稠密两相流的离散颗粒数值模拟

windyman · 发表于 2006-9-20 23:09:33

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[这个贴子最后由windyman在 2006/09/21 11:21am 第 1 次编辑]

颗粒两相流是一种工业和自然界中常见的流动。颗粒稠密的情况下，两相流的一个显著特点是颗粒碰撞时间小于颗粒驰豫时间，因此模型化这类流动不但要考虑颗粒－流体相互作用，还需要考虑颗粒间的相互作用。
一类模型将颗粒当作连续介质看待，推导出类似N-S方程的颗粒输运方程组，颗粒间的作用力可以采用颗粒动理论描述，这种模型称之为Euler两相流模型或双（多）流体模型(Two-fluid model)。对颗粒动理论的完整表述可以参考Gidaspow的经典著作，我国科学家陆慧林教授也在这一领域作出了杰出的贡献。
还有一类模型对颗粒采用Lagrange描述，根据牛顿运动定律直接追踪每个颗粒，这类模型可称为离散颗粒模型（Discrete Particle Model)。颗粒间的作用可采用两种方法来描述，分别称之为软球模式（Soft Sphere Model）和硬球模式（Hard Sphere Model），软球模式采用微分形式的颗粒碰撞方程，能够描述颗粒碰撞整个过程，具体到数值计算上则需要很小的时间步，该模型又称之为离散单元模型（DEM）；硬球模式采用积分形式的颗粒碰撞方程，认为所有的碰撞是瞬时的二体碰撞，具体过程忽略了，只需要计算碰撞后的速度，因此可以采用较大的时间步。结合软球模式的离散颗粒模型由日本人Tsuji发展起来，而结合硬球模式的稠密两相流数值模拟由Hoomans（好像是荷兰人）发展起来。
离散颗粒模型较之Euler双流体模型，刻画颗粒运动的尺度更小，因此能够揭示更多的颗粒流动现象，如颗粒团聚、颗粒混合、分离等等。对流体－颗粒间的相互作用，该模型还需要借助经验公式，但对于颗粒间的相互作用则不需要进一步的模式化。在目前的计算条件和计算方法上来说，直接数值模拟（如ALE、DLM等）稠密颗粒两相流几乎不可能，尽管离散颗粒模型目前也只能计算到实验室尺度，却较其他模型、方法似乎具有更广泛的应用前景。
我们发展了一套2D非结构网格下基于硬球离散颗粒模型的数值方法，能够计算稠密的气固两相流（如流化床）、弥散的气液两相流（如鼓泡塔内的流动），这方面的工作已发表于Chemical Engineering Science上。通过开发UDF，我们将该模型集成到了Fluent 6.122平台（程序代码近4000行）。日本科学家Tsuji曾将软球模型集成到了Fluent中，但是他的计算似乎只是局限于规则的结构化网格，本人目前正在致力于适用于三维非结构网格下的离散颗粒模型研究，非常欢迎对稠密颗粒两相流有兴趣的朋友参与讨论或合作研究。
附： Dense particulate flow model on unstrucutred mesh, Chemical Engineering Science, Volume 61, Issue 17, September 2006, Pages 5726-5741
本人 QQ: 69065119
email: chunliangwu@gmail.com
电话: 0759－2383720
附件：含浸埋管的流化床内颗粒分布，采用离散颗粒模型模拟的

windyman · 发表于 2006-9-20 23:12:12

[这个贴子最后由windyman在 2006/09/21 11:34am 第 2 次编辑]

