[发明专利]一种移动床或填料床式气固两相反应流动数值仿真方法

说明书

本发明涉及一种移动床或填料床式气固两相反应流动数值仿真方法，步骤为：对气固两相流动分别建立气相和固相两算例，分别设置好边界条件和初始化条件，将气相算例采用多孔介质模型对气相流动加以描述且新建额外变量表征固相参数，将固相算例采用粘性流动模型对固相流动加以描述且新建额外变量表征气相参数，通过不断迭代更新额外变量来实现气固耦合；创建临时数据库；读取网格节点信息，读取对应数据；设置输出/输入文件格式；设置耦合频次并确定气固两相数据交换频次；更新相应的额外变量；设置终止判断和收敛依据；启动计算程序；程序运行；输出结果。本发明提升了对移动床/填料床式气固反应两相流动的模拟适用性及预测精度。

技术领域

本发明涉及多相反应流动流体力学数值仿真技术领域，并且更具体地，涉及一种移动床或填料床式气固两相反应流动数值仿真方法。

背景技术

气固乃至多相反应流动在冶金、化工、石油、能源等领域应用十分广泛。这些过程单元的设计、放大、控制及参数优化需要对所涉过程中的流体流动、传递现象及反应等有着深刻的理解。对于一些复杂体系，如高炉、竖炉等多相反应器，往往难以通过传统实验方法获取其内部热化学状态及流体流动情况，这很大程度上制约了工业设计及参数优化的可行性。为了摆脱这种掣肘，越来越多的科研工作者将目光投向了数值仿真技术。近年来，随着计算机技术的发展及基础理论研究的进步，数值仿真技术已越来越多地被应用于工程技术领域，其适用性及准确性已得到广泛认可。

计算机流体力学(CFD)方法是数值仿真技术的重要分支，其基本原理是对所涉过程的控制方程组(即守恒方程组)进行求解。目前，CFD方法已相对成熟且应用软件众多，诸如ANSYS Fluent、ANSYS CFX等商业软件包，或开源的OpenFoam等软件均拥有着大批拥趸及广泛的应用基础。这些软件已成功实施单相流动、多相流动及相间热质耦合等过程的仿真，可靠性毋庸置疑，并且一般都内置了多种多相流动模型供用户选择，如TFM模型、VOF模型、多孔介质模型等等，但考虑到模型通用性，其对一些复杂的多相反应流动体系仍缺乏有效建模手段，比如前面所述的高炉、竖炉等移动床/填料床式炉窑的仿真。以竖炉为例，气相由反应器底部鼓入顶部流出，固相由顶部流入底部流出，气固两相逆向流动并伴随着强烈的相间质量、热量及动量交换。在现有CFD软件构架下，难以系统性地、多因素综合考量地对上述气固逆向反应流动进行仿真，尤其是对固相流动的求解。目前通用的做法是将固相视为多孔介质，考虑气固两相之间的传热、传质及动量传递，但不对固相流动加以求解。因此无法提供一些具有实际工程意义的信息，例如炉料运动轨迹、产率的直接预测及准确的炉内气固分布等。

因此，现有技术有待改进。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种移动床或填料床式气固反应两相流动数值仿真模拟计算方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的方面，本发明提供一种移动床或填料床式气固两相反应流动数值仿真方法，包含以下步骤：

1)对气固两相流动分别建立气相算例和固相算例以用于分别求解气固两相流动，并分别设置好边界条件和初始化条件，将气相算例采用多孔介质模型对气相流动加以描述且新建额外变量以用于储存固相相关信息，将固相算例采用粘性流动模型对固相加以描述且新建额外变量以用于储存气相相关信息，并通过不断迭代更新气相算例中额外变量和固相算例中额外变量来实现气固耦合；

2)创建临时数据库，确保气相算例和固相算例在相同工作目录下，并在当前工作目录下额外创建单独文件夹以用于储存中间数据及耦合信息；

3)读取网格节点信息，通过访问内存获取计算过程中各参数信息，并视模拟对象选取需要进行数据耦合的变量，读取对应数据；

4)设置输出/输入文件格式，确定各变量数据存储精度及存储格式；

5)设置耦合频次，并确定气固两相数据交换频次，即多少迭代步数后输出或读入对应数据；