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基于直接数值模拟的EMMS模型稳定性条件验证

崔海航  
【摘要】:气固流态化系统是典型的非线性非平衡系统,呈现出复杂的时空多尺度结构,因此需要使用多尺度方法进行研究。能量最小多尺度(Energy-Minimization Multi-Scale,EMMS)模型已经在气固流态化系统中得到广泛应用,其中介尺度结构及稳定性条件对于深入认识气固流态化系统发挥了重要作用。稳定性条件与体系的能量消耗密切相关,为探索稳定性条件的作用机理及其与能耗之间的定量关系,本论文应用基于浸入边界法的直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)方法分析流态化体系的非均匀结构,在具有颗粒解析尺度的分辨率下验证EMMS模型稳定性条件,即流体用于悬浮输送单位质量颗粒的能耗Nst趋于最小。与基于拟颗粒模型的验证工作相比,本工作主要取得了以下两方面进展:首先,本论文使用的直接数值模拟方法能够较好地保留守恒方程的特征,具有较高的数值模拟精度,从而在更严格的意义下进行能耗统计,并且支持对真实物性体系的流态化过程进行模拟;另一方面,本论文通过在力平衡方程和稳定性条件中引入加速效应,考察了不同颗粒初始分布状态下的能耗变化趋势,从而使稳定性条件的验证工作更加全面和系统化。本论文各章内容安排如下:第1章对气固流态化系统进行介绍,综述了包括实验、经验公式及数值模拟方法在内的研究成果,介绍了三类常见的数值模拟方法:双流体模型、颗粒轨道模型以及直接数值模拟的优缺点,阐明了选择直接数值模拟开展本论文研究工作的原因。第2章详细介绍了本论文中采用的直接数值模拟方法,包括流场求解、颗粒运动处理以及流固耦合方式,并将单颗粒绕流及颗粒群绕流的模拟结果与文献值进行对比,验证了所使用的直接数值模拟求解器的准确性。第3章在悬浮输送流速Ust的统计中考虑加速度的影响,对不同颗粒初始分布方式、不同入口流速的气固流态化系统进行模拟,结果显示各个算例中Ust都随时间变化趋于最小,而根据Ust与Nst的对应关系,Nst也随时间趋于最小,从而验证了 EMMS模型稳定性条件。第4章对本论文内容进行了总结和展望,目前对EMMS模型稳定性条件的验证延续了间接验证的方法,即通过统计悬浮输送流速而非能耗的方式对稳定性条件进行验证,预期将来随着EMMS模型中的稳态能耗与动态模拟的能耗建立更完善的对应关系,应用本论文中的算法,有望实现能耗的直接统计从而验证稳定性条件,并在更深层次上揭示介尺度结构与能耗之间的关系,这是值得长期努力的研究方向。


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