科学计算-岑可法院士ppt

能源动力学科中大规模科学计算问题岑可法浙江大学热能工程研究所世界能源消费增长年代 总消费量 人口人均消费总量增长人均增长(亿吨标煤/年)(亿)(吨/人)(倍数) (倍数) 1900 7.75 15.710.49 11 1925 15.6519.550.80 2.02 1.611950 26.6424.861.08 3.44 2.191975 85.7040.452.16 11.06 4.342000 157.550 3.1520.3 6.39TheProvedResourcesandServiceLifeFossil

Coal(Gt) Oil(Gt)Gas(Tm3)ProvedResources(China) 114.5 3.30.17 ProvedResources(World) 1043.86 137.314.1 ServiceWorld328 45 56 LifeChina587~85023.3 57.4典型的研究问题大型电站煤粉锅炉内气固多相流动、燃烧、传热传质复杂问题的研究炉内受热面、尾部烟道内管束受含灰气流冲击磨损问题的研究气固分离装置中气固多相流动问题的研究流化床燃烧中气固多相流动、燃烧、传热传质复杂问题的研究EnergyConstructionofChina

中国的能源结构

Year1990199520002015Coal煤76.276.171.362.6Oil油16.617.124.026.9RatiointotalNaturalgasconsumption天然气2.102.002.747.06(%)Hydro-electricity一次能源水电5.104.802.012.63消耗比例Nuclearenergy核能 / /0.210.79GLOBALEMISSIONS706050403020107654321SOxCO2NOxSOx(MtS)CO2(GtC)NOx(MtN)

1860190019502000Year炉内气流结构示意图19.6m16.4m58m大型电站锅炉结构示意图大型电站锅炉结构尺寸非常庞大，以600MW机组的锅炉为例，炉膛截面尺寸为19.616.4m2,

炉膛高度为58m.……

一.计算机辅助优化数值试验CAT(ComputerAidedTesting)的实质:将数值计算方法、多相流学、传热传质学、燃烧学及工程设计及运行相结合对具体工程实际问题，建立合适的物理模型、数学模型运用数理统计理论和计算设计与分析方法，进行优化计算，得出对工程应用有指导意义的结论。炉内流场的数值计算特点之一为提高计算的精确度，必须采用较密的网格，从而使网格节点数成倍的增加。如左图高长宽三个方向上的网格为1204840，总网格数达到23万之多。湍流问题湍流方程的封闭问题工程中大多数情况都是属于湍流问题需要对层流的N－S方程进行雷诺分解分解之后的出现至少十个未知的变量（对于三维问题），造成了不封闭的困难，这一困难也称之为封闭问题这十个变量是

而方程数并没有增加，这就引出封闭问题湍流模式综述紊流的数值模拟Euler描述法Lagrange描述法时均参数法大涡模拟和完全模拟紊流粘性系数法(BVM)应力/通量微分方程法(MRS)应力/通量代数方程法(ARS)单流体模型双流体模型平均速度场模型(零方程模型MVF)平均紊流动能模型平均紊流场模型常t模型混合长度一方程模型二方程模型粘性支层中加密网格壁面函数法K-模型K-W模型K-KL模型K-f模型高R数模型低R数模型浮升力影响曲率影响…...自由射流贴壁射流壁面函数一层模型二层模型三层模型最通常和最简单的处理封闭问题的方法是1877年Boussinesg提出的,得出分子粘度和平均变形率为工程中应用最为广泛的当属二方程模式的k-模型．优点是：应用范围广,简单．其缺点是：对于有突变的及强旋的流动有较大的偏差双方程k-湍流模型k-模型修正：非线性k-模型，低雷诺数k-模型等CAT模型中为了更有效地解决如四角切圆锅炉这样的旋流对象，引入Ｒichardson修正和新近发展起来的系数通过重正化群理论推导来的RNGk-模型直接数值模拟

（DirectNumericalSimulation,DNS）是近代湍流研究中用计算机直接求解N-S方程的一种方法。于70年代初开始提出，由于经验性半经验性的湍流模式理论对于非定常湍流、复杂几何湍流的预测很不准确的。DNS作为湍流研究的手段得到广泛的重视。随着计算机的不断改进,DNS方法发展很快，愈来愈得到关注。大涡模拟

（LargeEddySimulation,LES)是湍流运动的高级数值模拟。在直接求解N-S方程方法的计算量及占用计算机内存十分可观，用于高Renolds数或复杂湍流的数值模拟还有相当难度的情况下，大涡模拟应运而生。重力其他力阻力固体颗粒相的运动方程

