燃烧源颗粒及co2
English

类别:国家自然科学基金青年基金

负责人:赵海波

批注编号:20606015

起止日期:2007.1~2009.12

研究经费:25万元

结题摘要:
多分散的颗粒尺度分布函数在各种颗粒动力学机理(碰撞、凝并、破碎、冷凝/蒸发、成核、沉积等)和湍流输运机理(对流、扩散等)联合作用下的时间和空间演变过程是模化非线性、非平衡、非均匀、非稳态、多尺度的颗粒流体复杂系统的关键,颗粒群平衡模拟提供了可能的解决方案。本项目建立了颗粒群平衡模拟随机方法性能评价的理论体系,创新性地提出了异权值Monte Carlo系列方法(包括改进的多重Monte Carlo算法、时间驱动异权值方法、事件驱动常体积法等),不仅描述颗粒尺度分布的时间演变过程(零维颗粒群平衡模拟),还与多相湍流模型等耦合起来描述颗粒尺度分布的时间和空间演变过程(多维颗粒群平衡模拟)。与等权值Monte Carlo方法比较,异权值Monte Carlo方法具有稳定的计算精度和低的计算代价,能准确描述多分散颗粒群全尺度范围的动力学演变过程等,且可把等权值Monte Carlo方法视为其一个特例,从而实现了颗粒群平衡模拟随机方法的一次突破。本项目已成功利用这些方法对工程问题(如除尘器)进行数值模拟。


主要研究结果:
(1) 提出颗粒群平衡模拟(PBM)的Monte Carlo(MC)方法性能评价的理论框架,并对几种主流的MC方法进行了计算精度和计算代价的定量比较和定性分析,为已有MC方法的改进和新方法的发展奠定了基础。
(2) 基于“异权值模拟颗粒”的思想,创新性提出了“异权值模拟颗粒碰撞/凝并准则”,在此基础上对原有多重Monte Carlo算法进行改进,并先后发展了新的事件驱动常体积法、异权值时间驱动法、统一的异权值Monte Carlo方法。
(3) 基于异权值Monte Carlo方法实现多维颗粒群平衡模拟,即把描述颗粒动力学演变过程的颗粒群平衡模拟Monte Carlo方法与描述流体和颗粒运动的气固两相流模型耦合起来,构建时空Monte Carlo方法,可同时描述流体对颗粒的携带运动、颗粒布朗扩散和湍流扩散、颗粒动力学演变过程。
(4) 基于以上颗粒群平衡模拟Monte Carlo方法,把其应用于工程实际领域,包括静电除尘器、湿式除尘器、静电增强湿式除尘器、静电布袋混合除尘器等,描述可吸入颗粒物在这些除尘器内的非线性多尺度动力学演变过程,为这些除尘装置的运行优化、设计优化等提供理论依据。

后续进展:
发展多变量颗粒群平衡模拟的Monte Carlo方法,用于双组分颗粒微混合团聚过程的描述、柱塞流气溶胶反应器制备纳米颗粒过程模拟、激光消融制备多组分纳米颗粒过程模拟、Monte Carlo的并行计算等。


主要成果:
出版专著一部、在本领域重要期刊上发表英文论文7篇(其中SCI收录7篇,EI收录6篇)、国际会议论文2篇;申请人在项目期间获得湖北省优秀博士学位论文、全国优秀博士学位论文提名奖、教育部自然科学一等奖(排名第三)、湖北省自然科学二等奖(排名第三)、霍英东教育基金会优选资助课题、德国Alexander von Humboldt Foundation的Research Fellow(洪堡学者)、2009年度教育部新世纪优秀人才等奖项。申请者在颗粒群平衡模拟的Monte Carlo方法领域,也获得了一定的国际影响力,如与国际同行合作发表论文和开展实质性合作研究等;另外,以主题词“population balance”和“Monte Carlo”进行SCI检索,按照作者进行排序,赵海波(ZHAO, HB)在全世界本领域所有同行中排名第二。本项目资助的论著目录如下:

  1. 赵海波*, 郑楚光. 离散系统动力学演变过程的颗粒群平衡模拟. 北京:科学出版社, 2008.

  2. Haibo Zhao*, Arkadi Maisels* ,Themis Matsoukas* ,Chuguang Zheng . Analysis of four popular Monte Carlo methods for solution of population balances in dispersed systems. Powder Technology, 2007, 173(1): 38-50. (SCI 159KT, EI 071310511815)

  3. Haibo Zhao*, Chuguang Zheng. A stochastic simulation for the collection process of fly ashes in single-stage electrostatic precipitators. Fuel, 2008, 87(10-11): 2082-2089. (SCI 302ZL, EI 081611205334)

  4. Haibo Zhao*, Chuguang Zheng. The event-driven constant volume method for particle coagulation dynamics. Science in China Series E: Technological Sciences, 2008, 51(8): 1255-1271. (SCI 322UF, EI 082911377909)

  5. 赵海波*, 郑楚光. 描述颗粒凝并动力学的事件驱动常体积法. 中国科学E辑:技术科学, 2008, 38(11): 1836-1849.

  6. Haibo Zhao*, Chuguang Zheng. Modeling of gravitational wet scrubbers with electrostatic enhancement. Chemical Engineering & Technology, 2008, 31(12): 1824-1837. (SCI 387CE, EI 20090911929025)

  7. 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 407NC)

  8. 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 459BA, EI 20093112232281)

  9. Haibo Zhao*, Chuguang Zheng. Correcting the multi-Monte Carlo method for particle coagulation. Powder Technology, 2009, 193: 120–123. (SCI 447YF, EI 20091612035889)

  10. 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.

  11. F. E. Kruis*, Haibo Zhao, Jianming Wei, et al. A parallelized population balance-Monte Carlo method for diffusion and coagulation of nanoparticles, the World Congress on Particle Technology 6, Nürnberg, Germany, Apr. 26-29, 2010.



联系方式

地址:湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号华中科
技大学煤燃烧国家重点实验室214室  

邮政编码:430074

电话:027-87542417

关注微信

扫一扫,即可关注

鄂ICP备05003321号-1   鄂公网安备 42011102000123号

技术支持: 武汉冠兴科技