【摘要】：燃燒合成納米顆粒物的過程涉及復(fù)雜的顆粒動力學(xué)機(jī)理,包括氧化、成核、凝結(jié)、碰撞和燒結(jié)。在火焰合成納米顆粒過程中,存在數(shù)密度極高的納米顆粒物,顆粒碰撞動力學(xué)事件廣泛存在。當(dāng)兩個運(yùn)動的顆粒發(fā)生碰撞并克服其表面勢能,顆粒將不可逆地粘在一起形成非規(guī)則納米團(tuán)聚體。燃燒合成的納米顆粒主要位于過渡區(qū),處于連續(xù)區(qū)和自由分子區(qū)之間。本文立足于燃燒合成納米顆粒物背景,對過渡區(qū)非規(guī)則團(tuán)聚體的碰撞動力學(xué)進(jìn)行研究,從氣體-團(tuán)聚體顆粒碰撞動力學(xué)和團(tuán)聚體顆粒間碰撞動力學(xué)兩個方面進(jìn)行模擬,包括研究了團(tuán)聚體不同形貌參數(shù)和克努森數(shù)(Kn)時團(tuán)聚體的均向平均遷移半徑,得到了團(tuán)聚體顆粒在過渡區(qū)的曳力模型,提出了適用于任意形貌顆粒的異權(quán)值顆粒碰撞模型。本文主要工作包括:(1)直接模擬Monte Carlo(DSMC)方法中分子碰撞統(tǒng)計(jì)方法的對比和并行加速。通過對二維Rayeligh流和Poisellue流兩個理想工況的數(shù)值模擬計(jì)算,比較了時間計(jì)數(shù)器(TC)、非時間計(jì)數(shù)器(NTC)、隨機(jī)取樣頻率(RSF)和改進(jìn)的Nanbu四種分子碰撞統(tǒng)計(jì)方法的計(jì)算精度和計(jì)算代價,發(fā)現(xiàn)NTC方法效果更優(yōu)。為了進(jìn)一步減小DSMC方法計(jì)算代價,實(shí)現(xiàn)了基于圖形處理器(GPU)上的DSMC并行計(jì)算,改進(jìn)了多GPU之間數(shù)據(jù)傳輸算法,減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的時間耗費(fèi)。通過對二維Couette流和頂蓋驅(qū)動方腔流的模擬計(jì)算,定量地比較了CPU計(jì)算、單GPU并行計(jì)算和多GPU并行計(jì)算的結(jié)果和時間。結(jié)果表明,GPU并行計(jì)算能達(dá)到良好的計(jì)算精度,雙GPU加速比是單GPU的一倍左右,雙GPU并行計(jì)算的加速效率接近100%。高效高精度的DSMC方法為開展氣體-團(tuán)聚體顆粒碰撞動力學(xué)研究提供了流動模擬的基礎(chǔ)方法。(2)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)非規(guī)則團(tuán)聚體的數(shù)值模擬。采用Monte Carlo(MC)方法實(shí)現(xiàn)了彈射聚集、擴(kuò)散限制聚集和反應(yīng)限制聚集三類機(jī)制下團(tuán)聚體顆粒動力學(xué)生長的模擬,分析了二維擴(kuò)散限制團(tuán)簇-團(tuán)簇聚集(DLCA)模型下顆粒生長的動態(tài)變化。采用回轉(zhuǎn)半徑方法計(jì)算了不同顆粒動力學(xué)生長模型下團(tuán)聚體的分形維數(shù),定性地比較了動力學(xué)模型生成的團(tuán)聚體分形維數(shù)和燃燒合成二氧化鈦(TiO_2)納米顆粒實(shí)驗(yàn)中燃燒器不同位置團(tuán)聚體的分形維數(shù),分析了燃燒器上方典型高度處納米顆粒生長的主要動力學(xué)機(jī)理。為了生成特定分形維數(shù)和一次粒子數(shù)目的團(tuán)聚體顆粒,采用連續(xù)算法(SA)實(shí)現(xiàn)了可調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)的團(tuán)聚體的三維模擬,為開展氣體-團(tuán)聚體顆粒碰撞動力學(xué)研究提供了符合實(shí)驗(yàn)測量的三維非規(guī)則團(tuán)聚體顆粒結(jié)構(gòu)。(3)過渡區(qū)團(tuán)聚體顆粒遷移半徑的數(shù)值計(jì)算。非規(guī)則團(tuán)聚體顆粒遷移半徑是顆粒碰撞核模型的基本參數(shù),無法根據(jù)理論分析得到。利用DSMC方法模擬氣體流動、SA算法生成三維非規(guī)則團(tuán)聚體顆粒,通過氣體-團(tuán)聚體顆粒碰撞動力學(xué)研究,得到了過渡區(qū)三維團(tuán)聚體的均向遷移半徑。首先通過流體繞流三維圓球的DSMC數(shù)值計(jì)算,分析了遠(yuǎn)場入流邊界條件對DSMC方法統(tǒng)計(jì)結(jié)果和精度的影響。然后,計(jì)算了Kn=1~10、團(tuán)聚體初始顆粒數(shù)目N=10~30、指前因子k_f=1.1~1.5和分形維數(shù)d_f=1.5~2.2時團(tuán)聚體的均向平均遷移半徑,采用Levenberg-Marquardt迭代算法對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合,得到了團(tuán)聚體遷移半徑與初始數(shù)目N、回轉(zhuǎn)半徑R_g和Kn數(shù)之間函數(shù)表達(dá)式;并計(jì)算了與團(tuán)聚體遷移半徑相關(guān)的動力學(xué)參數(shù),包括調(diào)整球半徑R_(adj)、水動力學(xué)半徑R_H和動態(tài)形狀因子χ。(4)顆粒-顆粒碰撞動力學(xué)的異權(quán)值Monte Carlo方法研究。采用DSMC方法模擬顆粒間的碰撞,考慮不同模擬顆粒數(shù)目權(quán)值的差異,發(fā)展了異權(quán)值模擬顆粒的碰撞準(zhǔn)則,同時為了保證顆粒動力學(xué)模擬的計(jì)算效率和計(jì)算精度,提出了兩種異權(quán)值DSMC方法(DWDSMC)。一種是分解-恢復(fù)方法(split-restoration scheme,SRS),可以保持顆粒碰撞前后系統(tǒng)的總質(zhì)量、總動量或總能量守恒。通過對理想工況重顆粒流的模擬,并與理論值、軌跡計(jì)算方法(TC)和等權(quán)值DSMC方法(EWDSMC)結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)保存顆�？倓恿坎蛔兊腟RS方法能具有更高的統(tǒng)計(jì)精度,但仍然具有統(tǒng)計(jì)不確定性。進(jìn)而提出了顆粒權(quán)值守恒方法(conservative particle weighting,CPW),對于理想重顆粒流的模擬表明其可以線性保持系統(tǒng)總質(zhì)量、總動量和總能量守恒。進(jìn)一步,將描述異權(quán)值顆粒碰撞的CPW方法與描述氣固流動的格子Boltzmann-元胞自動機(jī)(LB-CA)概率方法耦合,提出了LB-CA-CPW模型,應(yīng)用于更為復(fù)雜的氣固兩相流四向耦合數(shù)值模擬。通過對經(jīng)典后臺階流工況的模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)該模型不僅可以準(zhǔn)確用來模擬氣固兩相流中的顆粒碰撞,還可以提高顆粒數(shù)密度較小的尺度區(qū)間內(nèi)顆粒場的統(tǒng)計(jì)精度。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK16
【圖文】：

