多尺度气固两相流的格子Boltzmann数值建模及物理机理研究

The multiscale gas-solid flows occur commonly in many fields, such as energy, environment and chemical industry. Compared with conventional theories on gas-solid flows, the internal mechanism of such multiscale flows is very complex due to the coexistence of multiple timescales and space scales, the slip motion of gas at the particle interface and the complex interactions between particle-particle and fluid-particle, and greater restrictions will arise when it comes to study such flows via traditional numerical methods. The lattice Boltzmann (LB) method, a developed numerical method based on the kinetic theory, is considerably advantageous to the research on the multiscale gas-solid flows, but these works are still immature so far. In view of this fact, the aim of the present research is to develop the LB method to explore the microscopic mechanism of multiscale gas-solid flows in combination with high-performance technology of parallel computing. The research topics include: constructing LB model and boundary conditions for microscale gas-solid flows; developing domain decomposition method for simulations of multiscale gas-solid flows; performing numerical simulations and mechanism analysis of multiscale gas-solid flows. This research will provide a new and efficient method for the multiscale gas-solid flows, help to discover new flow patterns and provide strong support to develop basic theory and engineering applications of such complex multiphase flow.

多尺度气固两相流是能源、环境及化工等众多领域中的常见问题。与常规气固两相流相比，由于该类流动问题中多个时间和空间尺度共存、气体-颗粒间存在速度滑移，颗粒与流体以及颗粒之间均存在复杂的相互作用，其内在机理非常复杂，传统数值方法进行研究时受到较大限制。基于气体动理学理论发展起来的格子Boltzmann(LB)方法对多尺度气固两相流的研究具有较大优势，但目前国内外相关研究还很不成熟。基于此，本研究将发展针对此类流动的LB方法，并结合高性能并行计算技术，探索多尺度气固两相流的微观机理。主要包括：发展微尺度气固两相流的LB模型与边界条件；发展多尺度气固两相流的分区模拟方法；分析具有多尺度颗粒的气体流动和颗粒运动规律以及颗粒分布特征。本研究可为此类复杂多相流提供新的高效研究方法，有助于发现新的流动规律，进而为发展多尺度气固两相流的理论和工程应用提供支持。

多尺度气固两相流是能源、环境及化工等众多领域中的常见问题，并已发展成为工程热物理领域的一个重要基础问题。然而，由于涉及多个时间和空间尺度、气体-颗粒间存在速度滑移，颗粒与流体以及颗粒之间均存在复杂的相互作用，其内在机理非常复杂，对此类问题的研究目前仍然极具挑战。传统数值方法研究这类复杂问题时受到较大限制，亟需发展新的有效模拟方法，并以此为基础开展多尺度气固两相流动的机理研究。. 本项目基于气体动理学理论，针对多尺度气固两相流发展和完善了已有的介观格子Boltzmann (LB)方法，并研究了多尺度气固两相流动和复杂流固相互作用的机理，主要成果和发现包括：(1) 将双曲松弛系统的必要稳定性准则运用于LB方法，基于Onsager-like关系证明了用于流动的格子动理学格式（LKS）的稳定性和收敛性，给出了数值稳定的必要条件；并对Navier-Stokes方程耦合含源项的对流扩散方程构建了新的局部计算模型，同时理论分析LKS模型并澄清了此类LB模型具有双松弛因子的本质。（2）针对具有复杂流固边界的流动模拟，构建了能降低可压缩效应的多松弛（MRT）LB预处理模型，通过理论分析给出了精确实现边界条件的松弛因子关系式，通过调节预处理参数能显著提高计算的收敛率。(3)针对具有曲形边界的宏观流动，在多松弛LB模型框架下分析了边界格式的离散效应，给出了松弛时间为常数的处理方法，克服了消除曲面边界格式离散效应时遇到的困难。(4)发展了微尺度气固两相流的LB单点边界格式，并系统分析了滑移边界格式的离散效应，给出了消除曲边界条件离散效应的有效方法。(5)基于前述理论分析与发展的LB模型和曲边界处理格式，开展了多尺度气固两相作用机理的数值研究。此外，为更适合考虑流动的稀薄效应，项目组还拓展离散统一气体动理学格式（DUGKS）的数值方法，用于复杂流固边界流动问题的模拟。. 本项目的研究成果可为多尺度气固两相流的模拟提供新的高效研究方法，有助于认识其内在流动机理和发现新的流动规律，进而为发展多尺度气固两相流的理论和工程应用提供新的思路和理论支撑。