基于多尺度模型预测木材含水率和温度的变化

了解木材干燥过程中的水分迁移和热量传递规律有助于提高木材的干燥质量,改善干燥工艺,节约能源。以樟子松(Pinus sylvestris)为材料,建立能够较准确模拟木材干燥过程中含水率和温度分布变化的多尺度单元表征模型,模型由宏观尺度上三个耦合方程一两个水分扩散方程和一个热量平衡方程,以及微观尺度上的单个细胞水分迁移的平衡方程组成。解析模型的过程为:分析初始条件和边界条件、有限元网格的生成、方程离散化、查找相应物性参数、MATLAB软件编程求解。最后通过实验分析验证了建立的多尺度模型的准确性,进行试件在80℃时各层含水率随时间变化的实验,实验结果与模拟值比较,曲线吻合性较好,多尺度模型可以反映木材干燥过程中含水率的分布。最后对建立的多尺度模型进行理论分析,预测了干燥过程中各层温度的变化和分布,进一步验证模型的准确性。从不同尺度建立的木材热质转移数学模型,能较为准确的反映木材含水率的变化和空间分布情况,为干燥过程水分和温度分布的研究提供了一定的理论基础和参考价值。     

玉米籽粒的传质干燥模拟及实验分析

为了解干燥过程中玉米籽粒内部水分的扩散过程,优化干燥工艺参数,本文采用模拟研究和实验研究方法分析干燥过程中玉米籽粒内部水分分布随时间的变化规律。玉米籽粒由种皮、角质胚乳、粉质胚乳和胚四组分组成,四种组分水分扩散系数各不相同,本文分别假设玉米籽粒由单组分均质体和多组分非均质体组成,分别建立了玉米籽粒的干燥数学模型,利用COMSOL Multiphysics模块模拟研究了玉米籽粒内部的水分变化情况,并通过玉米籽粒的薄层干燥实验进行了实验验证。研究结果表明,建立的两个模型均可有效模拟玉米籽粒薄层干燥过程;80℃的模拟值与实验值的差异较70℃的小;玉米籽粒多组分模型精度优于单组分模型精度。     

双大涡模拟方法模拟提升管内气固两相流动

基于Smagorinsky涡黏模型以及颗粒动理学理论,建立了气固两相流双大涡模拟模型。考虑大涡模拟中过滤尺度的影响,给出颗粒相亚格子压力和热传导系数计算模型。考虑颗粒聚团对两相作用的影响,给出了考虑颗粒聚团作用的气固两相多尺度曳力系数模型。数值模拟了提升管内气固两相流动特性,合理地预测出了提升管内气固两相环-核流动结构。模拟结果与Knowlton等实测结果相吻合。     

非固结多孔介质干燥的双尺度孔道网络模型与模拟

以农产品颗粒物料中常见孔隙直径范围(10~(-4)～10~(-3) m)的非固结多孔介质为研究对象,运用孔道网络方法和传递过程原理等知识,建立了考虑骨架吸湿、汽相对流、温度梯度和孔道结构特征等因素对干燥过程影响的非固结多孔介质双尺度孔道网络干燥模型,并进行了相应的干燥实验.模拟与实验结果表明:该模型可有效模拟非固结多孔介质的干燥过程;非固结多孔介质的孔隙率、直径(包括粒径与孔径)分布对干燥的影响十分显著,孔隙率越大,物料干燥越快,达到相同湿含量干燥所需时间越短;直径分布的不均匀程度越高,干燥所需时间越长,物料湿含量分布的差异也越大。对于窄筛分农产品颗粒物料,进行干燥计算时可以采用同一直径分布代替实际分布.     

