几个有意思的研究方向



  • 目前的学术科研项目为提出一种基于PBM的单欧拉耦合方法并用于模拟气液混合过程,在2018年初结束,计划在项目结束前提交n篇SCI文章。

    在2017年第四季度起,在寻找项目的同时,我自己也有一些试探性想法如下:

    Two Fluid Model (TFM)

    概述:TFM中文译名双流体模型,主要用于模拟不可溶两相混合过程,其作为CFD的一个标准模型大量的用于各类工业过程中如化工反应器、环境沙尘流动、沉降现象、流化床鼓泡床、交通流、空化现象等。

    算法类研究

    TFM模型复杂, 如何在有限体积法框架下获得合理的解依然是学术界一个热门话题,目前国际上的CFD大厂也持续的对所植入的TFM算法进行优化。

    1. 求解相方程的FCT框架下的高阶算法

      相分数的有界属于TFM求解中的经典问题,选择不合适的数值结构会引起相分数的越界。相分数的越界一方面表明了相分数的结果不符合物理,另一方面导致界面传递模型不可计算。

      目前CFX中采取的数值操作主要为基于TVD框架的高阶格式,目前在OpenFOAM中采取的数值操作主要为基于FCT的通量限制算法(MULES),然而至今依然存在缺陷且在某些情况下会引起相分数的越界。

      在OpenFOAM中植入一种低耗散的高阶的稳定的同时可保证相分数有界的算法的研究和验证将会对CFD中求解TFM数值求解领域具有一定的贡献。

      对应期刊:Journal of Computational Physics, Computers & Fluids, Journal of Computational and Applied Mathematics等

    2. 同位网格上多相流的体积力无振荡处理

      虽然TFM模型结构紧凑,但是TFM合理的数值求解依然具有一定的挑战性。具体体现在如相转置带来的界面传递模型不符物理、相分离情况下的方程组奇异问题、Rhie-Chow插值下的无震荡体积力处理、非正交网格下的数值稳定性问题。尤其在同位网格下,不合理的处理体积力会导致震荡解。例如对于简单的单相流震荡现象:http://www.cfd-china.com/topic/746/聊一聊同位网格的速度压力解耦 对于多相流中依然存在震荡问题。

      在OpenFOAM中针对现存非守恒、半守恒、全守恒的TFM模型,植入一种无震荡的速度压力耦合算法,可以对CFD,尤其是TFM数值求解领域具有一定的贡献。

      对应期刊:Journal of Computational Physics, Computers & Fluids, Journal of Computational and Applied Mathematics等

    3. 一种多相流速度压力耦合以及时间离散格式

      目前TFM中压力均为求解静压方程获得,然而这对于密度比较大的液体存在一定的收敛问题,参考OpenFOAM中的VOF模型,双流体模型的压力方程也可以采用类似的方法进行重构来提高收敛性。

      同时,现存CFD算法为了保证TFM求解的稳定性,均采用一定的数值手段保证求解稳定性,大部分的操作体现在通过曳力耦合不同相的速度。但是现存的方法均为采用的一种假稳态的思路,这对于密度比较大的气固流动并不适用。类似这种问题可以通过重新对TFM采用一种操作符切分(Operator Splitting)的思想进行求解来体现耦合的渐变性。

      在OpenFOAM中植入一种真正瞬态的多相流速度压力耦合以及时间离散格式,可以对TFM数值求解领域,尤其是TFM在气固模拟领域的应用具有一定的贡献。

      对应期刊:Journal of Computational Physics, Computers & Fluids, Journal of Computational and Applied Mathematics等

    应用类研究

    在应用领域,目前PBM领域的研究难点主要在于高效的CFD-PBM耦合、精准的破碎聚并模型优化、合理的模型简化。

    1. 鼓泡床中isoAdvector算法在TFM中的植入和应用

      isoAdvector为2016年Roenby et al. 提出的一种计算相分数的数值算法,目前已经应用在VOF模型中并用于计算较大相界面的多相问题。目前TFM模型中算法对于非结构网格收敛性较差,isoAdvector则在非结构网格中依然可以保持非常高的界面重构且数值耗散较低。同时,isoAdvector作为一个全新的数值求解思想,依然需要大量的优化以及验证研究。

      在OpenFOAM中的TFM框架植入isoAdvector并用于鼓泡床工况模拟并和实验对比对化学工程领域具有一定的贡献。

      对应期刊:Chemical Engineering Science, Computers & Fluids, Journal of Computational and Applied Mathematics等

    Population Balance Model (PBM)

