为实现多组分复杂流体流动与扩散耦合过程的准确预测,提出一种耦合多组分Shan-Chen格子玻尔兹曼法(lattice Boltzmann method,LBM)、Maxwell-Stefan扩散通量方程及4参数(临界温度、临界压力、偏心因子和体积修正因子)Peng-Robinson状态...为实现多组分复杂流体流动与扩散耦合过程的准确预测,提出一种耦合多组分Shan-Chen格子玻尔兹曼法(lattice Boltzmann method,LBM)、Maxwell-Stefan扩散通量方程及4参数(临界温度、临界压力、偏心因子和体积修正因子)Peng-Robinson状态方程(equation of state,EOS)的多组分流体流动与扩散耦合模型(equation of state Maxwell-Stefan force model,EOS-MS模型).通过Peng-Robinson EOS计算混合流体整体的流体间作用力,结合多组分LBM中流体间作用力与压力的关系,构建组分流速与流体间作用力的关联,并代入Maxwell-Stefan方程,推导得到各组分受力的代数方程组.利用精确差分法(exact difference method,EDM)将计算得到的组分间作用力引入多组分LBM.分别模拟甲烷、乙烷纯物质及其混合物的气液两相共存问题,计算结果与标准参考数据及逸度平衡法的计算结果一致,验证了模型在预测混合流体热力学平衡态方面的准确性.通过模拟氢气、氮气和二氧化碳的三元扩散动态过程,发现模型结果与有限体积法预测高度吻合,并成功复现了多组分流体中逆扩散等实际扩散现象,证明模型在多组分流体流动与扩散耦合模拟中的有效性.本研究构建的EoS-MS力模型可准确预测多组分流动与扩散耦合过程,避免了在组分受力计算中引入人为假设带来的误差,为解决地热资源利用等领域中存在的多组分复杂流动问题提供了新方法.展开更多
文摘化学链燃烧技术是一种基于固体载氧体颗粒的新型无焰燃烧技术,对于助力碳减排具有重要意义。载氧体颗粒的寿命制约着该技术的进一步应用。文中针对载氧体颗粒的碰撞磨损问题,采用计算流体力学-离散元法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)双向耦合数值计算法,建立非规则载氧体颗粒模型,从颗粒速度场、碰撞频率场及碰撞功率场三方面,探究冷态流化床内载氧体颗粒的运动状态、分布特征及碰撞情况。结果表明,冷态流化床内载氧体颗粒呈现上下无序周期性运动,单周期内流化床空间上出现颗粒密相区与稀相区。其中,稀相区颗粒速度大而碰撞频率小,颗粒具有高动能与高重力势能;密相区内颗粒速度小而碰撞频率高,最大碰撞频率对应的颗粒多为大粒径、较小长径比,且颗粒能量低;颗粒最易磨损区即碰撞最大功率区(最大7.8×10^(−8)W)位于颗粒密相区与稀相区的交界面,颗粒碰撞磨损能量由颗粒动能与重力势能累积提供。研究结果揭示了冷态流化床内载氧体颗粒的碰撞磨损机制。
文摘为实现多组分复杂流体流动与扩散耦合过程的准确预测,提出一种耦合多组分Shan-Chen格子玻尔兹曼法(lattice Boltzmann method,LBM)、Maxwell-Stefan扩散通量方程及4参数(临界温度、临界压力、偏心因子和体积修正因子)Peng-Robinson状态方程(equation of state,EOS)的多组分流体流动与扩散耦合模型(equation of state Maxwell-Stefan force model,EOS-MS模型).通过Peng-Robinson EOS计算混合流体整体的流体间作用力,结合多组分LBM中流体间作用力与压力的关系,构建组分流速与流体间作用力的关联,并代入Maxwell-Stefan方程,推导得到各组分受力的代数方程组.利用精确差分法(exact difference method,EDM)将计算得到的组分间作用力引入多组分LBM.分别模拟甲烷、乙烷纯物质及其混合物的气液两相共存问题,计算结果与标准参考数据及逸度平衡法的计算结果一致,验证了模型在预测混合流体热力学平衡态方面的准确性.通过模拟氢气、氮气和二氧化碳的三元扩散动态过程,发现模型结果与有限体积法预测高度吻合,并成功复现了多组分流体中逆扩散等实际扩散现象,证明模型在多组分流体流动与扩散耦合模拟中的有效性.本研究构建的EoS-MS力模型可准确预测多组分流动与扩散耦合过程,避免了在组分受力计算中引入人为假设带来的误差,为解决地热资源利用等领域中存在的多组分复杂流动问题提供了新方法.
