[发明专利]一种基于浸入边界法的搅拌反应釜模拟方法

说明书

本发明提供了一种基于浸入边界法的搅拌反应釜模拟方法，所述方法为：准备阶段，包括计算参数的测定和设置、生成流体网格文件、生成拉格朗日标记点信息和准备计算资源；数值计算，设定计算区域的边界条件并基于流体网格求解速度场与温度场；结合离散单元法可以实现颗粒流体两相流的界面解析模拟，颗粒表面处直接采用浸入边界法施加无滑移边界条件；后处理阶段，模拟完成后输出每个欧拉网格点的信息以及每个颗粒的信息。该方法依据不同边界的特点，在计算中采用混合浸入边界法进行处理并结合大涡模拟与高性能并行计算技术实现搅拌反应釜内的湍流流动大规模数值模拟。该模拟方法可以应用于搅拌反应釜内湍流流动模拟与固体颗粒悬浮的模拟等。

技术领域

本发明属于搅拌反应釜的数值模拟领域，涉及一种基于浸入边界法的搅拌反应釜模拟方法，尤其涉及一种基于浸入边界法的实现搅拌反应釜内湍流流动模拟以及搅拌反应釜内固体悬浮颗粒的模拟的方法。

背景技术

在工业应用中经常需要进行流体的搅拌与混合。搅拌反应釜常应用于矿业、冶金、生物、石油、食品、制药等化工领域。由于搅拌反应釜中存在旋转的搅拌桨、复杂的搅拌釜壁面，甚至还有换热蛇管以及其他的附件等。搅拌反应釜模拟主要的困难在于搅拌桨与反应釜壁面的相对运动以及搅拌桨复杂几何形状的处理。当前商业软件中常采用的方法主要为多重参考系方法与滑移网格方法，这两种方法均为贴体网格方法。

Luo等人(Prediction of Impeller Induced Flows in Mixing Vessels UsingMultiple Frames of Reference，Eighth European Conference on Mixing，1994，(136)：549-556.)对内外迭代方法进行了简化，提出了多重参考系模型(Multiple ReferenceFrame，MRF)。在该模型中内外部区域不再重叠，计算的结果在内外部界面处直接进行匹配。该方法中，内外部界面的位置不是随意的，需要选在一个流动参数随着时间与周向角度变化较小的位置处。相较于内外迭代法，多重参考系方法的计算量大大降低。正是因为这个原因，多重参考系模型已经嵌入到大多数的商用CFD软件中。由于该方法是一个稳态近似，当边界上的流动区域几乎均匀混合或者搅拌桨与挡板的交互作用较弱时可以使用多重参考系模型。但是，如果需要精确的模拟强烈的转子和定子间相互作用或者是当搅拌桨与其他静止附件有相互嵌入时，则该方法是不适用的。

在一般情况下，搅拌桨与挡板的相互作用比较强烈，搅拌槽的湍流特征比较明显，如果采用稳态模型不能够精确捕捉到这些流动特征。为此，Luo等人(Full Flow-FieldComputation of Mixing in Baffled Stirred Vessels.Chem Eng Res Des，1993，71(A3)：342-344.)提出了滑移网格方法(Sliding Mesh，SM)，该方法同多重参考系方法类似，需要划分成静止区域以及运动区域。但不同于内外迭代法与多重参考系模型，在滑移网格方法中，运动区域内的流动方程仍然是在惯性坐标系下求解，只是该区域的网格随着搅拌桨的转动而转动。这种方法的优点是能够较为准确的捕捉搅拌槽内的瞬态现象，并且边界条件设置相对容易。但是该方法计算量巨大，另外为了考虑内部区域网格的旋转而需要显式的在动量方程中添加加速度项，并且在界面处的插值运算会严重影响计算效率以及计算精度。

在传统的MRF或者SM方法中，常采用非结构化贴体网格，当搅拌釜以及搅拌桨几何结构较为简单时网格还比较容易生成。但是当搅拌桨结构复杂或者有其他内构件时(如换热蛇管等)，生成质量较好的贴体网格非常耗时且非常困难。在有些情况下可能要验证不同桨型的效果，有些情况下则需要重新划分网格。所述MRF或者SM方法计算区域被划分成静止区域与运动区域，不同区域间需作差值运算，大大降低了计算精度。当搅拌桨与其他静止附件有相互嵌入时，这些方法不再适用。