多尺度模拟

摘要： 反应堆压力容器用钢等核电材料在持续服役中,由于中子辐照造成其内部缺陷不断累积,致使材料组织结构损伤、性能劣化,对核电安全运行形成潜在威胁。多尺度计算模拟是探索辐照缺陷演化机理的有效手段,结合等效缺陷结构理论,有望实现核电材料服役行为的高效评价与预测。文中综述了多尺度计算模拟在核电材料辐照缺陷演化相关研究领域的进展,并对缺陷结构的多尺度演化本质及相应的多尺度高通量计算模拟方法进行了分析讨论。结果表明,通过缺陷结构特征能量等效传递的方法可以实现从第一性原理计算到缺陷扩散反应动力学等高通量计算模拟的跨尺度耦合;通过多尺度高通量计算模拟得到的缺陷演化热力学和动力学数据,可以搭建用于预测核电材料长期服役行为的材料基因工程数据库;在材料缺陷结构特征能量-组织结构-性能关联性探讨基础上,应用高通量计算模拟,辅以高通量实验数据验证,有望建立基于材料基因组结构能的服役安全工程模型。

摘要： 连续体-颗粒耦合方法常用来描述连续-非连续颗粒行为或解决颗粒材料与其他可变形构件间相互作用问题。粗粒化coarse-graining(CG)是基于统计力学的均匀化方法,由离散的颗粒运动定义连续的宏观物理场。本文利用粗粒化(CG)推导有限元-离散元(FEM-DEM)表面和体积耦合的一般性表达式。对于表面耦合,CG可以将耦合力分布到颗粒-单元接触点以外的位置,如相邻的积分点;对于体积耦合,CG可以将颗粒尺度的运动均匀化到耦合单元上。由粗粒化推导出的耦合项仅包含一个参数,即粗粒化宽度,为均匀化后的宏观场定义了一个可调整的空间尺度。当粗粒化宽度为零时,表面和体积耦合表达式简化为常规局部耦合。本文通过弹性立方体冲击颗粒床和离散-连续介质间波传播两个数值算例,展示使用粗粒化方法提高耦合系统能量守恒的优势,并结合其他耦合参数(如体积耦合深度)讨论了粗粒化参数对数值稳定性和计算效率的影响。

摘要： 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)废弃物在环境中的大量积累对全球生态系统造成了巨大威胁。基于低碳高效、绿色环保的目标,生物酶解聚技术已经成为应对PET塑料污染最具潜力的方法之一。近年来,随着计算机水平的发展,理论计算在探索解聚酶与PET寡聚体的结合模式和解聚反应机制等方面发挥了重要作用,并有望在一定程度上理性指导高效解聚酶的设计。本文重点总结了分子对接、分子动力学模拟、量子化学计算和多尺度模拟等理论计算方法在解聚酶催化PET解聚过程中的应用进展,并对其在塑料生物酶解聚中的发展方向进行了展望。

摘要： 高温等离子体作用下的中予辐照损伤和氢氦滞留行为一直是聚变堆钨基材料面临的两个关键问题,尤其是预辐照损伤对氢氦滞留的协同作用.鉴于制约因素的复杂性和实验上的困难,相关基础问题的理论研究至关重要.我们基于发展的顺序多尺度模拟方法研究了多晶钨的中子预辐照损伤及其对低能(20 eV)氢注入下缺陷动力学演化和氢滞留分布的影响.通过定量对比有无中子预辐照的多晶钨中氢的滞留行为,我们发现中子预辐照损伤产生的稳定空位团簇作为新的氢捕获点,加剧了氢在近表面处的滞留和表面损伤,限制了其向深度的扩散,从而导致了低能氢滞留量的急剧增加.相关结果将直接为实际等离子体环境下聚变堆钨基材料的辐照损伤和氢氮效应提供理论指导与预测.

