Coupled lattice Boltzmann method–discrete element method model for gas–liquid–solid interaction problems

格子Boltzmann方法 离散元法 机械 多孔介质 缩放比例 消散 材料科学 多相流 粒子(生态学) 多孔性 联轴节(管道) 圆柱 物理 几何学 热力学 地质学 复合材料 海洋学 冶金 数学
作者
Linlin Fei,Feifei Qin,Geng Wang,Jingwei Huang,Binghai Wen,Jianlin Zhao,Kai Luo,Dominique Derome,Jan Carmeliet
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:975 被引量:18
标识
DOI:10.1017/jfm.2023.822
摘要

In this paper, we propose a numerical model to simulate gas–liquid–solid interaction problems, coupling the lattice Boltzmann method and discrete element method (LBM–DEM). A cascaded LBM is used to simulate the liquid–gas flow field using a pseudopotential interaction model for describing the liquid–gas multiphase behaviour. A classical DEM resorting to fictitious overlaps between the particles is used to simulate the multiple-solid-particle system. A multiphase fluid–solid two-way coupling algorithm between LBM and DEM is constructed. The model is validated by four benchmarks: (i) single disc sedimentation, (ii) single floating particle on a liquid–gas interface, (iii) sinking of a horizontal cylinder and (iv) self-assembly of three particles on a liquid–gas interface. Our simulations agree well with the numerical results reported in the literature. Our proposed model is further applied to simulate droplet impact on deformable granular porous media at pore scale. The dynamic droplet spreading process, the deformation of the porous media (composed of up to 1277 solid particles) as well as the invasion of the liquid into the pores are well captured, within a wide range of impact Weber number. The droplet spreading dynamics on particles is analysed based on the energy budget, which reveals mechanisms at play, showing the evolution of particle energy, surface energy and viscous dissipation energy. A scaling relation based on the impact Weber number is proposed to describe the maximum spreading ratio.
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