微喷颗粒与气体混合过程的数值模拟研究

冲击波作用下金属与气体界面将发生微喷混合现象,即金属表面产生的微喷射物质在气体中的输运过程.提出采用散体颗粒分布代替微喷初始状态,基于气体-颗粒两相流模型对微喷混合现象进行了模拟研究.数值模拟给出了微喷混合的动力学演化过程,分析了初始气体压力和颗粒尺寸因素对混合层的影响规律;在数值模拟中发现了微喷颗粒的气动破碎现象,这可导致颗粒尺度明显减小,成为影响微喷混合演化性质的重要物理因素.本文模拟结果与相关实验结果取得一致,初步表明,气粒两相流模型是模拟微喷混合过程的一种有效方法.     

撞击流中颗粒碰撞传热理论模型研究

建立了考虑颗粒接触面导热的颗粒碰撞传热模型,相应完善了气固两相撞击流理论模型,并对不同条件的撞击流干燥过程进行了模拟。计算结果与实验结果非常吻合,从而验证了所建模型的正确性。本文还分析了颗粒碰撞传热、加料方式以及喷嘴间距对撞击流干燥性能的影响规律。结果表明:在本文所涉及的撞击流干燥过程中,颗粒碰撞传热对干燥性能的影响并不明显;单边加料时颗粒物料的降水幅度及撞击流装置的干燥强度都明显大于双边加料的工况;喷嘴间距较大时,物料的降水幅度及装置的干燥强度均较大。     

论FeCr合金辐照损伤的多尺度模拟

铁素体/马氏体钢具有优异的抗辐照肿胀和抗腐蚀能力,是聚变堆、ADS和四代堆结构材料重要候选者之一.多尺度模拟在核武器自辐照损伤、压力容器辐照脆化、医学材料辐照损伤等方面有着广泛的应用.国际上围绕F/M FeCr合金辐照损伤开展了大量的多尺度模拟工作.论文概述了F/M FeCr合金辐照损伤多尺度模拟研究现状及进展,并针对目前存在的某些问题提出了解决建议. 关键词： 铁素体/马氏体FeCr合金 辐照损伤 多尺度模拟     

基于改进格子Boltzmann焓法模型的霜层生长数值研究

采用介观尺度格子Boltzmann方法数值研究壁面的表面特性对霜层生长的影响.将成核概率模型和改进的焓法相变模型相耦合，建立基于成核概率理论的霜层生长过程格子Boltzmann模型.该模型能够在宏观尺度上模拟霜层生长的加密加厚过程，也可以从微观尺度上描述局部的冰枝生长导致的霜层结构的动态变化，应用该模型能够获得霜层平均厚度、平均密度、结霜量等内部非稳态物理量.开展冷壁面上霜层形成及生长过程的数值研究，获得霜层的拓扑结构时空演化特性，得到不同时刻下结霜量以及霜层的平均厚度、平均密度、平均固相体积分数，探讨冷壁面温度、相对湿度、冷表面浸润性能对结霜的影响.     

撞击流内相间传热传质理论模型研究

将直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法与传热传质理论相结合,建立了考虑颗粒碰撞与热质传递过程的气固两相撞击流理论模型。应用所建理论模型计算分析了撞击流内的热质传递过程,以及颗粒预热温度对传递过程的影响。结果表明:利用所建模型对撞击流干燥过程的计算结果合理、正确,该模型能够有效地用于撞击流内传热传质过程的理论分析;撞击流内传递过程的有效体积位于两喷嘴之间区域,且在撞击区内的传递过程得到强化;提高颗粒的预热温度可以有效提高干燥装置的干燥强度。     

CaCO_3煅烧介尺度孔隙结构速率方程理论

基于介尺度结构思想,根据空位单元的扩散与聚合理论建立起CaCO_3煅烧及CaO烧结过程中从分子尺度过渡到颗粒尺度之间的桥梁——介尺度孔隙结构的演化模型。与传统的经验模型相比,基于介尺度结构的速率方程理论将孔隙的演变过程与CO_2气体分子释放、空位的扩散以及空位间相互碰撞聚合同时进行考虑,并建立非线性的速率方程对孔隙的演化的物理过程进行数学描述。模型的计算结果与CaCO_3煅烧和烧结的实验数据进行对比,结果表明基于介尺度结构的速率方程理论可以准确地预测孔径的分布及其随时间的演变过程。     

