離散系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演變過程的顆粒群平衡模擬

前言

盡管進(jìn)入21世紀(jì)，但是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)仍以礦物能源為主，煤炭和石油在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍位居前列，由燃煤引起的SO2、N2和顆粒物的污染仍是我國(guó)城市大氣的主要污染來源。研究表明：我國(guó)大城市的主要污染物中，大約50％～60%是由燃煤和機(jī)動(dòng)車燃油引起的，特別是細(xì)粒子部分，其比例更高。盡管近年來各地都采取了一系列改善環(huán)境的措施，城市總懸浮顆粒物和可吸入顆粒物的總體污染情況有所好轉(zhuǎn)，但是，PM2．5特別是亞微米顆粒物的總量卻沒有下降，而是有所上升，這說明我國(guó)城市大氣的主要污染物正在轉(zhuǎn)向更細(xì)的顆粒物。因此，針對(duì)燃燒源排放的細(xì)微顆粒物的研究勢(shì)在必行。在科技部的支持下，圍繞國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目——“燃燒源可吸入顆粒物的形成與控制技術(shù)基礎(chǔ)研究（2002（18211600）”組建了一支高水平的學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊(duì)。經(jīng)過五年的項(xiàng)目研究，他們?cè)陬w粒物的形成與控制基礎(chǔ)兩個(gè)方面都取得了重要的階段性成果。這支團(tuán)隊(duì)由清華大學(xué)、北京大學(xué)、天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、東南大學(xué)和中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院組成，每年舉行一次超過100人的項(xiàng)目學(xué)術(shù)會(huì)議，形成了良好的學(xué)術(shù)交流氛圍。在此項(xiàng)目研究期間，第一課題負(fù)責(zé)人郝吉明當(dāng)選為中國(guó)工程院院士，第二課題負(fù)責(zé)人徐明厚成為“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授”和國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，首席科學(xué)家姚強(qiáng)在“十五”計(jì)劃期間擔(dān)任國(guó)家863潔凈煤主題專家組成員、“十一五”計(jì)劃863先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜医M成員兼工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能減排總體專家組組長(zhǎng)。通過項(xiàng)目的研究，該學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)提出了用于燃燒源顆粒物的采樣、處理與分析的方法，例如，針對(duì)不同源與多種顆粒特性的撞擊分離采樣與分析系統(tǒng)、模擬大氣過程的氣溶膠綜合反應(yīng)箱、以顯微PIV技術(shù)為核心的顆粒物在不同場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究方法；研制搭建了一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架與測(cè)試儀器，例如，以全氣缸取樣為核心的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)，一維多燃料燃燒過程顆粒物形成與控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)，LII碳黑形成與控制測(cè)量系統(tǒng)和煤的沉降爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)等。

內(nèi)容概要

本書介紹了離散系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演變過程顆粒群平衡模擬的基本概念、基礎(chǔ)知識(shí)和最新研究進(jìn)展，圍繞顆粒群平衡模擬的三個(gè)主要研究?jī)?nèi)容，即動(dòng)力學(xué)事件（包括顆粒碰撞、凝并、破碎、冷凝／蒸發(fā)、成核、沉積等）的核模型、顆粒群平衡方程的數(shù)值方法和顆粒群平衡模擬在復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用，進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，特別是有限慣性顆粒湍流碰撞核、零維顆粒群平衡模擬的多重Monte Carlo算法和事件驅(qū)動(dòng)常體積法、多維顆粒群平衡模擬的多重Monte Carlo算法、顆粒群平衡模擬用于自然環(huán)境氣溶膠和燃煤可吸入顆粒物等方面，詳細(xì)介紹了作者最新的研究成果。    本書可供動(dòng)力工程及工程熱物理、化學(xué)工程、力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、核科學(xué)、大氣物理化學(xué)、生物等領(lǐng)域從事顆粒群平衡模擬的相關(guān)科研人員、工程技術(shù)人員參考，同時(shí)也可供相關(guān)專業(yè)的研究生參考。

