多尺度传递过程的研究进展

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北京化工大学

研究生课程论文

课程名称： 计算流体力学与传热 课程代号： ChE515

任课教师： 张 建 文

完成日期： 2012 年 12 月 23 日

专 业： 化 学 工 程 与 技 术

学 号： 2012200028

姓 名： 王 冰 洁 成 绩：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

多尺度传递过程的研究进展

摘要：近些年来，化学家们开始关注多尺度现象，而在更广泛的意义上是关注一门新学科—多尺度科学。本文分析了传递过程中的多尺度现象，讨论了多尺度研究的几个主要

内容和方法并分析了它们的特点。多尺度科学应作为一门的科学来对待，多尺度现象将是21世纪科学家们面临的最大挑战。

关键词： 多尺度、传递过程、研究进展

Progress in Multi-scale transfer process

Abstract：In recent years, chemists have started to pay attention to the phenomenon of multi-scale,the broader sense is concerned about a new subject - Multiscale Science. This paper analyzes the multi-scale phenomena in the transfer process, and discusses several major content and method of multi-scale research and analysis of their characteristics. The multi-scale science should be treated as an independent scientific. The multiscale phenomenon will be the biggest challenge faced by the scientists of the 21st century.

Keyword：Multi-scale、transfer process、progress

1 引言

多尺度科学[l]是一门研究不同空间尺度或时间尺度相互耦合现象的跨学科科学，是复杂系统的重要分支之一，具有丰富的科学内涵和研究价值。多尺度模拟考虑空间和时间的跨尺度与跨层次特征，并将相关尺度耦合起来，提高模拟和计算效率，是求解各种复杂的材料和工程问题的重要方法和技术。多尺度现象存在于生活的各个方面，涵盖多个领域，如微观、细观和宏观等多个物理、力学及其耦合领域[2]。多尺度模拟和计算是一个正在迅速发展的热点与前沿研究领域[3]，特别是在多物理的(mufti-physical)现象非常显著材料科学、化学、流体力学和生物学等领域[4]。

传递过程也称传递现象，指物系内某物理量从高强度区域自动地向低强度区域转移的过程，是自然界和生产中普遍存在的现象。目前，传递过程中存在多尺度现象，本文主要介绍多尺度传递过程的研究进展。

2 多尺度方法综述

在自然界和工程实践中，许多现象或过程都具有多尺度特征或多尺度效应[5]，同时，人们对现象或过程的观察和测量往往也是在不同尺度(分辨率)上进行的，因此，用多尺度系统理论来描述、分析这些现象或过程是十分自然的，它能够很好地表现这些现象或过程的本质特征。时空尺度是客观世界的基本特征，跨长度、跨时间和跨层次现象以及相应的多尺度藕合是复杂系统中重要问题之一，反映物质世界的基本性质及多学科交叉的内禀特征，具有极其丰富的科学内涵[6]。通常采用的多尺度问题研究方法有三种，其中多尺度分析越来越受重视。

(1)简单平均:将具有结构的系统作为无结构系统处理，仅考虑系统的平均参数;

特点：计算方便，但分析过于粗略简单，难于处理多尺度复杂系统

(2) 离散化模拟:分析结构的微观细节，实现对系统内所有现象的完整描述.

特点：描述精细准确.计算量大，实现困难

(3) 多尺度分析:根据系统的结构特征，区分不同尺度现象的描述性方法，通过分析小尺度上的机理建立大尺度上模型的关联性方法、结构形成的控制机制及尺度间关系的分析性方法

特点：将复杂系统分尺度分析，易于实现，描述准确[7]。

这3种方法中，离散化方法是最根本(ultimate )的途径，但由于计算和测量技术的，目前还难以实现;平均方法无法考虑系统的结构特征，显然很难有深入的进展;当前最适用的似为多尺度方法，由于它能反映复杂系统最重要的“结构”特征，是一种简单而又有效的描述途径。

目前，已有一些多尺度分析方面见效的实例。下面给出气固流态化的例子。

在气固两相流态化中，固体颗粒并不均匀分布于流体中，而是颗粒和流体分别聚集形成颗粒密集的“密相”和流体富集的“稀相”，即形成两“相”结构.在这种结构中，颗粒与流体之间的相互作用在稀、密两相中差别很大，并存在两相之间的相互作用.如从小(颗粒尺度)到大(设备尺度)逐渐增大观察或测量的范围(或尺度)，我们可以依次看到:

(1)单颗粒尺度时，我们只观察到单颗粒与流体的作用，这是颗粒流体系统中最基本的现象.

