气固系统的底层建模-约简及介尺度结构机理分析

The particle fluid system is a popular phenomenon in nature and process industry. It is the academic front of the development of process industries, to study the multi-phase reaction processes---the core issue of process industries, and to investigate the formation mechanism, quantitative description and regulatory mechanism of the mesoscale behaviors in these processes. This proposal takes the gas-solid two-phase system in the fluidized bed reactor as the research object, and does research in computable modeling including bottom modeling and model reduction, numerical simulation and mechanism analysis of mesoscale structures. Bottom modeling is based on the molecular dynamics, and using the kinetic theory and pseudo-particle model, to construct the gas-solid two-phase Boltzmann equations and pseudo-particle gas-solid two-phase Boltzmann equations, respectively. Model reduction is based on the knowledge of the practical problem, and using the globally hyperbolic regularized moment method, to build a new two-phase model, which contains the key information of the practical problems, the multi-scale information, and is able to describe the reactor level’s mesocale behaviors. We plan to design efficient numerical schemes for different models especially the new two-phase model, using the high performance computing technology, to do numerical simulation. By theoretical analysis and numerical simulation, we will study and reveal the structure and its characterization, evolution rule and stability conditions of the reactor level’s mesoscale behaviors, and quantify the law of the influence of the mesoscale behaviors on the transformation of mass and energy, and furthermore explore the regulatory mechanism of the mesoscale behaviors.

颗粒流体系统是自然界和工业过程中最普遍的一种现象。探索颗粒流体系统中介尺度行为的形成机理、定量描述和调控机制是过程工业发展的前沿。本项目以流化床反应器中气固两相流系统为主要研究对象，开展可计算建模包括底层建模、模型约简，数值模拟和介尺度结构机理分析等方面研究。底层建模从分子动力学角度出发，使用动理学理论和拟颗粒模型分别构建气固两相Boltzmann方程组和拟颗粒气固两相Boltzmann方程组；模型约简基于对实际问题的认识，使用全局双曲正则化矩方法构造并导出包含实际问题相关的多尺度信息、能描述反应器层次介尺度行为的新型两相流模型；针对各个层次模型特别是新型两相流模型构造高效数值格式，使用高性能计算技术开展数值模拟研究；通过理论分析和数值模拟，研究并揭示反应器层次介尺度行为的结构及其表征、演化规律和稳定性条件，量化介尺度行为对传质、传能影响的规律，并进一步探讨介尺度行为的调控方案。

颗粒流体系统是自然界和工业过程中最普遍的一种现象。探索颗粒流体系统中介尺度行为的形成机理、定量描述和调控机制是过程工业发展的前沿。本项目以流化床反应器中气固两相流系统为主要研究对象，开展可计算建模的研究，研究内容包括对反应器层次介尺度行为的结构及其表征、演化规律和稳定性条件的研究，以及从底层建模出发导出包含实际问题相关的多尺度信息、能描述反应器层次介尺度行为的新型两相流模型的构建。项目执行期间，发展了颗粒流体系统的DNS方法，改进了浸入边界方法，优化了CPU+GPU耦合的模拟算法，有效提高了颗粒流体系统直接模拟的精度以及大规模模拟的能力，为深入的机理研究奠定了基础；借助三维大规模DNS，提出了一个考虑稀、密两相中颗粒动力学行为差异的颗粒脉动速度分布函数，揭示了在双流体模型（TFM））中由细网格模拟得到粗网格本构关系的方法是不可行的；分析了EMMS模型多目标优化的非劣解，捕捉到系统中所有可能的流动结构；利用高精度 DNS和深度学习方法, 逐层机理性探索了构型对曳力的影响, 为提升曳力公式的准确度做好了准备；引入了DBSCAN方法，提出了颗粒-气体两相流系统中的团聚物识别方法，通过稳态下的团聚物的统计信息验证了该方法鲁棒性高和需要人为干预少的性质。对颗粒流系统在理论研究、计算模拟、数据方法、曳力模型及应用等方面取得的这些重要进展，为颗粒动理学的的机理研究奠定了基础，对双流体模型的改进有着重要的指导价值。

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