Моделирование течения в аппарате с кипящим слоем посредством сопряжения SPH & DEM

Проект выполняет Семин Михаил

Проект выполнен в рамках магистерской диссертации Моделирование аппарата с кипящим слоем и обвала карстовой полости методом динамики частиц

Введение

Кипящий слой создаётся в тех случаях, когда некоторое количество твёрдых частичек находится под воздействием восходящего потока газа – обычно воздуха, жидкости или их смеси (см. рис.3.1). Твёрдые частички оказываются в зависающем состоянии, как только скорость V восходящих потоков газа начинает превышать некоторое предельное значение скорости V_кс (минимальная скорость флюидизации) [17].Принцип разделения частиц в кипящем слое основан на использовании процесса псевдоожижения.

Кипящий слой представляет собой смесь жидкой и твёрдой фаз, которая имеет свойства, подобные свойствам жидкости. В частности, верхняя поверхность кипящего слоя является относительно горизонтальной, что аналогично поведению жидкостей, находящихся в покое. Кипящий слой можно рассматривать как неоднородную смесь газообразной и твёрдой фаз, которая может быть представлена как единая масса с единой плотностью. Частицы с более высокой плотностью, чем единая плотность кипящего слоя будут опускаться вниз, а частицы, имеющие плотность меньшую единой плотности кипящего слоя, будут подниматься. То есть, кипящий слой можно рассматривать как жидкость, подчиняющуюся закону Архимеда[2].

Актуальность

В фармацевтической промышленности широко используются аппараты с кипящим слоем. При оптимизации работы таких аппаратов ключевую роль играет понимание происходящих в них процессов взаимодействия твердых частиц с потоком жидкости или газа. В такой ситуации незаменимую роль играет компьютерное моделирование. На практике для моделирования динамики частиц в потоке газа, как правило, используются совместно метод дискретных элементов (DEM) [1] и вычислительная гидродинамика (CFD). Алгоритмы, позволяющие совместно решать задачу методами DEM и CFD реализованы, например, в пакетах EDEM и FLUENT. Однако решение связанных задач, как правило, требует огромных вычислительных мощностей. Проблемы с быстродействием возникают в связи с тем, что для моделирования методами DEM и CFD используются принципиально различные решатели. Использование одного решателя в рамках DEM/CFD подходов практически невозможно.

Цель

Цель настоящего исследования – использовать альтернативный подход, использованный, например, в работе [1]. Предлагается для моделирования газа использовать метод гидродинамики сглаженных частиц, предложенный Lucy [21], Gringold and Monaghan [5]. При таком подходе удается использовать один решатель для методов SPH и DEM, что существенно ускоряет процесс моделирования.

Результаты

• Построена и алгоритмизирована модель сопряжения SPH&DEM
• Проведена верификация запрограммированных моделей на простейших течений
• Выполнено моделирование течение в аппарате с кипящем слоем
• Проведен лабораторный эксперимент по моделированию кипящего слоя в институте SPE&PT
• Сделан сравнительный анализ численного и лабораторного экспериментов, проведено сравнение с известными аналитическими формулами

Литература

• 1. Fleissner F., Eberhard P., Load Balanced Parallel Simulation of Particle-Fluid DEM-SPH Systems with Moving Boundaries // Advances in Parallel Computing, Volume 15, ISSN 0927-5452, SBN 978-1-58603-796-3 (IOS Press), 2008
• 2.Geldart, D. (1973). "Types of gas fluidization". Powdertechnology 7 (5): 285–292
• 3.Hoover W. G., Smooth Particle Applied Mechanics: The State of the Art, World Scientific, (2006).
• 4.Lucy L. B., "A Numerical Approach to the Testing of the Fission Hypothesis", The Astronomical Journal 82, 1013-1024 (1977)
• 5. Monaghan J.J., "An introduction to SPH," Computer Physics Communications, vol. 48, pp. 88–96, 1988.