静态堆积颗粒中的力链分布

颗粒物质是由众多离散颗粒组成的软凝聚态物质,涉及多个物理层次结构和机制,是多尺度问题. 首先阐述了颗粒物质多尺度力学的研究框架,指出颗粒间接触力链构成的细观尺度是核心,颗粒物质显示出的独特静态堆积特性和动态流变特性都与细观尺度力链的复杂演变规律直接相关. 围绕着定量描述力链特征这一目标,采用严格的球形颗粒Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论,对重力作用下12000个球心共面的二维等径颗粒静态堆积进行了离散动力学模拟,对力链分布特征、接触力规律等做了量化分析,考察了颗粒 关键词： 颗粒物质 力链 离散模型 多尺度力学     

声波作用下球形颗粒外声流分布的数值模拟

综合考虑声学边界层内的热损失和黏性损失,建立处于平面驻波声压波节位置二维球形颗粒外声流计算模型,利用分离时间尺度的数值方法对颗粒外声流流场特征进行模拟。将模拟结果与相应的解析解和实验结果对比,验证了数值模拟的可靠性。在此基础上,研究了雷诺数Re和斯特劳哈尔数Sr对球形颗粒声学边界层内二阶声流流场结构、涡流强度及范围的影响规律。结果表明,随Sr和Re增大,声学边界层内的涡流结构尺度呈指数形式减小,其涡流尺度与颗粒直径D和激励频率f成反比,与流体介质运动黏度v成正比;且满足低Sr和高Re的声振系统可形成范围较大、更强烈的声流运动。该数值方法可用于对任意物理模型外声流特性的评估。      

风沙跃移中颗粒与多粒径床面碰撞的数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,对风沙跃移中颗粒冲击多粒径床面的碰撞过程进行了数值计算。在模型中,对气相采用欧拉方法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,颗粒间碰撞作用采用软球模型描述。计算结果表明该模型可以模拟风沙运动中颗粒冲击多粒径床面的动态运动过程。而且在多粒径非均匀床面上的颗粒起跳具有较大的随机性。这有助于进一步揭示风沙运动中颗粒碰撞起跳机理。     

生物大分子多尺度理论和计算方法

分子模拟是研究生物大分子的重要手段. 过去二十年来, 人们将分子模拟与实验研究相结合, 揭示出生物大分子结构和动力学方面的诸多重要性质. 传统分子模拟主要采用全原子分子模型或各种粗粒化的分子模型. 在实际应用中, 传统分子模拟方法通常存在精度或效率瓶颈, 一定程度上限制了其应用范围. 近年来, 多尺度分子模型越来越受到人们的关注. 多尺度分子模型基于统计力学原理, 将全原子模型和粗粒化模型相耦合, 有望克服传统分子模拟方法中的精度/效率瓶颈, 进而拓展分子模拟在生物大分子研究中的应用范围. 根据模型之间的耦合方式, 近年来发展起来的多尺度分子模拟方法可归纳为如下四种类型: 混合分辨多尺度模型、并行耦合多尺度模型、单向耦合多尺度模型、以及自学习多尺度模型. 本文将对上述四类多尺度模型做简要介绍, 并讨论其主要优缺点、应用范围以及进一步发展方向.     

