（1）多相反应器与过程强化的介尺度理论
针对费托合成浆态床反应器产热量大、放大困难的工程应用现状，课题组建立了气液体系的介尺度基础理论及模拟方法，大幅提高了反应器内流场模拟准确性，认识了浆态床反应器内流动、传递、反应特性规律，揭示浆态床内换热列管束对流场调控机制，开发了新型螺旋翅片换热列管元件，实现反应器的流场调控、传热强化等多重功能。
图1.1 浆态床反应器内流动、传递、反应特性规律
[1] Yang N, Chen J H, Zhao H, et al. Explorations on the multi-scale flow structure and stability condition in bubble columns[J]. Chemical Engineering Science, 2007, 62(24): 6978-6991.
[2] An M, Guan X P, Yang N. Modeling the Effects of Solid Particles in CFD-PBM Simulation of Slurry Bubble Columns. Chemical Engineering Science, 2020, 223: 115743.
[3] Guan X P, Yang N. CFD Simulation of Bubble Column Hydrodynamics with a Novel Drag Model Based on EMMS Approach. Chemical Engineering Science, 2021, 243, 116758.
[4] Guan X P, Yang N. Characterizing Regime Transitions in a Bubble Column with Internals. AIChE Journal, 2021, 67(5): e17167.
[5] 授权专利：2023, 一种浆态床反应器, 授权公告号：CN218554040U.
（2）跨尺度模拟优化
转定子乳化装备内的传递过程是典型的多尺度问题，跨越了从分子到转定子设备的宽广空间尺度，跨尺度关联机制认识的缺失限制了乳化工艺的技术创新。在界面吸附这一关键介尺度上，合作伙伴采用分子动力学模拟揭示乳化剂吸附机制，发展乳化剂本征吸附动力学，得到乳化剂关键物性参数。在液滴聚并和破碎这一关键尺度上，课题组发展了系统稳定性条件约束的聚并-破碎动力学模型。通过乳化剂在体相和界面之间的迁移机制耦合宏尺度流体动力学，实现跨尺度耦合关联，突破已有模型预测能力差的瓶颈问题。针对德国巴斯夫转定子乳化分散设备，耦合了乳化剂在液滴界面吸附、液滴在流场作用下的聚并破碎两个关键的介尺度效应，发展了跨尺度关联的液滴尺寸分布预测模型，应用于巴斯夫的转定子乳化分散设备的设计和优化过程。
图2.1 转定子乳化装备内的多尺度问题
[1]. Guan X P, Yang N, Nigam K D P. Prediction of Droplet Size Distribution for High Pressure Homogenizers with Heterogeneous Turbulent Dissipation Rate. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2020, 59: 4020-4032.
[2]. Chen C, Guan X P, Ren Y, et al. Mesoscale modeling of emulsification in rotor-stator devices Part I: A population balance model based on EMMS concept. Chemical Engineering Science, 2019, 193: 171-183.
[3]. Chen C, Guan X P, Ren Y, et al. Mesoscale modeling of emulsification in rotor-stator devices Part II: A model framework integrating emulsifier adsorption. Chemical Engineering Science, 2019, 193: 156-170.
[4] Qin C P, Chen C, Xiao Q, et al. CFD-PBM simulation of droplets size distribution in rotor-stator mixing devices[J]. Chemical Engineering Science, 2016, 155: 16-26.
