（1）研究背景
跨尺度流动与传热机理研究是能源、环境、物理、力学等诸多学科的研究前沿，也是燃煤可吸入颗粒物排放与控制、CO2地质封存及强化驱油驱气等国家重大需求领域的共性基础科学问题。由于涉及到宽谱的时空尺度，常规连续模型和微观分子模型对此类复杂输运过程有很大的限制，因此构建高效可靠的跨尺度流动与传热数值模型一直是当前该领域的挑战性难题。我们在此方向开展了长期的系统性研究，特别是近年从载能粒子的动理学理论出发，构建了描述跨尺度流动与传热过程的统一离散动理学方法（Discrete Unified Gas-Kinetic Scheme, DUGKS），并用于研究此类复杂输运过程的规律与机理。本年度的主要进展分述如下。
（2）主要研究内容
1）提出了跨尺度流动与传热的统一动理学数值模型（DUGKS）。针对跨尺度流动与传热中常规方法难以描述大时空尺度跨度的困难，我们从流体分子的介观动理学输运理论出发，构建了一类新型的跨尺度流动传热数值模型-DUGKS。该方法可根据流动的局部尺度信息自适应地动态演变，跨越从自由分子流到连续流动。在流体流动与传热DUGKS方法基础上，进一步推广到固体材料中的声子传热问题。在数值模型的基础上，开发了基于DUGKS的跨尺度流动传热计算平台（dugksFoam），可开展大规模三维并行数值模拟。
2）基于DUGKS研究了非连续条件下若干由温差驱动的非平衡热流问题。在国际上首次研究了三维封闭空间内温度导致的非平衡条件下的热蠕流。以往方法由于存储量的限制，所有研究限于二维问题。我们采用首创的隐式高效存储技术，研究了不同非连续情况下的流动规律，分析了Knudsen数、温差、几何形状等因素对流动结构、滑移速度等流场特征的影响，并且首次发现了新的涡结构。进而研究了不同Knudsen条件下四类温差导致的非平衡流动，包括热蠕流、热缘流、热辐射流、简单温度流等非连续流动传热问题。此类流动的流速非常低，常用的DSMC粒子方法收敛很慢且包含较大的统计噪声。研究结果证实了DUGKS在捕获跨尺度流动与传热问题的卓越性能。我们还研究了非连续条件下齿形槽道内温差驱动的非平衡流动和壁面受力规律和机理，分析得到了热驱力与Knudsen数间的关系，发现该装置可以作为一类热机模型，并分析了输出功率和热效率与Knudsen数、温差、几何结构之间的关系。
图1 不同Knudsen数下齿形槽道热机功率与效率
3）应用DUGKS方法研究了等温和非等温湍流现象。等温湍流包括不可压三维均匀各向同性湍流、三维Taylor–Green涡、槽道湍流等，并与格子Boltzmann方法（LBM）进行了对比分析，发现在同样的均匀网格下，DUGKS的耗散比LBM大，但稳定性更好；但对于包含壁面的湍流，由于DUGKS可以采用非均匀网格，DUGKS可以得到更好的结果，并且计算效率也较高。对非等温湍流，研究了三维高Rayleigh数自然对流（Ra~1010），发现高Rayleigh数范围内Nusselt数与Ra之间符合一个指数定量关系式。
图2 Nusselt数与Rayleigh数间的关系
以上研究工作在专业期刊International Journal of Heat and Mass Transfer、Journal of Computational Physics、Physical Review E等发表17篇系列性文章，在国内外学术会议和学术机构进行邀请报告8次。任Advances in Applied Mathematics and Mechanics、Scientific Report、Science Bulletin等国际期刊编委，介观方法国际会议ICMMES学术委员会委员、亚洲流动与传热计算国际会议ASCHT咨询委员会委员。
（3）主要创新点和贡献
对跨尺度流动与传热过程，常规的宏观连续模型难以刻画小尺度上的物理过程，微观粒子方法难以刻画大尺度上的物理过程。描述此类问题的主流方法是混合模型（在不同子区域分别采用宏观和分子模型）则难以描述动态变化问题。我们提出的DUGKS方法以分子动理学的Boltzmann理论为基础，属于介观模型，克服了微观方法和宏观方法的根本性限制，可以自适应地描述跨尺度流动与传热的动态演变过程，从而为研究跨尺度流动传热这类复杂物理过程的机理提供了可靠高效的研究手段。所提出的方法已得到美、英、法、德等国家同行学者的跟踪，被应用于湍流、温室气体地质封存、非常规油气藏开发、航空航天等领域，被法国航空航天国家实验室的学者在文中评价为“所提方法改变了研究现状”["This situation has changed when Guo et al presented an approach that received attention under the name of Discrete Unified Ga Kinetic Scheme (DUGKS)", J.T. Horstmann et al., J. Comput. Phys. 349: 399-414 (2017)]。
（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 |
Thermally induced rarefied gas flow in a three dimensional enclosure with square cross-section |
Lianhua Zhu, Xiaofan Yang, Zhaoli Guo |
Physical Review Fluids |
2017, 2 (12): 123402 |
论文 |
独立完成 |
2 |
Numerical study of three-dimensional natural convection in a cubical cavity at high Rayleigh numbers |
Peng Wang, Yonghao Zhang, Zhaoli Guo |
International Journal of Heat and Mass Transfer |
2017, 113: 217-228 |
论文 |
独立完成 |
3 |
A numerical study on the migration of a neutrally buoyant particle in a Poiseuille flow with thermal convection |