摘要： 采用三维场模拟与一维网络模拟相耦合的多尺度模拟方法,对列车中部着火且相邻车站风机未启动阶段的烟气自然扩散进行研究.地铁长区间隧道坡度分别为0‰、12‰、21‰、30‰,分析坡度对区间隧道火灾烟气扩散及控制产生的影响.综合分析温度、CO浓度和能见度等因素,研究了火灾初期隧道环境随时间变化的危险性,确定了人员可利用的安全疏散时间.列车阻塞于区间隧道的坡度区段时,当坡度达到30‰,由于回流现象的出现导致隧道内CO浓度出现了阶跃性变化.

摘要： 华东理工大学化工学院膜科学与工程许振良教授团队,与美国约翰霍普金斯大学、普林斯顿大学等单位合作,开发了一套原子层沉积(ALD)反应器多尺度模型,可用于预测ALD反应器尺度高真空流体流动、传热、传质过程和衬底纳米孔道内薄膜沉积过程.该研究工作以“Numerical simulation of atomic layer deposition for thin deposit formation in a mesoporous sub-strate”为题(DOI:10.1002/aic.17305),以封面形式发表于AIChE Journal,被期刊评为“Top Tier”等级,同时将作为2021年8月Editor's Choice论文在期刊主页宣传一个月.

摘要： 以延性金属钽为研究对象,对钽在平板撞击下的层裂行为进行了多尺度下的数值模拟研究,从微观视角对自由面速度曲线上的典型特征进行了新的解读.在宏观尺度,对比分析了光滑粒子流体动力学法(smootfied particle hydrodynamics,SPH)与Lagrange网格法以及几种本构模型的模拟结果及其适用性.通过与实验数据的对比表明,Steinberg-Cochran-Guinan本构模型在层裂模拟中与实验数据吻合较好,通过改变加载条件获得了不同应变率下的自由面速度曲线,分析了不同应变率下的自由面速度曲线中的典型特征.在微观尺度,采用分子动力学方法获得层裂区域内损伤演化情况,揭示了宏观尺度自由面速度曲线典型特征所蕴含的物理内涵.分析表明,层裂表现为材料内部微孔洞形核、长大和聚集的损伤演化过程,自由面速度曲线上的典型特征与层裂区域的损伤演化过程存在密切关联.Pullback信号是层裂区域内微孔洞形核的宏观表征;自由面速度曲线的下降幅值在一定程度上反映了微孔洞的形核条件,由此计算得到的层裂强度实际上是微孔洞的形核强度.此外,Pullback信号后的速度回跳速率反映了微损伤演化的速率.

摘要： 材料辐照效应的数值模拟计算是认识核材料服役性能的重要手段,基于超级计算机的大规模、高保真材料数值模拟计算会产生海量数值计算数据,如何针对数值计算大数据的特点,在实现其高效存储的基础上,通过挖掘总结辐照损伤机理和性能演化规律,对于核材料设计研发、核安全等具有重要意义.论述了材料数值计算大数据的定义及其本质特征,综述了近年来的相关工作.以自主研发的材料辐照效应分子动力学软件MISA-MD和随机团簇动力学软件MISA-SCD在国产超级计算机上的实际算例为基础,提出了一种适用于材料数值计算大数据的、多尺度关联与耦合的分布式数值计算大数据存储体系(NDSA);采用XGBoost算法实现了MD中Frenkel缺陷对数的精确预测,基于并查集算法实现了级联碰撞团簇的划分;基于密度聚类的方法对KMC数值计算大数据进行挖掘,发现了类环状团簇,实现了原子团簇的识别与分类;基于第一性原理数值计算大数据库对现有的势函数模型进行了改进,提出了新的势函数模型构建方法AIPM.最后对材料数值计算大数据的应用前景进行了展望.

