气固两相流中基于局域介尺度结构的各向异性曳力模型研究

Particles and gases are commonly-used carriers for reaction agents in energy processes. With clusters being typical representatives, non-homogeneous anisotropic meso-scale structures are key influencing factors that determine the dynamics of gas-solid flows. Available investigations in the literature on gas-particle interactions are mostly limited to homogeneous systems and hence only isotropic drag models are developed. Previous studies found that the drag force experienced by the fluid phase would be different both in magnitude and direction when the direction in which the fluid phase passed non-homogeneous anisotropic structures varied. This indicates that the drag force has distinct anisotropy. This project, using the particle-resolved direct numerical simulations, aims to investigate the characteristics of forces exerted on sphere-shaped and rectangular parallelepiped-shaped clusters in low-Reynolds-number uniform flows. The respective effects of the overall solid volume fraction and the cluster solid volume fraction on the forces will be revealed. The principle focus will be on exploring the influencing mechanism of the local meso-scale structures on forces exerted on individual particles. Starting from analyzing forces experienced by individual particles, the dependence of the friction coefficient tensor on the local structure tensor describing the neighboring configuration of particles will be pursed. The ultimate goal is to establish a drag model that can make predictions for particles in arbitrary local structures. This could lay solid foundation for numerically reproduce the formation and evolution of meso-scale structures in gas-solid flows.

颗粒和气体是能源系统中常见的反应主体,以颗粒团为典型代表的非均匀各向异性介尺度结构是影响气固流动的关键因素。文献中对气固相互作用的研究多局限于对均匀系统中颗粒的受力分析，所建立曳力模型也多为各向同性模型。研究发现，流体从不同方向通过非均匀各向异性介尺度结构所受到的曳力在大小和方向上可能会有显著的不同，即曳力具有明显的各向异性。本项目拟以解析到颗粒表面的直接数值模拟为技术手段，研究一系列球形颗粒团和长方体形颗粒团在低雷诺数均匀流动中的受力特性，揭示整体固体体积分数和颗粒团内部固体体积分数以及颗粒团几何参数对颗粒团整体受力的影响规律，并重点研究局域介尺度结构对颗粒受力的影响。通过分析颗粒团中颗粒的受力，寻求曳力系数张量和描述颗粒局域空间排布的结构张量的函数关系，最终建立可预测任意局域结构中颗粒受力的各向异性曳力模型，为准确模拟介尺度结构的形成和演化打下基础。

为服务于多相反应器过程放大与优化，探索并揭示介于颗粒与反应器之间以介尺度颗粒团为典型代表的非均匀结构对动量和热量传递的影响。本项目从颗粒完全解析的计算结果出发，聚焦于颗粒分布结构的各向异性这一事实，采用结构张量作为各向异性结构的表征手段，在低Re数条件下研究了结构张量与颗粒曳力之间的关系，并构建了适用于3到5倍颗粒尺度的各向异性曳力模型。在更大尺度介尺度非均匀结构对相间曳力及传热的影响方面，本项目通过对相间作用进行展开这一理论方法与细网格双流体模拟数据验证分析相结合的方式，找出了影响介尺度非均匀相间曳力及相间传热的关键亚网格量，并构建了一系列由关键亚网格量描述的的介尺度非均匀相间曳力及传热模型。并且通过条件平均、相关性分析等手段，找出了影响关键亚网格量漂移速度及漂移温度的关键指标量，构建了封闭漂移速度和漂移温度的函数模型。对上述介尺度非均匀结构下的相间作用模型分别进行先验数据分析及后验模拟验证，验证结果表明目前构建模型要优于文献中通常使用的模型。..在项目进行期间，参加美国化学工程师学会（AIChE）年会等学术会议。在国际化工主流期刊例如AIChE Journal和Chemical Engineering Science上共发表文章6篇，培养博士生2名、硕士生2名，其中一名已经毕业。..本项目构建了一套生成介尺度非均匀颗粒结构并对其进行颗粒全解析直接数值模拟的仿真系统，为以后相关研究工作奠定了坚实的基础。研究成果对介尺度非均匀结构的表征方式进行了重要补充与拓展，对更加全面地理解介尺度非均匀结构对相间作用的影响机理具有重要意义。同时，研究构建的模型能够应用于CFD-DEM模拟及过滤双流体模拟中，服务于多相反应器设计及放大过程，具有重要的工程意义及应用价值。