離散系統(tǒng)動力學(xué)演變過程的顆粒群平衡模擬

前言

盡管進入21世紀(jì)，但是我國能源結(jié)構(gòu)仍以礦物能源為主，煤炭和石油在很長時期內(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城市大氣的主要污染來源。研究表明：我國大城市的主要污染物中，大約50％～60%是由燃煤和機動車燃油引起的，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，針對燃燒源排放的細(xì)微顆粒物的研究勢在必行。在科技部的支持下，圍繞國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目——“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)研究團隊。經(jīng)過五年的項目研究，他們在顆粒物的形成與控制基礎(chǔ)兩個方面都取得了重要的階段性成果。這支團隊由清華大學(xué)、北京大學(xué)、天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、東南大學(xué)和中國環(huán)境科學(xué)研究院組成，每年舉行一次超過100人的項目學(xué)術(shù)會議，形成了良好的學(xué)術(shù)交流氛圍。在此項目研究期間，第一課題負(fù)責(zé)人郝吉明當(dāng)選為中國工程院院士，第二課題負(fù)責(zé)人徐明厚成為“長江學(xué)者獎勵計劃特聘教授”和國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，首席科學(xué)家姚強在“十五”計劃期間擔(dān)任國家863潔凈煤主題專家組成員、“十一五”計劃863先進能源技術(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。通過項目的研究，該學(xué)術(shù)團隊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中的運動規(guī)律的研究方法；研制搭建了一批具有國際先進水平的實驗臺架與測試儀器，例如，以全氣缸取樣為核心的柴油發(fā)動機顆粒物研究實驗臺，一維多燃料燃燒過程顆粒物形成與控制實驗臺，LII碳黑形成與控制測量系統(tǒng)和煤的沉降爐實驗臺等。

內(nèi)容概要

本書介紹了離散系統(tǒng)動力學(xué)演變過程顆粒群平衡模擬的基本概念、基礎(chǔ)知識和最新研究進展，圍繞顆粒群平衡模擬的三個主要研究內(nèi)容，即動力學(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，進行了重點介紹，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，同時也可供相關(guān)專業(yè)的研究生參考。

作者簡介

趙海波，男，1977年生，博士，華中科技大學(xué)(原華中理工大學(xué))煤燃燒國家重點實驗室副教授,博士生導(dǎo)師。2007年在煤燃燒國家重點實驗室獲工學(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)動力學(xué)的隨機算法、電廠專家分析平臺、化學(xué)鏈燃燒和環(huán)境熱經(jīng)濟學(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，曾任煤燃燒國家重點實驗室主任。九三學(xué)社湖北省委員會主任委員、全國政協(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)動力學(xué)演變過程    1.1.1  離散系統(tǒng)的動力學(xué)事件    1.1.2  離散系統(tǒng)動力學(xué)演變過程的基本特點  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2  典型動力學(xué)事件的核模型  2.1  碰撞    2.1.1  基礎(chǔ)知識    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?zāi)Ｐ?   2.1.5  有限慣性顆粒碰撞核的推薦模型    2.1.6  布朗運動和湍流運動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  其他動力學(xué)事件  2.9  小結(jié)  參考文獻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  時間驅(qū)動Monte Carlo方法    3.4.2  事件驅(qū)動Monte Carlo方法    3.4.3  常體積法    3.4.4  常數(shù)目法    3.4.5  強核函數(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  時間步長    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/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算法的驗證    4.2.1  純凝并工況    4.2.2  純破碎工況    4.2.3  同時發(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方法的性能定量評判方法    4.4.1  為什么要進行幾種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）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    4.6.1  算法改進的出發(fā)點    4.6.2  改進的多重Monte Carlo算法對凝并事件的描述    4.6.3  改進的多重Monte Carlo算法對破碎事件的描述    4.6.4  改進的多重Monte Carlo算法對沉積事件的描述    4.6.5  改進的多重Monte Carlo算法對成核事件的描述  4.7  改進的多重Monte Carlo算法的驗證和比較    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改進的多重Monte Carlo算法小結(jié)  4.9事件驅(qū)動常體積法的發(fā)展    4.9.1  發(fā)展事件驅(qū)動常體積法的出發(fā)點    4.9.2  動力學(xué)事件的發(fā)生速率    4.9.3  等待時間的計算    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)和計算區(qū)域體積的保持    4.9.7  事件驅(qū)動常體積法的流程  4.10  事件驅(qū)動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)動常體積法小結(jié)  參考文獻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動    5.2.2  拉格朗日Langevin方程描述顆粒相運動    5.2.3  數(shù)值模擬的流程    5.2.4  多重Monte Carlo算法描述顆粒動力學(xué)演變  5.3  多維多重Monte Carlo算法的驗證    5.3.1  計算工況    5.3.2  考慮顆粒碰撞的多維多重Monte Carlo算法的驗證    5.3.3  考慮顆粒凝并的多維多重Monte Carlo算法的驗證  5.4  小結(jié)  參考文獻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算法的驗證    6.1.4  降雨類型對氣溶膠濕去除效果的影響    6.1.5  雨滴尺度譜對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  顆粒碰撞對兩相湍流流場的影響分析    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際離散分布于流體中的顆粒相假設(shè)為充滿整個空間沒有間隙的流體，此時基于歐拉坐標(biāo)系來描述顆粒相。因此，根據(jù)對連續(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、特別是旋轉(zhuǎn)流動的壁面附近，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)量級的Magnus力，從而改變顆粒的運動軌跡，這些都將影響流體相湍流運動[42]。因此，隨著氣固兩相流模型和數(shù)值計算方法的發(fā)展以及計算能力的提高，有必要在氣固兩相流動的數(shù)值模擬中充分考慮顆粒間相互作用對流動的影響，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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