粗粒化投影積分多尺度模擬方法研究及其應(yīng)用.pdf

1、基于微觀、介觀等細(xì)微尺度的模擬方法如動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅(KMC)方法、格子玻爾茲曼方法(LBM)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法等是揭示復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程中時(shí)空多尺度本質(zhì)特征的重要、甚至有時(shí)是唯一的研究方法，但由于這些細(xì)微單一尺度模擬方法完全依賴(lài)于計(jì)算困難的細(xì)微仿真器，必須通過(guò)仿真器依次計(jì)算每個(gè)演化步，因此它們經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)巨大及CPU耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的難題，以致于模擬無(wú)法實(shí)現(xiàn)。本文所研究的粗?；队胺e分只需通過(guò)對(duì)復(fù)雜過(guò)程的細(xì)微仿真器計(jì)算少量演化步，然后

2、用傳統(tǒng)數(shù)值方法對(duì)仿真器演化后得到的宏觀物理量進(jìn)行有效外推，即能夠快速且準(zhǔn)確地獲取后續(xù)演化步的宏觀物理量，從而有效滿足研究需求。因此，對(duì)先進(jìn)能源利用系統(tǒng)中的多種復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程開(kāi)展的基于粗?；队胺e分的多尺度模擬研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　本論文將粗?；队胺e分這一仿真理念引入至先進(jìn)能源系統(tǒng)的反應(yīng)擴(kuò)散現(xiàn)象中，以實(shí)現(xiàn)其框架之上的多尺度模擬。主要完成的研究工作如下：
　?、僭敿?xì)給出粗?；队胺e分的多尺度仿真機(jī)制，并初步

3、建立了用于模擬先進(jìn)能源系統(tǒng)中反應(yīng)擴(kuò)散的伸縮式投影積分多尺度框架。
　?、趪L試從微觀和介觀這兩個(gè)細(xì)微尺度出發(fā)對(duì)先進(jìn)能源系統(tǒng)中典型的Schlogl、Selkov反應(yīng)擴(kuò)散現(xiàn)象進(jìn)行了伸縮式投影Euler多尺度模擬，并著重與以往細(xì)微單尺度模擬進(jìn)行對(duì)比分析。
　　分別在微觀和介觀上建立了Schlogl、Selkov反應(yīng)擴(kuò)散的KMC模型（微觀仿真器）和LBM模型（介觀仿真器）；根據(jù)Schlogl、Selkov反應(yīng)擴(kuò)散的尺度間關(guān)聯(lián)提取了提升

4、算子和約束算子，并實(shí)現(xiàn)這些算子與微觀/介觀仿真器之間的動(dòng)態(tài)耦合；采用外推格式為向前Euler式的二級(jí)伸縮式投影方式對(duì)反應(yīng)物濃度進(jìn)行了有效數(shù)值外推。
　?、厶岢隽艘环N針對(duì)于燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的伸縮式投影Adams方法。
　　以固體氧化物燃料電池（SOFC）中的電化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散過(guò)程為例，對(duì)SOFC電極/流道中氫氣、氧氣和水蒸氣等氣體的分布狀況進(jìn)行了基于介觀的伸縮式投影Adams多尺度模擬，通過(guò)與單尺度LBM模擬和TPE模擬的結(jié)果進(jìn)

5、行比較，驗(yàn)證了所提多尺度方法的準(zhǔn)確性和高效性。
　?、苁状我远喑叨鹊挠^點(diǎn)從介觀尺度出發(fā)對(duì)SOFC電化學(xué)性能進(jìn)行伸縮式投影Adams多尺度模擬研究。
　　建立了不同工況條件下的SOFC電化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散的LBM模型（介觀仿真器），根據(jù)SOFC中宏觀/介觀電化學(xué)反應(yīng)特征構(gòu)建出提升和約束算子，利用二階Adams-Bashforth數(shù)值法的預(yù)測(cè)—校正優(yōu)點(diǎn)實(shí)施伸縮式投影外推處理。通過(guò)不同影響因素下的動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)揭示了SOFC內(nèi)部更為真實(shí)的

6、電化學(xué)特性。
　　本文實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)能源系統(tǒng)中幾種反應(yīng)擴(kuò)散現(xiàn)象的伸縮式投影積分多尺度仿真，仿真結(jié)果表明用于模擬反應(yīng)擴(kuò)散的伸縮式投影積分不僅有力化解了以往細(xì)微單尺度模擬中出現(xiàn)的內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)巨大及CPU耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的難題，而且還從細(xì)微底層出發(fā)通過(guò)尺度間耦合更為真實(shí)地揭示了反應(yīng)擴(kuò)散內(nèi)在特性，為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)能源系統(tǒng)中更復(fù)雜和更細(xì)微層次的反應(yīng)擴(kuò)散模擬研究奠定了基礎(chǔ)。另外，將粗?；队胺e分仿真理念拓展運(yùn)用于先進(jìn)能源系統(tǒng)的其他物理化學(xué)現(xiàn)象中，也是今后一個(gè)重要的