颗粒系统介观尺度平均理论：理论建立及其在复杂体系中的应用

The project aims to develop a general mesoscopic local averaging theory to link discrete to continuum description of granular dynamics and a comprehensive understanding of the underlying physics including the formation of mesoscale structures. This will be achieved through detailed analysis of the particle-particle and particle-wall/fluid interactions at microscopic scales, supported by the newly developed averaging theory and novel discrete particle simulation. The results, in terms of constitutive relations and boundary conditions, will be implemented in continuum-based process modelling and tested by comparing numerical, theoretical and experimental results via typical case studies. The research outcomes will not only significantly enhance our understanding of mesoscale structures and dynamics, but also ultimately lead to energy efficient and internationally competitive metallurgical and chemical industries in China.

本项目拟建立一个通用的介观尺度局部平均理论，用来关联描述颗粒动力学的离散和连续方法；与此同时，全面地认识颗粒行为内在的物理机制，包括介观尺度结构的形成。为此，将采用新开发的局部平均理论以及新颖的离散颗粒模拟方法，对颗粒之间、颗粒与壁面（或者流体）之间的相互作用进行详细分析。由此所形成的本构关系和边界条件将应用到基于连续方法的过程模拟，并基于典型的案例通过对比数值、理论和试验结果来进行测试和验证。拟取得的成果不仅对揭示颗粒在介观尺度下的结构和动力学特征具有重大促进作用，而且对提高国内化工、冶金行业能量利用效率及国际竞争力具有重要意义。

化石燃料和资源转化利用工业是国民经济的重要支柱，但效率低、污染重、资源浪费严重以及技术开发周期长、费用高等问题已成为这些行业和全球可持续发展的瓶颈。.本项目旨在针对颗粒及其多相流多时空尺度的特点，围绕平均理论为中心，解决多相流动中的一系列与介观尺度相关的根本科学问题，建立一套行之有效的理论和计算机模型，为降低化石燃料和资源转化利用等过程工业的技术开发成本和周期提供一种新方法。本研究取得如下成果：.1) 基于LBM方法，研究了单（多）颗粒－非牛顿流体体系中的颗粒和流体的相互作用，形成可以应用于非牛顿流体的曳力公式和颗粒尺度传热系数计算公式。.2) 同时扩展CFD-DEM模型用于模拟热化学行为。为了克服基于CFD-DEM模型计算量大，计算机能力要求极高的特点，开发了基于相似理论的能够描述移动床内气固热化学行为的模型，可以大幅度缩小计算能力需求或者计算时间。.3) 建立了描述高炉移动床和流化床内谷物颗粒干燥的热化学行为模型，并进行了广泛的参数研究.4) 对平均理论中所需的时间和空间平均尺度进行了广泛的研究，获得了可以获取稳定宏观变量所需的平均尺度的范围；并基于稳定宏观变量建立了固相压力和固相体积分率的关系，和文献中的测定结果、理论和半经验关系式进行了对比。发现对于高固相体积分率，目前已存在的关系式都需改进。.5) 从基本土壤力学本构关系式出发，建立了基于欧拉方法的模拟颗粒流动的模型并拓展到模拟颗粒混合和偏析过程。该模型可以同时考虑颗粒物质的类固体和类液体特性。