确定性颗粒轨道模型在流化床模拟中的研究进展

随着计算机硬件的发展,基于颗粒尺度模拟稠密气固两相流的颗粒轨道模型发展很快.本文回顾了目前流化床模拟中确定性颗粒轨道模型的研究状况,概述了处理颗粒碰撞的硬球模型、软球模型以及DSMC方法在国内外流化床模拟中的研究成果,评述了颗粒间相互作用处理方法的优缺点以及适用的系统等,指出了确定性颗粒轨道模型发展亟待解决的问题,展望了确定性颗粒轨道模型未来的发展趋势.     

多尺度耦合方法及其在高聚物材料加工中的应用展望

跨长度和跨层次现象以及相应的多尺度耦合反映物质世界的基本性质及多学科交叉的内禀特征,具有极其丰富的科学内涵。在材料设计及加工成型过程的模拟仿真中采用多尺度耦合方法具有极为重要的理论和工程意义。本文介绍了材料科学中多尺度的时空性质,各个不同尺度上的相关研究方法和建立多尺度耦合模型的基本思想;指出高聚物成型加工中采用多尺度研究方法的研究前景,并简要介绍短纤维复合材料的注射成型填充过程中双尺度多耦合模型的建模过程。     

流态化模拟:基于介尺度结构的多尺度CFD

介尺度结构是研究气固流态化多尺度行为的关键。传统的基于平均化处理方式的双流体模拟不能准确描述流化床中的多尺度流动和传递行为。相较而言,基于能量最小多尺度(EMMS)方法的结构多流体模型(SFM)基于局部空间(网格)内的非均匀介尺度结构流动特征,其宏观预测结果与网格分辨率基本无关,因而可以大幅降低模拟计算量。基于SFM模拟得到的流动结构,EMMS多尺度传质模型进一步成功解释了传统传质文献中的数据差异。集成上述模型,形成了一整套模拟流化床流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算流体力学(CFD)方法,并将其应用于预测循环流化床中典型的S型轴向分布、揭示噎塞转变的机理以及流化床放大困难的原因。多尺度CFD使工业规模循环床的三维、全系统、动态流动-反应耦合过程的准确模拟成为可能,并为实现从模拟向实时虚拟过程转变的目标打下基础。     

气—固流化床颗粒的内循环流动

从多尺度范围考察了气－固流化床内尾涡颗粒流和乳化相颗粒流的运动规律，将分散的尾涡颗粒流和乳化相颗粒流连续介质化，从流变学角度定义了颗粒洗粘度，用流体力学方法建立了内循环流动结构的多尺度，连续介质流模型，较好地揭示了颗粒循环循环流动的规律。实验观测支持模型预测结果。     

MTP固定床反应器床层-颗粒双尺度耦合数学模型

针对甲醇制丙烯(MTP)体系反应快,内扩散影响显著的特点,考察了催化剂颗粒大小对反应的影响,提出了床层-颗粒双尺度耦合模型。模型同时考虑了床层及颗粒内的流动、热量和物质传递、以及化学反应在不同尺度上的物理化学过程,较好反映了整个反应器床层不同位置处催化剂粒径对反应结果的影响规律。模拟结果表明,反应器的进料端甲醇浓度高,反应速率快,适合选用小尺寸催化剂颗粒,以减少内扩散的限制;而在反应器床层的中后段,大颗粒催化剂对提高丙烯的选择性更有利。据此提出了MTP反应器不同尺寸颗粒的催化剂组合填充方式。     

气-固流化床中颗粒的内循环流动

从多尺度范围考察了气－固流化床内尾涡颗粒流和乳化相颗粒流的运动规律,将分散的尾涡颗粒流和乳化相颗粒流连续介质化,从流变学角度定义了颗粒流粘度,用流体力学方法建立了内循环流动结构的多尺度、连续介质流模型,较好地揭示了颗粒循环流动的规律。实验观测支持模型预测结果。     

纤维悬浮聚合物熔体中纤维影响的数值模拟

采用一种多尺度模型研究了纤维悬浮聚合物熔体的流动过程，通过宏观流体的流动状态、纤维所在尺度上的纤维取向表征和聚合物溶液大分子哑铃模型尺度上的哑铃概率分布三尺度信息，实现了纤维悬浮聚合物熔体流动控制方程和本构关系的三尺度共同表征。使用SIMPLER-FDMS算法对多尺度控制方程组进行了求解，并通过4∶1等温平板收缩流的数值模拟验证了该多尺度模型的有效性。通过对纤维浓度、纤维间相互作用以及纤维长径比的分析，研究了纤维参数对聚合物基熔体悬浮体系及纤维取向的影响。     

