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多尺度传递过程研究进展
存档日期:
存档编号
北京化工大学
研究生课程论文
课程名称:
计算流体力学与传热
课程代号:
ChE515
任课教师:
张建文
完成日期:
2012年12月20日
专业:
化学工程
学号:
姓名:
成绩:
多尺度传递过程研究进展
摘要:
本文介绍了化工中多尺度的研究方法以及传递研究的新进展。
着重介绍了现代化工多
尺度传递过程研究的三种新方法:
平均方法、直接模拟法以及耦合方法,并与传统的研究思路做比较。
最后提出了多尺度传递过程研究中出现的问题并对多尺度传递过程研究提出展望。
关键词:
多尺度传递过程
AdvancesinMultiscaleTransportProcess
Abstract:
Thisarticledescribesamultiscalechemicalmethodandthenewadvanceoftransportprocess.Mainlyintroducethreemodernchemicalmultiscalemethodsintransportprocessstudy:
averagemethod,thedirectsimulationmethod,andcouplingmethod.Finallythispaperputsforwardamultiscaletransferprocessandresearchproblemsandtoproposetheprospectofthestudyonmultiscaletransferprocess.Keywords:
multiscale,transportprocess
一、引言
1.1化工中的多尺度问题
多尺度的术语现在被广泛地使用,例如Villemaux提出计算化学工程的多尺度应用,Lerou和Ng的文章《化学反应工程,研究多目标任务的多尺度方法》等,但不同学者所认的“尺度”的含义可能并不相同。
对于从事化学和化工的人来说,传统上最重视的是结构、性能和制备的关系。
因此,我们最关注的应是结构的尺度,或具有一定有序结构的单元的尺度。
有序结构具有多层次,可按尺度大致区分为以下几种[1]:
(1)微观结构(前纳米):
例如分子结构、晶胞结构。
如维生素C的分子结构等。
(2)微观结构(近纳米):
例如均匀流体的近程有序、界面层的非均匀结构。
分子的尺度大多小于1nm从分子到各项同性的均匀流体似乎从前纳米直接跨越到宏观尺度。
流体是近程有序的,围绕每一个分子,在约3~5个分子的距离内,有一个密度周期起伏并逐渐衰减的有序结构,这种结构决定了整个流体的性质。
(3)介观结构(纳米-微米)这是一类在微观与宏观之间跨越纳米到微米广阔尺度范围的结构。
例如胶束、微乳液、囊泡、液晶、多孔颗粒等。
在材料和生命领域中起着重要的作用。
(4)宏观结构:
即各种反应器及各种化工设备或其中流体的流动状态。
例如化学振荡、滴流床中的流速分布、循环流化床的床层等。
系统的特性归根结底是由它的不同尺度的结构所决定的。
而所谓的多尺度研究,则是要从更低的尺度层次的规律或性质,来预测所研究尺度层次的规律或性质。
进行研究时的理论方法,试验方法和计算机模拟方法已逐步形成三足鼎立之势[2]。
1.2化学工程的发展趋势-认识时空多尺度结构及其效应化学反应工程中的物质转化多数属复杂系统物质转化过程向产业化的过渡十分艰难,是制约我国化学工程乃至经济发展的瓶颈问题之一。
对物质转化过程的深入认识,特别是对其中时空多尺度结构的形成和变化规律的认识,是解决这一“瓶颈”的关键。
以前对问题的认识多属于对宏观现象的认识,而对其动态的随时空变化的多尺度结构的特征的认识是不深入的,具体的科学问题主要有:
