大规模颗粒模拟软件Barracuda

Barracuda Virtual Reactor 是一款专为工业规模流化床反应器（FBRs）及其他流体-颗粒系统的设计、问题解决和优化而开发的计算流体动力学（CFD）软件包。它采用易于使用的图形用户界面（GUI），并集成了来自美国华盛顿州贝尔维尤的Tecplot, Inc.的可视化软件，Virtual Reactor 协助工程师通过高效模拟非反应性和反应性流体-颗粒动力学，提升FBRs的可靠性、产能和盈利能力——从而通过改进设备性能、降低保修风险和返工、提高产量、减少运行成本以及延长运行时间来获得竞争优势。

Barracuda Virtual Reactor的功能包括：

1 高效建模颗粒-流体水动力学

Barracuda技术由一项最先进的专有数值方法驱动——三维多相颗粒-单元（ 3D Multiphase Particle-in-Cell，3D-MP-PIC）——用于包含紧密流体-颗粒耦合及热物理和反应化学详细考虑的CFD模拟流体-颗粒流动。此方法由CPFD软件公司开发，能够模拟含有任意数量的离散颗粒固体和任意粒度分布的流体-颗粒流动，帮助提供流化反应器内部的真实虚拟视角。其独特特点包括：

• 支持包含无限数量的流体材料、固体颗粒、颗粒种类、气/蒸汽泡以及泡种类的模拟，并且完全控制定义每种物种的全粒度分布（PSD）。

• 利用尖端GPU并行计算技术，配备专门设计以实现最大并行计算效率的数据结构和求解器，使得涉及工业规模颗粒数（10^15及以上）的模拟成为可能。对于工业规模的热力学和反应系统模拟，GPU并行计算可将模拟速度提高至多100倍，如图1.1所示。

关于图1.1及GPU并行计算的注释：

• Barracuda Virtual Reactor提供了多种产品选项：Basic版支持在CPU串行模式下运行求解器，Performance版支持单GPU加速，而Performance Plus版和Enterprise版则支持多GPU加速。
• 模拟速度会根据问题规模、模型设置和硬件规格的不同而变化。图1.1展示的是使用GPU加速时速度提升的一个特定示例。
• 在GPU并行模式下运行Virtual Reactor需要兼容的NVIDIA GPU硬件及购买GPU并行许可证。
• 多GPU加速仅在Linux上受支持。
• 强大且精密的自动时间步进控制有助于在更短时间内提供基于物理的瞬态模拟，无需深入理解复杂的求解器设置。Virtual Reactor比其他CFD代码更为稳健和稳定。

2 三维CAD导入与网格生成

支持行业标准STL文件格式，从广泛的CAD实体建模工具中导入三维几何，为当今多CAD环境提供高效的工作流程。利用CAD几何，内置的有限体积法（FVM）网格生成工具生成高质量网格，确保计算上的稳健和高效模拟。

• FVM还用于计算壁面，使挡板的解析和颗粒-壁面碰撞及侵蚀计算无需更细的子网格，从而节省了模型设置时间和计算运行时间。

3 流体与颗粒材料属性

Virtual Reactor求解器考虑所有材料属性以计算质量、动量和能量方程，例如分子量、粘度、温度依赖的热容表达式、生成热及导热系数。

• 内置了一个可定制的材料属性库，涵盖了广泛常用的气体、蒸气、液体和固体材料，有助于更快地建立复杂的流固流化模拟。用户也可以保存自己的专有材料属性数据库。

4 多组分颗粒及任意PSD的气泡

同时模拟从稀疏到密集的固体多组分颗粒体积分数的能力是Barracuda Virtual Reactor独有的。颗粒种类和尺寸分布的定义在颗粒中进一步讨论。不可压缩流模拟中可用由气/蒸汽材料组成的气泡。颗粒与气泡之间的区别在气泡中进行了说明。

颗粒可由多个固体成分组成，这使得研究工业感兴趣的颗粒反应成为可能，例如：

• 催化裂化催化剂颗粒在再生器中焦炭含量的变化
• 煤、生物质或其他有机材料的气化和燃烧
• 固体材料氧化/还原反应以捕获氧气
• 烟气净化中的CO2、SOx和NOx吸附

5 模型初始化及边界条件控制

成功模拟工业规模FBRs的关键方面之一是模型初始化及控制模型边界通量面上的压力和流量。Virtual Reactor提供了以下工具：

• 颗粒的注入与移除
• 规定静态和瞬态压力边界条件
• 在流动边界条件下规定任意流体和颗粒混合物
• 使用边界连接在边界间通信

6  流体相和固相中的化学反应

Barracuda Virtual Reactor的附加化学模块提供了多种方法，用于在模型中包含反应化学、相变或吸附处理。这些过程与许多反应器系统的流体力学和传热紧密相关，是完整流化床模型的重要组成部分。

• 化学模块提供了在颗粒级别模拟热化学反应动力学的能力——提供了更真实的模拟，其中包括发生在工业流体-颗粒系统中的化学反应。

7 模拟结果的可视化与分析

随Barracuda Virtual Reactor捆绑提供的Tecplot for Barracuda，提供了广泛的图表、图示和工具以创建图像和动画，帮助全面评估和分享模拟结果，并比较多个模拟的结果。

• 考虑表面侵蚀的影响，通过模拟固体颗粒冲击壁面和其他内部表面的效果，帮助延长关键系统组件的使用寿命。

注：以上内容取自Barracuda用户文档。软件安装可点击文末的阅读原文链接或参阅：https://www.topcfd.cn/38970/

”

（完）