颗粒团绕流曳力系数的LBM计算

采用格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann method, LBM) 中的LBGK(Lattice Bhatnagar- Gross-Krook)模型和二阶精度的曲线边界条件处理方法对二维颗粒团绕流现象进行了数值模拟,并同时使用动量交换法计算了两种颗粒团构型中不同颗粒的曳力系数。结果表明：颗粒团曳力系数与颗粒聚团的构型有着密切联系,颗粒聚团的形成将导致颗粒团曳力系数大幅度减小。除颗粒团构型因素外,颗粒间距和流动Reynolds数也是导致颗粒团曳力系数发生改变的主要因素。当颗粒聚团存在时,颗粒团中不同颗粒的受力有较大差异,若忽略颗粒聚团效应,则颗粒团曳力系数的计算必然将产生偏差。     

颗粒聚团结构对曳力特性影响的数值模拟

黏性颗粒多以聚团形式存在于气固两相系统中，流体施加于聚团的曳力对两相流动及传热传质起着至关重要的作用，而聚团的不规则、分形结构增加了曳力特性的复杂性。基于黏性离散单元方法生成不同分形结构的聚团，利用计算流体力学方法（CFD）直接求解分形聚团内部多孔结构的气流流动，得到了气体流过聚团时的周围与内部流场，研究了低Reynolds数（Re=0.1～10）条件下聚团结构特征对曳力的影响。结果表明：聚团的疏密程度显著影响聚团整体流场分布，多孔疏松结构增强了聚团的渗透性，使其与流体接触面积增加，所受曳力增加。分析不同结构聚团的曳力系数发现：除了聚团孔隙率、分形维数等结构参数的影响，气体流经聚团的方向也影响聚团曳力系数。在此基础上，综合考虑聚团分形维数、聚团与气流的夹角方向、Reynolds数拟合得到聚团曳力系数关联式。     

气固两相流动中非球形颗粒所受曳力的数值研究

采用数值计算的方法研究了非球形颗粒在气固两相流动中所受的曳力,在Re＜100的条件下对流经3种具有典型几何特征的非球形颗粒（正方体、圆柱体和圆台体）的流体流动进行了详细的数值计算.通过比较计算结果与文献中所推荐的3种曳力系数修正关系发现：Ganser方法与本文计算结果符合最好.通过对两种不同颗粒摆放条件的流动进行计算发现：对于不同的颗粒与来流角度,非球形颗粒所受到的曳力具有较大的差别.     

硬球-拟颗粒模拟高超声速稀薄气体流动

发展了适应高超声速稀薄流动的硬球-拟颗粒模拟(HS-PPM)，并分别采用硬球分子动力学模拟(HS)、HS-PPM和直接模拟蒙特卡洛(DSMC)对马赫数为5、努森数为0.8的圆球绕流进行模拟，证明了HS-PPM可以得到更接近HS的模拟结果。对雷诺数100、马赫数5~19的三维圆球绕流，采用HS-PPM模拟得到了填充率0.01~0.08、完全热边界和完全滑移边界条件下的曳力系数，与HS模拟结果的一致性较好；模拟了马赫数24、努森数0.11~4.55的零攻角三维尖锥绕流，结果与文献中DSMC的模拟结果相符。研究验证了HS-PPM处理高超声速稀薄气体流动的可行性。     

基于Chimera网格的固定床反应器内局部流动模拟

采用基于三维Chimera网格的有限体积方法对球形颗粒随机填充的固定床内部小Reynolds数（9～50）下的局部流动进行了数值模拟。为了考察固定床内局部流动特点,本文模拟的固定床反应器的填充颗粒的数目较大,分别为120和500,直径比（固定床内径与填充颗粒直径之比）分别为7和10。由于计算量巨大,采用了基于PVM的分布式并行计算。模拟结果提供了固定床内局部流动的详细流场信息,显示了流动的不均匀性、壁面效应和沟流的存在。为固定床内进一步的流动与传热及反应耦合研究奠定了基础。     

喷动床内气固二相流动行为的计算模拟

采用双流体模型结合颗粒动理学理论对喷动床内气固二相流体流动行为进行了计算模拟研究。模型中运用颗粒动理学理论描述颗粒相应力封闭流体控制方程,使用Gidaspow曳力模型描述气固相间作用。喷动床内颗粒在浓相区的体积分数很大,采用Schaeffer′s模型描述颗粒间的摩擦应力。模拟计算结果表明,喷动床内分喷射区、喷泉区、环隙区3个区域,在射流入口处形成一个瓶颈。模拟计算得到的颗粒速度和空隙度分布与实验数据进行比较,计算结果与实验结果吻合较好。     