微尺度的构象和界面现象,颗粒尺度的形状效应,聚团尺度不同物相的自组织,设备尺度物料、温度、压力和流速分布,以及这些不同尺度结构之间的相互作用规律和耦合等,由于目前对上述科学问题的认识与研究尚未达到深入的程度,因而,人们仍难以解决化工生产中如定量设计、放大以及调控和优化等实际问题[3]。
传统的化学工程理论和方法难以从深层次解决这些问题。
必须摆脱传统的只从宏观现象认识问题的研究思路,从复杂体系的不同层次上深入研究这种时空多尺度的结构特征,进而研究其对物质传递、反应、分离及其对产品结构与性能的影响,并从中归纳时空多尺度结构形成的机制、稳定性和突变等共性规律,尽力分析、计算和测量时空多尺度结构及不同尺度结构之间相互作用规律的方法和理论。
重点突破相邻尺度现象之间和跨尺度作用的关联,各种多尺度结构的定量预测以及这些方法在实际过程如过程强化、微化工系统、过程耦合和过程放大中的验证和应用。
通过计算和预测化工过程中时空多尺度结构以及研究相邻尺之间的内在联系及基本规律,定量设计和放大才能顺利进行,才能加快使实验室成果实现产业化的进程。
时空多尺度结构是指物质转化过程中浓度、压力、温度、流速等的非均匀分布,表现在时间上动态变化,空间上各点均存在差异,由此产生的效应是指这种结构的变化对过程反应、传递,进而对产品结构及性能产生的影响,其对转化过程起着主要的控制作用。
为保证系统内部物质转化条件满足工艺的要求,对化工过程的控制只能在系统或设备尺度进行,这些调控措施,通过对各种尺度的现象发生作用,最终对微观尺度的化学反应条件发生影响[4]。
1.3研究不同尺度结构的重要性对不同尺度结构的认识很可能成为21世纪化学工程的发展前沿,而预测相邻尺度结构之间的关系更是难点所在。
任一微尺度的物质转化只有大规模进行才能工业化;另一方面,实现微观尺度上的物质转化条件只能通过设备尺度的调控才能实现。
为适用化学工程发展的新要求,研究方法和手段也将出现新的变化,以满足建立钠、微尺度分子结构与设备尺度的过程之间关系的需要。
这些变化主要包括:
不同尺度的模拟方法(如分子尺度的计算化学、介观尺度的结构模拟和计算流体力学、设备尺度的动态过程模拟等);无接触式测量技术和高性能计算能力等。
二、传递过程的研究
20世纪50年代以后,随着单元操作研究的不断深入,人们发现若干单元操作之间存在共性。
例如:
过滤是了流体流动的一种特殊情况;蒸发是一种热量传递过程;吸收或萃取都遵循质量传递原理,由此可知,对于单元操作原理的深入研究,最终都可以归结于对于动量传递、热量传递、质量传递的研究。
化学工程学科研究的两个基本问题:
以为过程的平衡、限度;二为过程的速率以及实现过程所需要的设备。
过程的平衡、限度问题属于化工热力学的范畴;而过程的速率问题包括化学反应过程的速率和物理过程的速率。
化学反应过程的速率及实现过程的设备是化学反应动力学和化学反应工程研究的内容。
化工传递过程侧重于物理过程的速率及传递机理的探讨,而单元操作则注重解决过程的设备及工程方面的问题。
传递过程规律的研究,常采用衡算的方法,即依据质量守衡、能量守衡(热力学第一定律)和动量守衡(牛顿第二运动定律)原理,在运动的流体中选择一特定的空间范围进行质量、能量和动量衡算,导出有关的衡算方程来解决传递过程规律问题[5][6]。
三、多尺度传递过程研究
3.1传统的传递过程研究
传统的传递过程研究主要是通过实验来进行。
如《鼓泡塔内热质同时传递过程研究》⑺这篇文献所示,通过实验来进行研究。
实验流程图如下所示:
L感汽铜炉:
等壷汽储峨;州门:
皿泡塔:
玮it计;
模块:
7■计算机:
辭液谊计:
3K泉;I®水權
图1協水塔实验流程图
F苔1I1Iv-sllL\rlufvrlti1
实验所用主要设备包括电蒸锅炉,鼓泡塔(塔内设有液体分布器及气体分布器),塔轴中心处设有若干热电偶测温点,ADAM数据采集模块和MCGS组态软件组成,每个测温点采样频率12Hz实现计算机多通道同步实时采样。
该篇论文对鼓泡塔内热质传递平衡时的塔内温度分布用实验数据进行分析,再将进出物料状态输入