作者簡(jiǎn)介

趙海波，男，1977年生，博士，華中科技大學(xué)(原華中理工大學(xué))煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授,博士生導(dǎo)師。2007年在煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲工學(xué)博士學(xué)位，科研方向包括湍流氣固兩相流的建模和數(shù)值模擬、離散系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的隨機(jī)算法、電廠專家分析平臺(tái)、化學(xué)鏈燃燒和環(huán)境熱經(jīng)濟(jì)學(xué)等。2009年晉升為教授。鄭楚光，男，漢族，1945年2月出生，湖北省武漢市人，工學(xué)博士。華中科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，曾任煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。九三學(xué)社湖北省委員會(huì)主任委員、全國(guó)政協(xié)常委、湖北省政協(xié)副主席。校內(nèi)特聘教授，享受政府特殊津貼。聘任為博士生指導(dǎo)教師。

書籍目錄

《燃燒源可吸入顆粒物的形成與控制技術(shù)基礎(chǔ)研究學(xué)術(shù)叢書》序前言1  緒論  1.1  離散系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演變過程    1.1.1  離散系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)事件    1.1.2  離散系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演變過程的基本特點(diǎn)  1.2  四向耦合的兩相湍流模型    1.2.1  雙流體模型    1.2.2  流體一軌道模型  1.3  顆粒群平衡模擬    1.3.1  零維顆粒群平衡模擬    1.3.2  多維顆粒群平衡模擬  1.4  本書的主要結(jié)構(gòu)  參考文獻(xiàn)2  典型動(dòng)力學(xué)事件的核模型  2.1  碰撞    2.1.1  基礎(chǔ)知識(shí)    2.1.2  布朗碰撞核    2.1.3  湍流碰撞核    2.1.4  有限慣性小顆粒（Stk＜1）湍流碰撞核半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?   2.1.5  有限慣性顆粒碰撞核的推薦模型    2.1.6  布朗運(yùn)動(dòng)和湍流運(yùn)動(dòng)共同作用下的碰撞核  2.2  凝并    2.2.1  碰撞效率    2.2.2  凝并效率  2.3  球化  2.4  冷凝/蒸發(fā)  2.5  成核  2.6  沉積  2.7  破碎  2.8  其他動(dòng)力學(xué)事件  2.9  小結(jié)  參考文獻(xiàn)3  顆粒群平衡模擬的數(shù)值方法  3.1  顆粒尺度分布函數(shù)動(dòng)力學(xué)演變的特征  3.2  矩方法    3.2.1  傳統(tǒng)矩方法    3.2.2  積分矩方法    3.2.3  直接積分矩方法    3.2.4  內(nèi)插封閉矩方法    3.2.5  矩方法小結(jié)  3.3  分區(qū)法    3.3.1  基于數(shù)密度積分中值定理的分區(qū)法    3.3.2  基于核積分中值定理的分區(qū)法    3.3.3  分區(qū)法小結(jié)  3.4  Monte Carlo方法    3.4.1  時(shí)間驅(qū)動(dòng)Monte Carlo方法    3.4.2  事件驅(qū)動(dòng)Monte Carlo方法    3.4.3  常體積法    3.4.4  常數(shù)目法    3.4.5  強(qiáng)核函數(shù)法    3.4.6  質(zhì)量流量法    3.4.7  Monte Carlo方法小結(jié)  3.5  小結(jié)  參考文獻(xiàn)4  零維顆粒群平衡模擬的Monte Carlo方法  4.1  多重Monte Carlo算法的發(fā)展    4.1.1  子系統(tǒng)和整體系統(tǒng)    4.1.2  加權(quán)虛擬顆粒    4.1.3  子系統(tǒng)、整體系統(tǒng)和異數(shù)目權(quán)值虛擬顆粒群的統(tǒng)一    4.1.4  多重Monte Carlo算法流程    4.1.5  時(shí)間步長(zhǎng)    4.1.6  凝并事件的處理    4.1.7  破碎事件的處理    4.1.8  冷凝/蒸發(fā)（表面生長(zhǎng)/消融）事件的處理    4.1.9  沉積事件的處理    4.1.10  成核事件的處理  4.2  多重Monte Carlo算法的驗(yàn)證    4.2.1  純凝并工況    