气固流化系统多尺度跨流域EMMS建模

气固流化床反应器是典型的具有多尺度非均匀动态结构的复杂系统。实现对该类反应器定量描述和定向调控的关键是深入了解系统内介尺度结构的形成和演化特征。能量最小多尺度（EMMS）方法为气固非均匀系统的量化表征提供了一种通用的建模思路。首先回顾了EMMS理论在构建曳力本构关系方面的应用,重点介绍了本课题组在EMMS曳力模型普适化方面所做的部分工作;随后对介尺度结构时空动态演化行为的群平衡建模方法进行了论述,并给出了群平衡和结构曳力模型相耦合的连续介质模拟框架;最后讨论了EMMS原理在预测反应器宏尺度动力学方面的应用,包括模型在不同流域的拓展、操作相图的绘制以及循环流化床的全回路稳态建模方法等。     

化工过程中的多尺度效应

以煤的清洁燃烧为例说明了多尺度效应是多数化工过程的内在特征，利用多尺度分析和能量最小化原理，建立了流化床反应器颗粒流体的分布数学模型，给出了模型求解过程，该模型可以解析求解，也可以数值求解。     

聚合物流动的多尺度模拟

基于聚合物分子运动论，提出了一种新的计算聚合物流体的多尺度方法。该方法在宏观尺度上应用无网格方法求解速度场，在微观尺度上应用随机模拟技术计算聚合物对应力的贡献，从而避免需要本构方程来封闭连续性方程和动量守恒方程。对Hooke哑铃模型、FENE哑铃模型、FENE-P哑铃模型，模拟了突然起动平面Couette流动;对Hooke哑铃模型，模拟了方腔驱动流动。从而验证了该方法的有效性和计算结果的可靠性。     

基于多尺度模型的MIP提升管反应历程数值模拟

MIP(maximizing iso-paraffins process)工艺采用两个反应器串联技术,可有效改善汽油质量。MIP反应器的冷态模拟虽能揭示反应器内的流动行为及几何结构的影响,但无法考虑反应引发的变化。为更准确地揭示该反应器中的油气及颗粒运动行为,尝试了三维瞬态反应模拟。模拟采用双流体模型结合十二集总反应动力学模型,并在相间动量传递模型和传热模型中考虑了多尺度结构的影响,然后与基于均匀分布的传统模型作对比。结果表明,相比于传统模型,多尺度模型能较准确预测二反段内的流动结构、颗粒浓度以及温度分布。在预测产率方面,两种模型所得结果类似,都对油浆和柴油的预测较好,对液化气和干气的预测偏差较大。这说明,仅在动量传递及传热模型中考虑多尺度结构的影响是不够的。     

气固颗粒系统模拟的研究进展

综述了气固颗粒系统模拟方法的发展状况。首先,从宏观、中观及直接数值模拟角度对基于欧拉-欧拉架构下的双流体模型、拉格朗日-欧拉架构下的离散气泡模型以及欧拉-拉格朗日架构下的计算流体力学和离散单元法耦合模型(CFD-DEM)及直接数值模拟方法就模型基本原理、计算量、预测精度以及应用前景等方面进行对比和分析。接着,针对工程应用前景较强的双流体模型和CFD-DEM模型进行了详细阐述,着重强调了欧拉架构下的模型植入过程,颗粒相的动力学过程和微观行为描述、两相耦合作用及相间耦合模型描述。基于欧拉-拉格朗日架构下的多相耦合模型的普适性,模型的应用已经从研究尺度的模拟逐渐走向工程尺度的模拟,成为今后研究多相颗粒系统的热点。     

磁场对湿颗粒流化床系统中介尺度结构影响机制研究

湿颗粒系统在自然界及工业过程非常普遍,例如喷雾造粒、反应器中矿物黏结、催化以及制药等,这其中含有大量典型介尺度结构如颗粒聚团、结块以及气泡等结构,这些结构的存在导致颗粒系统的流动及热质传递特性发生明显改变。针对鼓泡流化床湿颗粒系统中颗粒聚团以及气泡等介尺度结构,应用离散单元模型并引入外加磁场,研究磁场作用下湿颗粒系统中介尺度结构的演化机制,探究磁场力、液桥力、接触力对气泡演化过程的影响。研究发现,在不考虑磁场的条件下,颗粒易形成聚团并存在气泡边界不规则等现象,引入外加匀强磁场后,磁场力对鼓泡流化床内气泡结构存在破坏和抑制作用。     

颗粒流体两相流能量最小多尺度作用(EMMS)模型简介

颗粒流体两相流能量最小多尺度作用模型(EMMS模型)认为,不均匀两相流系统中存在多尺度的相互作用,通常的动量质量守恒条件并不足以确定系统的状态,稳定性条件是必要的。该模型实现了对不均匀两相流状态的定量描述和对聚式散式流态化系统的统一关联,并揭示了不均匀结构、饱和夹带、流型过渡等重要现象的机理。本文简述了该模型的基本思想和要点。     

