一种基于LBM的气液固三相流多尺度模拟方法

本篇论文介绍了一种使用格子玻耳兹曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）进行气液固三相流多尺度模拟的技术。LBM是一种在流体力学模拟中发展起来的数值方案，被认为介于分子动力学和宏观流体动力学求解Navier-Stokes方程的有限差分方法之间。LBM在多相流建模和模拟方面应用广泛，尤其在具有其独特优势的情况下。该方法已在多种物理系统的模拟中得到应用，包括多相流动。本文提出了基于LBM的气液固三相流的宏观尺度和介观尺度的模拟方法，并通过相间作用力（例如阻力、虚拟质量力和升力）实现了不同尺度间的耦合。这种多尺度模拟方法能够对多相流中的复杂规律和机理进行深入的研究和探讨。 格子玻耳兹曼方法是一种模拟流体运动的离散模型，它通过在格子上的玻耳兹曼传输方程的演化来获得宏观流体力学方程的解。与传统的基于宏观守恒方程的计算流体动力学（CFD）不同，LBM从微观的玻耳兹曼方程出发，构造了一个虚拟粒子动力学系统，通过对虚拟粒子在离散的格子上分布函数的演化来模拟宏观流体的物理行为。这种方法可以在计算上更高效，并且对复杂边界条件的处理具有先天优势。 在三相流中，LBM能够同时处理气、液、固三种不同的相态，从而模拟涉及这三种相态相互作用的物理现象。多尺度模拟在处理此类复杂系统时显得尤为必要，因为它能够捕捉从微观分子尺度到宏观流体尺度不同层级上的物理过程。在介观尺度上，LBM特别适用于模拟气泡和颗粒等较小尺度的物理行为。介观尺度模拟通常关注的是流体中一些较为细小的单元，如气泡和颗粒，在流体中运动的特性以及这些单元之间的相互作用。本文通过将LBM应用于介观尺度上的气泡动力学和颗粒动力学模拟，成功地描述了单个气泡和单个颗粒在流场中的运动行为，这展示了LBM在捕捉这一尺度上的物理现象的精确度和效率。 宏观数值模型则关注于整个系统的整体行为，不涉及局部细节。LBM基于双流体模型（two-fluid model）进行宏观尺度模拟，可以研究气体、液体和固体三相之间的相互作用以及相间的物质和能量交换。通过相间作用力，介观尺度的模拟结果可以耦合到宏观尺度模型中，从而构建了一个完整的多尺度模拟平台。这种方法的耦合为深入理解多相流的复杂行为和其内在机理提供了可能性。 多尺度模拟方法的提出，将有利于化工、石化、生物化工、食品化工、冶金、能源和环境工程等多个工业过程的研究与开发。考虑到我国石油资源重质化和相对丰富的煤炭与天然气资源，该技术在能源开采与加工领域具有潜在的应用价值和重要的实践意义。 这篇文章介绍的多尺度模拟方法不仅丰富了计算流体力学在三相流领域的研究，而且为未来在该领域进行深入研究提供了一个有力的工具。此外，该技术能够为工程师和科研人员提供有关多相流动行为的更细致、全面的视角，这对于设计、优化工艺流程以及提高生产效率和安全性具有非常重要的应用前景。