颗粒受的其他力包括：

Magnus升力，Saffman升力，虚假质量力，

Basset力，湍流脉动力，热泳力,及热态燃烧时挥发份的喷射力等。固体颗粒在气流中湍流扩散对颗粒的运动轨迹影响很大，其模化问题是研究的热点。脉动频谱随机颗粒轨道模型(Fluctuation-Spectrum-Random-TrajectoryModel简称FRST模型)，是我们1988年提出的模型。模型特点：考虑了湍流气流的脉动频谱和强度对颗粒群运动的影响，也能反映出不同颗粒尺寸的颗粒组成对湍流扩散的影响。固体颗粒在气流中的湍流扩散煤粉颗粒的燃烧示意图灰分Daf煤水分炭挥发速率蒸发速率炭非均相反应速率挥发份析出时放出的气体物质容积气体容积气体煤粉颗粒的成份：挥发份,炭,水分,灰分。湍流预混火焰模型EBU模型（Eddy-Break-Up)漩涡破碎模型湍流燃烧区充满了已燃气和未燃气团化学反应在界面发生平均化学反应速率决定于未燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速率。热力氮NOX模型热力氮由Zeldovich机理来描述其生成速率与燃料剂中氧气与氮气的浓度相关锅炉受热面管束磨损和防磨的数值试验研究壁面粗糙度对颗粒碰撞的影响壁面粗糙度物理模型HrLrrmaxDp(a)Dp<LrHrLrrmaxDp(b)Dp>Lr单翅管计算截面

单翅管颗粒轨迹图双翅管计算截面

双翅管颗粒轨迹图鳍片管分离器截面FinnedTubesuS1yxS2B1鳍片管束分离器流场矢量图等值线图ParticlesTrajectoriesAlongFinnedTube1.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2-1.5-1-0.500.51－Dp=15my/dx/d1.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2-1.5-1-0.500.51－Dp=80my/dx/d1.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2-1.5-1-0.500.51－Dp=150my/dx/d1.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2-1.5-1-0.500.51－Dp=260my/dx/d(a)(d)(b)(c)PerformanceofDifferentSeparators*U-shape(1)*Louver(2)*SwirlingS-shapeChannel*U-beam*Finned*Square*SquareCyclone*Uniflow*Two-stageplatetubestubes(3)separatoruniflowcycloneseparatorSeparationefficiency50~7055~7060~9980~9080-9090-9494-9597~9996~9998-10097~99>99(%)PressurelossP10~5015~3010~4020~4010-3020-3010-2580-12040~90150-20080~12090-150(mmH2O)Particlediameter0.2860.177

0.05-0.3/0.2-0.30.260.260.1-0.260.160.1-0.30.1-0.260.26dp(mm)Circulationforbubbling1~21~22~33~46~205~20>106~20>20ratekfluidizedbeds(BFB)TypesofSeparators*HavebeenstudiedbyZhejiangUniversity

正反切圆布置炉内空气动力特性二次风反切系统原设计二次风反切25度中一次风截面中二次风截面三维颗粒轨迹图dp=20mdp=50mdp=90m三基色混色图红+绿=黄绿+蓝=青蓝+红=紫红+青=白绿+紫=白蓝+黄=白红+绿+蓝=白代数迭代法（ART）重建三维火焰温度场ART重建算例火焰断面重建的CCD布置嘉兴300MW电厂外景图嘉兴电厂火焰图象获取系统采用电厂仪用风作为风源双层冷却结构，保证冷却可靠性从BC层燃烧器观火孔中伸入，中间采用金属软管连接，可以跟随燃烧器摆动BC层断面温度场计算结果（1）非线性理论

在能源工业中的应用逾渗理论分形理论混沌理论神经网络小波分析逾渗理论及其在洁净煤领域的应用逾渗是指流体在多孔介质中通过并穿透整个介质到达介质外表面任一位置的现象，同时它又是指流体从不能穿透整个多孔介质到能够穿透整个介质所完成的一次状态突变。逾渗理论主要研究的是多孔介质孔隙足够小时介质与流体间的相互作用。逾渗理论在燃烧脱硫中的应用颗粒/孔隙结构模型(基于逾渗的脱硫模型)温度对脱硫效率的影响(基于逾渗的脱硫模型)

Ca/S比对脱硫效率的影响分形理论及其在洁净煤领域的应用研究对象非线性系统产生的不光滑和不可微的几何形体。典型性质具有无限精细的结构;比例自相似性;一般分形维数大于拓扑维数;可以由非常简单的方法定义并由迭代产生。分形理论在CFB高温脱硫中的应用

放大倍数为1000放大倍数为7500煅烧石灰石多孔结构的电镜照片用类似于Menger海绵的构造方法模拟煅烧石灰石大孔少小孔多、大小孔交错连通的结构

Menger海绵大的分形维数表示小孔份额多，大孔份额少。小孔过多易堵塞,大孔过多反应面积小,均不利于脱硫。

不同分形维数的CaO固硫反应混沌理论及其在洁净煤领域的应用混沌的四个主要特征：敏感初始条件、伸长与折叠、具有丰富的层次和自相似的结构、非线性耗散系统中存在混沌吸引子。混沌的本质为确定性系统中的内在随机性。