Junjie Hu, Zhaoli Guo |
International Journal of Heat and Mass Transfer |
2017, 108: 2158-2168 |
论文 |
独立完成 |
4 |
Numerical study on the sedimentation of single and multiple slippery particles in a Newtonian fluid |
Shi Tao, Zhaoli Guo, Lian-Ping Wang |
Powder Technology |
2017, 315: 126-138 |
论文 |
独立完成 |
5 |
Gas-Solid Drag Coefficient for Ordered Arrays of Monodisperse Microspheres in Slip Flow Regime |
Shi Tao, Zhaoli Guo |
Chemical Engineering & Technology |
2017, 40(10): 1758-1766 |
论文 |
独立完成 |
6 |
dugksFoam: An open source OpenFOAM solver for the Boltzmann model equation |
Lianhua Zhu, Songze Chen, Zhaoli Guo |
Computer Physics Communications |
2017, 213: 155-164
|
论文 |
独立完成 |
7 |
Performance evaluation of the general characteristics based off-lattice Boltzmann scheme and DUGKS for low speed continuum flows |
Lianhua Zhu, Peng Wang, Zhaoli Guo |
Journal of Computational Physics |
2017, 333: 227-246 |
论文 |
独立完成 |
8 |
Numerical study of nonequilibrium gas flow in a microchannel with a ratchet surface |
Lianhua Zhu, Zhaoli Guo |
Physical Review E |
2017, 95(2): 023113 |
论文 |
独立完成 |
9 |
An efficient unified iterative scheme for moving boundaries in lattice Boltzmann method |
Junjie Hu, Shi Tao, Zhaoli Guo |
Computers & Fluids |
2017, 144:34-43 |
论文 |
独立完成 |
10 |
Drag correlation for micro spherical particles at finite Reynolds and Knudsen numbers by lattice Boltzmann simulations |
Shi Tao, Haolong Zhang, Zhaoli Guo |
Journal of Aerosol Science |
2017, 103: 105-116 |
论文 |
独立完成 |
11 |
Pore-scale study on reactive mixing of miscible solutions with viscous fingering in porous media |
Timan Lei, Xuhui Meng, Zhaoli Guo |
Computers and Fluids |
2017,155:146-160 |
论文 |
独立完成 |
12 |
Modifying the interphase drag via solid volume fraction gradient for CFD simulation of gas-solid flows in fast fluidized beds |
Mingze Su, Haibo Zhao |
IChE Journal |
2017, 63(7): 2588-2598 |
论文 |
独立完成 |
13 |
Numerical investigation on non-steady-state filtration of elliptical fibers for submicron particles in the “Greenfield gap” range |
Haokai Huang, Chaohe Zheng, Haibo Zhao |
Journal of Aerosol Science |
2017,114: 263-275
|
论文 |
独立完成 |
14 |
Characterization of dairy manure hydrochar and aqueous phase products generated by hydrothermal carbonization at different temperatures |
Wu Ke, Gao Ying, Zhu Guangkuo, Zhu Jinjiao, Yuan Qiaoxia, Chen Yingquan, Cai Mingzhi, Feng Liang |
Journal of Analytical and Applied Pyrolysis |
2017, 127: 335-342 |
论文 |
独立完成 |
15 |
On the growth rate of particle surface area for Brownian coagulation |
Mingliang Xie |
Journal of Aerosol Science |
2017, 113: 36-39 |
论文 |
独立完成 |
（1）研究背景