颗粒振动影响动量传递过程的格子Boltzmann方法模拟

流化床内部颗粒振动对传递过程有着重要影响。格子Boltzmann方法耦合改进的浸入运动边界法模拟了不同振幅比A/D和频率比k=f_e/f₀下的单颗粒振动情况,并研究了不同排布和间距的双颗粒振动对传递过程中升阻力系数以及涡脱落频率的影响。结果表明,颗粒Reynolds数Re=100,单颗粒横向振动时,振幅增大导致锁定区间变大,颗粒锁定区间内的曳力系数大于锁定区间外,有利于传递。单颗粒流向振动,A/D=1.50时,随振动频率增大,流体流动模式为：2S模式→2P模式→2P+2S模式→混沌。相同振幅下k <1.25时,颗粒横向振动的曳力系数大于流向振动的曳力系数;k>1.25时则与之相反。因此,当k <1.25时,横向振动更有利于传递;k>1.25时,流向振动更有利于传递。串联双颗粒相互抑制涡的形成使曳力系数减小,不利于传递;相反,并联双颗粒促进传递作用,且在间距H=3D时效果最佳。以上数值结果为强化传递过程提供了一种思路。     

基于EMMS模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟

采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维CFD模拟,重点研究了采用不同曳力模型时CFD模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明CFD能准确地预测排出流区的液相速度分布,但采用传统的Schiller-Naumann曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力,导致在完全扩散区CFD预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小,而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度（EMMS）方法得到的DBS-Global曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比,采用DBS-Global曳力模型能显著提高对气含率的预测。     

基于EMMS曳力模型的提升管进料混合段模拟

提升管进料混合段是催化裂化提升管反应器最关键的区域。为找到一种合理的方法以改善提升管进料段内油剂两相流动及混合状况,采用了EMMS曳力模型,对提升管进料混合段气固两相流混合及流动进行三维计算流体力学(CFD)模拟,并与实验数据进行了对比;分析了气固两相流动及混合特性,还模拟分析了不同进料角度对提升管进料混合段内二次流的影响以及两相流动、混合状况。结果表明,EMMS/Matrix曳力模型能够较为准确地模拟进料混合段内气固两相流动、混合过程;当喷嘴斜向上喷射进料时,射流影响区颗粒流混合不均匀,颗粒流恢复稳定流型所需时间长,且边壁受二次流影响,出现"高浓度、高返混"区域,工业过程中易引起结焦。由此提出了一种新型提升管进料段结构的改进方案,能合理利用二次流,实现颗粒流均匀混合和流动。     

气体"拟颗粒"模型

介绍了适用于气固两相流动的气体“拟颗粒”模型.气体被离散为大量气体微团,即“拟颗粒”;发生碰撞的拟颗粒间有相互作用的粘滞力和压力;气体的运动借助拟颗粒的运动状态来描述,气体间及气体与固体颗粒的相互作用由拟颗粒-拟颗粒、拟颗粒-固体颗粒的作用代替.应用该模型模拟了气体绕流单圆柱和双圆柱的现象,分别计算了单圆柱的曳力系数C     

基于LBM-DEM的鼓泡床内气泡-颗粒动力学数值模拟

将修正后的格子Boltzmann方法（LBM）与离散单元法（DEM）相结合,建立LBM-DEM四向耦合模型对单口射流鼓泡床中气泡运动进行模拟。其中,流体相采用格子Boltzmann方法中经典的D2Q9模型,颗粒相求解采用离散单元软球模型,颗粒曳力求解采用Gidaspow模型,流固耦合基于牛顿第三定律。应用Fortran语言编程对上述模型进行求解,模拟得到了鼓泡床内气泡演化过程,并与相关实验进行对比,有效验证了当前模型的准确性。同时,分析了床层内颗粒速度、颗粒体积分数以及能量分布。结果表明：颗粒时均速度分布不仅能体现颗粒运动强弱,也可以反映气泡运动过程;床内空隙率与颗粒体积分数分布在预测床层膨胀高度上具有高度的一致性;初始堆积效应使得床内颗粒势能始终大于颗粒动能;随颗粒密度增加,势能增大,动能逐渐减小。     

Gas‐Solid Drag Coefficient for Ordered Arrays of Monodisperse Microspheres in Slip Flow Regime

Numerous analytical and numerical correlations for the drag force of particles in packed arrays are not applicable to microspheres because of the invalidity of the no‐slip assumption at a solid wall. The slip flow through assemblages of spheres is investigated by the lattice Boltzmann method (LBM). Three periodic arrays of static and monodisperse particles, i.e., a simple cubic, a body‐centered cubic, and a face‐centered cubic array, each with a relatively wide range of solid volume fraction, are considered. The LBM is validated for the slip flow over a single unbounded sphere and the continuum flow through spheres in a simple cubic array. The LBM results agree well with the experimental and numerical data in the literature. Simulations of slip flow through the three ordered arrays of spheres are performed. The effects of solid volume fraction and slip are both quantified within the developed drag laws.     

