本文關(guān)鍵詞：氣固流態(tài)化的多尺度離散模擬

  更多相關(guān)文章： 氣固流態(tài)化 離散模擬 粗�；� 虛擬過程工程 并行計(jì)算

【摘要】：氣固流態(tài)化系統(tǒng)廣泛存在于化工、材料、能源、資源和食品醫(yī)藥等過程工業(yè)中。在此類系統(tǒng)中顆粒和流體之間、顆粒和顆粒之間有著復(fù)雜的相互作用,是典型的非線性非平衡系統(tǒng),有著明顯的多尺度結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算能力的提高和模型、算法的發(fā)展,數(shù)值模擬已成為研究該系統(tǒng)的有力工具。雙流體模型將顆粒處理成流體,在網(wǎng)格尺度描述顆粒的運(yùn)動,無法提供顆粒尺度的信息。同時(shí)顆粒相的粘度和壓力等本構(gòu)關(guān)系也難以準(zhǔn)確建立。離散顆粒方法則直接在顆粒尺度上計(jì)算顆粒間的作用力,跟蹤顆粒的運(yùn)動,可以方便地研究多粒徑體系、非規(guī)則顆粒、顆粒間復(fù)雜作用力、顆粒停留時(shí)間分布等。但對于實(shí)際體系,由于顆粒數(shù)量巨大,并且顆粒間作用力的計(jì)算需要較小的時(shí)間步長,離散顆粒方法還鮮有應(yīng)用。目前即使采用超級計(jì)算,離散模擬也多用于研究小規(guī)模實(shí)驗(yàn)裝置。而隨著過程工業(yè)的發(fā)展,對模擬精度與規(guī)模的要求不斷提高,對離散顆粒方法進(jìn)行深入的改進(jìn)與擴(kuò)展顯得尤為重要。本論文試圖通過對模型和計(jì)算方法的系統(tǒng)改進(jìn),從時(shí)間和空間尺度上擴(kuò)展離散模擬的適用范圍,為工業(yè)過程的模擬提供可能。論文的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下：從源頭上減少跟蹤顆粒數(shù)目、加大時(shí)間步長是提高離散模擬速度、擴(kuò)大其規(guī)模的根本途徑,為此論文提出了以顆粒團(tuán)代替單顆粒的粗�；x散模型EMMS-DPM.該模型根據(jù)EMMS模型描述的團(tuán)聚物尺寸和空隙率分布限定了所定義的顆粒團(tuán),即粗顆粒(coarse-grained particle, CGP)的大小,流體與粗顆粒之間的作用力采用EMMS曳力封閉。為了保證粗顆粒的碰撞能量耗散和原系統(tǒng)相當(dāng),我們根據(jù)顆粒動理論對恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行了修正。通過對固定床壓降、循環(huán)流化床空隙率分布的模擬驗(yàn)證了模型的正確性。內(nèi)容詳見第三章。鑒于顆粒流體系統(tǒng)的多尺度特征和顆粒間以近程力為主的相互作用方式,發(fā)展了耦合利用多核與眾核處理器(如Graphics Processing Unit, GPU)的離散模擬大規(guī)模多尺度并行計(jì)算方法,達(dá)到了計(jì)算與通信操作的高度重疊,顯著提高了計(jì)算速度、效率與可擴(kuò)展性。采用系統(tǒng)共享內(nèi)存,實(shí)現(xiàn)了CPU端計(jì)算流體的同時(shí)在GPU端進(jìn)行顆粒的計(jì)算,同時(shí)避免了通過文件交換數(shù)據(jù)帶來的IO開銷。計(jì)算程序通過了固定床壓降和提升管空隙率分布等計(jì)算的驗(yàn)證。內(nèi)容詳見第二章。在上述改進(jìn)的基礎(chǔ)上,論文對氣固流態(tài)化系統(tǒng)完整實(shí)現(xiàn)了“先分布、后演化”的EMMS計(jì)算范式。首先根據(jù)宏尺度EMMS模型預(yù)測的空隙率分布確定模擬的初始條件,然后據(jù)此非均勻地劃分并行模擬區(qū)域以平衡計(jì)算負(fù)載,最后采用上述粗�；椒M系統(tǒng)的動態(tài)行為。在典型的循環(huán)床提升管模擬中,采用該范式進(jìn)一步提高了計(jì)算速度20%左右。集成上述工作并與可視化以及控制程序在線耦合運(yùn)行,建立了循環(huán)流化床虛擬過程演示系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)實(shí)時(shí)的交互模擬。