到填料塔数学模型的计算程序中,得到相同工艺条件下填料塔内的温度分布,比较二者的温度分布图形,以分析它们在热质传递过程中的效率问题。
又如《旋转填充床的流体力学特性与传递过程的理论研究进展》⑹这篇文献,使
用高速频闪照相的方法和微型摄像机分别研究液体在填料中的流动形态来得到流体传递过程的信息。
从以上两个例子可以看出,传统的传递过程研究思路即通过宏观尺度上的实验手段来得到相应的实验数据,进而拟合或回归出模型参数或者开发新模型。
即传统的研究手段是基于宏观尺度实验上的。
但是,由于过尺度和介尺度问题的复杂性,要对这些问题直接或单独从理论分析上获得进展是非常困难的,而目前的实验手
段也很难对系统中不同尺度的动态行为同时进行实时和无干扰的侧量,从而难以获得对介尺度结构动态形成过程的全面直观的认识,更难以定量分析和描述其形成的破碎机理。
如对颗粒与流体组成的多相流动系统,目前可以用数字高速摄影、正电子放射跟踪探测以及核磁共振等方法跟踪单个颗粒的运动轨迹,也可以用激光或相位多普勒测速埘技术对多相流体系中某一点的流固两相的微观流动特征进行测量还可以用射线层析成像叫和粒子图像测速等方法测定其二维或准三维界面上的动态浓度场或流场变化,但要同时获得大量颗粒或颗粒聚团的动态变化及其周围流体的详细运动信息目前还无法做到,或者成本将会极其昂贵[9]。
3.2现代多尺度传递过程研究新进展近年来,随着计算机技术的飞速发展和计算方法的不断完善,数值模拟方法已成为主要的研究手段之一,并且还在迅速发展中[10]。
它实际上是利用已知的基本理论和实验数据在计算机上进行的虚拟实验。
与真实的实验相比,它具有方便灵活、无干扰、信息详尽等优点。
特别是在模拟中可以采用真实环境中无法实现的条件和简化来研究不同因素对系统的影响,从而更深入地了解系统的行为。
值得注意的是,计算机模拟作为对现实过程的虚拟复现,模拟对象的结构和行为与模拟软硬件本身的结构和运算方式的一致性应该是保证模拟效率与精度的一种可行途径。
按照这个思路,既然多尺度结构是包括化工过程在内的大量自然与工业过程的共同特征,多尺度方法也应该是模拟这些过程的合理手段,而相应的计算软硬件也应该具有多尺度的体系结构。
从效率和实用性考虑,希望这种计算模式能够描述尽可能多的实际系统和过程,又保持显著的特征以便对计算硬件作高效的专门设计,从而有效调和效率与通用性间的矛盾。
由此可以建立一种高效、准确的多尺度计算模式。
对于化工过程中广泛应用的颗粒流体系统,采用多尺度计算模式和此类计算系统已能实现从反应器的整个回路到单颗粒周围详细流场的无缝耦合计算。
如下图所示,采用EMMS模型在顶层节点生成反应器内流场整体分布函数的主要参数后,通过大量GPU的并行处理即获得每个计算微元上接近稳态平均的初始值,整个过程可控制在数秒之内。
然后对应其中的局部区段,采用计算流体力学(CFD与
EMMS模型耦合的方法在中层和底层节点上能迅速获得精细的介尺度动态结构,其中二维模拟已能达到准实时(计算与实际过程的演化速度在同一量级),并且同步地在显示阵列上可视化。
而要进一步关心每个颗粒周围的流动和传递状况时,底层节点的大规模并行计算能完全达到CFD计算的网格尺度,从而可以为其提供
本构关系。
这种能力将为石油催化裂化等工艺的大型化提供非常及时、有效的模
拟手段,显著缩短其研发近程[11]。
图5气因两相流动的多尺度计算
目前,对于多尺度传递过程的研究主要处理方法有一下几种[12]:
(1)平均方法:
在一定尺度上对底层的流动行为作统计平均,力图在宏观参量间建立封闭的模型。
这是当前模拟工业尺度设备主要的甚至是唯一的方法。
比较典型的是湍流的雷诺
平均方法(ReynoldsAveragedNavier-StokesRANS和多相流中的双流体或多流体模型。
如在颗粒一流体(如气固、液固)系统中流体和颗粒被看成是互相渗透、共同占据同一计算区域的连续介质。
