类别：国际自然科学基金面上项目

负责人：赵海波

批注编号：50876037

起止日期：2009.1~2011.12

研究经费：30万元

结题摘要：传统宏观连续模型可能存在某些工况下连续假设失效、只能描述两相流宏观唯象行为特征、无法揭示系统动态特性等问题，这可求助于介观动理学模型。本研究采用格子Boltzmann（LB）描述气相运动、格子气自动机（LGA）描述颗粒运动、直接模拟Monte Carlo（DSMC）描述颗粒间相互作用；通过LB输运方程的附加外力项，考虑流体-颗粒相互作用；通过设置合理的时间步长，在规则格子内描述颗粒运动和颗粒间碰撞、团聚等，并同时跟踪颗粒群多个内部变量（尺度、表面积等），考虑颗粒间相互作用；最终得到考虑四向耦合效应的LB-LGA-DSMC介观模型。使用此模型对纤维捕集颗粒物、后台阶气固两相流和理想颗粒流工况等进行模拟，结果与已有理论或实验符合较好，如准确模拟出纤维捕集细微物时枝簇生长、捕集效率及压降等，体现了本模型具有易于处理复杂和动态边界条件、模型简洁、本质并行性等优点，可为改进宏观模型的本构关系和先验系数等提供依据。

主要研究结果：
(1) 研究了处理复杂边界条件和流体-边界相互作用的格子Boltzmann方法，通过非平衡态外推格式处理非规则曲面边界，通过动量交换法处理运动边界对流体的反作用力；研究了处理多组分和非均匀结构颗粒相互作用的直接模拟Monte Carlo方法。并分别利用以上LB方法和DSMC方法成功模拟圆柱强迫流向或横向振荡、多组分颗粒凝聚导致的组分微混合和非均匀结构团聚体烧结等，揭示了这些典型工况的内部特征。
(2) 对于气固两相流介观模型，分别构建了考虑单向耦合的LB-LGA模型、考虑双向耦合的LB-LGA模型和考虑四向耦合的LB-LGA-DSMC模型。并分别利用这些模型对方腔内微细颗粒物运动、后台阶气固两相流、零惯性细微颗粒流和极大惯性粗重颗粒流等进行数值模拟，与已有理论、数值模拟结果和实验结果进行比较，验证了所发展模型和方法的预报精度。
(3) 利用发展的模型和方法，对水底管道冲刷、纤维捕集细微颗粒物、柱塞流气溶胶反应器制备纳米颗粒过程等工况等进行数值模拟，基于介观层次的两相流场细节信息详细分析典型两相流动特征。例如，对圆柱纤维捕集颗粒过程进行介观模拟，得到清洁纤维和粘污纤维在布朗扩散、拦截、惯性碰撞等机制主导下对不同典型尺度颗粒物捕集过程的细节信息，发现布朗扩散主导时枝簇对空间的占有率比另外两种机制主导是要强，导致枝簇的分形维数上升最快，而枝簇结构孔隙率较小。

后续进展：
利用所发展的气固两相流格子Boltzmann-元胞自动机概率模型对纤维捕集细颗粒过程进行了深入研究，包括模拟椭圆截面纤维捕集颗粒稳态过程(见“Haoming Wang, Haibo Zhao*, Kun Wang, Chuguang Zheng. Simulating and modeling particulate removal processes by elliptical fibers. Aerosol Science and Technology, 2014, 48(2): 207-218”)、模拟三角形/三叶形/四叶形/矩形等截面纤维捕集颗粒稳态过程(见“Haoming Wang, Haibo Zhao*, Kun Wang, Chuguang Zheng. Simulating and modeling particulate removal processes by elliptical fibers. Aerosol Science and Technology, 2014, 48(2): 207-218”和“王坤, 赵海波*. 异形纤维捕集颗粒过程的格子Boltzmann法数值模拟. 中国粉体技术, 2015, 21(6): 1-7”)、以及模拟椭圆截面纤维捕集细颗粒动态过程（见“Haokai Huang, Kun Wang, Haibo Zhao*. Numerical study of pressure drop and diffusional capture efficiency of several typical noncircular fibers in filtration. Powder Technology, 2016, 292: 232-241”、“黄浩凯, 赵海波*. 格子Boltzmann方法研究椭圆截面纤维非稳态捕集颗粒的过程与性能. 工程热物理学报, 2017, 录用”）等。

主要成果：
在国际英文权威期刊发表论文9篇；国内中文权威期刊发表论文7篇；在国际会议上宣读6篇论文，在工程热物理年会宣读4篇论文；论文9篇次被SCI数据库收录，16篇次被EI数据库收录。培养博士生2名，硕士生3名。申请人在项目执行期间获得教育部新世纪优秀人才等奖项。本项基金的论著目录：