應(yīng)用該系統(tǒng),在對中試規(guī)模提升管的精度、速度和效率優(yōu)先模擬中分別達(dá)到了與單顆粒離散模擬相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性,二維實(shí)時(shí)模擬和目前所知最高的單GPU顆粒更新速率,表明了在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上最終實(shí)現(xiàn)虛擬過程的可能性。內(nèi)容詳見第四章�；谏鲜龉ぷ�,論文通過模擬實(shí)例表明了離散模擬已經(jīng)能夠提供實(shí)驗(yàn)與連續(xù)介質(zhì)模擬難以獲得的全面而詳細(xì)的流場信息。一方面,對工業(yè)規(guī)模的流態(tài)床模擬時(shí)間可達(dá)小時(shí)量級,每天演化進(jìn)度超過10分鐘,為了解的很多操作和反應(yīng)過程的顆粒與產(chǎn)物停留時(shí)間分布等信息提供了有力手段。比如對甲醇制烯烴工藝中的流態(tài)化反應(yīng)器的模擬時(shí)間已超過6800s,對了解其中的催化劑結(jié)焦過程有很大幫助。另一方面,對接近中試規(guī)模的循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)三維全回路離散模擬。比如對一個(gè)包含30公斤80微米直徑的A類顆粒的系統(tǒng)采用302萬30倍粒徑的粗顆粒達(dá)到了每天8秒的計(jì)算速度。模擬獲得的循環(huán)時(shí)間分布、停留時(shí)間分布、空隙率分布等重要參數(shù)均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論分析吻合。上述研究有力證明了本論文改進(jìn)的離散模擬的實(shí)際應(yīng)用能力與優(yōu)勢。內(nèi)容詳見第五章。綜上所述,本論文提出的EMMS-DPM通過基于介尺度結(jié)構(gòu)分析的粗�；椒ㄔ诨颈３譁�(zhǔn)確性的前提下顯著降低了離散模擬的計(jì)算量；提出的CPU-GPU耦合并行計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)了CPU和GPU計(jì)算以及計(jì)算與通信操作的重疊,顯著提高了計(jì)算速度。通過上述工作與宏尺度模型耦合減少了負(fù)載不均衡對并行計(jì)算速度的影響,通過與可視化程序、控制程序的耦合實(shí)現(xiàn)了在線交互模擬；通過模型、算法和軟件、硬件的統(tǒng)一,在時(shí)空尺度上擴(kuò)展了離散模擬的應(yīng)用范圍,初步建立了氣固流態(tài)化系統(tǒng)虛擬過程的計(jì)算模式。
【關(guān)鍵詞】：氣固流態(tài)化 離散模擬 粗�；� 虛擬過程工程 并行計(jì)算
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ019
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 緒論13-29
• 1.1 氣固系統(tǒng)的時(shí)空多尺度結(jié)構(gòu)與EMMS模型13-17
• 1.1.1 整體非均勻結(jié)構(gòu)13-14
• 1.1.2 局部非均勻結(jié)構(gòu)14-15
• 1.1.3 EMMS模型15-17
• 1.2 物理模型與計(jì)算方法17-23
• 1.2.1 雙流體模型18-20
• 1.2.2 離散顆粒模型20-21
• 1.2.3 直接數(shù)值模擬21
• 1.2.4 粗�；椒�21-23
• 1.3 兩相流模擬軟件與高性能計(jì)算23-26
• 1.3.1 高性能計(jì)算23-24
• 1.3.2 相流模擬商業(yè)軟件的發(fā)展24-25
• 1.3.3 兩相流模擬開源軟件的發(fā)展25-26
• 1.4 虛擬過程工程26-27
• 1.5 本論文研究思路及內(nèi)容27-29
• 2 離散模擬的并行計(jì)算及其改進(jìn)29-48
