CN113449450A - 一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟的方法 - Google Patents

一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟的方法，所述方法包括以下步骤：(A)使用离散单元法模拟固定床颗粒堆积过程，得到固定床堆积结构；(B)使用结构化网格对步骤(A)所得固定床堆积结构的计算域进行离散；(C)在步骤(B)所得离散后的计算域中划分出流固区域；(D)对步骤(C)所得流固区域中颗粒表面的网格进行局部加密；(E)将整个计算域处理为多孔介质区域，并设置流固区域的阻力系数；(F)使用二阶迎风插值格式计算动量方程，并构建流场云图。本发明在颗粒尺度计算流体力学数值模拟研究中，网格生成简单，可以模拟含有更多颗粒数目的固定床体系，且大大减少了网格数量和计算耗时，缩短了研究周期。

Description

一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟的方法
技术领域
本发明属于计算机数值模拟技术领域，涉及一种基于计算流体力学模拟的方法，尤其涉及一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟的方法。
背景技术
固定床反应器具有结构简单，流体返混小，固体物料机械损耗小等优点，在化工、冶金、制药等领域得到了广泛的应用。然而固定床反应器中固体颗粒间隙的几何结构复杂，流体速度场呈现显著的空间非均匀性，继而影响反应器内部的传递和反应特性。因此，从颗粒尺度出发刻画间隙处流体的流动行为和传递特性，对于固定床反应器的设计、优化和放大均具有重要的指导意义。
目前，常用基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟，从颗粒尺度出发研究与刻画固定床内流体的流动和传递特性。传统的颗粒尺度CFD模拟策略通常都面临CFD贴体网格网格生成困难这一问题，且网格生成难度会随床层内颗粒数目的增加以及颗粒形状的不规则化而急剧增大。这是因为固定床中颗粒与颗粒之间近似呈点接触。当对颗粒生成贴体网格时，颗粒间接触点处的网格会高度扭曲，从而容易导致CFD模拟发散。如采用极细的网格来处理接触点附近的流体域，又会急剧增加网格数目，从而增大计算量。因此，有必要开发一种更加简便高效的方法来用于固定床颗粒尺度CFD模拟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟的方法，所述方法适用于颗粒尺度计算流体力学数值模拟研究，网格生成简单，可以模拟含有更多颗粒数目的固定床体系，且大大减少了网格数量和计算耗时，缩短了研究周期。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟的方法，所述方法包括以下步骤：
(A)使用离散单元法模拟固定床颗粒堆积过程，得到固定床堆积结构；
(B)使用结构化网格对步骤(A)所得固定床堆积结构的计算域进行离散；
(C)在步骤(B)所得离散后的计算域中划分出流固区域；
(D)对步骤(C)所得流固区域中颗粒表面的网格进行局部加密；
(E)将整个计算域处理为多孔介质区域，并设置流固区域的阻力系数；
(F)使用二阶迎风插值格式计算动量方程，并构建流场云图。
本发明中，步骤(A)所述离散单元法为本领域技术人员常规采用的计算方法，只要能够实现对固定床颗粒堆积过程的模拟即可，故在此不对离散单元法的具体步骤做特别限定。
本发明中，步骤(B)可在Ansys ICEM中使用相对粗糙的结构化网格将整个固定床计算域进行离散，只要能够实现类似功能即可，故在此不对所采用的软件具体类型做特别限定。
本发明与现有的贴体网格法相比，在颗粒尺度计算流体力学数值模拟研究中，网格生成简单，可以模拟含有更多颗粒数目的固定床体系，且大大减少了网格数量和计算耗时，缩短了研究周期。
优选地，步骤(C)的具体过程为：遍历步骤(B)所得离散后的计算域中所有网格，由下式计算颗粒中心至网格顶点的距离li：
Figure BDA0003143675420000021
式中：i＝1,2,…,8；j＝1,2,3,…,Np。
其中，(xi，yi，zi)和(xj，yj，zj)分别独立地表示网格中第i个顶点坐标和第j个颗粒的中心坐标，Np表示颗粒总数。
若li(i＝1,2,…,8)均小于颗粒半径，则当前网格位于固体区域；若li(i＝1,2,…,8)均大于颗粒半径，则当前网格位于流体区域；否则，当前网格位于颗粒表面。
本发明中，步骤(C)可在Ansys Fluent中进行，只要能够实现类似功能即可，故在此不对所采用的软件具体类型做特别限定。
优选地，将所述固体区域的固含率设为1。
优选地，将所述流体区域的固含率设为0。
优选地，将所述颗粒表面的固含率设为0.5。