煤在可预期的未来仍将是我国的最主要化石能源，实现对煤的清洁高效利用是当前研究的重要课题。热解、气化、液化、新型燃烧等方式是煤的清洁高效利用的主要途径，而煤的结构直接决定了其在热转化过程中的化学反应特性。煤的物理化学结构极其复杂，虽然煤结构的研究历史已有近百年，但大部分对煤结构的模型仍停留在概念化阶段，对煤的实际热反应过程理解和描述十分有限。作为清洁高效利用最根本的理论基石，煤结构与反应性的关联对指导传统燃烧清洁化利用以及富氧燃烧/MILD燃烧等新型技术开发具有重要指导意义。随着检测分析技术以及计算机辅助计算的不断发展，使得更深入全面地认识煤结构及其反应性成为可能。
（2）主要研究内容
1）借助微波辅助萃取，对煤的骨架结构和活性组分实现了有效分离。并结合FT-IR、Raman、FT-ICR MS等多种检测手段，在分子层面上对煤的骨架结构和活性组分进行了多角度全面分析。针对煤的骨架结构，提出了一种拉曼光谱全谱段高效解析方法，发现了拉曼光谱相关特征参数可以与煤中的挥发分、固定碳、燃料比、C/H原子比等建立良好的关联关系，从光谱学的角度，分析了煤的结构，并建立了基于拉曼光谱分析的原煤煤质检测方法。针对煤中的移动相等小分子结构，研究确定了活性组分中30种官能团的相对含量；对活性组分进行进一步分离分析，发现活性组分内在组成的分子量与芳香环核大小存在正相关关系，且不同煤种活性组分的苯环大小与含氧数量存在不同关联性。借助FT-ICR MS的超高分辨率解析，清晰地给出了活性组分中沥青质组分的化学结构组成，为煤的高附加值产品转化提供了重要的理论依据。相关研究成果发表于Fuel, Fuel Processing Technology等本方向专业权威期刊上。
图3 原煤二阶拉曼光谱分峰解析方法
2）在前述工作的基础上，对煤在热转化过程中结构的演化进行了深入分析。采用拉曼光谱检测了不同热解程度及不同热解温度下，煤骨架结构的演化特性，与此同时，采用分布逐级萃取以及对热解半焦深度分离等方法，研究了热解过程中煤中移动相小分子结构对热解过程的影响，以及在热解过程中小分子的释放行为，提出了基于两相模型的煤热解机理。与此同时，对32种原煤的燃烧特性进行了定量分析，通过数据关联，数据回归等发现了影响煤粉燃烧反应性的关键煤结构特性，最终建立了煤骨架架构参数与煤燃烧反应性的定量关联。实现了煤结构的研究与煤热转化过程中反应性的有效关联。相关研究成果发表于Fuel, Applied Energy等本方向专业权威期刊上。
图4 煤粉的着火温度Ti随原煤拉曼光谱特征参数AD/S1的变化趋势
（3）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 |
Molecular structure characterization of the tetrahydrofuran microwave-extracted portions from three Chinese low-rank coals |
Liangping Zhang, Song Hu, Qindong Chen, Lingfeng Xiao, Syed Shatir A,Syed-Hassan, Long Jiang, Yi Wang, Sheng Su, Jun Xiang |
Fuel
|
2017 189:178–185
|
论文 |
独立完成 |
2 |
Identification of the structural characteristics of the asphaltenes in the tetrahydrofuran-microwave-extracted portions from two Chinese coals
|
Zhang Liangping, Hu Song, Chen Qindong, Han Hengda, Xiao Lingfeng, Xu Jun, Jiang Long, Xu Kai, Su Sheng, Wang Yi, Xiang Jun |
Fuel Processing Technology
|
2017 160:86-92
|
论文 |
独立完成 |
3 |
Micro-Raman spectroscopy study of 32 kinds of Chinese coals: second-order Raman spectrum and its correlations with coal property
|
Jun Xu, Hao Tang, Sheng Su, Jiawei Liu, Hengda Han, Liangping Zhang, Kai Xu, Yi Wang, Song Hu, Yingbiao Zhou, Jun Xiang |
Energy & Fuels
|
2017 31(8):7884-7893
|
论文 |
独立完成 |
4 |
Mechanistic influences of different solvents on microwave-assisted extraction of Shenfu low-rank coal
|
Liangping Zhang, Song Hu, Syed Shatir A,Syed-Hassan, Zhe Xiong, Yiming Xiao, Long Jiang, Kai Xu, Yi Wang, Sheng Su, Yingbiao Zhou, Jun Xiang |
Fuel Processing Technology
|
2017,166:276-281
|
论文 |
独立完成 |
5 |
Effects of reaction conditions on the emission behaviors of arsenic, cadmium and lead during sewage sludge pyrolysis |
Hengda Han,Song Hu, Syed, Yiming Xiao, Yi Wang, Jun Xu, Long Jiang, Sheng Su, Jun Xxiang |
Bioresource Technology
|
2017,246:138-145
|
论文 |
独立完成 |
6 |
Formation, fates and roles of catalytic precursors generated from the K2CO3–carbon interactions in the K2CO3–catalyzed CO2 gasification of coal char |