它们有各自的运动控制方程,其中对流体相的处理与单相湍流类似,颗粒相的本构关系一般参考稠密气体的动理学建立并考虑颗粒间非弹性碰撞和流体粘性引起的颗粒能量耗散,而两相间相互作用的描述则
依赖经验公式。
在颗粒直径相差很大时,也可以将不同粒径范围的颗粒视为不同的相,但这样做模型会相当复杂。
多相流体系统(气液、液液)也有类似的双流体模型对离散相进行平均化处理。
但与颗粒流体系统相比,离散相的形态的变化更加显著(如变形、合并与破碎等)并
对相间的相互作用有很大的影响。
对此最常用的是所谓群平衡(PopulationBalanee)方法。
它将离散相的形态用一定的尺寸分布来表示,通过定义不同尺寸的离散单元(气泡或液滴)之间的相互转化关系,建立描述离散相形态变化的动力学方程。
例如,在气液泡状流中,液相的湍流是成气泡破碎和聚并的主要因素,因此通过定义气泡和涡的作用模式,可以得到相应的破碎聚合速率表达式。
(2)直接模拟方法:
显然为了准确模拟复杂流动的宏观行为,必须从更小的尺度上人手。
这既是建立模型本构关系的需要,更是探索系统本质机理的需要。
传统的直接数值模拟
(Directnumericalsimulations,DNS是采用有限差分或有限元等数值方法直接求解Navier—Stokes方程,它在单相湍流中已较多应用[Moin,1998]。
但是对于多相流体系还如何处理其中大量的运动界面(如颗粒和气泡的表面)的问题。
我们可采用完全贴体的非结构化网格,如任意拉格朗日-欧拉(ArbitraryLargrangian-Eu—
lerian)有限元方法[Hu,1996],其网格需随颗粒的运动而不断重新生成;也可以采用结构化网格加界面上的特殊节点的方式,这包括数值扩散界面、物理扩散界面、自由界面等几种类型。
计算机速度的飞速提高已使采用分子动力学方法[Alder&Wainwright,1957]模拟简单流体成为可能[Rapaport,1987],也引发了许多采用简化的微观模型模拟更复杂流动的努力。
如直接模拟蒙特卡洛(DSMC方法[Oranetal,1998]已在稀薄气体和微流动的模拟中得到应用。
而在格子气自动机(LGA[Boon,1991])和格子波尔兹曼(LatticeBohzmann方法[Chen&Doolen,1998]在多孔介质流[Tang2005和颗粒悬浮[Ladd,2001]等低雷诺数流动中的应用也日益广泛。
而耗散粒子动力学(Dissipativeparticledynamics,DPD[Hoogerbrugge&Koelman1992]和流体粒子模型(Fluidparticlemodel,FPM[Espano,l1998]),在聚合物、胶体和生物流动等涉及复杂流体的领域成为新兴的模拟方法。
这方面我们也针对颗粒流体系统提出了一种结合直接模拟蒙特卡洛和分子动力学模拟的粒子方法一拟颗粒模拟[Ge&Li,1996,2003]。
而对于颗粒流,离散单元法(DistinctElementModel,DEM[Cundall&Strack1979]是目前主流的直接模拟方法。
(3)耦合方法通过上述两类方法的某种耦合还可以衍生出很多实用的模拟方法,如对颗粒流体系统采用的颗粒轨道模型[Tsujieta1.,1993]就可以作双流体模型与离散单元法的结合。
而对湍流的大涡模拟[Lesieur&Metais,1996]也可以看作是雷诺平均方法与直接数值模拟的一种折中。
再如分子动力学模拟与有限元计算相结合描述材料中裂纹的发展[Curtin&Miller,2003]和微流动过程[Garciaeta1.,1999]。
实际上按照文献[Kwuak,2003]中提出的划分,所谓描述型(在同一模拟的不同时空区域采
用不同尺度的描述)和关联型(由小尺度模拟为上一尺度的模拟提供本构关系)的
多尺度方法目前大多是通过这种方式实现的。
四、多尺度传递过程研究发展的前沿
由于计算量的限制,目前单尺度平均方法还是工业规模的设备与过程模拟的主要手段[13]。