优选地，步骤(D)所述局部加密采用网格自适应技术，具体过程为：将颗粒表面的网格进一步划分为亚网格，重复步骤(C)与步骤(D)，直至颗粒表面的网格达到预设模拟精度。
本发明中，步骤(D)可采用Ansys Fluent中网格自适应功能的梯度模块进行局部加密处理，只要能够实现类似功能即可，故在此不对所采用的软件具体类型做特别限定。
优选地，步骤(E)所述阻力系数的具体设置方法为：将固体区域的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别独立地设置为1010。
优选地，步骤(E)所述阻力系数的具体设置方法为：将流体区域的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别独立地设置为0。
优选地，步骤(E)在每次迭代前将固体区域内流体的速度和速度梯度分别独立地初始化为0，以加快收敛速率。
优选地，步骤(F)所述动量方程的具体计算过程为：采用三维Navier-Stokes方程对流体流动进行计算，如下式：
连续性方程：
Figure BDA0003143675420000041
动量守恒方程：
Figure BDA0003143675420000042
式中：下标f表示流体；ρ、u、p、g、τ分别独立地表示密度、速度、压力、重力加速度和应力张量；S表示额外的力源项，等于多孔介质区域内固体对流体的作用力，表达式为：
Figure BDA0003143675420000043
式中：uf为流体粘度，α为渗透率，C2为惯性阻力系数，
Figure BDA0003143675420000044
为粘性阻力系数。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明与现有的贴体网格法相比，在颗粒尺度计算流体力学数值模拟研究中，网格生成简单，可以模拟含有更多颗粒数目的固定床体系，且大大减少了网格数量和计算耗时，缩短了研究周期。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟方法流程示意图；
图2是本发明提供的一种网格划分方法流程示意图；
图3是实施例1提供的一种169球模型；
图4是实施例1提供的169球模型纵截面的流场云图；
图5是实施例2提供的一种简单立方堆积结构的固定床模型；
图6是实施例2提供的简单立方堆积固定床模型纵截面的流场云图；
图7是本发明所使用的网格划分方法示意图(a)与对比例1所使用的传统贴体网格法示意图(b)；
图8是基于实施例1提供的169球模型，本发明的网格划分方法与对比例1的传统贴体网格法所使用的网格数量(a)与计算耗时(b)对比图。
其中：1-固体区域；2-流体区域；3-颗粒表面。
具体实施方式
本发明提供一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟的方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S101.使用离散单元法模拟固定床颗粒堆积过程；
S102.将固定床计算域使用结构化网格进行离散；
S103.通过用户自定义函数划分流固区域；
S104.使用网格自适应技术对颗粒表面网格局部加密；
S105.将固定床计算域处理为多孔介质区域，并设置合适的阻力系数；
S106.采用二阶迎风插值格式离散动量方程。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟的方法，所述方法包括以下步骤：
(A)使用离散单元法模拟固定床颗粒堆积过程，得到如图3所示的169球模型，作为固定床堆积结构；
(B)如图2所示，在Ansys ICEM中，采用网格尺寸为lini的六面体结构化网格对步骤(A)所得几何模型进行离散；
(C)如图2所示，在Ansys Fluent中，遍历步骤(B)所得离散后的计算域中所有网格，通过用户自定义函数将整个计算域划分为固体区域1、流体区域2和颗粒表面3，并将其固含率分别独立地设为1、0和0.5；
所述用户自定义函数用于计算颗粒中心至网格顶点的距离li：
Figure BDA0003143675420000061
式中：i＝1,2,…,8；j＝1,2,3,…,169；
其中，(xi，yi，zi)和(xj，yj，zj)分别独立地表示网格中第i个顶点坐标和第j个颗粒的中心坐标。
若li(i＝1,2,…,8)均小于颗粒半径dp，则当前网格位于固体区域1；若li(i＝1,2,…,8)均大于颗粒半径dp，则当前网格位于流体区域2；否则，当前网格位于颗粒表面3；
(D)如图2所示，采用Ansys Fluent中网格自适应功能的梯度模块将固含率为0.5的网格进一步划分为亚网格，重复步骤(C)与步骤(D)，直至颗粒表面的网格达到预设模拟精度；
