基于希尔伯特曲线空间索引的高精度非解析颗粒流动模拟

来源 :第四届全国颗粒材料计算力学会议 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xinghun124
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  非解析颗粒流动模拟以其高效性与简便性在计算流体-离散元(CFD-DEM)耦合计算中被广泛使用。在传统的非解析颗粒流动模拟过程中,所使用的经验型的拖曳力模型要求网格尺寸至少为颗粒尺寸的3倍,以保证网格内颗粒体积分数与颗粒-流体相对速度计算的准确。这样的处理使得在规定计算域内,能画的网格数量较少,尤其是在狭长的计算域或者湍流涡结构尺寸与颗粒尺寸相当的情况下计算精度被大幅降低。本文我们提出一种网格尺寸可与颗粒尺寸相当,甚至小于颗粒尺寸的非解析颗粒流动模拟方法,解决了上述困难。本方法中,在网格尺寸与颗粒尺寸相当或小于颗粒尺寸的情况下,我们通过基于希尔伯特-皮亚诺曲线的空间索引策略,找到所有在颗粒尺寸3倍(或者更大尺寸)以内的网格,并在计算拖曳力时利用对数高斯分布修正该区域内的体积分数及颗粒-流场的相对速度,这样计算得到的拖曳力仍然可以保证其精度。此外,附加质量力也被严格的考虑在内。本文展示了若干单颗粒、流化床的标准测试算例与具体工况的数值模拟结果,均与实验吻合良好。尤其在较窄的计算域,高雷诺数,固液颗粒流动这三种情况下,我们的计算模型与传统非解析模型相比展现出了极高的计算精度,与传统解析的颗粒流动模型相比又有极高的计算效率。 因希尔伯特曲线空间索引策略的计算复杂度与计算域大小无关(在搜索颗粒附近网格时),在颗粒数量众多,网格数量众多的情况下,该搜索策略的计算效率也占到了绝对优势。故本方法尤其适用于各种大规模颗粒流动的工业问题的数值模拟。
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