(2)如逐渐增大观察尺度，假如还未涉及稀相和密相的界面，我们观察到的只不过是颗粒数目的增加，相互作用并无实质性的变化。然而，当观察尺度增加到聚团尺度时，颗粒流体之间的作用则发生实质性的变化—由密相过渡到稀相或由稀相过渡到密相，并涉及到密相和稀相之间的界面作用。这一实质性变化表明了一个新尺度的出现。

(3)如果继续增大观察范围，在某一范围内又只是团聚物数目的增加，但当尺度增加到设备尺度时，除了颗粒和流体的作用外，又增加了整个系统与其边界的作用，表明了又一个新尺度。

这种随尺度变化，观察到的内容会在若干特征尺度发生质变的系统可称为多尺度系统。显然，如果用平均方法，这种颗粒流体在不同尺度的相互作用的差别就将被磨灭、无法描述。因此，多尺度分析是必要的。事实上，尽管有无数颗粒存在，但这些颗粒大都在特征尺度上成群运动，只要选好特征尺度，它们的行为就可用几个尺度来描述，因此可以简化分析而又不引起大的失真。能量最小多尺度(EMMS, Energy-Minimization Multi-Scale[8])模型就是遵循了这样的思路而提出来的。

首先对气固流态化系统的非均匀结构(可用8个参数描述)进行尺度分解，将其分解为单颗粒、颗粒聚团和设备3个尺度，分析多尺度结构中的动量和质量守恒，可得6个方程。显然6个方程无法解出8个参数，必须寻找另外的条件。事实上所有多尺度问题都存在多值性，因此稳定性条件是必要的。为此，通过分析系统内的作用机制(即:流体运动趋势—阻力最小;颗粒运动趋势—势能量小)及两机制之间的协调，得到气固流态化系统的稳定性条件:对应于单位质量颗粒的悬浮输送能耗最小(Nest=min)，也就是说非均匀结构中8个参数除应满足力平衡和质量守恒外，还应遵循Nest=min的条件。如此，综合6个方程和一个稳定性条件，就形成EMMS模型，可计算局部非均匀结构的8个参数、饱和夹带量、轴向和径向分布以及流型转变等。这一模型已被扩展为计算工业规模装置中气固流型的软件包

[9].

多尺度方法成功的例子还有湍流研究中的大涡模拟和计算数学中的多尺度算法等等.随着人们对复杂系统认识的深人，多尺度方法作为一种有效的简化方法，可望在解决众多复杂问题方面得到更广泛的应用，并归纳出共性的知识[10]。

多尺度现象是客观世界所固有的普遍现象，在各门科学中都有涉及。但多尺度科学是近几年才提出的[11,12]，是目前科学研究的热点和难点之一。

多尺度科学越来越受到关注。2003年，美国工业与应用数学学会(SIAM)侯一钊创建了多尺度专刊《Multi-scale Modeling and Simulation》,交流多尺度问题研究方法和进展，以期形成多尺度建模与模拟的系统方法。2004年，美国能源部(DOE)举办了二次多尺度数学研讨会，第一次是关于多尺度建模与模拟，第二次是关于多尺度问题调研，第二次是多尺度数学研究的路线[13-15]。其目的是寻求打破目前认识复杂物理过程的障碍，这些复杂物理过程通常发生在很宽时间和长度尺度上。而现有复杂物理系统的理论和模型，只能模拟单尺度过程或没有互相作用的分离尺度过程。

目前，针对具体多尺度问题取得了很多可喜成果。对流体湍流问题发展了多尺度大涡模拟方法[16]。统计细观损伤力学[17]是描写非均匀介质损伤演化的一种连接细观与宏观尺度的统计理论。能量最小多尺度方法(ENIM S)在化学多尺度方而作了重要探索并揭示了多尺度现象的许多特性[18]。多尺度有限元法[19]、非齐次多尺度法[20]能较好解决多孔介质中多尺度问题。但尚未形成一套通用的多尺度方法，需要多学科交义与融合，突破多尺度理论基础，发展多尺度计算科学工程和软件工程[21]。

3 传递过程综述

传递过程也称传递现象，指物系内某物理量从高强度区域自动地向低强度区域转移的过程，是自然界和生产中普遍存在的现象。对于物系的每一个具有强度性质的物理量（如速度、温度、浓度）来说，都存在着相对平衡的状态。当物系偏离平衡状态时，就会发生某种物理量的这种转移过程，使物系趋向平衡状态，所传递的物理量可以是质量、能量、动量或电量等。例如物系内温度不均匀，则热量将由高温区向低温区传递。在化工生产中所处理的物料主要是流体，所涉及到的只是动量、热量和质量。因此，在化工中传递过程常用作流体中的动量传递、热量传递和质量传递三种传递过程的总称。在化工设备中，因所发生的过程不同，三种传递过程可能分别单独存在；也可能是其中任意两种或三种过程同时存在。对这三种传递现象的物理化学原理和计算方法的研究，是单元操作和化学反应