(E)将整个计算域处理为多孔介质区域，把固体区域1的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别独立地设置为1010，把流体区域2的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别独立地设置0，并且在每次迭代前将固体区域1内流体的速度和速度梯度分别独立地初始化为0，以加快收敛速率；
(F)如图3所示，将流体的进口设置为速度入口，将流体的出口设置为压力出口(大气压)，四周壁面为无滑移边界条件；在材料中将流体的材料属性改为空气(默认)；采用SIMPLE算法计算压力-速度耦合，二阶迎风插值格式来计算动量方程，具体计算过程为：采用三维Navier-Stokes方程对流体流动进行计算，如下式：
连续性方程：
Figure BDA0003143675420000071
动量守恒方程：
Figure BDA0003143675420000072
式中：下标f表示流体；ρ、u、p、g、τ分别独立地表示密度、速度、压力、重力加速度和应力张量；S表示额外的力源项，等于多孔介质区域内固体对流体的作用力，表达式为：
Figure BDA0003143675420000073
式中：uf为流体粘度，α为渗透率，C2为惯性阻力系数，
Figure BDA0003143675420000074
为粘性阻力系数；
最后分析模拟结果，利用Ansys Fluent软件作出169模型纵截面的流场云图见图4。
由图4可知，在整个计算区域内，颗粒表面以及内部的流速均为零(流场云图颜色为深色)，说明模拟中在颗粒表面处成功实现了流体无滑移边界条件。
实施例2
本实施例提供一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟的方法，所述方法包括以下步骤：
(A)使用离散单元法模拟固定床颗粒堆积过程，得到如图5所示的简单立方堆积结构的固定床模型，作为固定床堆积结构；
(B)如图2所示，在Ansys ICEM中，采用网格尺寸为lini的六面体结构化网格对步骤(A)所得几何模型进行离散；
(C)如图2所示，在Ansys Fluent中，遍历步骤(B)所得离散后的计算域中所有网格，通过用户自定义函数将整个计算域划分为固体区域1、流体区域2和颗粒表面3，并将其固含率分别独立地设为1、0和0.5；
所述用户自定义函数用于计算颗粒中心至网格顶点的距离li：
Figure BDA0003143675420000081
式中：i＝1,2,…,8；j＝1,2,3,…,Np；
其中，(xi，yi，zi)和(xj，yj，zj)分别独立地表示网格中第i个顶点坐标和第j个颗粒的中心坐标，Np表示颗粒总数。
若li(i＝1,2,…,8)均小于颗粒半径dp，则当前网格位于固体区域1；若li(i＝1,2,…,8)均大于颗粒半径dp，则当前网格位于流体区域2；否则，当前网格位于颗粒表面3；
(D)如图2所示，采用Ansys Fluent中网格自适应功能的梯度模块将固含率为0.5的网格进一步划分为亚网格，重复步骤(C)与步骤(D)，直至颗粒表面的网格达到预设模拟精度；
(E)将整个计算域处理为多孔介质区域，把固体区域1的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别独立地设置为1010，把流体区域2的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别独立地设置0，并且在每次迭代前将固体区域1内流体的速度和速度梯度分别独立地初始化为0，以加快收敛速率；
(F)如图5所示，将流体的进口设置为速度入口，将流体的出口设置为压力出口(大气压)，四周壁面为无滑移边界条件；在材料中将流体的材料属性改为空气(默认)；采用SIMPLE算法计算压力-速度耦合，二阶迎风插值格式来计算动量方程，具体计算过程为：采用三维Navier-Stokes方程对流体流动进行计算，如下式：
连续性方程：
Figure BDA0003143675420000091
动量守恒方程：
Figure BDA0003143675420000092
式中：下标f表示流体；ρ、u、p、g、τ分别独立地表示密度、速度、压力、重力加速度和应力张量；S表示额外的力源项，等于多孔介质区域内固体对流体的作用力，表达式为：
Figure BDA0003143675420000093
式中：uf为流体粘度，α为渗透率，C2为惯性阻力系数，
Figure BDA0003143675420000094
为粘性阻力系数；
最后分析模拟结果，利用Ansys Fluent软件作出简单立方堆积固定床模型纵截面的流场云图见图6。
由图6可知，在整个计算区域内，颗粒表面以及内部的流速均为零(流场云图颜色为深色)，说明模拟中在颗粒表面处成功实现了流体无滑移边界条件。对比图4和图6可知，不同堆积结构的固定床内流场的分布截然不同。
对比例1
本对比例提供传统贴体网格法的计算过程，模拟流程主要包括以下步骤：
