稠密气固两相湍流撞击流的LBE-LES-DEM耦合建模及机理研究

The technology of entrained-flow coal gasification has the vital practical significance to ensure national energy security and solve the problem of environmental pollution. As the most basic flow in gasifier, dense gas-solid two-phase turbulent impinging streams play a very important role in the highly efficient coal gasification. Currently the research on the mechanism of this flow still have many problems, such as the interaction between the instability of turbulent flow and particles is unclear, while the numerical simulation method for studying these fundamental problems has many deficiencies. The coupling of lattice Boltzmann equation (LBE) method, large eddy simulation (LES) method and hard sphere model (DEM) has huge advantage and potential. In view of this, this project intends to couple these three methods and combine with high performance parallel computing method, to study the flow mechanism of dense gas-solid two-phase turbulent impinging streams. The study mainly includes: developing LBE-LES-DEM coupling model suitable for dense gas-solid two-phase turbulent impinging streams, designing and implementing the corresponding efficient parallel GPU algorithms, discussing the interaction mechanism between the instability of turbulent flow and particles and other issues. The results of this project can offer the necessary theoretical basis for the optimization of gasifier structure and the process parameters, and provide useful technical support for the highly efficient coal gasification.

气流床煤气化技术对保障国家能源安全和解决环境污染问题具有重要的现实意义。作为气化炉中最基本的流动，稠密气固两相湍流撞击流对煤的高效气化起着非常重要的作用。目前对这类流动的机理研究还存在许多问题，如湍流流动的不稳定性与颗粒间的相互作用还不清楚，现有的数值模拟方法在研究机理问题上存在着较大的不足。格子Boltzmann方程（LBE）方法、大涡模拟（LES）方法和硬球模型（DEM）的耦合具有非常大的优势和潜力。鉴于此，本项目拟耦合这三种方法，并结合高性能并行计算手段，对稠密气固两相湍流撞击流的流动机理进行研究，主要包括：发展适合于稠密气固两相湍流撞击流的LBE-LES-DEM耦合模型，设计并实现相应的GPU高效并行算法，探讨湍流流动的不稳定性与颗粒间的相互作用机理等问题。本项目的研究结果可为气化炉结构和工艺参数的优化提供必要的理论依据，为煤的高效气化提供有益的技术支持。

稠密气固两相湍流撞击流是气流床煤气化技术中的重要基本流动，对煤的高效气化起着非常重要的作用。本项目采用近年来发展起来的格子Boltzmann（LB）方法，并结合GPU并行计算等高性能计算手段，对这种流动的计算模型及流动机理进行了研究。主要研究成果如下：（1）发展了求解三维不可压缩湍流的一个新多松弛LB模型，所发展的新模型使用最少的离散速度求解三维不可压缩湍流。（2）分析多松弛模型中广泛采用的计算应变率的两种方法，得到了湍流LB大涡模拟中计算效率更高的变形率张量的计算方法。（3）针对求解浅水流的D2Q9模型做出修正，提出了修正LB模型，新模型的收敛速度更快和稳定性更好。项目组还使用Blaze-Dem软件在GPU计算显卡上模拟了高炉中大规模球形、非球形凸和凹多面体颗粒流，取得了实时显示的结果。实现了牛顿湍流LB模拟的多GPU计算，开展了LB模型对牛顿和非牛顿湍流模拟的效率和精度的评估。项目的研究成果可为湍流撞击流的流动模拟提供有效的计算模型。