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余艾冰:计算是理解颗粒体系的强有力工具

前言:
说到材料,我们可能会想到金属、水泥等结构材料,也可能会想到具有精细纳米结构和独特物理化学性质的功能材料。但是,我们却经常不会想到材料内部结构的组织模式:从这一角度出发,玻璃、钢铁、煤炭、水泥和许多其它常见的材料,都是由颗粒组成的颗粒材料。澳大利亚蒙纳士大学教授余艾冰拥有30年颗粒系统研究经验,在《国家科学评论》(NSR)专访中,余艾冰阐释了如何通过计算机仿真与模拟,来加深对颗粒材料的理解。
 
撰文 | 赵维杰
翻译 | 瞿立建
责编 | 蒋海宇
 
NSR:什么是颗粒系统?它为什么重要?
 
余艾冰:简言之,颗粒系统是颗粒的聚集体,这一系统中通常也会涉及气体、液体等工业过程中的其它物质相。在自然界和工业生产中,存在着多种多样的颗粒系统(矿石、煤炭、谷物、沙子、大米、豆类、粉末、纳米颗粒等),这些材料有湿有干,颗粒大小从纳米到厘米,跨越多个数量级。颗粒材料是除水之外,人类使用最多的材料类型。超过70%的工业成品和中间产品都是颗粒材料。
 
 
颗粒系统在工业生产中随处可见,在理解其性质、操控其行为方面的任何微小改进,都可以带来巨大的经济效益。例如,仅限于美国化工产业,据估算其40%的产值提升(每年约610亿美元)与颗粒研究相关。
 
另一例子,研磨工艺是矿物工业中的重要环节,也是以低效(通常小于10%)和耗能(占矿物加工厂直接运营成本的40%)著称的环节。因此,工业界非常需要研磨相关的研究,希望能够得到终极解决方案,更好地设计、控制和优化相关工业过程和产品。颗粒科学与技术就是专门为解决颗粒相关问题而产生的交叉学科。
 
NSR:颗粒系统有什么独特性质?
 
余艾冰:颗粒材料兼具固液气三种物质聚集状态的特征。在特定条件下,它们可以像固体一样承受形变,像液体一样流动,或者像气体一样被压缩。微粒/颗粒物质可以被认为是一种新的物质聚集状态。在多年研究之后,我们对它的理解依旧很不完善。
 
对颗粒系统理解的不足限制了工业生产的水平。平均而言,对于颗粒系统,我们现在只能达到工业生产设计能力的50%,而在只涉及气相或液相的工业领域中则可以达到90%。颗粒材料应用广泛,但在许多相关工业过程中,我们对过程中颗粒行为的了解十分有限,其实际操作不得不依赖经验,几乎等同于“黑箱” 操作。
 
NSR:为什么要用计算手段研究颗粒系统?
 
余艾冰:对于许多工业过程的设计、控制和优化,对控制颗粒行为的原理的理解非常重要。我们拥有各种可用于颗粒系统行为测定的技术,但在最基本的物理层面,我们还缺少解决实际问题的通用和可靠的方法。这在颗粒系统动力学研究中特别明显。颗粒系统动力学涉及至少三个关键因素:速度、结构和力。既往研究很大程度上仅限于速度,因为其它二者的信息都难以测定。
 
计算机仿真与模拟技术可以帮助解决这个问题。这些技术通常会使用多尺度方法来理解不同长度和时间尺度中的现象,包括:(1)在分子或亚颗粒尺度上确定颗粒、流体和容器壁之间的相互作用力,以及颗粒和/或孔隙的输运行为;(2)在微观或颗粒尺度上,了解不同流动条件下的颗粒流动和受力结构;(3)在介观/宏观尺度上,给出基于连续介质的过程建模所需要的控制方程、本构关系和边界条件;(4)在工业生产尺度上,对流动和生产过程的性能进行量化,以更好地控制和优化生产。此外,在流体存在的情况下,我们还需要考虑如何将流体的流动和热量、质量的传递相耦合。
 
过去20多年里,计算机技术飞速发展,衍生出许多先进的计算方法。这些方法被用来解决各种问题。计算方法已经逐渐成为服务于基础研究和工程应用的强大工具。
 
NSR:在材料科学中,有限元法(FEM)常用于宏观连续介质模型,而分子动力学模拟(MD)则多用于微观离散模型。针对颗粒系统的关键建模方法是什么?这些方法如何实现多尺度模拟?
 
