颗粒流体两相流基本方程中压差力和曳力系数的计算

本文总结了颗粒流体两相流基本方程的压差力表达方式和推导颗粒流体系统曳力系数计算公式的力平衡原理，提出了一种分析压差力的简单方法，阐明了各种压差力表达方式间的关系及对应的两相流基本方程的曳力系数的计算方法     

离散模拟的粒子-边界作用模型

粒子-边界作用模型是粒子模拟中非常重要的一类边界条件,主要包括镜面反射、回弹反射和热边界等.本文详细介绍了这几类边界条件,重点分析讨论了几种模型中涉及的Maxwell分布和偏Maxwell分布以及它们在计算机模拟中的实现方式,并用硬球对流体做了模拟测试.模拟结果表明,对于热平衡状态下的流体,壁面反射粒子速度用Maxwell分布模拟的流体温度比边界要低,二维情况下只有壁面温度的约0.70,三维情况下则约为0.77.并且流体温度不是处处相等,靠近壁面处比其他地方要显得更低,而用偏Maxwell分布模拟的流体状态则与实际情形吻合的很好.     

多松弛时间格子Boltzmann方法在GPU上的实现

近年来,随着统一计算设备构架(CUDA)的出现,高端图形处理器(GPU)在图像处理、计算流体力学等科学计算领域的应用得到了快速发展.属于介观数值方法的格子Boltzmann方法(LBM)是1种新的计算流体力学(CFD)方法,具有算法简单、能处理复杂边界条件、压力能够直接求解等优势,在多相流、湍流、渗流等领域得到了广泛应用.LBM由于具有内在的并行性,特别适合在GPU上计算.采用多松弛时间模型(MRT)的LBM,受松弛因子的影响较小并且数值稳定性较好.本文实现了MRT-LBM在基于CUDA的GPU上的计算,并通过计算流体力学经典算例--二维方腔流来验证计算的正确性.在雷诺数Re=[10,104]之间,计算了多达26种雷诺数的算例,并将Re=102,4×102,103,2×103,5×103,7.5×103算例对应的主涡中心坐标与文献中结果进行了对比.计算结果与文献数值实验符合较好,从而验证了算法实现的正确性,并显示出MRT-LBM具有更优的数值稳定性.本文还分析了在GPU上MRT-LBM的计算性能并与CPU的计算进行了比较,结果表明,GPU可以极大地加快MRT-LBM的计算,NVIDIA Tesla C2050相对于单核Intel Xeon 5430 CPU的加速比约为60倍.     

非均匀分布颗粒群中的曳力分布

本文采用格子Boltzmann方法(LBM)在图形处理器(GPU)上计算了由静止圆柱阵列组成的团聚物周期单元内的不可压缩流体流动,流固交界面处采用直接反弹以实现无滑移边界,每个圆柱上的曳力通过统计动量交换直接求得。根据LBM求得的流体速度,对于团聚物中的单圆柱按能量最小多尺度(EMMS)模型计算平均曳力系数,并考察了将聚团近似为均匀悬浮的临界条件。对颗粒雷诺数Re_p在0～10之间的80种固相份额的模拟结果表明,密相空隙率可以表征这种临界条件。当固相份额恒定时,该临界空隙率随着Re_p的增加而降低;当Re_p恒定时,该临界空隙率随着固相份额的增加而降低。     

微型流化床内混合特性的数值模拟

微型流化床反应分析仪是中国科学院过程工程研究所研制的具有等温微分反应特性,且适合于气固反应分析的新仪器。细微样品与高温流化介质的瞬间混合是该仪器实现等温微分的必要条件。针对如何满足该要求,基于欧拉多流体模型对连接不同进样器的微型反应器本体进行了三维数值模拟,得到了不同喷口结构和位置下的流动图景及混合区浓度的相对标准偏差曲线,定量表征了各种进样器的混合质量。同时采用高速摄像手段获得了冷态实验中颗粒流动的快照,验证了模拟计算结果的可靠性。模拟结果对脉冲射流微量进样器结构的优化提出了如下建议:进样细管应避免采用弯角喷口,弯角结构会导致脉冲进样载流气喷出方向与流化气流相逆,使得细微颗粒试样堆积滞留,影响混合效果。     

