基于格子Boltzmann方法的三维热对流中非球形固体颗粒运动规律研究

Solid particles are often of various shapes in real world particle-laden flows, however, most of the current research focused on the motion of simplified spherical particles in thermal fluids. Compared with spherical particles, the interactions between non-spherical particles and thermal fluids are much more complex. In this project, we propose to investigate non-spherical particle motion in thermal convection system via particle resolved direct numerical simulation. Specifically, we will adopt momentum-exchange based lattice Boltzmann model and develop numerical method to simulate particle motion in thermal fluids at high Reynolds number. We will further develop highly efficient software to simulate three-dimensional solid particle motion in thermal fluids. From the simulation results, we will obtain the motion modes, migration and distribution characteristics of non-spherical particles, such as ellipsoid, cylinder and cube particles, in thermal convection system. We will also study the effects of non-spherical particles on the generation and evolution of coherent structures such as thermal plumes and large-scale circulation in thermal convection systems. Our goal is to reveal the interaction mechanisms between thermal fluids and solid particles, and further to provide theoretical basis to solve practical engineering problems.

真实流动中包含的固体颗粒具有复杂的几何形状，然而目前研究多考虑简化的球形颗粒在热流体中的运动。相比于球形颗粒，非球形颗粒与热流体的相互作用更为复杂。本项目旨在通过颗粒直接分辨的大规模数值模拟来探究热对流系统中非球形固体颗粒的运动规律。项目将采用液固间动量交换的格子Boltzmann模拟方法，提出适用于模拟高雷诺数下热流体中固体颗粒运动的格子Boltzmann模型，开发三维固体颗粒在热流体中运动的格子Boltzmann高效数值模拟程序，分析椭球、柱状、立方体等典型的非球形颗粒在热对流系统中的运动模态、迁移规律及分布特点，探究不同形状颗粒运动对热对流系统内羽流及大尺度环流等拟序结构的生成与演化的影响。本项目将进一步揭示热流体与固体颗粒两相间的相互作用机理，为解决实际工程问题提供必要的科学依据。

固体颗粒在热流体中运动的研究可为大气污染治理、流化床反应器维护、燃烧室中生物质颗粒的分布等工程问题提供理论依据。本项目开展了热颗粒流动格子Boltzmann数值计算方法，热对流拟序结构生成与演化机理，以及颗粒输运与沉积规律的研究，主要研究成果可归纳为如下三个方面。首先，本研究提出了改进的颗粒曲面边界温度边界条件，通过获得流固两相界面节点的分布函数来插值边界点未知的温度分布函数。该方法在保证空间二阶精度的前提下具有较高的计算效率。此外，本研究采用OpenACC和MPI混合技术开发了基于多GPU的格子Boltzmann模拟程序，并使用多维分割、重叠计算与通信、并发执行计算任务三种策略优化程序的并行效率。在使用16个GPU的强拓展性测试中，三维热对流模拟速度达到每秒145.2亿次的网格点更新。其次，本研究采用傅里叶模态分解和本征正交模态分解提取了热对流场中的拟序结构，并探究了传热效率与流动模态的相关性。研究发现单涡模态、水平堆叠的双涡模态传热效率更高，而垂直堆叠的双涡模态传热效率较低。此外，沿着对流腔体壁面的逆压梯度会引起流动分离，对流腔体中的角涡或二次涡是一种固有存在。在圆形对流腔体中，流动也并非完美的单涡结构，而是由一个主涡和两个二次涡组成。二次涡增长破环了主涡，并发生流向反转。第三，本项目通过分析颗粒群的均方位移和壁面沉积速率，发现颗粒不会均匀地沉降在对流腔体底部，而是优先沉降在热羽流上升区域；从而可以通过控制主涡流向来控制颗粒沉积位置。本项目进一步揭示了热流体与固体颗粒两相间的相互作用机理，为解决实际工程问题提供了必要的科学依据。