基于IB-LBM的超椭球形颗粒曳力和传热特性数值模拟研究.pdf

摘要

颗粒-流体两相流问题广泛存在于人类的日常生活、工业过程和生态环境等各个

方面,多数情况下颗粒与流体之间常常伴随着复杂的动量交换与传热传质过程.由

于颗粒-流体两相间的动量交换和传热传质并存且伴随着复杂的多尺度结构,目前已

成为实现物质转化工艺过程定量设计、放大、优化和调控的瓶颈问题.在与颗粒-流

体系统相关的工业流程中,多数情况下,颗粒的外形呈现为非球形状,例如椭球形与

方形等.与球形颗粒不同的是,非球形颗粒在流体中的动量交换与传热传质过程具

有其独特性,因此在多相流动和传热的过程中,会出现比球形颗粒更加复杂的多尺

度形态结构,至今仍有很多值得关注的地方需要进一步探究.

本文首先利用基于CUDA并行的三维浸没边界-格子玻尔兹曼模型(IB-LBM)对

冷态流场中一类静止超椭球形颗粒强制对流问题进行了数值模拟研究.为了验证目

前的IB-LBM模型准确性,首先对形状参数s=2和s=20的超椭球形颗粒进行数值

模拟研究,揭示了超椭球形颗粒的曳力机制与传热特性随参数(雷诺数、形状参数

等)的变化规律.随后,通过改变形状参数(2≤s≤20)和雷诺数(10≤Re≤200)对

超椭球形颗粒进行了深入研究.通过对数值结果的分析,探究不同参数对固相和流

体相之间的曳力和传热特性的影响.同时,对曳力系数(Cd)和平均Nusselt数(Nu)进

行数值量化.最后,利用数值模拟结果对Cd和Nu进行了新的关联式构造,其中Cd的

数值模拟结果与关联式计算值平均误差为0.6341%,Nu的数值模拟结果与关联式计

算值平均误差为0.5159%.

接着,本文针对冷态流场中串列超椭球形颗粒强制对流问题进行数值模拟研

究,详细讨论了流场中串列超椭球形的相互干扰现象,并针对串列超椭球形颗粒的

曳力机制与传热特性随雷诺数10≤Re≤200、形状参数2≤s≤20和颗粒间距

1.5D≤L≤5D的演化规律进行了数值模拟研究,然后基于125组数值模拟结果开展

非线性拟合分析,并对Cd和Nu进行了新的关联式构造,其中Cd的平均误差为1.74%

1

、Cd的平均误差为2.38%,Nu的平均误差为0.75%,Nu的平均误差为0.54%,其可

212

方便的应用于宏观尺度的模型构建.研究成果不仅对工程应用中有关非球形颗粒-流

体间动量交换与传热传质问题的研究有重要的现实意义，也在一定程度上丰富了颗

粒-流体动量交换与传热传质的相关理论.

关键词：格子Boltzmann方法;浸没边界法;超椭球形颗粒;曳力系数;平均努

塞尔数

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Abstract

Particle-fluidtwo-phaseflowproblemsexistinawiderangeofaspectsofhuman

dailylife,industrialprocesses,andecologicalenvironments,andareoftenaccompa-

niedbycomplexmomentumexchangeandheatandmasstransferprocesses.Dueto

thecoexistenceofmomentumexchange,heatandmasstransferbetweenparticle-

fluidtwo-phasesystemswithcomplexmulti-scalestructures,ithasbecomeabot-

tleneckinthequantitativedesign,scale-up,optimization,andcontrolofmaterial

transformation