| 题名 | 宏观粒子方法及其在气固两相流模拟中的应用 |
| 作者 | 麻景森 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2007-07-24 |
| 授予单位 | 中国科学院过程工程研究所 |
| 授予地点 | 过程工程研究所 |
| 导师 | 李静海 |
| 关键词 | 气固系统 动态多尺度结构 团聚 亚颗粒尺度模拟 宏观拟颗粒 光滑粒子流体力学 宏观粒子方法 大规模并行计算 |
| 其他题名 | Macro-scale Particle Methods and Their Applications into the Simulation of Gas-solid Two Phase Flows |
| 学位专业 | 化学工程 |
| 中文摘要 | 颗粒流体系统广泛存在于自然界，同时也与过程工业紧密相关。动态多尺度结构是颗粒流体系统的典型特征，也是造成相关系统工业放大困难的一个重要原因。亚颗粒尺度的流场分布对认识此类结构及其微观机理研究具有基础性的意义，而这对于当前的实验手段和传统的计算流体力学都构成了挑战。宏观拟颗粒模型(MaPPM)是针对这一需求建立的一种粒子方法。但该模型的精度和效率问题严重制约了它的应用。本论文通过分析比较该模型及相关宏观粒子方法提出了改进模型，并通过大规模并行计算实现了统计规模的稠密气固系统亚颗粒尺度直接模拟，进而描述和分析了所获得的非均匀结构的性质和微观形成机理。 本论文结合MaPPM和Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)、Moving Particle Semi-implicit (MPS)等三种宏观粒子方法的优势，构造了优化的混合格式，并进一步改进了其守恒性。通过数值误差分析解释了新格式优越性的数学基础，并在此过程中提出和论证了经典压力对称格式并不适用于不可压缩流动模拟的新观点。将新格式运用于对气固系统动态模拟有足够参考价值的简单算例，在合理计算量下获得了与基于网格的直接数值模拟定量吻合的结果。 然后，为考察气固系统中的多尺度现象，本文应用改进后的模型、以小于颗粒直径一个量级的分辨率模拟了达到统计规模的气固悬浮系统（包含逾千个被预先设定随机方向初始速度的固体颗粒）。从模拟结果可以得到任意时刻任意颗粒的位置、速度、曳力及其周围流场的动态细节。从中观测到了由于固体颗粒排布稀密不均造成的多尺度结构，并通过定量分析表明了非均匀结构的尺度依赖性。统计发现固体颗粒的脉动速度尽管在轴向和径向上都符合高斯分布但呈现明显的各向异性，这表明了在有关气固两相流的动理论中引入各向异性假设的必要性。比较不同位置颗粒的局部平均曳力系数，发现在稀相中固体颗粒的曳力系数要高于相界面处的颗粒但远低于密相内部的颗粒，而颗粒相间力在统计上呈现高斯或近似高斯分布，体现了连续模型考虑结构对曳力系数影响的必要性。 为从源头揭示动态多尺度结构形成的微观机理，本文还对以颗粒均匀分布为初始态的气固系统进行了模拟，从头复现了系统从均匀到失稳直到最后形成较大团聚物的完整动力学过程。从中可以直接观察到颗粒二元体、四元体、六元体直到大型团聚物的逐渐形成与解散，以及期间伴随的流体高速区域的不断出现与消失。此过程还直观地表明了固体颗粒不断地趋于团聚和流体尽可能以最小阻力绕过颗粒聚团这两种趋势的相互竞争和协调，并最终导致系统中动态多尺度结构的形成。本论文中还定义了表征颗粒团聚程度的参量，并将它与系统的平均曳力系数进行初步关联，表明随着团聚程度的加剧，系统的平均曳力系数不断减小。 本文工作展示了宏观粒子方法在颗粒流体系统基础研究方面的良好前景，并为传统连续介质方法的改进和多尺度模型的论证提供了有力手段 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-09-13 |
| 页码 | 116 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1086]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 麻景森. 宏观粒子方法及其在气固两相流模拟中的应用[D]. 过程工程研究所. 中国科学院过程工程研究所. 2007. |
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