粒子模拟中一种非结构化通用并行通信模式的研究和范型实现

中国科学院过程工程研究所多相反应实验室,建立了一个通用粒子模拟平台并已开始应用。目前类似的并行模拟系统采用的Shift并行通信模式往往有一些问题,需要一种新的通信模式来弥补它的不足。本文设计具有良好通用性的非结构化通信模式All2All,用来完成通用粒子方法模拟平台中计算节点问的通信。本文的算例证明这种通信模式可解决在粒子并行模拟Shift通信模式所不能处理的,具有复杂拓扑关系的相邻节点间的数据通信问题。本文设计的All2All通信模式方法只需稍加修改,就可以方便地应用于其它领域的并行计算系统。     

分子动力学模拟研究盐离子对十二烷基硫酸钠胶束溶液中亲水亲油协调机制的影响

The presence of salt has a profound effect on the size, shape and structure of sodium dodecyl sulfate (SDS) micelles. There have been a great number of experiments on SDS micelles in the presence and absence of salt to study this complex problem. Unfortunately, it is not clear yet how electrolyte ions influence the structure of micelles. By describing the compromise between dominant mechanisms, a simplified atomic model of SDS in presence of salt has been developed and the molecular dynamics (MD) simulations of two series of systems with different concentrations of salt and charges of ion have been performed. Polydispersity of micelle size is founded at relatively high concentration of SDS and low charge of cation. Although the counter-ion pairs with head groups are formed, the transition of micelle shape is not observed because the charge of cation is not enough to neutralize the polar of micelle surface.     

反应传递多尺度耦合的拟颗粒模拟

反应与传递过程的耦合是众多化工过程的重要特征之一。随着过程精准调控要求的不断提高和过程强化与微化工等领域的迅速发展,传统上宏观与微观分离的反应与传递描述方式遇到了诸多挑战。拟颗粒模拟耦合软球和硬球两类分子模拟方法的优势,显著简化了分子间作用模型,极大提高了计算效率,为描述宏微观之间的介尺度上反应与传递紧密耦合的复杂现象提供了一种有效手段。本文简要回顾该方法提出的背景,阐述其基本思想,并展示和分析其在气固多相吸附和催化、气液微流动等问题中的应用前景。     

粒子方法并行计算通用化的研究与应用

引言 近年来,粒子方法作为一种直观而普适的方法,在化工、材料、能源等领域得到了广泛的应用.微观的分子[1-3]、介观的聚合物[4]以及宏观的颗粒[5]等都可以看成是一种粒子,因此,粒子方法涵盖了科学研究中的多个尺度,被越来越多的研究者用于模拟各种复杂系统,如离散颗粒系统[6]、气固两相流[7]以及胶体、乳化液[4-8]等.     

颗粒混合过程DEM模拟中搜索网格尺寸的优化

随着计算机技术的迅猛发展,离散单元法(DEM)模拟已成为颗粒体系研究中普遍采用的方法。该方法一般采用网格划分技术来搜索邻近颗粒,以达到O(N)水平的计算复杂性。其中,网格的大小是影响模拟速度的重要因素。本研究对280 mm×1060 mm挡板式混合器中半径分别为R和r的2种颗粒物料的混合进行了模拟(运行在配置Intel(R)Xeon(R)E5430 2.66GHz处理器的工作站上),颗粒分别从混合器顶端两侧给入,汇聚成颗粒流,与挡板发生撞击并沿着挡板流动,从而达到混合的目的。研究分别考察了R=r=1 mm、R=r=2 mm、及R=2～3 mm而r=1～2 mm的3种条件和不同浓度颗粒在不同搜索网格尺寸下的运行速度。模拟结果发现,在当前的模拟体系下,单粒径颗粒及不同粒径颗粒的模拟速度由网格总数及网格内的颗粒数决定。在相同条件下,当搜索网格尺寸约为相应粒径的3倍时,计算速度较快;当颗粒的质量流量相同时,颗粒数密度与粒径的3次方成反比,因此对小颗粒的模拟计算耗时较多;另外,对颗粒质量流量在(1～10)t/h之间变化时的模拟结果表明,高流量会增加混合器中的物料浓度,从而导致模拟时间的增加。这些发现对提高颗粒物料混合的DEM模拟的效率有重要参考价值。