余艾冰:和材料科学相似,现有的颗粒系统模拟方法也分为两类:宏观层面的连续介质法和微观层面的离散法。连续介质法一般通过计算流体动力学方法(CFD)实现,而离散法通常采用离散单元法(DEM)。
 
它们分别对应于材料研究中的FEM和MD,但其中涉及的力不同。根据研究需要,我们需要采用不同的数值方法来评估不同时间和长度尺度下的颗粒行为。例如,我们可以利用MD或FEM来确定颗粒之间的作用力,用DEM模拟颗粒尺度上的颗粒流,用CFD或FEM模拟工业生产尺度上的颗粒流。
 
此外,我们还需要模拟颗粒—流体耦合的两相流。两相流模拟问题会根据涉及的尺度而采用不同的模拟方法。流体流动的时间和长度尺度可以比颗粒还小得多(例如,格子玻尔兹曼方法(LBM)或直接数值模拟(DNS)),也可能比颗粒大得多(例如所谓的双流体模型(TFM))。相应地,我们还有将以上方法相结合的方法,如LB-DEM、DNS-DEM和CFD-DEM。
 
所有这些模拟技术都已经在文献中得到了详细的阐述。不过,它们的实际应用效果要取决于具体的研究对象和研究目标。因此,被模拟的过程的尺度可以是亚颗粒、颗粒,甚至是工业生产尺度。
 
NSR:颗粒系统的仿真与模拟主要面临哪些挑战?
 
余艾冰:颗粒系统建模绝非易事,因为系统中颗粒数目巨大,颗粒间相互作用又复杂多样。颗粒系统的复杂行为在宏观尺度上难以理解、预测和控制。另一方面,颗粒体系的整体行为是大量个体颗粒行为的集合。这意味着,宏观的复杂行为是可以被微观过程所决定和描述的。
 
但在实践中,实现颗粒系统建模需要结合多个学科的知识和方法,包括数学、物理、工程和计算技术等。我认为,我们现在急需在不同时间和长度尺度上,对颗粒系统进行创新性的、高度系统化的研究。这将帮助我们建立起从微观到宏观的建模与分析的完备理论。因此,我在以前几篇综述文章中总结了颗粒系统仿真与模拟的三大挑战:
 
首先,开发更完备的理论和实验技术,以确定不同条件下颗粒间、颗粒与流体间的相互作用力,从而为颗粒尺度模拟奠定更坚实的基础。
 
其次,建立一个通用理论,将离散颗粒法和连续介质法相结合。在此基础上,我们对颗粒尺度下获得的颗粒之间、颗粒与容器壁之间、颗粒与流体之间的相互作用进行量化、建立本构关系和边界条件,用于模拟过程工程的连续方法中。
 
第三,开发可靠的模型和高效的计算程序,使颗粒尺度的模拟得到扩展。比如,从两相流扩展到多相流,从简单流动扩展到复杂流动,从流动扩展到传热和传质。这些扩展很重要。因为一旦实现,过程模拟将替代现象模拟成为真正解决工业问题的有效手段。
 
在过去约20年中,我的科研团队主要从事的就是这三个方面的工作。
 
NSR:在颗粒系统计算方面,你的科研团队取得了哪些进展?
 
余艾冰:我的科研团队的研究主题是“颗粒系统的仿真与模拟”。我们试图理解颗粒流动和堆积的基本原理,并着眼于矿物、冶金、材料工业等方面的应用。我们的工作内容非常广,但取得的进展可以用两个实例说明。
 
第一,我们建立了预测孔隙率(孔隙率=1-堆积密度)的数学模型。孔隙率是描述颗粒系统最常见的一个宏观参数。无论一个颗粒系统是由球形或非球形颗粒构成,是大(无粘结性)还是小(有粘结性),是干还是湿,它的堆积都可以根据颗粒的尺寸和球形度的分布函数来预测。该数学模型能回答不少问题,比如“在不同条件下,如何优化颗粒大小分布来获得最大堆积密度?”这是一个困扰了科学家一个多世纪的经典问题。
 
第二,我们对用于描述颗粒-流体的耦合流动的CFD-DEM方法的发展做出了多方面的原创贡献。我们采用MD、FEM和LBM为CFD-DEM方法建立了描述颗粒间,以及颗粒与流体间的相互作用力的本构关系;并发展了在不同时间和长度尺度上对描述流体的CFD方法和描述颗粒的DEM进行耦合的理论。目前,CFD-DEM被广泛认为是在对颗粒-流体流动的基础研究中最有效的研究方法之一。最近, 我们进一步发展了该方法, 以便能在颗粒尺度下处理传热和传质问题,这使高炉炼铁等复杂工业多相过程的颗粒尺度模拟成为可能。
 
NSR:仿真与模拟能用来设计和控制实际颗粒系统吗?有没有成功的例子?
 
余艾冰:计算机技术发展飞速,颗粒系统的计算机辅助设计也随之流行起来。连续法比离散法计算效率高,因此在过程建模和应用研究中更受欢迎。不过,计算要求更高的离散计算方法也很受关注,因为它可以得出更基本和更可靠的计算结果。尤其是现在超级计算机和GPU(图形处理器)等先进计算技术,已使许多工业过程的模拟成为可能。
 
利用计算方法进行工业设计的成功案例已经不少。事实上,我的研究团队一直从事这类工作。我们的数学模型——无论由连续法或/和离散方法建立起来的—— 能描述炼铁高炉中复杂的流动、传热和传质,以及重介质旋流器中的多相流。仿真与模拟可以帮助复杂工业过程的设计和控制,并且为生产带来了巨大效益。在过去我们已经开展了60多个相关项目,得到了澳大利亚研究理事会和工业界超过7000万美元的资助。许多研究项目为工业界每年节省数百万或千万计美元。
 
NSR:你如何看待颗粒科学与技术的前景?
 