(A)首先生成三维颗粒堆积结构，得到固定床床层的几何模型；
(B)随后对几何模型生成CFD计算网格；
(C)最后在整个网格计算区域内求解控制方程。
图7为本发明所使用的网格划分方法示意图(a)与本对比例所使用的传统贴体网格法示意图(b)。由图7可知，传统贴体网格法较为复杂，而本发明的网格由正方形组成，相对简单，提高了计算效率。
针对实施例1提供的169球模型，图8为本发明的网格划分方法与对比例1的传统贴体网格法对该固定床模型所使用的网格数量(a)与计算耗时(b)对比图。由图8可知，本发明所使用的网格数量和计算耗时均远小于传统贴体网格法。
由此可见，本发明与现有的贴体网格法相比，在颗粒尺度计算流体力学数值模拟研究中，网格生成简单，可以模拟含有更多颗粒数目的固定床体系，且大大减少了网格数量和计算耗时，缩短了研究周期。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种基于颗粒尺度计算流体力学模拟的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(A)使用离散单元法模拟固定床颗粒堆积过程，得到固定床堆积结构；
(B)使用结构化网格对步骤(A)所得固定床堆积结构的计算域进行离散；
(C)在步骤(B)所得离散后的计算域中划分出流固区域；
(D)对步骤(C)所得流固区域中颗粒表面的网格进行局部加密；
(E)将整个计算域处理为多孔介质区域，并设置流固区域的阻力系数；
(F)使用二阶迎风插值格式计算动量方程，并构建流场云图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(C)的具体过程为：遍历步骤(B)所得离散后的计算域中所有网格，由下式计算颗粒中心至网格顶点的距离li：
Figure FDA0003143675410000011
式中：i＝1,2,…,8；j＝1,2,3,…,Np；
其中，(xi，yi，zi)和(xj，yj，zj)分别独立地表示网格中第i个顶点坐标和第j个颗粒的中心坐标，Np表示颗粒总数；
若li(i＝1,2,…,8)均小于颗粒半径，则当前网格位于固体区域；若li(i＝1,2,…,8)均大于颗粒半径，则当前网格位于流体区域；否则，当前网格位于颗粒表面。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述固体区域的固含率设为1。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，将所述流体区域的固含率设为0。
5.根据权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，将所述颗粒表面的固含率设为0.5。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(D)所述局部加密采用网格自适应技术，具体过程为：将颗粒表面的网格进一步划分为亚网格，重复步骤(C)与步骤(D)，直至颗粒表面的网格达到预设模拟精度。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(E)所述阻力系数的具体设置方法为：将固体区域的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别独立地设置为1010。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤(E)所述阻力系数的具体设置方法为：将流体区域的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别独立地设置为0。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，步骤(E)在每次迭代前将固体区域内流体的速度和速度梯度分别独立地初始化为0。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，步骤(F)所述动量方程的具体计算过程为：采用三维Navier-Stokes方程对流体流动进行计算，如下式：
连续性方程：
Figure FDA0003143675410000021
动量守恒方程：
Figure FDA0003143675410000022
式中：下标f表示流体；ρ、u、p、g、τ分别独立地表示密度、速度、压力、重力加速度和应力张量；S表示额外的力源项，等于多孔介质区域内固体对流体的作用力，表达式为：
Figure FDA0003143675410000031
式中：uf为流体粘度，α为渗透率，C2为惯性阻力系数，
Figure FDA0003143675410000032
为粘性阻力系数。
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