[发明专利]一种液固流化床CFD曳力模型的确认方法

说明书

本发明公开了涉及流化床多相流CFD模拟领域的一种液固流化床CFD曳力模型的确认方法。基于对颗粒群体系中单颗粒的受力分析建立力学方程，结合CFD曳力模型表达式，求出床内颗粒体积浓度，并将其与实验测量值进行比较，最终确认出适用于该物性参数和操作条件下的最佳CFD曳力模型。该方法通过理论计算替代CFD计算，在确保准确性的前提下，克服了当前液固流化床CFD模拟中曳力模型的确认耗费大量时间与计算资源的弊端；同时也实现了对多个CFD曳力模型的确认。

技术领域

本发明涉及流化床多相流CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟领域，公开了一种液固流化床CFD曳力模型的确认方法。

背景技术

由于具有良好的颗粒混合特性以及较高的传热传质效率，液固流化床的应用几乎遍及整个过程工业，包括了化工、能源、矿业、环保以及生化等领域。在这些应用中，颗粒流体多相流显著影响着床中的传热传质与化学反应等过程，其居于基础地位；因此，深刻理解床内流体动力学特性对液固流化床的操作、设计、优化以及放大起到至关重要的作用。

液固床内流体动力学的研究主要分为实验和CFD模拟两类。实验法是对物理真实的直观记录，获取数据可信度高，但其成本巨大，耗费大量的时间与人力、物力，而且实验测量存在较大的时空局限，往往难以获得全面而细致的流场信息。

CFD技术是通过有限差分或者有限体积法将描述流体运动的偏微分控制方程离散后，利用计算机进行数值求解，得到压力、速度等信息，实现流场的再现，从而揭示出流体的流动特征和演化规律。与实验研究相比较，CFD模拟的固有优势在于其不受实验测量技术的限制，可以高效而低成本地获得宏观流动特征与微观流场细节。随着计算机技术的发展与数值算法和物理模型的日益完善，CFD已经从作为实验方法的有益补充，逐渐发展为流体动力学研究的重要手段和工程实践中不可或缺的工具。

尽管CFD技术业已受到广泛认可，但其本质上仍然是对物理真实的虚拟再现，所以计算结果的可信度就成为关乎CFD模拟成败的头等大事。然而令人遗憾的是，CFD使用者对计算结果的可信度并不能轻易给出答案，只有经过专业的严格的验证和确认后，计算结果方可得到认可，亦即CFD模拟是可信的。

根据美国航空航天学会CFD标准委员会的定义，可信度研究的基本内容和方法就是CFD的验证和确认。CFD的验证主要针对计算模型(实现物理概念的计算方法)，诸如网格精度、时间步长以及离散格式等方面的验证。CFD的确认工作主要针对概念模型展开，概念模型即描述物理真实的数理方程和参数，主要包括质量、动量、能量守恒偏微分方程和这些方程的边界条件与初始条件，以及湍流模型等，至于液固流化床内的多相流动，概念模型还包含相间作用力模型(主要是曳力模型)、颗粒相本构关系以及颗粒-壁面作用关系等；确认工作强调的是模型正确求解，一般需要将计算结果和实验数据进行比较。

综上，一个CFD计算结果被认可是需要经过多方面确认的，现实中选择对流动特性产生显著影响的一个或几个概念模型开展确认。具体到液固流化床的CFD模拟，曳力模型的确认工作是必不可少的，这是因为：曳力是最重要的相间作用，实现了动量传递与流体对颗粒的输运；诸多研究表明，使用不恰当的曳力模型会导致液固流化床CFD计算结果与物理真实偏离较大。在确认过程中，往往需要测试若干个曳力模型，挑出计算结果与实验值最为接近的一个，则该结果最为可信。而且，由于床内液固体系的非线性和流域的多态性，当前尚未得到普适的曳力模型，因此，当液固流化床内物性参数和操作条件一旦改变，CFD曳力模型的确认工作就得重新开展。

目前，液固流化床CFD模拟中曳力模型的确认存在以下问题：曳力模型的确认占据整个CFD验证和确认工作相当大的比重，耗费了大量的时间与计算资源，且随着待确认曳力模型数量的增多而极大增多；另一方面，曳力模型始终是多相流学术焦点之一，新模型层出不穷，然而，基于有限资源，通常只对2至3个曳力模型开展确认工作，如此易导致因“样本”数量过少而遗漏了最佳模型。

发明内容