气固颗粒系统模拟的研究进展.pdf

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1、第32卷第3期2016年6月化学反应工程与工艺ChemicalReactionEngineeringandTechnologyVol32，No3June2016文章编号：1001--7631(2016)0卜0261一16气固颗粒系统模拟的研究进展苏军伟，顾兆林西安交通大学人居环境与建筑工程学院，陕西西安710049摘要：综述了气固颗粒系统模拟方法的发展状况。首先，从宏观、中观及直接数值模拟角度对基于欧拉．欧拉架构下的双流体模型、拉格朗日一欧拉架构下的离散气泡模型以及欧拉．拉格朗日架构下的计算流体力学和离散单元法耦合模型(

2、CFD—DEM)及直接数值模拟方法就模型基本原理、计算量、预测精度以及应用前景等方面进行对比和分析。接着，针对工程应用前景较强的双流体模型和CFD—DEM模型进行了详细阐述，着重强调了欧拉架构下的模型植入过程，颗粒相的动力学过程和微观行为描述、两相耦合作用及相间耦合模型描述。基于欧拉．拉格朗日架构下的多相耦合模型的普适性，模型的应用已经从研究尺度的模拟逐渐走向工程尺度的模拟，成为今后研究多相颗粒系统的热点。关键词：颗粒系统离散单元法欧拉—拉格朗日方法群体平衡模型中图分类号：0359文献标识码：A气固颗粒系统与我们的生活密

3、切相关，广泛存在于自然界和工程领域中，涵盖涵盖对人居环境有重要影响的沙尘暴、气溶胶等自然气固系统和诸如工业流态化反应器、煤粉燃烧器和工业除尘设备等工业设备。在这些系统中，连续相与离散相、离散相与离散相之间存在着非线性、非平均、非稳态、多尺度的复杂相互作用，且这些作用之间存在着复杂的相互耦合。深入研究气固系统的两相及多相动力学行为，对厘清自然气固系统形成及动力学演变过程(比如：沙尘暴的起沙机制，气溶胶的形成机制及尺度演变)等科学问题以及工业设备的性能预测等工程问题具有重要意义。基于作用过程的机理性的模型不受空间维度限制、具

4、有广泛的适应性且可以获取到比实验更为详细的信息。气固颗粒系统的数值模拟在自然现象以及工业设备的研究方面已经得到广泛的应用，相关的数学模型及数值算法也已成为科学界研究的热点问题。本文在不同架构下对气固颗粒系统模型阐述的基础上，对连续相、离散相及相间作用进行阐述，着重对硬球模型、软球模型、群体平衡模型等多种模型方法的基本思想、发展现状、应用领域以及优缺点进行综述。最后就模拟方法本身、相关模型的耦合进行探讨，给出多相模拟方法的未来发展趋势。1概述在实际流体的计算中，无论所描述的物质是连续的还是离散的，其描述方法的基础架构无非有

5、两种一一欧拉架构和拉格朗日架构。在欧拉架构下，使用雷诺输运定理跟踪物理量在空间域的分布随时间的演变：而在拉格朗日架构下，则通过牛顿第二定律和运动学基本公式来描述流体质点随时间在空收稿日期：2016．02．04；修订日期：2016—04—14。作者简介：苏军伟(198l一)，男，讲师。E-mail：sujunwei@mail．xjtu．edu．cn。基金项目：国家自然科学基金(21306145)；国家重大科技专项(2016ZX05011001-002)。262化学反应工程与工艺2016年6月间的迁移。欧拉描述和拉格朗日描述

6、在一定的条件下可以相互转换。对于两相或多相系统而言，模型除了需要在上述两种坐标系统描述两相本身动力过程外，还需要考虑各相之间的复杂非线性相互作用。对于气固颗粒系统而言，根据对系统中颗粒相的跟踪精度、相间作用描述精度以及模型本身的适应尺度可以将气固颗粒系统行为的模拟跟踪方法分为：宏观模拟方法【l-5】、中观模拟方法‘6。101以及直接数值模拟方法[11-13】。这些方法的相描述坐标系统、适应规模以及对模型的基本要求如表l所示。表1多相颗粒系统模拟方法比较Table1Comparisonsamongdifferentnume

7、ricalmethodsformuitiphaseparticlesystem1．1宏观模拟方法宏观模拟方法主要用于跟踪系统中两相的平均行为，一般用欧拉描述两相，相间作用通过经验模型描述，计算量较小，可适应于工业规模的气固流动模拟。双流体模型是最为常用的宏观模拟方法。在该方法中，用标准的欧拉模型来描述两相【l。3】，且认为两相可以互相穿透。在标准的双流体模型中，流场中的介尺度结构(气泡或者颗粒团)可以被显式地跟踪。对于颗粒相，可以采用经验公式[4】或者动力学理论[14-16]来构造颗粒相应力关系，相间的曳力通常通过经验公

8、式进行修正，同一个计算网格内的两相流体认为各向同性，因此，一般要求颗粒的尺度相对于网格的尺度要小的多。然而，由于计算机资源的限制，在实际的大尺度的气固流化床模拟中，通常采用过滤的双欧拉模型[17‘18]。在这种模型中，介尺度结构不再被直接跟踪，而是采用亚格子尺度模型来考虑介尺度结构对系统的影响。系统中两相的非线性作用