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LMFD:国产自主高性能格子多相流模拟软件

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LMFD(Lattice-based Multi-Fluids Dynamics)是面向多相流体系大规模数值模拟的科研和工程软件,由中国科学院过程工程研究所EMMS团队开发。该软件基于格子玻尔兹曼方法开发,结合自研的耦合算法和计算模块,能够处理包括单相流、气液两相、气固两相以及气液固三相等复杂多相流问题。同时软件设计了全过程GPU计算方案,具备天然的高并行优势,能够利用GPU计算资源实现大规模问题的高效计算。

LMFD软件界面

SIMPOP
LMFD软件特色            
             
全过程GPU计算方案              
软件采用了全流程GPU计算。以非解析颗粒的气固流动为例,对于流场、颗粒场以及流体与颗粒的相间耦合全部在GPU上高并行实现,无需CPU参与运算。所有求解模块均完全采用GPU并行计算,具有非常高的执行效率。            
         
         
流场:每个线程独立处理一个流体网格          

颗粒:每个线程独立处理一个颗粒
         

连续-离散信息映射:GPU端实现流体与颗粒耦合

             
面向不同应用的多相流求解模块              

颗粒解析直接数值模拟模块LBM—PR-DNS

LMFD软件针对气固问题,推出了面向基础研究的LBM-PR DNS模块,即颗粒解析的直接数值模拟,该求解器主要针对颗粒尺寸比网格尺度要大,且超过一个数量级的情况。

针对单个网格,该方法定义了固含率的概念,即颗粒体积占网格总体积的比重。同时对标准LBM方程添加额外的固体算子和权重函数实现对流场和颗粒的耦合。颗粒受流场的作用力直接累加动量交换获得。颗粒相采用离散元方法,基于牛顿第二定律更新每个颗粒的位置和速度。          
         

流体相 Immersed moving boundarymethod

         

颗粒相 Discrete element method

         

离散颗粒模拟模块LBM—DPS

LMFD软件针对气固两相流中颗粒数量庞大的问题,推出了面向工程应用的LBM-DPS模块,即离散颗粒模拟,其允许颗粒尺寸比流体网格小一个数量级。          

颗粒数量庞大且尺寸小于网格          

该模块下,整体的控制方程不变,但为了准确反应网格内颗粒群与流体网格的动量交换,模块重新构造了权重函数,如下式所示。

重构的固相权重函数:

同时,在该求解器框架下,支持在流场中浸没一个任意的复杂构型。复杂构型会转变成固含率的场,并由一个构型权重描述,两个权重相加即为最终的权重函数。

复杂模型及固含率分布场示例
         

跨颗粒尺度模块LBM—PR-DNS—DPS

针对跨尺度颗粒流动问题,软件包含了跨颗粒尺度颗粒流动模块LBM—PR-DNS—DPS,支持解析颗粒与非解析颗粒的混合求解。          

解析/非解析颗粒耦合
         

气液(液液)模块LBM—PF

针对气液问题,软件的LBM-PF模块基于LBM方法耦合相场法实现了大密度比气液两相流问题。通过在标准LBM基础上引入第二套分布函数描述相场,基于相分数区分两相的界面。通过CE展开,分布函数可还原成标准的NS方程和相场的AC方程。

         
大密度比气液问题模拟          

             
极高的计算效率              
以非解析方法计算12.8万个颗粒流化算例为例,与公开的记录对比。LMFD基于纯GPU的气固两相流算法,相比于CPU算法加速比达103,相较于CPU-GPU异构算法,加速比达6.98,具备极高的计算效率          
         

各模块计算用时对比

LMFD软件应用案例            
                   
化工流化床工艺参数优化                    
对化工流化床工艺参数进行优化,考虑颗粒的黏附性,以及内构件对颗粒流化的影响。      

                   
鼻腔吸入气溶胶颗粒物研究                    
基于LMFD软件,在生命健康领域,对鼻腔吸入气溶胶颗粒物进行了模拟研究。通过三维扫描了真实的人体鼻腔得到三维模型。LMFD软件的计算结果与传统CFD-DEM的结果非常接近,具备高精度的保障。          
         
         
                   
多孔介质微球截留纳米级颗粒                    
通过LMFD软件,对对流状态下多孔介质微球截留纳米颗粒的过程进行了模拟,很好的处理了非常复杂的物理模型。      
                   
叶片转捩流动及传热多物理场耦合计算                    
基于参数化方案,LMFD软件可以快速实现不同攻角下叶片的转捩流动及传热多物理场耦合计算,无需进行复杂的网格划分。对比了不同攻角下的升力系数,模拟结果与传统数值方法及实验测量值吻合较好。通过对不同雷诺数的模拟,发现随着雷诺数的增加,温度边界层逐渐收缩,叶片吸力面层流分离泡尺寸减小并向前缘移动。          
         
随Re增加温度边界层收缩,分离泡尺寸减小,并逐渐前移          

不同攻角下升力系数对比          
            
来源:多相流在线
多相流多孔介质离散元参数优化控制
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首次发布时间:2023-10-10
最近编辑:7月前
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