氣-液-固三相流混合建模與求解方法*

范興華 譚大鵬 李霖 殷梓超 王彤

(浙江工業大學機械工程學院, 特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室, 杭州 310014)

1 引 言

氣-液-固三相流混合是高端化工、鋰電生產的關鍵工藝環節, 混合執行構件和流道物理空間需要提供較高的傳質和高湍流能力, 且伴隨強剪切過程.上述要求使得氣-液-固三相流混合過程非常復雜, 且難于觀察整體流場及關鍵區域的顆粒分布[1-3].混合物理空間幾何尺度相對于顆粒要高多個數量級, 其內部三維循環流動和湍流多相流的復雜性, 給混合執行機構優化設計、混合過程邊界條件調控提出了重要技術挑戰[4,5].

當前計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)方法廣泛應用于液-固混合過程的模擬計算, 一般基于歐拉-歐拉模型, 將顆粒固相視為連續相, 來描述相間相互滲透過程, 該模型占用計算資源比較少, 但模擬精度較低, 且無法獲得顆粒運動狀態[6-10].基于歐拉-拉格朗日模型的離散單元法(discrete element method, DEM)可以獲得顆粒的運動和相互作用, 可以與不同的流體動力學計算方法相結合, 來模擬流體-顆粒流[11,12], 如格子-玻爾茲曼方法(lattice Boltzmann method, LBM).該方法在離散的晶格網格上使用代表流體相的虛擬顆粒, 并通過求解離散的Boltzmann方程模擬流體的流動[13].相關學者已經對三維LBM-DEM耦合進行了嘗試[14], 但是由于要求流體尺寸要比固體顆粒尺寸小得多, 對計算能力要求非常高, 多數針對三維問題的LBM-DEM耦合解法仍在開發中.將CFD與離散單元法(CFD-DEM)耦合使用,可以預測顆粒尺度……