科學(xué)計算-岑可法院士ppt

能源動力學(xué)科中大規(guī)模科學(xué)計算問題岑可法浙江大學(xué)熱能工程研究所世界能源消費(fèi)增長年代 總消費(fèi)量 人口人均消費(fèi)總量增長人均增長(億噸標(biāo)煤/年)(億)(噸/人)(倍數(shù)) (倍數(shù)) 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典型的研究問題大型電站煤粉鍋爐內(nèi)氣固多相流動、燃燒、傳熱傳質(zhì)復(fù)雜問題的研究爐內(nèi)受熱面、尾部煙道內(nèi)管束受含灰氣流沖擊磨損問題的研究氣固分離裝置中氣固多相流動問題的研究流化床燃燒中氣固多相流動、燃燒、傳熱傳質(zhì)復(fù)雜問題的研究EnergyConstructionofChina

中國的能源結(jié)構(gòu)

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

1860190019502000Year爐內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)示意圖19.6m16.4m58m大型電站鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖大型電站鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸非常龐大，以600MW機(jī)組的鍋爐為例，爐膛截面尺寸為19.616.4m2,

爐膛高度為58m.……

一.計算機(jī)輔助優(yōu)化數(shù)值試驗CAT(ComputerAidedTesting)的實質(zhì):將數(shù)值計算方法、多相流學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、燃燒學(xué)及工程設(shè)計及運(yùn)行相結(jié)合對具體工程實際問題，建立合適的物理模型、數(shù)學(xué)模型運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計理論和計算設(shè)計與分析方法，進(jìn)行優(yōu)化計算，得出對工程應(yīng)用有指導(dǎo)意義的結(jié)論。爐內(nèi)流場的數(shù)值計算特點之一為提高計算的精確度，必須采用較密的網(wǎng)格，從而使網(wǎng)格節(jié)點數(shù)成倍的增加。如左圖高長寬三個方向上的網(wǎng)格為1204840，總網(wǎng)格數(shù)達(dá)到23萬之多。湍流問題湍流方程的封閉問題工程中大多數(shù)情況都是屬于湍流問題需要對層流的N－S方程進(jìn)行雷諾分解分解之后的出現(xiàn)至少十個未知的變量（對于三維問題），造成了不封閉的困難，這一困難也稱之為封閉問題這十個變量是

而方程數(shù)并沒有增加，這就引出封閉問題湍流模式綜述紊流的數(shù)值模擬Euler描述法Lagrange描述法時均參數(shù)法大渦模擬和完全模擬紊流粘性系數(shù)法(BVM)應(yīng)力/通量微分方程法(MRS)應(yīng)力/通量代數(shù)方程法(ARS)單流體模型雙流體模型平均速度場模型(零方程模型MVF)平均紊流動能模型平均紊流場模型常t模型混合長度一方程模型二方程模型粘性支層中加密網(wǎng)格壁面函數(shù)法K-模型K-W模型K-KL模型K-f模型高R數(shù)模型低R數(shù)模型浮升力影響曲率影響…...自由射流貼壁射流壁面函數(shù)一層模型二層模型三層模型最通常和最簡單的處理封閉問題的方法是1877年Boussinesg提出的,得出分子粘度和平均變形率為工程中應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬二方程模式的k-模型．優(yōu)點是：應(yīng)用范圍廣,簡單．其缺點是：對于有突變的及強(qiáng)旋的流動有較大的偏差雙方程k-湍流模型k-模型修正：非線性k-模型，低雷諾數(shù)k-模型等CAT模型中為了更有效地解決如四角切圓鍋爐這樣的旋流對象，引入Ｒichardson修正和新近發(fā)展起來的系數(shù)通過重正化群理論推導(dǎo)來的RNGk-模型直接數(shù)值模擬

（DirectNumericalSimulation,DNS）是近代湍流研究中用計算機(jī)直接求解N-S方程的一種方法。于70年代初開始提出，由于經(jīng)驗性半經(jīng)驗性的湍流模式理論對于非定常湍流、復(fù)雜幾何湍流的預(yù)測很不準(zhǔn)確的。DNS作為湍流研究的手段得到廣泛的重視。隨著計算機(jī)的不斷改進(jìn),DNS方法發(fā)展很快，愈來愈得到關(guān)注。大渦模擬

（LargeEddySimulation,LES)是湍流運(yùn)動的高級數(shù)值模擬。在直接求解N-S方程方法的計算量及占用計算機(jī)內(nèi)存十分可觀，用于高Renolds數(shù)或復(fù)雜湍流的數(shù)值模擬還有相當(dāng)難度的情況下，大渦模擬應(yīng)運(yùn)而生。重力其他力阻力固體顆粒相的運(yùn)動方程