余艾冰:很多人问过我这个问题。我每次的答案都差不多。依我看,颗粒科学与技术是一门相对较新的交叉学科。按1991年诺贝尔物理学奖得主皮埃尔-吉勒·德·热那教授的说法,“1998年的颗粒系统研究水平相当于1930年的固体物理研究水平” 。直到今天,固体物理仍然是最活跃的研究领域之一。所以说,颗粒或微粒体系的研究还处于起步阶段,还有很多东西需要发展,未来不好预测。
 
►皮埃尔-吉勒·德·热那,法国物理学家,1991年诺贝尔物理学奖得主。图片来源:维基百科。本图片为译者所加。
 
好消息是,颗粒研究的重要性已经被充分认可。如何发展一个颗粒动力学理论被《科学》杂志列为125大科学难题之一,足以说明这点。鉴于此,我确信在颗粒系统的理论体系、物理模型和研究技术等方面,都会不断产生新的进展,而颗粒尺度的研究将会成为主流。
 
NSR:颗粒系统的研究方法,包括实验方法和计算方法,可以扩展到其他研究领域吗?
 
余艾冰:如前所述,颗粒系统是可以与常规固液气相相并列的物态。只不过它的基本组成单元是颗粒,而非原子,因此与传统的三相在时间和长度尺度上有显著差异。正由于此,颗粒物质与常规物质所涉及的力和实验方法是不同的。
 
但在数学上,其控制方程具有一定的可比性,所以数值实验的方法是相似的。比如说,材料和颗粒物质的模拟方法,MD和DEM,FEM和CFD,分别密切相关。所谓的微观、介观和宏观尺度只是相对概念,其差别在于系统中的基本组成单元是原子还是颗粒。
 
在本质上,我们可以在承认每种问题独特性的同时,将多尺度建模的方法从颗粒体系衍生出去。我们也做过这方面的工作,对多种大相径庭的系统进行过计算研究:如纳米粒子的合成和应用,有机粘土/纳米复合材料的结构,快速冷却过程中铝的结晶,以及对颗粒、结构、性质三者关系的理论研究。这些研究的目的之一是理解不同时间和长度尺度上的力是如何使原子和颗粒产生不同的行为模式的。
 
NSR:总体而言,中国科学家在这个领域处于什么水平?
 
余艾冰:中国科研实力渐强,科研队伍庞大。虽然这其中从事颗粒物质研究的人员比例较小,但中国仍有许多从事颗粒系统的仿真与模拟的研究者。该领域的工作大致可分为两类:模型开发和模型应用。前者发展理论,难度较大;后者将开发好的理论或数学模型应用到具体的过程中,相对容易。迄今为止,理论贡献主要来自海外研究人员,中国研究人员更多致力于模型的应用。
 
值得关注的是,中国一些研究小组在颗粒科学和技术方面取得了不俗的成绩。他们的研究的内容也十分广泛,从理论发展到工业应用都有涉及。李静海教授领导的研究团队是个很好的例子。他们开发的能量最小多尺度(EMMS)模型很有独创性,已被证明可以用于颗粒—流体流动研究,特别是用在流态化过程中。这一模型或研究方法也许能用于不同类型的复杂介观现象。 
  
 
NSR: 你对计算材料领域的青年科学家有何建议?
 
余艾冰:计算已成为基础研究和工程应用的重要工具。它不仅为科学和技术的发展提供方法,也为年轻科学家带来机遇。要想在这个快速发展的领域中有所建树,可以考虑以下几点建议:首先,要努力工作;其次,要选定一个重要的领域或问题;第三,要做好在选定领域中专注工作许多年,甚至是一辈子的准备。
 
天道酬勤,有耕耘才有收获。只有努力才有可能成功。我们可能经常听到各种各样的失败原因,但我认为失败的真正原因只有两个:努力不够,或者能力不够。
 
祝青年科学家们好运!
 
余艾冰,广东开平人,颗粒系统和过程工程领域顶尖科学家、”颗粒系统仿真与模拟”领域的开拓者和奠基人之一。余艾冰是澳大利亚工程院院士、澳大利亚科学院院士,中国工程院外籍院士。现为澳大利亚蒙纳士大学副校长兼苏州分校校长,澳大利亚计算颗粒技术研究中心主任,东南大学-蒙纳士大学联合研究院院长,江苏省产业研究院工业过程模拟与优化研究所所长。(本简介为译者所加。 )
 
英文原文2018年5月发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR),原标题为“Computation as a powerful tool for understanding particle systems: an interview with Aibing Yu”。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR和牛津大学出版社授权刊发该文中文翻译。
原文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwy001
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