摘要： 激光增材制造(laseradditivemanufacturing,LAM)技术极适合复杂整体构件的近净成形和高附值损伤件的快速修复.然而,激光增材制造熔池内部复杂的动态凝固过程显著影响成形件的终态组织,进而制约其服役性能.本文针对激光直接能量沉积(direct energy deposition by laser,DED-L)Inconel 718过程,构建宏观传热传质与多相场耦合的多尺度数学模型,解决了熔池宏?微观温度场的直接耦合,并基于MPI并行程序设计实现了熔池二维的全域定量模拟,研究了凝固过程中的晶粒演变过程.结果表明,模拟的熔池尺寸、凝固界面与实验结果吻合较好.熔池凝固界面形态和晶体择优取向是影响晶粒演变的重要因素.在熔池横截面上,凝固过程主要受温度梯度方向的驱使,取向与温度梯度方向夹角越小的晶粒占优生长.在纵截面上,晶粒的生长表现出弯曲生长以及"上三角"的晶粒特征,温度梯度方向的渐变导致了晶粒弯曲,相邻晶粒的竞争行为决定了晶粒形貌.本文阐明了金属激光增材制造晶粒演变的机理,有助于厘清增材制造热物理、化学、冶金过程,为凝固组织的预测和调控提供理论指导.此外,该多尺度数学模型也适用于其他金属材料的激光增材制造过程.

摘要： 以固定床甲烷化反应器中的催化剂颗粒为研究对象,建立了床层-颗粒双尺度耦合模型。针对甲烷化过程反应迅速、催化剂颗粒中内扩散影响显著的特点,探讨了颗粒大孔平均孔径、介孔平均孔径、大孔孔隙率和介孔孔隙率对甲烷化反应结果的影响,提出了多级孔结构催化剂的优化设计,以实现甲烷化过程的强化。模拟结果表明:双尺度耦合模型能较好地在床层尺度下探讨催化剂颗粒的微观孔隙结构对反应结果的影响规律;针对直径为5.4 mm的球形颗粒,在模拟的生产条件下,反应结果对大孔孔隙率和平均介孔直径较为敏感;采用具有大孔和介孔的双模态催化剂颗粒可获得较高的甲烷产率。

摘要： 煤制合成天然气是缓解我国天然气供需矛盾、实现煤炭清洁高效利用、推动能源转型发展的有效途径.合成气甲烷化是煤制天然气的核心技术,对其催化反应过程的研究是甲烷化研究领域的热点之一.本文采用包含密度泛函理论(DFT)与动力学蒙特卡洛(KMC)在内的多尺度模拟方法,研究了H2和CO活化解离、CH4及CO2的生成机制,考察了温度的变化对Ni基催化剂的产物选择性、积碳的影响机制.结果表明,在Ni3Fe(211)催化剂上,经由HCO中间体的H辅助CO解离路线是CH4的优先生成路线,C-O键断裂步是该路线的速率控制步骤.随温度的升高,CH4的选择性下降,催化剂表面积碳程度加剧.本研究成果加深了对该反应过程的认识和理解,并可为反应器设计提供有力支持.

摘要： 如何通过RAFM钢的显微组织演化模拟其在高温辐照条件下的屈服强度一直是难点问题之一.为解决高温辐照条件下的屈服强度模拟问题,建立了一个包含组织模拟和强度模拟两部分的多尺度模拟模型.其中主要的显微组织影响因素包括位错、析出物、溶质浓度、晶格强度、剪切模量、晶界结合强度、位错环和氦泡的增殖.结果显示，在常温下，派纳力与晶粒细化占总强度的较高比例。然而随着温度的不断升高，位错受晶格的阻力明显减小，晶界结合力明显降低，从而导致派纳力和晶粒细化强度贡献值的大幅下降，从而引起了材料总体强度的减弱。材料在高温辐照条件下的屈服强度模拟结果和实验结果基本吻合，可以明显反应材料因高温导致的软化现象以及辐照引起的硬化现象。未来应进一步解决模型与模型之间的参数传递问题，以及参数的优化问题。

摘要： 对合金凝固多尺度模拟涉及的一些关键性问题进行了分析和讨论,并建立了合金凝固液固相变模拟的数理模型.在宏观温度场的模拟方面,提出了处理凝固潜热的等价比热-温度补偿组合模型和保热通量边界条件处理方法.在介观尺度液固相变的模拟方面,提出了一个判断形核的理论模型;将过渡胞中的液固界面近似为垂直于生长方向的平面,建立了其相邻液相胞被激活生长的模型及算法;提出了一个多余溶质分配模型;以二元铝硅合金的凝固为例进行了晶粒生长模拟,结果符合实际情况.研究结果对于研究凝固组织中不同晶粒形貌的形成及演化的模拟具有参考价值,对于半固态合金组织性能预测及其制备工艺优化具有实际意义.