顆粒受的其他力包括：

Magnus升力，Saffman升力，虛假質(zhì)量力，

Basset力，湍流脈動力，熱泳力,及熱態(tài)燃燒時揮發(fā)份的噴射力等。固體顆粒在氣流中湍流擴(kuò)散對顆粒的運(yùn)動軌跡影響很大，其?；瘑栴}是研究的熱點。脈動頻譜隨機(jī)顆粒軌道模型(Fluctuation-Spectrum-Random-TrajectoryModel簡稱FRST模型)，是我們1988年提出的模型。模型特點：考慮了湍流氣流的脈動頻譜和強(qiáng)度對顆粒群運(yùn)動的影響，也能反映出不同顆粒尺寸的顆粒組成對湍流擴(kuò)散的影響。固體顆粒在氣流中的湍流擴(kuò)散煤粉顆粒的燃燒示意圖灰分Daf煤水分炭揮發(fā)速率蒸發(fā)速率炭非均相反應(yīng)速率揮發(fā)份析出時放出的氣體物質(zhì)容積氣體容積氣體煤粉顆粒的成份：揮發(fā)份,炭,水分,灰分。湍流預(yù)混火焰模型EBU模型（Eddy-Break-Up)漩渦破碎模型湍流燃燒區(qū)充滿了已燃?xì)夂臀慈細(xì)鈭F(tuán)化學(xué)反應(yīng)在界面發(fā)生平均化學(xué)反應(yīng)速率決定于未燃?xì)鈭F(tuán)在湍流作用下破碎成更小氣團(tuán)的速率。熱力氮NOX模型熱力氮由Zeldovich機(jī)理來描述其生成速率與燃料劑中氧氣與氮氣的濃度相關(guān)鍋爐受熱面管束磨損和防磨的數(shù)值試驗研究壁面粗糙度對顆粒碰撞的影響壁面粗糙度物理模型HrLrrmaxDp(a)Dp<LrHrLrrmaxDp(b)Dp>Lr單翅管計算截面

單翅管顆粒軌跡圖雙翅管計算截面

雙翅管顆粒軌跡圖鰭片管分離器截面FinnedTubesuS1yxS2B1鰭片管束分離器流場矢量圖等值線圖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

正反切圓布置爐內(nèi)空氣動力特性二次風(fēng)反切系統(tǒng)原設(shè)計二次風(fēng)反切25度中一次風(fēng)截面中二次風(fēng)截面三維顆粒軌跡圖dp=20mdp=50mdp=90m三基色混色圖紅+綠=黃綠+藍(lán)=青藍(lán)+紅=紫紅+青=白綠+紫=白藍(lán)+黃=白紅+綠+藍(lán)=白代數(shù)迭代法（ART）重建三維火焰溫度場ART重建算例火焰斷面重建的CCD布置嘉興300MW電廠外景圖嘉興電廠火焰圖象獲取系統(tǒng)采用電廠儀用風(fēng)作為風(fēng)源雙層冷卻結(jié)構(gòu)，保證冷卻可靠性從BC層燃燒器觀火孔中伸入，中間采用金屬軟管連接，可以跟隨燃燒器擺動BC層斷面溫度場計算結(jié)果（1）非線性理論

在能源工業(yè)中的應(yīng)用逾滲理論分形理論混沌理論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)小波分析逾滲理論及其在潔凈煤領(lǐng)域的應(yīng)用逾滲是指流體在多孔介質(zhì)中通過并穿透整個介質(zhì)到達(dá)介質(zhì)外表面任一位置的現(xiàn)象，同時它又是指流體從不能穿透整個多孔介質(zhì)到能夠穿透整個介質(zhì)所完成的一次狀態(tài)突變。逾滲理論主要研究的是多孔介質(zhì)孔隙足夠小時介質(zhì)與流體間的相互作用。逾滲理論在燃燒脫硫中的應(yīng)用顆粒/孔隙結(jié)構(gòu)模型(基于逾滲的脫硫模型)溫度對脫硫效率的影響(基于逾滲的脫硫模型)

Ca/S比對脫硫效率的影響分形理論及其在潔凈煤領(lǐng)域的應(yīng)用研究對象非線性系統(tǒng)產(chǎn)生的不光滑和不可微的幾何形體。典型性質(zhì)具有無限精細(xì)的結(jié)構(gòu);比例自相似性;一般分形維數(shù)大于拓?fù)渚S數(shù);可以由非常簡單的方法定義并由迭代產(chǎn)生。分形理論在CFB高溫脫硫中的應(yīng)用

放大倍數(shù)為1000放大倍數(shù)為7500煅燒石灰石多孔結(jié)構(gòu)的電鏡照片用類似于Menger海綿的構(gòu)造方法模擬煅燒石灰石大孔少小孔多、大小孔交錯連通的結(jié)構(gòu)

Menger海綿大的分形維數(shù)表示小孔份額多，大孔份額少。小孔過多易堵塞,大孔過多反應(yīng)面積小,均不利于脫硫。

不同分形維數(shù)的CaO固硫反應(yīng)混沌理論及其在潔凈煤領(lǐng)域的應(yīng)用混沌的四個主要特征：敏感初始條件、伸長與折疊、具有豐富的層次和自相似的結(jié)構(gòu)、非線性耗散系統(tǒng)中存在混沌吸引子?；煦绲谋举|(zhì)為確定性系統(tǒng)中的內(nèi)在隨機(jī)性。