考虑介尺度固相应力的气固连续介质模型及其高效模拟方法

The particle-phase stress, which is one of the critical issues in modeling complex gas-solid system by the coarse-grid Eulerian approach, is not well understood. Based on the Energy-Minimization Multi-Scale (EMMS) analytic method, we pay more attention to how to characterize the effect of meso-scale structures on the particle-phase stress to significantly improve the accuracy of coarse-grid Eulerian model. Then, Compute Unified Device Architecture (CUDA) is used to design and implement the numerical simulation coupling semi-implicit SIMPLE algorithm with explicit iteration method on multi-core graphics processing units (GPU). The GPU accelerated coupling algorithm for high-accuracy and large-scale three-dimensional gas-solid flow will have broad applications.

固相应力对气固两相流动系统的整体结构分布具有重要影响。考虑微元内介尺度结构对固相应力的影响，可以解决气固系统极值型多尺度方法中遗留的瓶颈问题。本项目以工业过程中普遍存在且具有重要科学意义的复杂气固两相流动系统作为研究对象，基于EMMS多尺度分析方法，重点解决其连续介质模型中固相应力的介尺度建模与计算问题，以显著提高模拟的精度。同时发展适应大规模并行计算的SIMPLE半隐式算法与显式迭代算法耦合的连续介质模拟方法，并借助GPU多核并行技术，大幅提高计算速度，为最终实现大规模气固系统的三维（准）实时精确模拟，和气固系统的虚拟过程提供科学基础。

尽管学者们在鼓泡床的流体动力学方面进行了不懈的努力，但是传统欧拉法模拟鼓泡床的关键问题之一，即：固相应力的多尺度模型，尚不十分明晰。为解决这一问题，基于颗粒速度涨落的多尺度分析，建立了一个数学模型用以描述粗颗粒的动力学性质，如颗粒温度和颗粒压力，其中考虑了高频颗粒尺度涨落和低频上升气泡诱发涨落的贡献。数值实验表明，模拟结果与Geldart B和Geldart D类颗粒的鼓泡床实验数据吻合良好。另一方面，基于交错网格的SIMPLE-显式耦合并行算法，利用CUDA（compute unified device architecture）技术进行了图形处理器（GPU）上的直接数值模拟（DNS）。将鼓泡床作为研究实例，在NVIDIA GTX 295显卡的单个和4个GPU上的计算速度最高可分别达Intel Xeon 5430 CPU之单核的50和150倍，模拟结果表明了上述计算的合理性，并展示了采用GPU实现高精度大规模的湍流计算的前景。