    概述:PBM中文译名群体平衡模型,是从统计学角度来表述粒子分布演变的偏微分方程。
    \begin{equation}
    \frac{\partial n}{\partial t}+\frac{\partial \mathbf{U}}{\partial \mathbf{x}}+\frac{\partial \mathbf{A}}{\partial \mathbf{A}} = \mathrm{S}
    \end{equation}
    PBM主要用于粒子(颗粒或者气泡)统计学方面的预测,如平均(局部)粒子直径,平均(局部)粒子速度、传质系数等。目前PBM已经成功的和大量的工业过程结合进行预测,如反应器内的传质预测、流化床鼓泡床等多相混合的粒子特性预测、发动机喷雾、引擎燃烧、雾霾模拟、溶质结晶增长等。

    PBM研究的难点在于方程难于求解以及和CFD的耦合验证。PBM目前的求解方法主要有类方法(Class Method),矩方法(Quadrature-Based Method of Moments),加权参数法(Weighted Residual Method)等。各个方法有分属不同的自方法,如类方法下分属非均一类方法(Inhomogeneous Class Method)、均一类方法(Homogeneous Class Method),以及各种变种等。矩方法分为拓展矩方法(Extended QMOM)、条件矩方法(CQMOM)等。

    PBM可单独求解,也可作为CFD外挂模型求解(类似CFD-DEM)。

    算法类研究

    在算法领域,目前PBM领域的研究难点主要在于如何高效且不失精度的求解PBM。

    1. 基于通量分裂思想的矩传输算法

      在OpenFOAM中依据通量分裂的思想并应用与PBM的求解可以对PBM求解领域具有一定的贡献。

      对应期刊:Power Technology, Computers & Fluids, Journal of Computational and Applied Mathematics等

    应用类研究

    在应用领域,目前PBM领域的研究难点主要在于高效的CFD-PBM耦合、精准的破碎聚并模型优化、合理的模型简化。

    1. 一种无均一速度假定的CFD-PBM算法在鼓泡床中的验证对比

      在OpenFOAM中植入相关的算法并用于鼓泡床工况模拟并和实验对比对化学工程领域具有一定的贡献。

      对应期刊:Chemical Engineering Science, Chemical Engineering Journal,Industrial & Engineering Chemistry Research等

    2. 气液流动中的气泡界面传输方程和PBM的验证对比

      在OpenFOAM中对气泡界面传输方程和PBM在气液流动中的模拟结果和实验结果进行对比对化学工程领域具有一定的贡献。

      对应期刊:AIChE Journal, Chemical Engineering Science, Chemical Engineering Journal等


  • 管理员

    全面!带我8作!飞起。



  • TVD多维不能保证单调吧,加上非线性更不好说了。不过不同的限制器界面锐利程度是不一样的,SuperBee好像就会锐化界面。

    保证输运标量有界,Cahn–Hilliard equation是加非线性项保证数学上守恒有界的且为正。但是它不是分数,而是浓度,可以考虑用相密度而不是相分数。

    加非线性项吧。



  • @程迪 你好 可否分享一下文献呢?多谢~



  • @yhdthu wiki
    TVD的问题cfd书都有
    线性化之后再考虑有界性是来不及的,因为线性问题是无界的,可能的解的“大小”没有任何限制。
    非线性PDE可以在方程层面保证有界性,但是离散时如何保证有界性,我也不是很清楚。显式的算法可以强制让它有界,但是隐式的东西免不了线性化,线性化之后又变成无法保证有界了。



  • @程迪 迪哥,我想问下你说的这些理论知识具体是怎么理解出来的,我每次看东岳流体的的理论都已经够难的,更别说自己看那些纯理论的cfd书籍了。:crying:



  • 添加俩个:

    可压缩PBE方程形式的比较

    CQMOM算法和精确解的对比

    Analytical solution for a three-dimensional non-homogeneous bivariate population balance equation—a special case



  • @mohui

    http://dyfluid.com/pre.html

    这种的依然很难理解么? :big_mouth: 我尽可能的已经写得比教材简单的多了啊。求解器解析那面就复杂了。

    CFD教材还真不一定最容易看懂,比如Peric那本书,刚开始我看几遍都看不明白,甚至陶院士中文的数值传热学研一那个时候我也是完全看不懂,考试还得了个C,哈哈。



  • @李东岳 哈哈,东岳大神,感谢你做了这个平台,让我学了很多东西,说实话您写的很多理论知识真的是很有帮助,而且已经算是很通俗易懂的那种。以前每次看到piso算法解析就不去细究,直到最近反复看了之后终于明白了。感觉学习CFD就是要不断地重复才能领悟其中的真谛,当然有通俗易懂的资料会更为便捷。


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