《氣固系統的底層建模-約簡及介尺度結構機理分析》是依託北京大學，由張平文擔任負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：氣固系統的底層建模-約簡及介尺度結構機理分析
- 項目負責人：張平文
- 依託單位：北京大學
- 項目類別：重大研究計畫
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
顆粒流體系統是自然界和工業過程中最普遍的一種現象。探索顆粒流體系統中介尺度行為的形成機理、定量描述和調控機制是過程工業發展的前沿。本項目以流化床反應器中氣固兩相流系統為主要研究對象，開展可計算建模包括底層建模、模型約簡，數值模擬和介尺度結構機理分析等方面研究。底層建模從分子動力學角度出發，使用動理學理論和擬顆粒模型分別構建氣固兩相Boltzmann方程組和擬顆粒氣固兩相Boltzmann方程組；模型約簡基於對實際問題的認識，使用全局雙曲正則化矩方法構造並導出包含實際問題相關的多尺度信息、能描述反應器層次介尺度行為的新型兩相流模型；針對各個層次模型特別是新型兩相流模型構造高效數值格式，使用高性能計算技術開展數值模擬研究；通過理論分析和數值模擬，研究並揭示反應器層次介尺度行為的結構及其表征、演化規律和穩定性條件，量化介尺度行為對傳質、傳能影響的規律，並進一步探討介尺度行為的調控方案。
結題摘要
顆粒流體系統是自然界和工業過程中最普遍的一種現象。探索顆粒流體系統中介尺度行為的形成機理、定量描述和調控機制是過程工業發展的前沿。本項目以流化床反應器中氣固兩相流系統為主要研究對象，開展可計算建模的研究，研究內容包括對反應器層次介尺度行為的結構及其表征、演化規律和穩定性條件的研究，以及從底層建模出發導出包含實際問題相關的多尺度信息、能描述反應器層次介尺度行為的新型兩相流模型的構建。項目執行期間，發展了顆粒流體系統的DNS方法，改進了浸入邊界方法，最佳化了CPU+GPU耦合的模擬算法，有效提高了顆粒流體系統直接模擬的精度以及大規模模擬的能力，為深入的機理研究奠定了基礎；藉助三維大規模DNS，提出了一個考慮稀、密兩相中顆粒動力學行為差異的顆粒脈動速度分布函式，揭示了在雙流體模型（TFM）中由細格線模擬得到粗格線本構關係的方法是不可行的；分析了EMMS模型多目標最佳化的非劣解，捕捉到系統中所有可能的流動結構；利用高精度 DNS和深度學習方法, 逐層機理性探索了構型對曳力的影響, 為提升曳力公式的準確度做好了準備；引入了DBSCAN方法，提出了顆粒-氣體兩相流系統中的團聚物識別方法，通過穩態下的團聚物的統計信息驗證了該方法魯棒性高和需要人為干預少的性質。對顆粒流系統在理論研究、計算模擬、數據方法、曳力模型及套用等方面取得的這些重要進展，為顆粒動理學的的機理研究奠定了基礎，對雙流體模型的改進有著重要的指導價值。
