[发明专利]一种适用于粗颗粒流的气粒混合流动数值计算方法

权利要求书

1.一种适用于粗颗粒流的气粒混合流动数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于计算流体力学CFD理论，引入空隙率α及气固交换源项S_p，建立气相连续方程和动量方程，即：

式中：τ_g为气体粘性应力张量，ρ_g为气体密度，u为气体速度，g为重力加速度，p为气体压力；

步骤2：通过抽取样本点的方法计算每个CFD网格单元中气相体积分数，即空隙率α，具体步骤如下：

步骤2-1：对每个颗粒单元抽取均匀分布的样本点N_sample；

步骤2-2：对每个样本点进行检验，确定颗粒i位于CFD网格单元中的样本点S_i；

步骤2-3：根据式(3)计算每个CFD网格单元中颗粒的体积分数α_s；

式中，V_particle为颗粒速度，V_fluid为气体速度，n为颗粒数目；

步骤2-4：由式(4)计算CFD网格单元中气相体积分数α；

α＝1-α_s (4)

步骤3：针对单个粗颗粒占多个CFD网格的情况，基于自由流曳力模型，采用式(5)计算单个颗粒所受的曳力F_d；

F_d＝0.5C_Dρ_gA_local|u_g-u_p|(u_g-u_p) (5)

式中，A_local为颗粒在所在CFD网格内的投影面积，u_g为气体速度，u_p为颗粒运动速度,C_D为单颗粒曳力系数，Re_p为颗粒雷诺数，d_p和μ分别表示颗粒球的直径和流体动力粘度；

步骤4：由式(8)计算单个CFD网格中的气固动量交换源项S_p：

式中，V为单个CFD网格体积；

步骤5：应用有限体积法及二阶迎风格式离散气相控制方程，将相同离散网格下纯气体流动的计算结果作为初始条件，采用SIMPLE算法求解公式(1)和(2)；

步骤6：采用离散单元法求解颗粒运动；

步骤7：耦合CFD和离散单元法DEM，在每个CFD计算时间步长内迭代计算粗颗粒流的相应物理量至下一个CFD计算时间步的起始时刻，直到终止时刻停止计算，具体步骤如下：

步骤7-1：初始化流场，时刻T＝0；

步骤7-2：CFD在当前时刻T计算流场至收敛；

步骤7-3：判断当前时刻是否为终止时刻，是则结束计算，否则进行下一步；

步骤7-4：计算曳力，采用离散单元法计算颗粒运动，更新颗粒速度及位置，迭代计算至CFD时间点；

步骤7-5：计算动量交换源项及气相体积分数，更新时刻即：T＝T+△t，转到步骤7-2。

2.根据权利要求1所述的一种适用于粗颗粒流的气粒混合流动数值计算方法，其特征在于，所述采用离散单元法求解颗粒运动的具体步骤如下：

步骤6-1：颗粒搜索，接触判断，计算相互关系和物理量；

步骤6-2：计算运动方程，更新单元物理量；

步骤6-3：计算等效物理量；

步骤6-4：计算时间增量。