求解颗粒凝并与反弹的DSMC方法及应用

吴志豪， 凡凤仙， 胡晓红

(上海理工大学能源与动力工程学院， 上海200093)

气固两相流广泛存在于能源、环境、化工等领域,如煤粉的气力输送[1]、 固体燃料颗粒在燃烧室内的流动与燃烧[2]、 细颗粒物在除尘器内的流动与分离[3]、 大气颗粒物的扩散和演化[4]、 流化床内颗粒物料的流化[5-6]等。近年来，随着计算机硬件的更新换代和数值模拟技术的迅速发展，计算机数值模拟已成为研究气固两相流过程和机理的重要手段。建立可靠的描述颗粒运动、 碰撞、 凝并及反弹等物理过程的颗粒动力学模型，对气固两相流的高精度模拟显得非常重要和迫切。离散元方法(discrete element method，DEM)是颗粒动力学行为建模和模拟的最直接的方法，该方法基于牛顿第二定律，根据颗粒与颗粒之间的相互作用力和颗粒与流体之间的耦合作用来求解每个颗粒的速度与运动轨迹，通过跟踪所有颗粒的运动轨迹来判断颗粒间碰撞的发生。 尽管DEM对颗粒动力学过程的描述最为接近实际， 但其在处理涉及大量颗粒的气固两相流时， 尤其是当固相为粉体颗粒时，计算成本极高。直接模拟蒙特卡洛(direct simulation Monte Carlo, DSMC)方法是对气固两相流中颗粒动力学过程进行建模和模拟的另一种方法。DSMC方法在硬球模型的基础上结合了判断颗粒碰撞的蒙特卡洛方法，在稀相气固两相流数值模拟中得到广泛应用。该方法立足于气体分子运动论，采用取样颗粒代替真实颗粒，为每个取样颗粒赋予一定的权重，使其代表一定数目的真实颗粒，跟踪取样颗粒在流场中的受力与运动，通过概率判断颗粒碰撞的发生，从而有效地节省了计算时间与计算机内存，适宜于对大量颗粒构成的稀疏气固两相流中颗粒动力学模拟。……