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气固两相流反应器在工业界得到了广泛的应用,它处于典型的非线性非平衡状态,呈现出复杂的时空多尺度结构。相应的,描述该过程的模型也应该是多尺度的。各尺度上的模型部有各自的优点和局限性,例如宏尺度模型计算效率高,但是分辨率低,无法完成复杂动态演化过程的模拟；微观模型计算量过大,无法对实际工业过程进行模拟。为此,本论文将以能量最小多尺度(EMMS)模型为基础,采用多尺度计算方法,提高计算的精度和有效性。
论文第一章总结了气固流动过程中各个尺度上的特征现象,并介绍了各个尺度上计算模型的特点及研究现状,分析了采用多尺度模型来描述气固流动中多尺度现象的必要性。第二章研究了宏尺度和介尺度EMMS模型与双流体模型的耦合模式,以宏尺度EMMS模型预测的初场分布成功加速了双流体模型计算达到统计定态的过程。研究发现这种计算模式与初始为全床均匀分布和初始为固定床状态的模拟相比,将到达统计定态所需的计算时间缩短了数倍。该模式充分结合了宏尺度模型汁算量较少和介尺度模型较准确的优势,并可以扩展到对其他系统的模拟。
第三章改进了介尺度EMMS模型,结合隐式团聚物直径描述和两步法求解的优点,得到了考虑微元非均匀结构的合理的曳力修正系数,完善了其理论基础,扩大了其应用范围,并实现了其与双流体模型的耦合。以此模拟了实际提升管反应器,比较了该方法与基于网格内均匀假设的传统曳力模型在计算固体循环量、固体体积分率的轴径向分布等方面的差异,发现本模型得到的计算结果与实验结果更加吻合。
第四章进一步实现了介尺度与微尺度离散模型的耦合计算,建立了基于固相离散描述的离散单元法(DEM)和光滑粒子动力学(SPH)方法与FLUENT的耦合模式,研究了不同数据映射方式及在FLUENT中不同实现模式对模拟结果的影响。模拟中以介尺度EMMS模型考虑了DEM与FLUENT耦合模拟中网格内非均匀结构对气-固相间曳力的影响,与常规曳力模型相比得到了更接近实验的轴向空隙率分布,说明此类计算中也需要考虑介尺度结构才能较准确描述气固流动规律。
第五章对本论文进行了总结并展望了未来的研究方向。