• 2.1 物理模型29-31
• 2.1.1 氣固兩相控制方程29
• 2.1.2 顆粒碰撞模型29-30
• 2.1.3 相間作用模型30-31
• 2.2 算法流程31-40
• 2.2.1 流體相的求解31-33
• 2.2.2 顆粒相的求解33-36
• 2.2.3 相間作用的計(jì)算36-39
• 2.2.4 整體算法流程39
• 2.2.5 改進(jìn)的算法流程39-40
• 2.3 驗(yàn)證計(jì)算40-46
• 2.3.1 固定床起始流態(tài)化的模擬41-43
• 2.3.2 A類顆粒提升管流態(tài)化的模擬43-46
• 2.4 本章小結(jié)46-48
• 3 粗�；x散模型：EMMS-DPM48-82
• 3.1 EMMS-DPM模型48-57
• 3.1.1 粗顆粒的定義48-52
• 3.1.2 粗顆粒的控制方程52-53
• 3.1.3 粗顆粒碰撞作用力的計(jì)算53-57
• 3.2 EMMS-DPM模型求解流程57-58
• 3.3 EMMS-DPM模型驗(yàn)證和應(yīng)用58-80
• 3.3.1 固定床起始流態(tài)化的模擬59-63
• 3.3.2 A類顆粒提升管流態(tài)化的模擬63-72
• 3.3.3 提升管大規(guī)模離散模擬72-80
• 3.4 本章小結(jié)80-82
• 4 基于EMMS范式的氣固流態(tài)化虛擬過程82-114
• 4.1 虛擬過程工程與EMMS范式82-84
• 4.2 基于EMMS范式的多尺度離散模擬84-93
• 4.2.1 宏尺度EMMS模型85-86
• 4.2.2 多尺度離散模擬計(jì)算流程86-87
• 4.2.3 多尺度離散模擬算例87-93
• 4.3 虛擬過程工程中的可視化與交互控制93-97
• 4.3.1 可視化程序93-95
• 4.3.2 控制程序95-97
• 4.3.3 系統(tǒng)集成97
• 4.4 虛擬過程初探：在線交互模擬97-113
• 4.4.1 Case DPM：基礎(chǔ)驗(yàn)證計(jì)算98-101
• 4.4.2 Case A：精度優(yōu)先計(jì)算101-104
• 4.4.3 Case C：速度優(yōu)先計(jì)算104-106
• 4.4.4 Case E：效率優(yōu)先計(jì)算106-108
• 4.4.5 Case VPE：綜合集成計(jì)算108-113
• 4.5 本章小結(jié)113-114
• 5 離散模擬的擴(kuò)展應(yīng)用114-134
• 5.1 甲醇制烯烴(MTO)裝置的長時(shí)模擬114-121
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與模擬參數(shù)115-117
• 5.1.2 結(jié)果分析117-121
• 5.2 三維全回路離散模擬121-132
• 5.2.1 全回路模擬現(xiàn)狀121-122
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與模擬參數(shù)122-125
• 5.2.3 結(jié)果分析125-132
• 5.3 本章小結(jié)132-134
• 6 結(jié)論與展望134-137
• 6.1 主要工作與結(jié)論134-135
• 6.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)135-136
• 6.3 展望136-137
• 符號表137-141
• 參考文獻(xiàn)141-150
• 個(gè)人簡歷及發(fā)表文章目錄150-151
• 致謝151-152

【引證文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張二強(qiáng);堵勁松;江家森;張煒;李斌;朱文魁;;基于OpenFOAM大規(guī)模并行計(jì)算的煙草氣流干燥裝置中氣固流動數(shù)值模擬[J];煙草科技;2017年04期

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本文編號：969775