燃料特性与湍流反应流体力学研究进展：跨尺度流动、传热、燃烧和流固界面的先进数值模型
（1）研究背景
近年来本实验室郭照立教授原创提出的“离散统一气体动理学格式”（Discrete Unified Gas Kinetic Scheme, DUGKS）被广泛验证能够用于模拟从连续流到自由分子流的全流域流动问题，然而这类方法主要用于模拟单组分气体流动。在自然界和工程实际中，混合气体的多尺度流动传输问题广泛存在，如微型电机系统装置（MEMS）和燃料电池中混合气体的反应与输运，以及页岩气开采中混合气体在岩心的扩散等。因此，我们需要发展能够模拟全流域流动的两组分气体的离散统一动理学格式。
实际上，跨尺度现象在流动、传热、燃烧和液固界面传递等过程中是一个普遍现象。以离子液体超级电容为例，电能储存于电压作用下电极表面上形成的微纳尺度固液界面（双电层）。因而，研究电极表面上双电层的形成过程与固液界面性质，是获知其工作机理并设计/制造性能更优的器件/装置的核心所在。此外，因其吸水性，离子液体中的水总是难以被彻底除去。特别是已有理论和实验研究表明离子液体中的水将会富集在电极表面上，从而使器件/设备的工作电压变小，最终导致其工作性能降低。因此，如何减小受潮离子液体中水的负面影响（即在电极表面上的吸附），成为了利用离子液体作为电解质而需解决的关键问题。
（2）主要研究内容
①跨尺度多相反应流是煤高效清洁燃烧、燃煤可吸入颗粒物排放与控制、CO2地质封存及利用等国家重大需求领域的共性基础科学问题，也是能源、环境、力学等诸多学科的前沿研究方向。我们近年从介观动理学理论出发，构建了描述跨尺度多相反应流的介观模型和方法，并应用于揭示复杂多相反应流的内在机理。在之前提出的一类新型的介观方法——离散统一气体动理学格式(Discrete Unified Gas-Kinetice Scheme, DUGKS)的基础上，提出了描述运动颗粒和流体相互作用的微纳尺度滑移颗粒气固两相流及具有更好的稳定性的不混溶两相流的DUGKS模型；发展了基于多种气体碰撞的两组分混合的DUGKS方法。以上研究成果发表在权威期刊Journal of computational physics、International Journal of Heat and Mass Transfer、Physical review E以及Physics of fluids等。
② 在小扰动的作用下液滴的形成和稳定性在工业界有着非常广泛的应用，如喷雾燃烧、微型芯片制造以及生物工程微剂量传输等。通过数值计算和实验，研究了压电式液滴喷射影响液滴喷射稳定性的基本参数，包括喷嘴尺寸，驱动参数（用于驱动液滴形成的脉冲幅度和宽度）和流体性质等。结果表明，通过减小脉冲幅度和宽度，降低流体密度和粘度或增加喷嘴直径和流体表面张力可以提高稳定性，同时界定了现有稳定性判据的适应范围。通过分析实验、模拟数据，提出了一个结合热物理性质和系统尺寸的无量纲数，并基于该无量纲参数和另一驱动参数，提出了一个新的液滴稳定性判据。相关研究成果发表于传统流体力学领域顶级期刊Journal of Fluid Mechanics上。
图1 液滴稳定性相图
③ 将梯度式结构亚网格（subgrid-scale，SGS）模型与部分搅拌反应（partially stirred reactor，PaSR）燃烧方法相结合，提出了一种非线性大涡模拟（LES）框架，并用利用该框架结合详细的化学动力学模拟了在中等或低氧稀释（moderate or intense low-oxygen dilution, MILD）条件下的湍流甲烷/氢气喷射火焰。非线性LES框架在亚网格模型（SGS）参数化和计算化学反应速率方面与之前的一些模拟方法相比有了显着的改进。模拟得到的平均温度以及主要、次要物种的质量分数与实验数据和其他参考模拟结果比较表明，这种非线性LES框架可以准确预测MILD火焰的结构，定量结果也比之前的一些模拟方法相比有了显着的改进。这表明改进的SGS建模方法和PaSR燃烧模型可以提高LES的模拟结果的准确性，提出的非线性LES是模拟湍流混合层和湍流燃烧的一种有前景的方法。相关研究成果发表于燃烧领域顶级期刊Proceedings of the Combustion Institute上。
图2 (a) 燃烧器示意图；(b) HM1情况下的瞬时温度等高线
④ 为解决离子液体含水对固液界面带来的负面影响，我们研究了离子液体的亲疏水性对水在电极表面的电吸附行为的决定性作用。利用分子动力学模拟计算为研究手段，以离子液体的亲/疏水性为突破口，我们发现采用亲水性离子液体可以有效避免受潮离子液体中的水吸附在负电极表面上，从而可以避免工作电压的降低；这一方案适用于具有不同材质的电极（如金电极与碳电极）。根据模拟结果分析，进一步阐述了相应的微观作用机制和实现原理：来自于电极和离子液体的范德华和静电作用决定了水的赋存状态，使得亲水性离子液体中的水远离了电极表面。模拟预测的结果被团队的厦门大学合作者给予了实验证实。工作发表在Nature Communications上。
图3 亲水性离子液体可避免工作电压窗口的降低
（3）主要创新点和贡献
从介观层次研究了跨尺度多相多组分流动的理论建模和数值预测方法，克服了微观方法和宏观方法无法单独描述跨尺度流动的缺陷，可以自适应地描述跨尺度动态演变过程，为研究跨尺度多相多组分流动提供可靠高效的手段。并用于若干复杂流动的机理研究，如研究了多颗粒系统的迁移和沉降特性等。