燃燒合成納米顆粒方法的技術(shù)成本低、合成粒子純度高。燒合成納米顆粒的主要機(jī)理包括氧化、成核、凝結(jié)、碰撞和燒結(jié)，如體（比如四氯化鈦或鈦四異丙醇鹽）分子以氣體或液滴形式注入系統(tǒng)解或分解轉(zhuǎn)化成相應(yīng)產(chǎn)物（二氧化鈦）分子和分子團(tuán)。產(chǎn)物分子和分有時伴隨表面反應(yīng)），當(dāng)飽和比達(dá)到一定數(shù)值時，則會發(fā)生成核事件陶瓷顆粒具有較低的平衡汽壓，可以將單個氧化物分子看成一個顆粒子共存時，分子將擴(kuò)散到顆粒表面，這個過程稱為凝結(jié)。由于氣體分速度梯度的存在，顆粒會互相發(fā)生碰撞。當(dāng)發(fā)生碰撞的顆粒對能克服顆粒會彼此粘附在一起，形成具有不同分形維數(shù)值的團(tuán)聚體顆粒。同通常在高溫環(huán)境下完成，顆粒將會發(fā)生燒結(jié)，顆粒表面積和表面多余氣相燃燒合成納米顆粒中，碰撞和燒結(jié)動力學(xué)事件通常在系統(tǒng)中同時占主導(dǎo)，則形成的團(tuán)聚體分形維數(shù)通常較��；若燒結(jié)事件占主導(dǎo)，則維數(shù)較大。

圖 1-2 全文結(jié)構(gòu)性分析燃燒器不同位置顆粒生長的動力學(xué)機(jī)理。同時，顆粒動力學(xué)聚體分形維數(shù)為一定值，而實(shí)驗(yàn)中團(tuán)聚體分形維數(shù)在一定范圍內(nèi)變用 SA 算法實(shí)現(xiàn)了可指定分形維數(shù)團(tuán)聚體的模擬。章中，利用 DSMC 方法模擬氣體流動（第二章）、利用 SA 算法生成（第三章），顆粒數(shù)值計(jì)算了過渡區(qū)非規(guī)則團(tuán)聚體的遷移半徑。分析數(shù)目、回轉(zhuǎn)半徑和 Kn 數(shù)變化時，團(tuán)聚體的遷移半徑。采用 Levenberg-對結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，得到了遷移半徑與團(tuán)聚體初始顆粒數(shù)目、之間函數(shù)表達(dá)式。章中，將能夠用于顆粒碰撞的 DSMC 方法（第二章）應(yīng)用于顆粒流粒系統(tǒng)中顆粒尺度分布函數(shù)值小的區(qū)間內(nèi)顆粒信息統(tǒng)計(jì)誤差較大的異權(quán)值 DSMC 方法：分解-恢復(fù)方法（SRS）和顆粒權(quán)值守恒方法（粒流和后臺階流工況計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這兩種方法可以用于顆粒碰撞，且

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