摘要： 微通道壁表面液滴的运动在油气田开发和药物精确输送等领域有重要应用背景,但其运动规律和机理尚未得到很好的研究揭示,其难点在于微纳输运现象的多尺度特性与界面问题的复杂性.所谓的多尺度特性是指在微纳液滴界面处宏观的连续介质假设不再成立,分子效应影响不可忽略,而单独采用分子动力学方法模拟在当前有限计算资源条件下难以满足要求,因此必须采用多尺度模拟方法.若考虑到具体应用时必须考虑的固-液界面的几何构形以及物理特性带来的复杂性,这个问题极具挑战性.本文采用多尺度耦合模拟,即在液滴及界面附近采用分子模拟而在体流区采用高效的格子玻尔兹曼方法,对微通道内微纳液滴的运动规律做深入探究,并揭示其运动的多尺度效应.

摘要： 目前对SOFC的研究主要通过数值分析方法,由于传统宏观模型不能准确描述其内在机理, 而细微尺度模拟则面临计算机内存开销巨大,CPU 耗时过长的问题。因此本文提出一种用于模拟 SOFC 电化学性能的伸缩式投影Adams 多尺度模拟方法,建立SOFC的系统模型,首次以多尺度的观点从介观尺度出发对SOFC 电化学性能进行模拟。研究其各电化学性能参数之间的关系以及入口燃料/空气成分含量、SOFC 工作温度、压力对电化学性能的影响,论证了该方法的有效性。

摘要： 基于氧化硅气凝胶内部的微结构特征,建立了用于研究其力学行为的多尺度力学模型.利用初级粒子间传载模型描述了初级粒子间的载荷传递机制,利用纳米颗粒团簇结构模型描述了氧化硅气凝胶的微观结构.通过结合上述两个特征尺度的模型,利用多尺度方法研究了氧化硅气凝胶的压缩力学行为.结果表明,随着密度的变化,氧化硅气凝胶的压缩体现了不同的宏观力学特性.

摘要： 热防护是高超声速飞行器服役过程中的关键科学问题，因而高效隔热材料的研制也就变得越来越重要。基于氧化硅气凝胶粉体材料内部的微结构特征,建立了能反映其特征结构的多尺度力学模型,利用分子动力学方法模拟了氧化硅气凝胶的纳米多孔结构和拉伸性能,进一步利用离散元方法模拟了粉体材料的模压成形和多轴压缩应力一应变曲线.分子动力学模拟表明,气凝胶密度越低,其分形维数越小.此外,离散元模拟表明,氧化硅气凝胶粉体材料的弹性模量比对应的氧化硅气凝胶弹性模量低,压缩强度比对应气凝胶的拉伸强度高;随着围压的增加,氧化硅气凝胶粉体材料的压缩强度增加.

摘要： 采用以ANSYS软件建立的有限元模型,对Ti6A14V合金Φ600 mm铸锭真空自耗电弧熔炼过程中的温度场变化以及熔炼电流对熔池形貌的影响进行了研究,并耦合微观模拟的CAFD模型对铸锭几个特征区域凝固前沿的枝晶生长和V元素溶质偏析进行了模拟.结果表明,熔炼电流的增大使熔池深度和糊状区宽度变大,使熔炼达到稳态的时间提前；熔炼达到稳态时,铸锭中心处形成较短而不是十分连续的柱状晶组织,二分之一半径处和边部则形成连续的柱状晶组织.

摘要： 基于Chapmann-Enskog展开，本文提出了多尺度过程界面耦合的LBM/NS重构算子，将该重构算子用于格子-Boltzmann方法（LBM）和人工压缩方法（ACM）耦合计算中，提出了基于多尺度重构算子的LBM和ACM界面耦合方法。为检验该耦合方法，将其用于模拟双周期剪切层流动，并将该方法应用于多孔介质流体混合层流动模拟中，数值结果表明LBM与ACM耦合方法可以正确模拟非稳态流动问题和多尺度复杂流动。