界定了现有稳定性判据的适应范围；提出了一个结合热物理性质和系统尺寸的无量纲数，并基于该无量纲参数，提出了一个新的液滴稳定性判据，给出了提高液滴稳定性的几种方法。
以往的燃烧湍流模型多是线性模型，其描述复杂的非定常湍流问题的能力有待提高。我们将梯度式结构亚网格（subgrid-scale，SGS）模型与部分搅拌反应（partially stirred reactor，PaSR）燃烧方法相结合，提出了一种非线性LES框架。非线性LES框架在亚网格模型（SGS）参数化和计算化学反应速率方面有了显着的改进。
通过分子动力学模拟研究，我们阐述了超级电容器热固界面微观作用机制：来自于电极和离子液体的范德华和静电作用决定了水的赋存状态。从微观界面与能质传递角度出发，以储能器件中的电极-电解质固液界面为研究对象，探究了不同离子液体对电极表面上吸附水的影响规律及其作用机理，并给出了解决方案和实现原理。研究结果不但有助于人们进一步认知离子液体超级电容器的储能机制，给超级电容器的开发与设计提供新思路、新方案，而且有利于离子液体在其它以电极-电解质固液界面为关键点的领域内的应用，同时有助于研究者利用模拟计算手段去探究微纳尺度界面与能质传递现象。
（4）重要论著及专利
序号 |
成果名称 |
完成人 |
刊物、出版社或授权单位名称 |
年、卷、期、页或专利号 |
类型 |
类别 |
1 |
Minimizing the electrosorption of water from humid ionic liquids on electrodes |
Sheng Bi, Runxi Wang, Shuai Liu, Jiawei Yan*, Bingwei Mao, Alexei A. Kornyshev* and Guang Feng*, |
Nature Communications |
2018, 9(1): 5222 |
论文 |
合作完成（我方为主） |
2 |
Understanding Electric Double Layer Gating Based on Ionic Liquids: from Nanoscale to Macroscale |
Wei Zhao#, Sheng Bi#, Philip D. Rack, Thomas Zac Ward, Sergei V. Kalinin, Sheng Dai, Guang Feng* |
ACS Applied Materials & Interfaces |
2018,10(49):43211-43218 |
论文 |
独立完成 |
3 |
Aqueous thermogalvanic cells with a high Seebeck coefficient for low-grade heat harvest |
Jiangjiang Duan, Guang Feng, Boyang Yu, Jia Li, Ming Chen, Peihua Yang, Jiamao Feng, Kang Liu, and Jun Zhou* |
Nature Communications |
2018,9(1):5146 |
论文 |
合作完成（我方为辅） |
4 |
Systematic Comparison of Force Fields for Molecular Dynamic Simulation of Au(111)/Ionic Liquid Interfaces |
Runxi Wang, Sheng Bi, Volker Presser, Guang Feng* |
Fluid Phase Equilibria |
2018,463: 106-113 |
论文 |
独立完成 |
5 |
Numerical investigation of dilute aerosol particle transport and deposition in oscillating multi-cylinder obstructions |
Tao Shi, Zhang Haolong, Guo Zhaoli, Wang LianPing |
Advanced Powder Technology |
2018,29(9):2003-2018 |
论文 |
第一完成人(非独立完成) |
6 |
A comparative study of discrete velocity methods for low-speed rarefied gas flows |
Wang Peng, Ho Minh Tuan, Wu Lei, Guo Zhaoli, Zhang Yonghao |
Computers & Fluids |
2018,161:33-46 |
论文 |
非第一完成人(非独立完成) |
7 |
A discrete unified gas-kinetic scheme for immiscible two-phase flows |
Zhang Chunhua, Yang Kang, Guo Zhaoli |
International Journal of Heat and Mass Transfer |