气固循环流化床能量最小多尺度环核(EMMS/CA)模型

通过对核区和环区分别建立相应的流体速度表达式改进了能量最小多尺度 (EMMS)径向流动模型 ,使模拟计算结果更趋合理 .将EMMS模型和环核 (CA)模型结合起来 ,建立了能量最小多尺度环核 (EMMS/CA)模型 ,通过EMMS模型的解可以使求解困难的CA模型得到封闭解 .运用该模型可以计算气固循环流化床中空隙率、流体速度、颗粒速度、滑移速度等动力学参数的二维分布 .模型计算值与文献报道的实验值符合较好     

基于EMMS范式的离散模拟及其化工应用

化工过程通常涉及化学、化工、过程系统工程3个层次,而每个层次又包含微尺度、介尺度和宏尺度,如化工层次的颗粒、颗粒团和反应器尺度。每个层次中的微尺度单元都自然适用离散模型,即通过跟踪每个单元的运动获得整个体系演化的宏观规律。但由于单元数量巨大,工程模拟往往依赖经过统计平均的连续介质模型。由此带来的精度问题,特别是忽略了介尺度结构的问题,随着对化工过程效率和绿色度等要求的提高而日渐突出。介绍了通过问题、模型、软件和硬件结构的一致性提升离散模拟的精度、能力和效率的方法、进展及其在复杂分子体系、颗粒流、气固流态化等方面的应用,展示了通过离散模拟实现虚拟过程工程的可能性。     

气固垂直并流向上两相流流体动力学模型

运用能量最小多尺度 (EMMS)模型 ,推导出滑移速度及颗粒速度的径向分布 ,并进一步计算了径向空隙率、流体速度、团聚物直径、流体对颗粒的悬浮输送能量和颗粒的质量流率等相关的动力学参数 .模型计算结果反映了气固垂直两相流的径向不均匀性 (稀、密两相共存 )及环 /核结构的存在 .计算值与实验结果相吻合 .滑移速度的计算结果表明在核心区内也存在着团聚物 ,并不是呈现单一颗粒运动形态 ,这与实验现象一致 .该模型不仅克服了原有EMMS模型求解困难的问题 ,而且其计算不依赖于核心区半径等任何待定参数 ,只需物性参数、床层截面平均空隙率和操作参数即可 ,方便了实际应用 .     

基于介尺度稳定性条件的多相流曳力与群体平衡模型

介尺度结构和介尺度机制是化工、冶金、能源等过程工程中的重要科学问题。尽管多相流数理模型在过去的几十年中已取得长足进展，但仍存在准确性依赖可调参数、模型适用性有限、计算量大等问题，难以适应当前快速发展的新工艺和新过程开发的需求。实际上，基于平均化方法的多流体方程组需要若干子模型封闭，如相间作用力、聚并/破碎核函数以及湍流模型等；这些子模型决定了多流体模型的模拟准确性。从介科学角度发展介尺度物理模型为解决这些问题提供了新的思路。模型可以解析多相流非均匀结构演化的控制机制，进而改进或重构子模型。总结了基于介尺度稳定条件的两类介尺度封闭模型：一类用于封闭相间动量传递，如介尺度曳力；另一类用于封闭离散相特征参数的演化，如介尺度群体平衡模型，计算气泡或液滴尺寸。进而综述了这些模型在流化床、鼓泡塔、气升式环流反应器、搅拌槽、转定子乳化器等多相流设备中的应用，并展望了未来发展方向和关键科学问题。     

高温固体氧化物燃料电池多孔电极结构介尺度研究方法

高温固体氧化物燃料电池（SOFC）在可持续新能源领域具有广泛的研究与应用前景，多孔电极结构的本质特征是介尺度，这种特性对电极内物质传输和电池性能起着决定性作用。本文综述了应用于多孔电极结构的微尺度和介尺度的数值、物理研究方法以及介尺度耦合其他尺度的多尺度方法，分别讨论了各方法适用的研究内容、研究进展及其优缺点。通过分析得出，微尺度方法可精确模拟SOFC电极材料的微观特性，介尺度方法可重构复杂的电极微观结构、模拟三相反应，同时是研究电极微观结构和宏观模拟之间的重要桥梁，因此，介尺度与其他尺度方法的耦合可以较好地解决微观结构和多物理场耦合下的相互作用。在未来的研究中，降低介尺度及其耦合的多尺度方法的计算成本、发展先进的实验设备和可视化技术具有重要的研究潜力与价值。     

基于颗粒尺度的离散颗粒传热模型

颗粒间传热在诸多工业过程中有着十分重要的作用。详细考虑颗粒间传热机理,对颗粒间各传热途径建模,包括颗粒内部导热、颗粒粗糙表面传热、颗粒表面气膜及接触颗粒间隙气膜传热,并与离散颗粒模型(DEM)耦合,建立颗粒尺度下离散颗粒传热模型。以固定床为对象,考察颗粒粒径、颗粒比热容、颗粒热导率及压缩负载对固定床有效传热系数的影响,并将本文计算值和文献的实验值及模型预测值对比,结果表明,该模型可定量预测固定床有效传热系数。本文建立的离散颗粒传热模型为合理预测颗粒体系内的传热提供了一种有效方法。