但是这种平均严格地说需要在微观足够大和宏观足够小的尺度上进行。
原则上状态参数在微元内应该接近均匀,而在微元间是缓变的,这时它们适用于从近平衡系统获得的简单本构式,如牛顿内摩擦定律,从而可以通过数值手段预测系统的时空变化(能解析求解的情况极少)。
但从过程放大考虑,由于系统的复杂性及由此产生的多尺度结构,真正能满足这种要求的微元尺度与系统尺度相比往往过于微小,同时结构的界面大多具有明显的间断性以及分裂、合并等复杂的行为。
因此无论从数值方法还是计算量上说,严格计算几乎是不可能的,甚至如此精确的边界和初值条件也无法给定。
同时对小型化来说,特别是在新兴的微化工、生物化工和纳米技术领域,研究对象的整体就处在宏观向微观过渡的介观尺度上,而其复杂性还可能因为过程的强化而变得显著。
这时甚至连符合条件的微元都难以找到了。
另一方面,微观的离散方法,如量子力学,分子动力学模拟等即使对小型化来讲也是不现实的[14]。
对此,我们认为极值型多尺度方法与离散化模拟的结合可能是解决上述核心问题的一条有效途径。
我们所称的极值型多尺度方法[Li&Kwauk2003]的基本思想是:
物理上,复杂系统中存在的同控制机制间的相互协调导致了跨尺度关联,并形成了多尺度结构;数学上不同的控制机制可分别被表达为一种极值趋势(如流态化
系统中流体的运动趋势是以最小的阻力通过颗粒层,故有悬浮和输送单位体积固体颗粒的能耗最小的趋势;而颗粒的运动趋势是维持最小的重力势能,故有局部平均空隙率趋于最小,各种控制机制间的协调可表达为这些极值趋势互取条件极值。
这可导致稳定性条件的产生,如在流态化系统中表达为单位质量颗粒的悬浮输送能耗最小,从而把不同尺度的变量关联起来,并与动力学约束一起构成封闭的描述多尺度结构的模型。
80年代建立的气固两相流能量最小多尺度(EMMS模型[Li&Kwauk,1994]正是体现这一思路的典型实例,目前对单相湍流[Lietai.1999]和气液系统[Liu&Li,2001]中也找到了类似的模型。
目前我们了极值型多尺度方法(EMMS模型)与连续介质方法(双流体模型)之间的紧密结合[Yangeta1.2004。
与均匀的悬浮相比,颗粒流体系统中颗粒的团聚导致
相问曳力的显著下降。
双流体模型因为忽略了微元尺度以下的不均匀性,从而带
来严重的误差。
而EMMS模型将系统视为颗粒密集的浓相与流体密集的稀相,两者互不相容,因此能很容易描述团聚行为。
通过将EMMS模型计算得到的反映微元内不均匀性的相间曳力值反馈到双流体模型中,计算结果在颗粒浓度、流率及多尺度结构的分辨率等方面得到了显著的改进。
综合以上论述,我们认为在化工领域,目前计算流体力学应重点发展针对复杂流动,特别是多相流动的关联型和极值型型的多尺度方法及物理离散的粒子方法,建立结合多尺度、离散化和传统的连续介质方法的的新一代计算流体力学软件的物理模型与核心算法,实现其高效的大规模并行计算。
针对述目标,应重视以下几方面的研究[15]:
(1)分析现有的各种粗粒化粒子模型,分别从分子层次上的MD和DSMC,格子化的LGA和LB以及流体微团层次上的DPD和SPH等方法出发考虑它们之间相互结合、取长补短,从而形成具有更高精度和稳定性及适用范围的改进模型的可能性。
(2)通过离散化模拟和实验手段,综合采用非平衡统计力学,热力学和非线性动力学手段,分析流体微元中结构形成的基本规律,总结其统计性质,获得能适用于非均匀微元的具有普遍意义的本构关系,从而发展多尺度耦合的计算方法。
(3)探索极值型多尺度方法。
通过实例分析研究流体系统的结构特征,实现合理的尺度分解;在影响系统行为的各种因素中发现起主要作用的几种控制机制并进行数学表达;研究不同控制机制之间的协调关系和由此形成的尺度之间的关联,从而建立系统的多尺度动力学模型和实现其封闭的稳定性条件。
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