Численное моделирование течения жидкости в зернистых слоях: исследование методов обработки контактных точек

В работе представлен всесторонний вычислительный анализ влияния методов обработки контактных точек между частицами на прогнозирование перепада давления при течении жидкости через фиксированные зернистые слои. С использованием уравнений Навье–Стокса с усреднением по Рейнольдсу (RANS) систематически оценивалось влияние изменения диаметра частиц (±0,02% до ±10%) на характеристики потока, качество сетки и числовую точность. Сравнение методов зазора и перекрытия для зернистого слоя, заполненного сферическими частицами диаметра Dp, показывает, что незначительные геометрические модификации (до 1% масштабирования) существенно изменяют перепад давления в слое, при этом оптимальная достоверность достигается при небольшом перекрытии (ΔDp ≈ 0,5%). Оценивались две модели турбулентности (k-ω Shear Stress Transport (SST) и k-kl-ω), что выявило зависимую от модели чувствительность к обработке контактов: модель k-kl-ω лучше проявляет себя при малых зазорах (−0,2% ≤ ΔDp ≤ 0%), тогда как SST показывает лучшие результаты при больших перекрытиях (+0,2% ≤ ΔDp ≤ +2%). Квадратный домен длиной 260 мм с поперечным сечением 20 × 20 мм был упакован сферическими частицами в 2 × 2 слоя. Размер частиц варьировал от 9,9 до 10,1 мм. Расчетная скорость на входе составляла от 3,7 до 9,5 м/с. Валидация по экспериментальным данным показывает среднюю абсолютную ошибку <4,5% для прогнозов перепада давления. Результаты дают количественные рекомендации по выбору методов обработки контактных точек в вычислительной гидродинамике, уравновешивая точность и вычислительную применимость. Работа продвигает моделирование зернистых слоев, связывая микромасштабные геометрические поправки с макроскопическими предсказаниями потока и предлагая практические выводы для проектирования и оптимизации реакторов. Основные выводы: оптимальное перекрытие +0,5% минимизирует ошибку перепада давления (<6% MAE); выбор модели турбулентности критичен (k-kl-ω для зазоров, SST для перекрытий); качество сетки ухудшается вблизи контактных точек (−2% ≤ ΔDp ≤ +2%); перекрытия превосходят зазоры по устойчивости потока (ΔDp ≤ +1%); количественно определено влияние ΔDp на поведение зернистого слоя.