工程研究的基础。所以，传递过程是化学工程的一个分支。

传递过程的研究通常按三种不同的尺度进行，即分子尺度、微团尺度和设备尺度。

(1)分子尺度上的研究 考察分子运动引起的动量、热量和质量的传递。以分子运动论的观点，借助统计方法，确立传递规律，如牛顿粘性定律(见粘性流体流动)，傅里叶定律（见热传导）和费克定律(见分子扩散)。与分子运动有关的物质的宏观传递特性表示为粘度、热导率、分子扩散系数等。

(2)微团尺度上的研究 考察流体微团（由众多分子组成，尺寸远小于运动空间，也称流体质点）运动所造成的动量、热量和质量的传递。常忽略流体由分子组成内部存在空隙这一事实，而将流体视为连续介质，从而使用连续函数的数学工具,从守恒原理出发,以微分方程的形式建立描述传递规律的连续性方程、运动方程、能量方程和对流扩散方程。当流体作湍流运动时，与流体微团运动有关的传递特性表示为涡流粘度、涡流热扩散系数和涡流扩散系数，但这些传递特性与流动状况、设备结构等有关，不是流体的物性。

(3)设备尺度上的研究 考察流体在设备中的整体运动（如搅拌过程中，搅拌桨所造成的大尺度环流）所导致的动量、热量和质量传递，以守恒原理为基础，就一定范围进行总体衡算，建立有关的代数方程。设备尺度上的传递特性表示为传热分系数和传质分系数，以及有效（或当量）热导率和有效扩散系数等。这些传递特性与流动条件直接有关，同样也不是物系的物性。

化工中属于流体动力过程的各种单元操作，如流体输送、过滤、沉降等，都以动量传递为基础；属于传热过程的，如换热、蒸发等，都以热量传递为基础；属于传质分离过程的，如吸收、蒸馏、萃取等，都以质量传递为基础。化学反应工程要研究传递特性对化学

反应的影响，也是以传递过程作为基础的。从传递过程的研究，可以获知化工设备的有关性能，这对于化工设备的设计、放大及其结构的改进和性能的优化等提供一定的理论依据。例如掌握热量传递的规律，就能为换热器的强化找到途径。多年来，化学工程的迅速发展是与传递过程的研究进展分不开的。

三种传递过程的研究都已经有较长的发展历史。其中动量传递的理论基础是流体力学，历史至少在300年以上;热量传递的理论基础是传热学，历史有200年左右；质量传递的理论基础是传质学，也有100年以上历史。然而，将三者结合在一起，组成传递过程学科,则是20世纪50年代的事,当时在世界上许多地区几乎同时开始这一学科的研究。美国R.B.博德教授等的《传递现象》一书在1960年问世，对这一学科分支的建立有较大的影响。在此期间,苏联Β.Γ.列维奇著有《物理-化学流体动力学》一书。此书虽未运用传递现象这一名称，但内容亦属于同一领域。他们主张用统一的传递过程理论来研究这三种传递。理由是：①三种传递现象往往同时存在；②三种传递现象有类似的机理和类似的数学表达式，可相互类比，构成三传类比，从一种传递的结果预测另一种传递的结果;③三种现象互有差别,予以并列考虑，对比研究，有利于深刻理解。

20多年来，对传递现象的研究深入发展，领域不断扩大。随着高分子化工和生物化学工程的发展，开展了高粘度、非牛顿型流体中传递过程的研究。从单相中的传递扩大到两相流中的传递，特别是两相界面及其附近区域中的传递。湍流状态下的传递十分复杂，在以前的一段时间内，这一方面的研究曾经进展较慢，随着湍流测试技术的改善，湍流理论取得了重要进展，湍流传递的研究正在深入。但是对于多相湍流和非牛顿型流体湍流下的传递过程，研究工作只能说是处于初始阶段。

4 结语

传递过程的研究已经有较长的发展历史，20多年来，对传递现象的研究深入发展，领

域不断扩大。目前，传递过程中存在多尺度现象，随着对传递过程认识的加深，及近年来日益突出的多尺度问题，和各尺度间的匹配与优化的问题。对传递过程的多尺度现象虽已有一定的认识和探索，但是目前还没有更深刻的理论支持更为全面地研究这种现象的本质，有待进一步深入研究。

多尺度科学已经取得了重要进展，是许多学科研究的热点和前沿，寻求一套通用的多尺度方法将是今后研究的主要目标。

与此同时，随着计算机技术的发展，基于离散化方法和并行计算的计算机仿真必将得到重视。

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