基于粒子－格子耦合方法的颗粒流体系统直接模拟

鉴于颗粒流体系统的复杂性及实验手段的局限性，计算机模拟已成为颗粒流体系统多尺度研究的有力手段，并在相关的工业过程模拟仿真中发挥着举足轻重的作用。本研究致力于发展一种快速、高效、高精度的颗粒流体系统模拟技术，拟实现一种基于粒子－格子耦合方法的颗粒流体系统直接数值模拟(DNS)算法，该算法中颗粒与颗粒间的相互作用由时驱硬球算法描述，而流体的控制方程采用格子玻尔兹曼方法（LBM）求解，浸入运动边界法实现流固耦合作用。通过对典型流体力学现象模拟，与实验结果对比，验证算法的有效性。利用LBM具有良好并行性和图形处理单元（GPU）高性价比的优势，实现该算法的大规模并行计算，提高颗粒流体系统直接模拟的计算速度和规模。利用直接模拟能够得到详细的颗粒尺度以下的细节演化信息的优势，对流态化中气固/液固流态化统一模型等关键科学问题进行深入研究。

颗粒流体两相流广泛存在于许多工业过程，颗粒流体两相流的计算流体动力学（CFD）模拟对实际过程和学术兴趣都很有用。两相流的CFD方法一般分为两大类，即欧拉-欧拉方法和欧拉-拉格朗日方法。在本项目中，我们开发了一种基于格子玻尔兹曼方法（LBM）的欧拉-拉格朗日方法，利用LBM求解气相，这与传统基于Navier-Stokes方程，采用有限差分、有限体积或有限元数值技术求解气相完全不同。该方法无需建立边界链接对，在移动边界处具有亚网格分辨率平滑跨越阶梯界面，避免了Ladd（1994）方法采用阶梯形状近似表示颗粒表面。利用LBM具有良好并行性和图形处理单元（GPU）高性价比的优势，我们已经实现了该算法的三维大规模GPU并行计算，开展了目前全球最大规模气固系统直接数值模拟（DNS），模拟了二维包含1,166,400个颗粒和三维包含129,024个颗粒的颗粒流体系统。最后，利用DNS算法成功模拟了散式流态化和聚集流态化，分析了EMMS模型的稳定性条件，并对稳定条件统一气固/液固流态化模型的理论预测进行了数值验证。DNS提供的颗粒尺度以下详细信息，可以探索气固界面流动、传递和反应的细节，可以构建更大尺度模拟的本构模型，为理解一般气-固两相流动问题奠定了坚实的基础。