[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

说明书

本发明公开了一种适用于粗颗粒流的气粒混合流动数值计算方法，针对单个粗颗粒占据多个网格单元的情况，通过建立适用的气体‑颗粒耦合曳力模型，将计算流体力学与离散单元法相耦合；该方法以欧拉‑拉格朗日法为框架，将空隙率及动量交换源项引入N‑S方程，通过有限体积法及二阶迎风格式将求解方程离散，并采用传统的SIMPLE算法求解气相各个物理量；同时应用离散单元法求解颗粒的受力及运动；气体‑颗粒间的相互作用通过动量交换源项及耦合曳力模型进行求解。该方法跟踪研究每个颗粒的受力及运动，能够充分给出粗颗粒流的微观动力学特性，同时克服了一般CFD‑DEM耦合方法求解粗颗粒流精度低误差大的缺点，填补了CFD‑DEM耦合模型在精确计算粗颗粒流上的空缺。

技术领域

本发明属于计算流体力学技术领域，具体涉及一种气粒混合流动数值计算方法。

背景技术

气体-颗粒混合流动在雪崩、风沙、迷雾、烟尘等自然现象中均得到体现；并被广泛地应用于诸如干燥、喷涂、造粒、燃烧、气化和催化裂化等工业过程。近几十年来，随着计算技术的飞速发展和数值方法的不断完善，使得基于计算流体动力学(CFD)的数值方法逐渐成为研究气体-颗粒混合流动的另一种重要手段。

传统的气固两相流数值计算方法主要包括双流体模型及轨道法，双流体模型将颗粒视作伪流体，通过建立伪颗粒流体的三大守恒方程描述颗粒运动，该方法无法描述颗粒自身运动的微观动力学信息，其广泛应用于流化床内气固流动的数值模拟；轨道法则跟踪研究颗粒群的运动，可以给出颗粒群的运动轨迹，该方法适用于颗粒体积分数小于10％的细颗粒流。相比于传统的双流体模型及轨道法，基于CFD-DEM的数值方法能提供更丰富的粒子尺度信息包括粒子的运动轨迹，颗粒间的碰撞，颗粒受力情况等等，然而针对颗粒直径较大的粗颗粒流，该方法的求解精度较低，并且在CFD-DEM耦合模型上还存在不足。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于粗颗粒流的气粒混合流动数值计算方法，针对单个粗颗粒占据多个网格单元的情况，通过建立适用的气体-颗粒耦合曳力模型，将计算流体力学(CFD)与离散单元法(DEM)相耦合；该方法以欧拉-拉格朗日法为框架，将空隙率及动量交换源项引入N-S方程，通过有限体积法及二阶迎风格式将求解方程离散，并采用传统的SIMPLE算法求解气相各个物理量；同时应用离散单元法求解颗粒的受力及运动；气体-颗粒间的相互作用通过动量交换源项及耦合曳力模型进行求解。该方法跟踪研究每个颗粒的受力及运动，能够充分给出粗颗粒流的微观动力学特性，同时克服了一般CFD-DEM耦合方法求解粗颗粒流精度低误差大的缺点，填补了CFD-DEM耦合模型在精确计算粗颗粒流上的空缺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

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；