Numerical study of convective heat transfer in static arrangements of particles with arbitrary shapes: A monolithic hybrid lattice Boltzmann-finite difference-phase field solver
Reza Namdar, Mohammadhassan Khodsiani, Hesameddin Safari, Tanya Neeraj, Seyed Ali Hosseini, Frank Beyrau, Benoît Fond, Dominique Thévenin, Fathollah Varnik*
Keywords: Lattice Boltzmann method; Finite difference scheme; Convective heat transfer; Diffuse interface; Thermal compressible flow
DOI: 10.1016/j.partic.2023.03.020
气固之间的传热及流动行为对工业热交换、冷却、燃烧、蒸发、混合和分离等过程有着非常重要的影响。本文提出一种集格子玻尔兹曼-有限差分-相场（LB-FD-PF）为一体的耦合方法，用于模拟填充床的流动与传热现象。该耦合方法的特点在于引入了相场法来处理不规则形状固体表面流动和热边界条件。相场法假定相之间的界面是扩散性的，界面能够通过相场参量的梯度进行识别，因此界面形态和界面能量等都能够基于梯度项进行定义，从而实现对任意形状界面任意点流动和传热等物理参数变化的捕捉。此外，相场法的使用还可以用来解决气固反应过程中固体区域动态变化的问题。同时，通过格子玻尔兹曼-相场法与有限差分法的耦合，可实现质量、动量和能量传输等一体化的多物理场模拟，具有一定的通用性、灵活性以及计算简便性。
作者利用LB-FD-PF耦合方法，研究了气体流动、热边界条件、孔隙率以及固体形状差异等对传热过程的影响，并通过考察气体在固体邻近区域的停留时间以及下游区域的速度和温度变化，进一步验证了结果的合理性。
本文提出的耦合方法不仅可用于研究复杂形状颗粒系统在变流量以及变热边界条件下的传热；同时，未来还可以用来深入研究更复杂的气固传热过程以及燃烧等问题。
本文发表在PARTICUOLOGY (Volume 85)，收录于专刊“1st International Workshop on Reactive Particle-Gas Systems- Special issue organized by the collaborative Research Centre BULK-REACTION”。客座编辑为波鸿鲁尔大学的Viktor Scherer、Francesca Di Mare教授，以及马格德堡大学的Dominiquen Thévenin、Evangelos Tsotsas教授。欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
文章信息
Namdar, R., Khodsiani, M., Safari, H., Neeraj, T., Hosseini, S. A., Beyrau, F., . . . Varnik, F. (2024). Numerical study of convective heat transfer in static arrangements of particles with arbitrary shapes: A monolithic hybrid lattice Boltzmann-finite difference-phase field solver. Particuology, 85, 186-197. https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.03.020.
学术审核：上海交通大学 陈锡忠