近流场的平均速度，U_f，i是第i 个网格内的流场速度，W_u是计算流场平均速度时所用的权函数。