Investigation of the accuracy of the extrapolation method for the lattice Boltzmann simulation of viscous fluid flow in a Maxblend impeller system

This paper offers a thorough assessment on the performance of the extrapolation method for the lattice Boltzmann simulation of viscous mixing flows. This method appears to be well-suited for the treatment of the complex boundary conditions found in various mixing systems. Here, the ability to simulate accurate power consumption and pumping capacity is evaluated on several configurations of the Maxblend mixing system, which has proven efficient in a wide range of applications. First, the impact of the boundary conditions on the spatial convergence of the lattice Boltzmann method (LBM) is determined on the 3D Couette flow, clearly showing that small modifications of the boundary conditions may reduce the accuracy of the predicted shear rate and power. Second, a parallel LBM scheme was used to simulate fluid flow within a Maxblend mixing system. For the unbaffled configuration, the simulated power consumption and the pumping capacity are observed to be in good agreement with experimental data and finite element simulation results. The effect of the bottom clearance is also successfully evaluated, suggesting that the standard bottom clearance is not optimum in the transitional regime. Lastly, results for the most geometrically complex case (baffled configuration) indicate that the power consumption is affected by numerical perturbations appearing around the moving impeller. Overall, these results show that, when combined with the extrapolation method for the treatment of boundary conditions, the LBM is an efficient tool for the investigation of viscous flow in mixers of industrial relevance.     

多孔介质内流体流动的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法模拟多孔介质内的流动过程,通过预测渗透率,比较了单松弛模型、多松弛模型和熵格子模型在多孔介质计算中的优劣,为研究多松弛模型中各自由参数的影响,选择了12种组合进行模拟,此外,还将大涡模拟与格子Boltzmann方法相结合模拟了多孔介质内高Reynolds数下的流动及流型的转变。结果表明：单松弛模型和熵格子模型预测的渗透率随黏度逐渐增大,而多松弛模型得到的结果随黏度变化很小,另外,多松弛模型中不同松弛参数的组合对结果有较大的影响,通过比较推荐了模拟多孔介质时的最佳组合,计算结果与经验公式吻合较好。大涡模拟与多松弛模型结合较好地预测了多孔介质内流型的转变,Reynolds数越大,多孔介质内的涡越多,并且变大。     

格子波尔兹曼方法模拟外掠圆管的流动与换热

运用格子波尔兹曼方法(LBM)对流体外掠圆管的流动和换热进行了数值模拟,分析了不同雷诺数下流场和温度场的分布特点,并将Re为0.8时中心线速度分布的模拟结果以及Re为34时y方向上速度分布的模拟结果与Oseen理论解和实验数据分别进行了对比,具有很好的吻合度。此外,对曲面边界提出了固体内部节点选取方法,节点温度差分数值求解方法,使模拟方法具有良好的数值稳定性和精确性。数值计算结果表明格子波尔兹曼方法能有效模拟外掠圆管流体流动现象。     

LBM和CFD数值模拟错流列管流体力学的效率比较

采用无网格格子?玻尔兹曼法(LBM)模拟计算错流换热器流体力学,并与CFD模型对比. 结果表明,结合大涡模拟(LES),LBM合理预测了错流换热器湍流流体力学,模拟速度分布与文献结果吻合较好,关键物理量计算误差均在工程允许范围内. LBM与CFD模型模拟结果大致相同,计算时间相近,计算效率无明显差异. CFD模型需大量前处理时间用于网格划分,尤其对于具有复杂几何内构件的换热器,网格处理更复杂. LBM基于粒子追踪计算平衡态分布函数的演化,采用格子概念替代原网格,只需指定格子离散尺寸,无需适应几何边界的空间离散,模型适用性更强,建模过程更高效,适合复杂几何结构的模拟.     

多相/多组分LBM模型及其在微流体领域的应用

多相/多组分流体在化工领域中广泛应用,通常伴随有组分传递、相变、界面的产生与运动、化学反应等复杂的物理、化学过程,建立描述相应复杂体系的理论模型和模拟方法面临着极大的挑战。格子Boltzmann方法（lattice Boltzmann method,LBM）是近年来备受关注的一种介观模拟方法;多相/多组分格子Boltzmann模型具有易于追踪多相动态界面、壁面性质设定简单等优点,从物理模型到计算精度和速度都有很大的优势,尤其适合于模拟微化工系统下的多相多组分流动问题。以格子Boltzmann方法为基础,重点介绍了气液及液液体系多相/多组分LBM模型的研究进展以及其在微流体系统中的应用。