复杂气固流动的颗粒团离散模型及基于GPU的大规模模拟

计算流体力学和离散单元法结合（CFD-DEM）直接跟踪每个固体颗粒的运动轨迹来描述气固复杂流动中颗粒运动情况，模型具有明确的物理意义，但高计算需求限制了其在实际工程中的应用，因此有必要在保持模型机理性优势基础上合理简化并发展大规模计算。本研究以颗粒团作为处理单元简化原有DEM模型，大大节省计算量又可更好揭示气固流动多尺度特性。同时通过以下方式在颗粒团模型中引入结构因素：1）直接数值模拟微元内气固不均匀结构的相间作用，给出颗粒团曳力计算模型；2）应用多尺度分析方法对气固流动微元结构进行分解，得到颗粒团模型计算所需结构参数。本研究还将开发连续-离散方法的图形处理器（GPU）加速计算，从而实现异构体系的多级并行计算，形成颗粒团模型应用于实际气固流动过程的大规模模拟技术。本研究内容有助于探索气固流动复杂结构形成机理，提高工业规模反应器气固流动行为的预测能力，有效指导反应器的优化设计和放大。

本项目主要连续-离散框架建立介尺度颗粒模型用于气固两相流动模拟研究，围绕研究计划开展研究并取得相应成果，完成情况如下：1）针对单颗粒、颗粒聚团及动态结构，应用格子玻尔兹曼方法进行了直接数值模拟，从而修正气固相间作用模型；2）基于EMMS模型的颗粒聚团特征结构分析，建立了反映物理本质的“粗粒化”颗粒模型，应用于气固两相流动的连续-离散方法计算；3）分别开发了离散方法和连续方法的GPU计算算法，并在CPU-GPU异构集群上扩展，形成了高效模拟实际反应器内多相流动的计算能力。本研究内容有助于探索气固流动复杂结构形成机理，提高工业规模反应器气固流动行为的预测能力，有效指导反应器的优化设计和放大。