4.2.2  純破碎工況    4.2.3  同時(shí)發(fā)生的凝并和破碎  4.3  多重Monte Carlo算法小結(jié)  4.4  零維顆粒群平衡模擬Monte Carlo方法的性能定量評(píng)判方法    4.4.1  為什么要進(jìn)行幾種Monte Carlo方法的定量比較    4.4.2  Monte Carlo方法定量比較的策略    4.4.3  Monte Carlo方法的性能定量評(píng)判準(zhǔn)則  4.5  幾種主流Monte Carlo方法的比較    4.5.1  純凝并工況    4.5.2  純破碎工況    4.5.3  純冷凝/蒸發(fā)（或生長(zhǎng)）工況    4.5.4  純成核工況    4.5.5  純沉積工況    4.5.6  討論  4.6  多重Monte Carlo算法的改進(jìn)    4.6.1  算法改進(jìn)的出發(fā)點(diǎn)    4.6.2  改進(jìn)的多重Monte Carlo算法對(duì)凝并事件的描述    4.6.3  改進(jìn)的多重Monte Carlo算法對(duì)破碎事件的描述    4.6.4  改進(jìn)的多重Monte Carlo算法對(duì)沉積事件的描述    4.6.5  改進(jìn)的多重Monte Carlo算法對(duì)成核事件的描述  4.7  改進(jìn)的多重Monte Carlo算法的驗(yàn)證和比較    4.7.1  Case1，初始單分散性顆粒群，常凝并核    4.7.2  Case2，初始指數(shù)分布多分散性顆粒群，常凝并核  4.8改進(jìn)的多重Monte Carlo算法小結(jié)  4.9事件驅(qū)動(dòng)常體積法的發(fā)展    4.9.1  發(fā)展事件驅(qū)動(dòng)常體積法的出發(fā)點(diǎn)    4.9.2  動(dòng)力學(xué)事件的發(fā)生速率    4.9.3  等待時(shí)間的計(jì)算    4.9.4  主事件的選擇    4.9.5  主顆粒的選擇    4.9.6  虛擬顆粒數(shù)目的恢復(fù)和計(jì)算區(qū)域體積的保持    4.9.7  事件驅(qū)動(dòng)常體積法的流程  4.10  事件驅(qū)動(dòng)常體積法與幾種主流Monte carlo方法的比較    4.10.1  Case1，初始單分散性顆粒群的常凝并核工況    4.10.2  Case2，初始指數(shù)分布多分散性顆粒群的常凝并核工況    4.10.3  Case3，初始單分散性顆粒群的多元破碎工況  4.11  事件驅(qū)動(dòng)常體積法小結(jié)  參考文獻(xiàn)5  多維顆粒群平衡模擬的Monte Carl0方法  5.1  多維顆粒群平衡模擬的關(guān)鍵問題  5.2  多維顆粒群平衡模擬的多重Monte Carlo算法    5.2.1  雷諾應(yīng)力模型描述流體相運(yùn)動(dòng)    5.2.2  拉格朗日Langevin方程描述顆粒相運(yùn)動(dòng)    5.2.3  數(shù)值模擬的流程    5.2.4  多重Monte Carlo算法描述顆粒動(dòng)力學(xué)演變  5.3  多維多重Monte Carlo算法的驗(yàn)證    5.3.1  計(jì)算工況    5.3.2  考慮顆粒碰撞的多維多重Monte Carlo算法的驗(yàn)證    5.3.3  考慮顆粒凝并的多維多重Monte Carlo算法的驗(yàn)證  5.4  小結(jié)  參考文獻(xiàn)6  顆粒群平衡模擬的應(yīng)用和展望  6.1  降雨過程中氣溶膠濕沉降的數(shù)值模擬    6.1.1  降雨對(duì)氣溶膠濕去除過程的數(shù)學(xué)模型的建立    6.1.2  多重Monte Carlo算法對(duì)顆粒濕沉降事件的特殊處理    6.1.3  描述氣溶膠濕沉降的多重Monte Carlo算法的驗(yàn)證    6.1.4  降雨類型對(duì)氣溶膠濕去除效果的影響    6.1.5  雨滴尺度譜對(duì)氣溶膠濕去除效果的影響    6.1.6  小結(jié)  6.2  緊湊型混合顆粒收集器對(duì)燃煤鍋爐飛灰顆粒收集過程的數(shù)值模擬    6.2.1  靜電除塵器的數(shù)學(xué)模型和模擬方法    6.2.2  靜電增強(qiáng)布袋除塵器的數(shù)學(xué)模型和模擬方法    6.2.3  緊湊型混合顆粒收集器除塵過程的數(shù)值模擬    6.2.4  小結(jié)  6.3  顆粒碰撞對(duì)兩相湍流流場(chǎng)的影響分析    6.3.1  模擬細(xì)節(jié)    6.3.2  模擬結(jié)果及分析    6.3.3  小結(jié)  6.4  展望    6.4.1  多變量顆粒群平衡模擬    6.4.2  多維多變量顆粒群平衡模擬    6.4.3  顆粒群平衡模擬的應(yīng)用領(lǐng)域  參考文獻(xiàn)附錄  附錄1  主要專業(yè)術(shù)語和英文縮寫  附錄2  主要符號(hào)表

