【摘 要】
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颗粒流体两相流描述了颗粒与流体相互作用而构成的复杂物理系统,其包含了颗粒系统、流体系统以及颗粒与流体之间动量和能量的交换,是多相流系统中一个重要的分支,广泛存在于自然现象和工业生产中。随着现代计算机技术的快速发展,数值模拟已经成为研究颗粒流体两相流的重要方法。通过数值模拟,能够获取流体尺度和颗粒尺度的物理信息,可以从宏观和细观的角度描述颗粒与流体耦合的细节。对数值模拟方法的研究有助于理解颗粒物质本
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颗粒流体两相流描述了颗粒与流体相互作用而构成的复杂物理系统,其包含了颗粒系统、流体系统以及颗粒与流体之间动量和能量的交换,是多相流系统中一个重要的分支,广泛存在于自然现象和工业生产中。随着现代计算机技术的快速发展,数值模拟已经成为研究颗粒流体两相流的重要方法。通过数值模拟,能够获取流体尺度和颗粒尺度的物理信息,可以从宏观和细观的角度描述颗粒与流体耦合的细节。对数值模拟方法的研究有助于理解颗粒物质本身的运动规律以及颗粒与流体之间动量和能量传递的机理。本文采用计算流体力学（CFD）与离散元方法（DEM）相结合的CFD-DEM模型研究颗粒流体两相流动。根据网格长度与颗粒直径的比值（网格粒径比）,CFD-DEM模型被分为三类:Resolved（解析）,Un-resolved（非解析）和Semi-resolved（半解析）。在现有关于半解析CFD-DEM模型的文献中,不同拖曳力模型的计算精度没有被分析,由于各种拖曳力模型均强烈依赖于颗粒位置处背景流体速度等信息,因此有必要分析各种拖曳力模型在半解析CFD-DEM模型中的计算精度。本文通过对单颗粒沉降和液固流化床的数值模拟,分析对比了在半解析CFD-DEM模型中,四种常用的拖曳力模型的计算精度。计算结果表明使用Gidaspow拖曳力模型模拟得到的结果与实验最为吻合,并在此基础上验证了考虑颗粒受到的虚拟质量力能够进一步修正模拟结果。基于Gidaspow拖曳力模型,并考虑虚拟质量力的影响,本文结合半解析CFD-DEM模型与解析CFD-DEM模型,提出了一种适用于跨尺度颗粒与流体耦合的计算方法,并详细阐述了其数学模型、大尺度颗粒体积分数场的计算方法以及颗粒流体两相耦合方法。通过双颗粒沉降、渗流作用下的颗粒堆积以及混合跨尺度颗粒与流体耦合这三个算例,进一步验证了半解析CFD-DEM模型与解析CFD-DEM模型相结合的跨尺度颗粒与流体耦合方法的可行性。
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