2018,126:1326-1336 |
论文 |
独立完成 |
8 |
Numerical study on mass transfer from a composite particle settling in a vertical channel |
Hu Junjie, Guo Zhaoli |
International Journal of Heat and Mass Transfer |
2018,117:132-142 |
论文 |
独立完成 |
9 |
A combined immersed boundary and discrete unified gas kinetic scheme for particle-fluid flows |
Shi Tao, Haolong Zhang, Zhaoli Guo, LianPing Wang |
Journal of Computational Physics |
2018,375:498-518 |
论文 |
独立完成 |
10 |
Direct numerical simulation of turbulent pipe flow using the lattice Boltzmann method |
Cheng Peng, Nicholas Geneva, Zhaoli Guo, LianPing Wang |
Journal of Computational Physics |
2018,357:16-42 |
论文 |
独立完成 |
11 |
Discrete unified gas kinetic scheme for all Knudsen number flows. III. Binary gas mixtures of Maxwell molecules |
Zhang Yue, Zhu Lianhua, Wang Ruijie, Guo Zhaoli |
Physical Review E |
2018,97:053306(1-15) |
论文 |
第一完成人(非独立完成) |
12 |
Lattice Boltzmann model for high-order nonlinear partial differential equations |
Chai Zhenhua, He Nanzhong, Guo Zhaoli, Shi Baochang |
Physical Review E |
2018,97:011304 |
论文 |
非第一完成人(非独立完成) |
13 |
Preconditioned multiple-relaxation-time lattice Boltzmann equation model for incompressible flow in porous media |
Xuhui Meng, Liang Wang, Xiaofan Yang, Zhaoli Guo |
Physical Review E |
2018,98(5):053309 |
论文 |
独立完成 |
14 |
Analysis of droplet stability after ejection from an inkjet nozzle |
Yonghong Zhong, Haisheng Fang, Qianli Ma, Xuran Dong |
Journal of Fluid Mechanics |
2018,845:378-391 |
论文 |
独立完成 |
15 |
Influences of growth parameters on the reaction pathway during GaN synthesis |
Zhi Zhang, Zhongyi Liu, Haisheng Fang |
Journal of Crystal Growth |
2018,482:44-55 |
论文 |
独立完成 |
16 |
Modeling and optimization of porous silica ingot melting during quartz glass synthesis |
Qianli Ma, Haisheng Fang, Zhongyi Liu, Shangkun Wang |
Applied Thermal Engineering |
2018,131:786-792 |
论文 |
独立完成 |
17 |
Thermal optimization of induction-heated pulling-down furnace for quartz glass rod fabrication |
Qianli Ma, Zhongyi Liu, Yonghong Zhong, Yudong Lang, Xiaozhou Liu, Haisheng Fang |
Applied Thermal Engineering |
2018,141:1-9 |
论文 |
独立完成 |
18 |
基于非线性梯度模型的喷雾求解软件 |
鲁昊 |
中华人民共和国国家版权局 |
2018SR675589 |
计算机软件著作权 |
独立完成 |
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