湍流煤粉火焰中多相燃烧的跨尺度模拟方法及应用

通过"湍流涡团尺度"与"边界层反应尺度"的关联,建立了湍流煤粉火焰中多相燃烧的跨尺度模拟方法。该方法能够预报湍流脉动宏观规律对静止颗粒边界层内气相反应(如挥发分火焰、CO火焰)的影响。将该方法用于煤粉旋流燃烧数值模拟中,结果显示:与完全忽略边界层气相反应的单膜模型相比,跨尺度模拟的预报结果与Lockwood实验数据有更好的符合。     

采用一维湍流模型对瞬态煤粉气化火焰的数值模拟

煤的气化火焰中,湍流脉动与煤颗粒气化过程间存在着强烈的相互作用。为了在全尺度范围内直接模拟这种相互作用,本文采用一维湍流模型(ODT)与煤的气化过程相耦合,在Kolrnogorov尺度下对煤气化火焰区域进行数值模拟,得到了二维平面煤气化火焰的瞬态结构。模拟结果表明,大尺度涡团能够显著改变火焰的结构,并诱发局部小尺度涡团的产生。颗粒粒径决定湍流-气化过程作用的尺度范围,粒径较小的煤颗粒容易受到气体温度和速度脉动的影响,从而改变其运动轨迹和气化反应进程。     

菜豆种子薄层干燥物料内部水分扩散系数的确定

本文将数值方法应用于物性测试,用反问题的研究方法,通过建立物料的内部水分扩散模型及边界条件的处理,把反映物料干燥过程动态特性的实验含水率曲线与物料颗粒内部的水分扩散结合起来,确定物料颗粒在非稳态脱水过程中的内部水分扩散系数,并分析内部水分分布及其动态特性。计算结果与实验曲线拟合的分析表明,本文的方法是可行的,对于进一步分析干燥过程参数对种子劣变的影响及确定优化的干燥工艺从而达到干燥控制的目的有重要的意义。     

纤维悬浮聚合物熔体描述的均一结构多尺度模型

通过对纤维悬浮聚合物熔体的可逆和不可逆热力学过程的耦合,建立了分子链弹性哑铃模型与悬浮纤维取向描述相耦合的、具有均一 (GENERIC) 结构形式的熔体多尺度模型. 由该均一结构的多尺度模型不仅可以得出熔体不同尺度上的应力贡献,还可为一般多尺度模型方程组的建立提供其结构形式均一化的方法. 关键词： GENERIC结构 纤维取向 黏弹性 聚合物     

对利用动态光散射法测量颗粒粒径和液体黏度的改进

光散射技术通过测量悬浮液中布朗运动颗粒的平移扩散系数,得到颗粒流体力学直径或液体黏度.本文由单参数模型入手,建立了低颗粒浓度下,单颗粒平移扩散系数与颗粒集体平移扩散系数和颗粒浓度之间的线性依存关系并将其引入光散射法中,从而对现有的测量方法进行了改进.改进后的测量方法可实现纳米尺度球型颗粒标称直径的测量和液体黏度的绝对法测量.以聚苯乙烯颗粒+水和二氧化硅颗粒+乙醇两个分散系为参考样本,通过实验,验证了改进后方法的可行性.此外,还针对上述两个分散系,实验探讨了温度和颗粒浓度对颗粒集体平移扩散系数的影响规律,发现聚苯乙烯颗粒+水分散系中,颗粒间相互作用表现为引力;二氧化硅颗粒+乙醇分散系中,颗粒间相互作用表现为斥力.讨论了颗粒集体平移扩散系数随颗粒浓度变化规律与第二渗透维里系数的关系.     

裂缝性介质多尺度深度学习模型

结合人工神经网络建立裂缝介质多尺度深度学习流动模型.基于一套粗网格和一套细网格,通过在粗网格上训练数据,多尺度神经网络能够以较少的自由度训练出准确的神经网络.并在粗网格上通过求解局部流动问题获得多尺度基函数,结合神经网络进一步得到精细网格的解.基于离散裂缝的流动方程可视为多层网络,网络层数依赖于求解时间步数.阐述裂缝介质多尺度机器学习数值计算格式的建立,介绍如何使用多尺度算法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,并采用超样本技术进一步提高计算准确性.数值结果表明,多尺度有限元算法与机器学习结合是一种有效的流体流动模拟算法.