基于群平衡理论的纳米颗粒两相流泰勒展开矩方法研究

Polydisperse particle and two-phase systems is widespread in the fields of haze formation and control, colloidal phase transition and dynamical processes, engineered nanoparticle synthesis. To investigate these systems, it requires theoretical methods to have abilities to reveal dynamical mechanism on the mesoscale and trace the evolution of particle size distribution over time. The population balance modeling (PBM) based on the Smoluchowski's mean field theory is considered as the optimal solution to solve this kind of problem; among them, the Taylor-series expansion method of moments (TEMOM) is one of the main methods in PBM. However, TEMOM needs to be further studied in the following aspects, including (1) dimensionality reduction and closure of population balance equation in the 0 dimension case, mainly involving multivariate, multimodal, basis function selection and optimization, and inversion of particle size distribution from low and finite moments; (2) coupling of moment equations with turbulence models under non-zero particle inertia; (3) establishment and verification of PBM models in low particle Reynolds number and dilute conditions. Through theoretical analysis, numerical calculation and experimental verification, TEMOM is expected to be developed into a universal Eulerian-Eulerian two-phase system that fully realizes the continuous phase and discrete phase coupling processing and has high accuracy, efficiency and practical value.

多分散颗粒两相流广泛存在于雾霾形成和防治、胶体相变过程、工业纳米颗粒合成等领域，针对这一类问题的理论研究方法，要求必须具备揭示介观尺度动力学和尺度谱演变的能力。基于Smoluchowski平均场理论的颗粒群平衡模拟被认为是解决此类问题的最优解决方案；其中，泰勒展开矩方法是颗粒群平衡模拟中的主要方法之一。但是，这一方法在如下几个方面需进一步研究，包括（1）零维情况下颗粒群平衡方程的降维和封闭处理，主要涉及多变量、多模态、基函数选择优化和尺度谱反演问题；（2）矩方程在非零惯性情况下与湍流模型的耦合；（3）PBM在低颗粒雷诺数、非稀相系统中的模型构建和验证。本项目主要针对上述问题，通过理论分析、数值计算和实验验证等，使该方法发展成为一个完全实现连续相与离散相耦合处理、具备较高精度、效率和实用价值的Eulerian-Eulerian两相流通用方法。

纳米颗粒多相流在自然界中广泛存在，但是，相关问题动力学过程的数值计算方法研究仍需改进。基于此，本项目开展了基于群平衡理论的纳米颗粒两相流泰勒展开矩方法研究。经过4年的研究，完成了研究计划目标和任务要求，共在三个方面取得研究进展，包括：（1）在零维情况下，泰勒展开矩方法的普适性问题研究；（2）PBE与湍流模型的耦合处理研究；（3）应用于非稀相、低颗粒雷诺数的微观尺度模型研究。在本项目支持下，进一步发展了泰勒展开矩方法，并建立了新的气溶胶自保持分布的理论分析方法。. 在本项目支持下，共发表被标注SCI论文9篇，其中在权威大气科学期刊Journal of the Atmospheric Science发表2篇，在权威期刊International Journal of Heat and Mass Transfer发表2篇，在自然指数期刊Journal of Geophysical Research: Atmospheres发表1篇，在权威流体期刊Physics of Fluids发表1篇，在中科院SCI大类一区Geoscience Frontiers发表1篇。项目负责人目前主持编撰著作1部（IntechOpen出版社）。. 在本项目支持下，项目负责人受邀国际会议邀请报告7次，主办全国性会议3次，参与国家标准制定4项，作为第一人获浙江省科技进步二等奖。相关研究成果，支持了微纳米颗粒粒径谱测量设备的开发，申请发明专利14件，其中美国发明专利1件，目前授权6件。. 在项目执行过程中，项目负责人获得国家万人计划青年拔尖人才支持，支持经费200万元，有力支持了本项目实验平台的建设。