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颗粒流体系统广泛存在于化工、能源和冶金等领域,是过程工程的重要研究对象之一。动态多尺度结构作为颗粒流体系统的典型特征,是造成相关系统工业放大困难的一个重要原因,对其的描述也是计算流体力学面临的严峻挑战。颗粒轨道模型(DPM)能够追踪单颗粒的运动,为这类系统的详细模拟提供了可能,但该模型中流体和颗粒的相间耦合仍然基于平均化方法,精度待提高；同时该方法对大规模系统模拟的计算量巨大,这些问题严重制约了它的应用。本文将颗粒轨道模型和多尺度方法相结合,合理利用颗粒位置信息,在颗粒轨道模型中考虑了亚网格非均匀结构的影响。为了解决颗粒轨道模型的计算量过大的问题,本文进行了颗粒轨道模型并行化和CPU—GPU(图形处理器)耦合的多尺度计算研究。在此基础上,基于多尺度方法探索了利用多尺度并行计算实现虚拟过程的可行性。
本文借鉴能量最小多尺度(EMMS)模型将气固系统处理为两相结构的思路,通过颗粒的局部空隙率和空隙率梯度来表征网格内的非均匀结构,并根据亚格子结构对格点速度进行合理分配,实现了考虑亚网格结构的颗粒轨道模型。运用该模型模拟了不同气速下的节涌流态化过程,结果与实验相符,表明了该模型的合理性。利用MPI(massage passing interface)实现了颗粒轨道模型的并行计算,其中流体相N-S方程采用SIMPLE算法通过区域分解并行求解,颗粒间作用采用软球模型。应用该并行算法模拟了含有105个颗粒的气固流态化系统,复现了其轴径向非均匀结构的形成及动态演化过程。近年迅速发展的GPU以其强大的计算能力和良好的并行性为颗粒轨道模型的发展应用提供了另外一种途径。本文建立了CPU-GPU耦合的计算模式,利用CPU计算流体相的运动方程,而利用GPU计算颗粒相的运动方程。基于该方式模拟了颗粒流体系统随设备结构尺寸的变化从节涌、湍动流念化向快速流态化过渡的过程。在此基础上,本文进一步实现了CPU-GPU耦合的多尺度并行计算模式,并对包含有512000个颗粒的气固流念化系统的非均匀结构的动态演化过程进行了模拟研究。模拟结果复现了上稀下浓中间稀边壁浓的稀密相共存的环核结构的形成过程,展示了CPU-GPU耦合的多尺度并行计算模式在颗粒流体系统模拟中的应用前景。在上述工作的基础上,本文实现了多尺度的颗粒流体系统计算模式,即首先由顶层GPU应用EMMS模型计算得到宏观流场分布,经过中层CPU区域分解后得到微观层次的非均匀结构,进而通过底层GPU对微观非均匀结构的动态演化过程进行并行计算。对近似静态的工业设备的初步模拟结果表明该模式能极大地提高计算效率,为实现虚拟过程提供了可能。最后总结了前述工作,并展望了应用多尺度方法和颗粒轨道模型的结合模拟颗粒流体系统中的多尺度非均匀结构的良好前景。