Solute transport in fluid-particle systems is a fundamental process in numerous scientific and engineering disciplines. The simulation of it necessitates the consideration of solid particles with intricate shapes and sizes. To address this challenge, this study proposes the Random-Walk Metaball-Imaging Discrete Element Lattice Boltzmann Method (RW-MI-DELBM). In this model, we reconstruct particle geometries with the Metaball-Imaging algorithm, capture the particle behavior using the Discrete Element Method (DEM), simulate fluid behavior by the Lattice Boltzmann Method (LBM), and represent solute behavior through the Random Walk Method (RWM). Through the integration of these techniques with specially designed boundary conditions, we achieve to simulate the solute transport in fluid-particle systems comprising complex particle morphologies. Thorough validations, including analytical soluutions and experiments, are performed to assess the robustness and accuracy of this framework. The results demonstrate that the proposed framework can accurately capture the complex dynamics of solute transport under strict mass conservation. In particular, an investigation is carried out to assess the influence of particle morphologies on solute transport in a 3D oscillator, with a focus on identifying correlations between shape features and dispersion coefficients. Notably, all selected shape features exhibited strong correlations with the dispersion coefficient, indicating the significant influence of particle shapes on transport phenomena. However, due to the complexity of the relationship and the limited number of simulations, no clear patterns could be observed. Further comprehensive analyses incorporating a broader range of shape features and varying conditions are necessary to fully comprehend their collective influence on the dispersion coefficient.


翻译:流体-粒子系统中的溶质输运是众多科学与工程学科中的基本过程。其模拟需考虑具有复杂形状和尺寸的固体颗粒。为应对这一挑战,本研究提出了随机行走-元球成像离散元格子玻尔兹曼方法(RW-MI-DELBM)。在该模型中,我们通过元球成像算法重建颗粒几何构型,采用离散元方法(DEM)捕捉颗粒行为,利用格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟流体行为,并通过随机行走方法(RWM)表征溶质行为。通过将这些技术与专门设计的边界条件相结合,我们实现了对包含复杂颗粒形态的流体-粒子系统中溶质输运的模拟。通过包括解析解和实验在内的严格验证,评估了该框架的鲁棒性和准确性。结果表明,所提框架能够精确捕捉严格质量守恒下溶质输运的复杂动力学特性。特别地,我们对三维振荡器中颗粒形态对溶质输运的影响进行了研究,重点关注形状特征与弥散系数之间的相关性。值得注意的是,所有选定的形状特征均与弥散系数呈现强相关性,表明颗粒形状对输运现象具有显著影响。然而,由于关系的复杂性及仿真数量的有限性,未能观察到清晰的规律模式。需开展更全面的分析,纳入更广泛的形状特征及变化条件,以充分理解它们对弥散系数的综合影响。

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