章節(jié)摘錄

插圖：1 緒論1.2 四向耦合的兩相湍流模型占據(jù)主流地位的描述流體相流動(dòng)的湍模型基于歐拉坐標(biāo)系，即把流體當(dāng)作連續(xù)相來處理，而對(duì)顆粒相的描述一般基于拉格朗日坐標(biāo)體系，即把其作為離散相處理。但是也有一些模型把實(shí)際離散分布于流體中的顆粒相假設(shè)為充滿整個(gè)空間沒有間隙的流體，此時(shí)基于歐拉坐標(biāo)系來描述顆粒相。因此，根據(jù)對(duì)連續(xù)相和離散相的處理方式不同，一般可以把兩相湍流模型劃分為雙流體模型（或稱為歐拉一歐拉模型）和流體一軌道模型（或稱為歐拉一拉格朗日模型）。在兩相湍流模型中考慮四向耦合是必要的。以氣固兩相流中最常見的顆粒碰撞為例。在煤粉燃燒器的噴口附近，以及有壁面約束流動(dòng)、特別是旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的壁面附近，顆粒的體積濃度很容易超過O（10-4），顆粒一顆粒碰撞以及顆粒碰撞對(duì)流體湍流的影響都很顯著，顆粒之間的碰撞產(chǎn)生的沖量使得顆粒動(dòng)量發(fā)生變化，顆粒之間的摩擦作用使得顆粒能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，顆粒相互碰撞也導(dǎo)致顆粒旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生或者發(fā)生改變，這將使得顆粒承受相當(dāng)數(shù)量級(jí)的Magnus力，從而改變顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，這些都將影響流體相湍流運(yùn)動(dòng)[42]。因此，隨著氣固兩相流模型和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展以及計(jì)算能力的提高，有必要在氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬中充分考慮顆粒間相互作用對(duì)流動(dòng)的影響，也就是所謂的四向耦合。雙流體（多流體）模型（或稱為歐拉一歐拉模型）和流體一軌道模型（或稱為歐拉一拉格朗日模型）均可以考慮四向耦合。

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