摘要： 基于Chapmann-Enskog展开，本文提出了多尺度过程界面耦合的LBM/NS重构算子，将该重构算子用于格子-Boltzmann方法（LBM）和人工压缩方法（ACM）耦合计算中，提出了基于多尺度重构算子的LBM和ACM界面耦合方法。为检验该耦合方法，将其用于模拟双周期剪切层流动，并将该方法应用于多孔介质流体混合层流动模拟中，数值结果表明LBM与ACM耦合方法可以正确模拟非稳态流动问题和多尺度复杂流动。

摘要： 本发明公开了底水砂岩油藏开发大尺度高温高压模拟装置及模拟方法，包括模型本体，模型本体密闭设置；还包括用于对设置在其内部的岩板加热，加围压的夹持器；岩板连接有均为竖直设置的注水或气井模拟装置和生产直井模拟装置的一端，水平设置的生产水平井模拟装置的一端；注水或气井模拟装置的另一端连接驱替流体注入装置；生产直井模拟装置和生产水平井模拟装置的另一端均连接到流体收集装置；还包括均通过多个接口连接到岩板的地层原油供给装置和底水供给装置；数据收集处理装置连接流体收集装置和连接到岩板表面用于测量岩板温度、压力和电阻率的探针；本发明能够实现无限大地层的稳定供压和底水整体抬升的模拟，更真实的模拟多种地层条件。

摘要： 一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置及方法，涉及低温等离子体的应用技术领域。本发明是为了解决现有缺少能直接反映行星际磁场的结构特点的装置的问题。位于同一竖直方向上的上磁镜场线圈和下磁镜场线圈的结构相同，且为椭圆形线圈，椭圆长径比大于或等于1.5，电子回旋共振等离子体源，用于向偶极磁场注入电磁波，使电磁波在偶极磁场产生的共振磁场面处电离真空腔室内的工作气体产生模拟空间的等离子体，上磁镜场线圈和下磁镜场线圈，用于产生磁镜场磁场，模拟均匀的行星际磁场，在偶极磁场线圈和上、下磁镜场磁场之间存在磁零点。它用于模拟磁层顶重联过程。

摘要： 本发明涉及一种大尺度均匀等离子体模拟系统及其模拟方法，属于空间环境模拟与空间环境探测领域。本发明所述的一种大尺度均匀等离子体环境模拟系统中，采用过渡的源舱可以使进入实验舱的等离子体更加均匀；采用亥姆霍兹(Helmholtz)载流线圈，有效减弱或消除了大尺度等离子体环境模拟系统源舱及实验舱内等离子体中荷电粒子

摘要： 本发明公开了一种多尺度裂缝堵漏模拟器及多尺度裂缝堵漏模拟实验装置，其中多尺度裂缝堵漏模拟器包括井筒部和裂缝模拟部，井筒部的两端分别设置有筒顶进液口和筒底出液口，裂缝模拟部内设置有至少两条相互独立且狭长的贯穿裂缝，多个贯穿裂缝的进液端分别与井筒部的内部连通；多尺度裂缝堵漏模拟实验装置包括堵漏浆调配装置和上述多尺度裂缝堵漏模拟器，堵漏浆调配装置包括多个堵漏浆罐、搅拌器、堵漏浆输出管、回液管和废液池。本发明公开的多尺度裂缝堵漏模拟器及多尺度裂缝堵漏模拟实验装置，在进行裂缝堵漏模拟实验的同时，能够优化多尺度裂缝性地层堵漏材料设计，为实现模拟复杂工况下的井下堵漏过程提供理论指导。

摘要： 本发明提供一种基于中尺度和小尺度耦合的区域风场模拟方法和系统，其中方法包括采用中尺度数值模式模拟中尺度风场，得到符合真实大气环境的平均风剖面；采用边界层尺度数值模式将符合真实大气环境的平均风剖面作为模拟边界层尺度风场的初始条件和边界条件，得到大气边界层尺度的湍流脉动；采用结构尺度流固耦合数值模式将符合真实大气环境的平均风剖面和大气边界层尺度的湍流脉动作为模拟结构自身及周边尺度风场的初始条件和边界条件，得到建筑结构所处风环境、所受风荷载和响应风效应。本发明采用上述方案，在多尺度风场模拟中实现不同尺度风场连续模拟，提高了模拟不同尺度风场的效率和准确度。