计算流化床内颗粒混合的一个例子

tarcher · 发表于 2006-9-21 11:38:00

师兄做的，支持一下！^_^

windyman · 发表于 2006-9-21 11:45:07

对Becker（1999）年二维鼓泡塔内流动的离散颗粒数值模拟

frankin · 发表于 2006-9-22 09:29:42

楼主水平高深莫测呀！
请问楼主和二楼主（呵呵）谈谈对同一问题前面的例子，用双Euler模型和用dem方法在仿真结果有什么不同。
谢谢先

windyman · 发表于 2006-9-22 15:44:11

Re：frankin
就我的了解，现在稠密颗粒两相流的数值模型有三个层次：第一个层次对流体颗粒均采用连续介质假设，因此有单流体mixture模型、Euler双(多)流体模型，在这个层次上颗粒与流体的相互作用以及颗粒间的相互作用均需要作出合理的模式化，这个层次也只能刻画出颗粒群（团）的运动特征，计算的尺度受限于离散化的Euler网格尺度，能够反应宏观尺度的流动状态，如颗粒环流、鼓泡等。当然，也有研究者采用Euler模型计算循环流化床立管中的颗粒团聚现象；应用Euler模型的最大的一个局限在于难以计算宽粒径分布的情况，因为这时对每一粒径的颗粒都需要一组输运方程来计算，很不经济的。第二个层次是对颗粒采用Lagrange描述，颗粒与流体的作用仍然需要经验的模式化，而颗粒间的相互作用则完全建立在微观颗粒接触或碰撞理论上，这类模型可称之为Lagrange模型或离散颗粒模型(DPM)。由于颗粒本身是离散的，这类模型一方面解决了Euler多流体模型在宽粒径分布情况下的困难，另一方面又能够检验Euler多流体模型中颗粒间相互作用理论或模式。这类模型仍然受限于计算速度，只能计算到实验室尺度，似乎还没看到能计算100万个颗粒的文献；目前，我们能够计算二维情况下20万个颗粒的情况，这离实际的工程应用有一段很远的路。采用离散颗粒模型能够较精细地刻画颗粒的行为，且不受Euler网格的限制(当然，一般情况下颗粒尺寸比离散网格的尺寸要小很多)，因此能够描述介观尺度的现象，如颗粒混合、团聚、分离等等。稠密颗粒流模型第三个层次就是直接数值模拟(DNS)，精细刻画颗粒微尺度下流动细节，直接计算颗粒与流体的相互作用，如直接积分颗粒表面的粘性力、压力而求得颗粒的受力、力矩等，同时颗粒间作用也采用颗粒接触或碰撞理论。这类模型几乎能够得到流场中的任何信息，目前流行的数值方法有LBM， ALE， DLM等，对稠密的颗粒流而言，这些方法一方面还不成熟，另外就目前的计算条件来说，也难以处理大量颗粒的情况。本人了解到目前DNS最多模拟的颗粒数目为1024。
由此可以看出，模型的层次越精细，计算量也就越大，计算方法上的要求就越多，至于到工程上就要看具体的应用要求而选择相适应的模型。

cetbo · 发表于 2006-9-23 02:16:30

学习一下

coolfisher · 发表于 2006-9-23 19:27:03

学到不少东东，顶，谢谢楼主！[br][br][以下内容由 coolfisher 在 2006年09月23日 07:35pm 时添加] [br]
我现在也在用欧拉模型计算分离器中的气固两项流动。以前用dpm模型计算分离器时对多种粒径混合的颗粒的轨迹刻画很好。现在想在欧拉模型中用udf加入由不同粒径组成的颗粒相。刚开始看udf，不知是否可行？谢谢！

zfsen9 · 发表于 2006-9-23 19:40:12

好，以后又高手请教了

windyman · 发表于 2006-9-24 11:40:22

下面引用由coolfisher在 2006/09/23 07:27pm 发表的内容：
学到不少东东，顶，谢谢楼主！<BR>我现在也在用欧拉模型计算分离器中的气固两项流动。以前用dpm模型计算分离器时对多种粒径混合的颗粒的轨迹刻画很好。现在想在欧拉模型中用udf加入由不同粒径组成的颗粒相。刚开 ...

采用UDF可行

梅花雪剑 · 发表于 2006-10-10 13:34:04

楼主水平真是高！很佩服。

coolfisher · 发表于 2006-10-10 22:43:30

仔细研究了udf，发现要是想用udf写入第二项颗粒的粒径分布，而且还会根据颗粒的大小而受到的离心力等力的大小不同而有不同的运动轨迹变化，看来不那么容易，个人认为要对fluent中的模型进行大的修改了！不知理解的是否对！

梅花雪剑 · 发表于 2006-10-13 14:53:30

很感兴趣，热切期待之中！

windyman · 发表于 2006-10-20 09:49:18

三维鼓泡床的离散颗粒模拟，最近在fluent下实现。

znbiu · 发表于 2006-10-20 16:07:41

lz水平登峰造极阿崇拜+仰慕！！

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