气液欧拉-拉格朗日模拟中软球模型的应用研究

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随着计算机运算能力的提高,气液体系欧拉-拉格朗日模拟的应用逐渐广泛。气液体系的欧拉-拉格朗日模拟中,把液相看为连续相,其运动用NS方程求解;而气相被作为离散相处理,应用牛顿运动定律跟踪每个气泡的运动。在传统的气液体系欧拉-拉格朗日模拟中,气泡碰撞通常采用硬球模型(hard-sphere model)处理,即假设气泡在碰撞过程中不发生形变,并且碰撞在瞬间完成。本文尝试将软球模型(soft-spheremodel)应用到气泡碰撞计算中,考虑气泡在碰撞过程中的形变以及接触时间,从而更准确反映气泡的动力学特性。进一步,本文建立基于软球模型的气泡破碎聚并模型,来预测鼓泡塔中气泡的粒径分布(Bubble size distribution,BSD)。本文由以下部分组成:  第一章综述了气液体系的模拟方法、研究现状、气泡的聚并和破碎理论。同时讨论了各种模拟方法的特点,以及本文选取离散颗粒模型(discrete particle model,DPM)的原因。  第二章介绍本文的研究工具——开源流体力学计算软件包OpenFOAM。其基于C++风格写成,我们能够添加气液作用力模型以及气泡的聚并和破碎模型等,实现气液的欧拉-拉格朗日模拟。  第三章通过模拟计算一个拟二维的气固流化床,验证了DPM求解器对于最小流化速度,颗粒床层高度等物理量的计算能力。  第四章选取两个常用的气液体系例子,即Becker case和Deen case进行模拟,暂时不考虑气泡的聚并和破碎,证实了软球模型能够成功应用于此类低气含率的鼓泡体系,并初步确定了气泡刚度系数(stiffness coefficient)的取值范围。  第五章将软球模型与液膜排干模型结合用于处理气泡的聚并,同时气泡的破碎也加以考虑,从而建立一套完整的气液模拟程序。本章模拟了带有聚并破碎的Deen case体系,得到了鼓泡塔的BSD,与实验结果进行了对比,并进一步分析了气泡刚度系数的选择。
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