Long Jiang, Song Hu, Kai Xu, Yi Wang, Syed Shatir A. Syed-Hassan, Sheng Su, Changyi Liu, Jun Xiang |
Journal of Analytical and Applied Pyrolysis |
2017,124:384-392 |
论文 |
独立完成 |
7 |
Functional Mechanism of Inorganic Sodium on the Structure and Reactivity of Zhundong Chars during Pyrolysis |
Tang Hao, Xu Jun, Dai Zejun, Zhang Liangping, Sun Yi, Liu Wei, Mostafa Mohamed, Su Sheng, Hu Song, Wang Yi, Xu Kai, Zhang Anchao, Xiang Jun |
Energy & Fuels |
2017,31(10):10812-10821 |
论文 |
独立完成 |
8 |
Co-production of hydrogen and carbon nanotubes from the decomposition/reforming of biomass-derived organics over Ni/<alpha>-Al2O3 catalyst: performance of different compounds |
Limo He, Song Hu, Long Jiang, Guang Liao, Liangping Zhang, Hengda Han, Xiaofang Chen, Yi Wang, Kai Xu, Sheng Su, Jun Xiang |
Fuel |
2017,210:307-314 |
论文 |
独立完成 |
9 |
Thermochemical processing of sewage sludge to energy and fuel: fundamentals, challenges and considerations |
Syed Shatir A. Syed-Hassan, Yi Wang, Song Hu, Sheng Su, Jun Xiang |
Renewable & Sustainable Energy Reviews |
2017,80:888-913 |
论文 |
独立完成 |
10 |
Adsorption and reaction mechanism of arsenic vapors over g-Al2O3 in the simulated flue gas containing acid gases |
Hongyun Hu, Dunkui Chen, Huan Liu, Yuhan Yang, Hexun Cai, Junhao Shen,Hong Yao |
Chemosphere |
2017,180:186-191 |
论文 |
独立完成 |
11 |
Emission control of NOx precursors during sewage sludge pyrolysis using an integrated pretreatment of Fenton peroxidation and CaO conditioning |
Huan Liu, Linlin Yi, Hongyun Hua, Kai Xu, Qiang Zhang, Geng Lu, Hong Yao |
Fuel |
2017,195: 208–216 |
论文 |
独立完成 |
12 |
Deep study on effects of activated carbon’s oxygen functional groups for elemental mercury adsorption using temperature programmed desorption method |
Ping Sun, Bi Zhang, Xiaobo Zeng, Guangqian Luo, Xian Li, Hong Yao, Chuguang Zheng |
Fuel |
2017,200: 100–106 |
论文 |
独立完成 |
13 |
Improved sodium adsorption by modified kaolinite at high temperature using intercalation-exfoliation method |
Zhang Xiuju, Liu Huan, Xing Haoxuan, Li Haiyan, Hu Hongyun, Li Aijun, Yao Hong |
Fuel |
2017,191: 198–203 |
论文 |
独立完成 |
14 |
Kinetic Study on Coal Char Combustion in a Microfluidized Bed |
Yuan Fang, Renjie Zou, Guangqian Luo, Juan Chen, Zehua Li, Zhengjiang Mao, Xianqing Zhu, Fulei Peng, Shengqiang Guo, Xian Li,Hong Yao |
Energy & Fuels |
2017,31:3243−3252 |
论文 |
独立完成 |
15 |
Investigation of the anode reactions in solid oxide electrolyte based carbon fuel cells |
Xu Kai, Hu Hongyun, Li Zehua, Zhu Xianqing, Liu Huan, Luo Guangqian, Li Xian, Yao Hong |
International Journal of Hydrogen Energy |
2017,42:10264-10274 |
论文 |
独立完成 |
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