期刊论文：

1. Haibo Zhao*, F. Einar Kruis, Chuguang Zheng. Reducing Statistical Noise and Extending the Size Spectrum by Applying Weighted Simulation Particles in Monte Carlo Simulation of Coagulation. Aerosol Science and Technology, 2009, 43(8): 781 - 793(SCI、EI )
2. Haibo Zhao, Chuguang Zheng. A new event-driven constant volume method for solution of the time evolution of particle size distribution. Journal of Computational Physics, 2009, 228(5): 1412-1428.(SCI、EI )
3. Haibo Zhao*, Chuguang Zheng. Correcting the multi-Monte Carlo method for particle coagulation. Powder Technology, 2009, 193: 120–123(SCI、EI )
4. Haibo Zhao*, F. Einar Kruis, Chuguang Zheng. A differentially weighted Monte Carlo method for two-component coagulation. Journal of Computational Physics, 2010, 229, 6931-6945. (SCI、EI )
5. Haibo Zhao*, F. Einar Kruis, Chuguang Zheng. Monte Carlo simulation for aggregative mixing of nanoparticles in two-component systems. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(18): 10652-10664 (SCI、EI )
6. Haibo Zhao*, Chuguang Zheng. Two-component Brownian coagulation: Monte Carlo simulation and process characterization. Particuology, 2011, 9(4): 414-423(SCI、EI )
7. Haibo Zhao*, Chuguang Zheng. A population balance-Monte Carlo method for particle coagulation in spatially inhomogeneous systems. Computer & Fluids, 2013, 71 (2013) 196–207(SCI、EI )
8. Haoming Wang, Haibo Zhao*, Zhaoli Guo, Yongxiang He, Chuguang Zheng. Lattice Boltzmann method for simulations of gas-particle flows over a backward-facing step. Journal of Computational Physics, 2013, 239: 57-71(SCI、EI )
9. Haoming Wang, Haibo Zhao*, Zhaoli Guo, Chuguang Zheng. Numerical Simulation of Particle Capture Process of Fibrous Filters using Lattice Boltzmann Two-phase Flow Model. Powder Technology, 2012, 227: 111–122(SCI、EI )
10. 徐祖伟, 赵海波*, 郑楚光. 模拟颗粒凝并的快速Monte Carlo方法. 计算物理, 2013, 30(1): 89-97(EI )
11. 王浩明, 赵海波*, 郑楚光. 考虑双向耦合效应的格子Boltzmann气固两相湍流模型. 计算物理, 2013, 30(1): 19-26(EI )
12. 龚帅,郭照立. 流向振荡圆柱绕流的格子Boltzmann方法模拟. 力学学报, 43(1): 809-818(EI )
13. 龚帅,郭照立. 横向振荡圆柱绕流的格子Boltzmann方法模拟. 力学学报, 2011, 力学学报, 43(5): 809-818(EI )
14. 蔡新桃，郭照立，郑林，郑楚光. 方腔内微细颗粒物运动特性的格子Boltzmann方法模拟. 计算物理，2011, 28(3): 355-360(EI )
15. 王浩明, 赵海波*, 郭照立, 郑楚光. 基于格子波尔兹曼气固两相流模型的清洁纤维捕集颗粒过程模拟. 中国电机工程学报, 2012, 32(11): 66-71(EI )
16. 赵海波*, 郑楚光. 多分散结构团聚体烧结的数值模拟. 中国电机工程学报, 2012, 32(8): 58-63(EI )
17. 会议论文：
18. H. Zhao*, F.E. Kruis, J. Wei, T. van der Zwaag, S. Haep and C. Zheng. A spatio-temporal population balance-Monte Carlo method for diffusion and coagulation of nanoparticles in plug-flow aerosol reactors. European Aerosol Conference 2009 (EAC2009), Karlsruhe, Germany, Sep. 6-11, 2009
19. F.E. Kruis*, H. Zhao, J. Wei, C. Zheng. A parallelized population balance-Monte Carlo method for diffusion and coagulation of nanoparticles. The World Congress on Particle Technology 6, Nürnberg, Germany, 2010/4/26~29.
20. H. Zhao*, F. E. Kruis, J. Wei, C. Zheng. CFD-based population balance modeling for nanoparticle convection and coagulation. International Conference on Multiphase Flow 2010, Florida, USA, May 30-June 4, 2010
21. Haibo Zhao*, F. Einar Kruis, Chuguang Zheng. A multi-dimensional population balance-Monte Carlo method for particle coagulation in turbulence: description and validation. 4th International Conference on Population Balance Modelling, Berlin, Germany, September 15-17, 2010
22. Haibo Zhao*, F. Einar Kruis, Chuguang Zheng. Monte Carlo simulation of gas-to-particle-synthesis of TiO2 nanoparticles in plug-flow aerosol reactors. 4th International Conference on Population Balance Modelling, Berlin, Germany, September 15-17, 2010
23. Haoming Wang, Haibo Zhao, Zhaoli Guo, Chuguang Zheng. Lattice Boltzmann-Lattice Gas Automata model for the structure and efficiency of deposited particulate matter on fibrous filters. UK-China Particle Technology forum III, Birmingham, UK, 3-6th July 2011.
24. 王浩明，赵海波，郑楚光.考虑双向耦合效应的格子Boltzmann-格子气 气固两相湍流模型. 中国工程热物理学会多相流分会, 2011, 乌鲁木齐
25. 徐祖伟, 赵海波，史家伟，郑楚光. 模拟颗粒凝并的快速Monte Carlo方法. 中国工程热物理学会多相流分会, 2011, 乌鲁木齐
26. 王浩明, 赵海波*, 郭照立, 郑楚光. 格子Boltzmann-格子气气固两相流模型研究单纤维捕集颗粒过程. 中国工程热物理学会多相流分会, 2010, 厦门, 106074
27. 王浩明, 赵海波*, 郭照立, 郑楚光. 两相湍流格子模型研究水底管道冲刷. 中国工程热物理学会多相流分会, 2010, 厦门, 106073