摘要： 本发明公开了一种小尺度岸滩剖面与大尺度岸线变化的耦合数值模拟方法，包括如下步骤：S1、建立对平面近岸动力精确定量描述的波流耦合模型；S2、建立对近岸底部离岸流精确定量描述的底部离岸流模型；S3、建立小尺度岸滩剖面演变模型；S4、利用长周期控制函数集，建立大尺度岸线变化模型；S5、采用非结构网格上Godunov型有限体积法，求解大尺度岸线变化模型，获取大尺度岸线变化数值。本发明实现了由小尺度岸滩上泥沙输运量向大尺度岸线地貌上输运量的拓展，完成大尺度岸线变化的模拟，可显著提高岸滩演变模拟仿真的实际应用价值。

摘要： 本发明提出了一种大尺度多因素空间辐照环境集成模拟方法，属于空间环境模拟技术领域。解决了现有环境模拟装置难以对空间综合辐照环境进行模拟的问题。它包括容器系统、热沉系统、真空系统、低温系统、太阳模拟器、紫外辐照源、粒子辐照源、样品台和测控系统，所述热沉系统安装在容器系统的内壁，所述真空系统与容器系统相连，所述低温系统与热沉系统相连，所述太阳模拟器、紫外辐照源和粒子辐照源均设置在容器系统的顶部，所述样品台安装在容器系统的内部，所述测控系统与热沉系统、真空系统、低温系统、太阳模拟器、紫外辐照源和粒子辐照源控制相连。它主要用于空间综合辐照环境的地面模拟。

摘要： 本发明公开一种实验室大尺度模拟煤矿采场系统并实现采场围岩智能控制平台及方法。平台包括开采扫描车、可升降底座、实验台和操纵台，开采扫描车包含微型三维激光扫描相机和开采钻头；实验台包含连接液压活塞的群组液压支架，液压活塞通过操纵台控制；每架液压支架安装三个姿态传感和两个压力传感器。实现围岩智能控制的方法包括：通过扫描车的扫描系统和支架上传感器等获取支架、煤壁和顶板的位态信息；通过对采集数据进行处理，构建数据库；将处理后的数据利用机器学习进行训练与优化，寻求围岩最佳状态以及要素最佳参量；将要素分为可控与不可控两类，在开采过程对于可控要素进行调整；将调整后围岩状态持续进行监测与评价，实现围岩动态稳定。

摘要： 本发明公开了底水砂岩油藏开发大尺度高温高压模拟装置及模拟方法，包括模型本体，模型本体密闭设置；还包括用于对设置在其内部的岩板加热，加围压的夹持器；岩板连接有均为竖直设置的注水或气井模拟装置和生产直井模拟装置的一端，水平设置的生产水平井模拟装置的一端；注水或气井模拟装置的另一端连接驱替流体注入装置；生产直井模拟装置和生产水平井模拟装置的另一端均连接到流体收集装置；还包括均通过多个接口连接到岩板的地层原油供给装置和底水供给装置；数据收集处理装置连接流体收集装置和连接到岩板表面用于测量岩板温度、压力和电阻率的探针；本发明能够实现无限大地层的稳定供压和底水整体抬升的模拟，更真实的模拟多种地层条件。

摘要： 一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置及方法，涉及低温等离子体的应用技术领域。本发明是为了解决现有缺少能直接反映行星际磁场的结构特点的装置的问题。位于同一竖直方向上的上磁镜场线圈和下磁镜场线圈的结构相同，且为椭圆形线圈，椭圆长径比大于或等于1.5，电子回旋共振等离子体源，用于向偶极磁场注入电磁波，使电磁波在偶极磁场产生的共振磁场面处电离真空腔室内的工作气体产生模拟空间的等离子体，上磁镜场线圈和下磁镜场线圈，用于产生磁镜场磁场，模拟均匀的行星际磁场，在偶极磁场线圈和上、下磁镜场磁场之间存在磁零点。它用于模拟磁层顶重联过程。