（3）淤浆法烯烃聚合反应器模拟及结构优化
在淤浆法烯烃聚合生产工艺中，由于系统撤热不及时导致的聚烯烃颗粒溶胀、团聚，大大增加了环管反应器堵塞的风险。该过程涉及到复杂的多尺度行为：在微观尺度，聚烯烃颗粒在高温下溶胀，溶剂分子扩散至颗粒内部，无定形区的高分子链缠结逐渐松散使得颗粒表面具有粘性；在介观尺度，软化变粘后的颗粒在相互碰撞过程中团聚形成复杂的介尺度结构；这种介尺度结构显著改变了反应器中浆液的流变性，引发了宏观尺度上环管反应器的堵塞（图1）。通过对该复杂多尺度问题的层层解耦，提出了用于模拟溶胀颗粒流动行为的双流体模型框架 (Swelling-dependent Two Fluid Model, STFM)。在该模型中，通过组分输运方程(Species Transport Equation, STE)描述微观尺度上颗粒溶胀过程中溶剂分子扩散至颗粒内部的质量传递；通过群平衡方程 (Population Balance Equation, PBE)描述介观尺度上溶胀颗粒的团聚行为；而环管反应器中液固两相的宏观流动则通过双流体模型(Two Fluid Model, TFM)进行描述。
图3.1 环管反应器中的多尺度行为及模拟策略
基于上述模型，模拟结果成功复现了实际生产过程中由于环管堵塞引发的轴流泵功率突增的现象。这一现象和环管内堵塞区域的体积具有很强的相关性。当堵塞体积达到某一阈值时，泵功率突增现象发生。在增加叶轮转速时，泵功率突增的转变点存在先延迟后提前的现象。这是由于环管中固体堆积(Solid Accumulation, SA)和固体分散(Solid Dispersion, SD)的竞争导致的（图2）。
图3.2 环管反应器中的溶胀颗粒堵塞现象
模拟还发现：环管反应器中容易发生堵塞的位置为轴流泵上游及远离轴流泵的上方横管。为了缓解这些区域的堵塞，尝试了多种反应器结构优化策略，如调整轴流泵位置、增加支管或侧管、以及设置双轴流泵等。最终发现：在相同条件下，双泵双循环结构的反应器(Reactor 3)堵塞区域体积最小，表现出最佳的防堵塞效果（图3）。
图3.3 环管反应器的结构优化
[1] Zhou R, Chen J, Yang N, et al. Modeling of complex liquid-solid flow of particle swelling in slurry loop reactors[J]. Chemical Engineering Science, 2018, 176: 476-490.
[2] Xu Q, Zhou R, Yang N, et al. Optimization of slurry loop reactors by understanding the complex mesoscale structure of liquid–solid flow. ACS Engineering AU, 2022, 2(3): 197-207.
[3] 授权专利：2018,一种环管反应器, 授权公告号：CN208302787U.
[4] 授权专利：2023,一种双循环式环管反应器及其系统装置。
（4）工业混合过程快速计算流体力学软件 针对工业原油储罐模拟计算量大、速度慢的技术难点，本课题组开发快速计算流体力学模拟软件，集成LBM-RANS的时空异步算法以及GPU加速的LBM-LES算法。在LBM-RANS的时空异步算法中，令LBM在较小的时间步长上求解计算，而RANS模型在较大的时间步长上求解计算，采用插值近似的方法给出LBM与隐式求解RANS模型耦合所需的信息，实现工业规模的原油储罐模拟。
图4.1 工业规模原油储罐模拟
本课题组开发出GPU加速的LBM-LES算法，用于搅拌罐流场瞬态模拟时，叶轮旋转一周消耗的计算时间不到两分钟，在计算速度上比ANSYS Fluent商业软件（使用16个CPU核）快1500倍，能实现更大时间步长的瞬态模拟。此外，本算法实现高精度大涡模拟，在高湍流区域能够解析出精细的湍流结构。
基于ANSYS Fluent软件
基于本课题组开发的算法
图4.2 GPU加速+Coherent LES预测搅拌槽流场
图4.3 软件著作权
[1] Shuli Shu; Jingchang Zhang; Ning Yang ; GPU-Accelerated Transient Lattice Boltzmann Simulation of Bubble Column Reactors, Chemical Engineering Science, 2020, 214: 115436.
[2] Shu, S., and Yang N., GPU-accelerated large eddy simulation of stirred tanks, Chemical Engineering Science, 2018, 181:132-145.
[3] Shu, S., and Yang N., Numerical study and acceleration of LBM-RANS simulation of turbulent flow, Chinese Journal of Chemical Engineering, 2018, 26:31-42.
[4] 发明专利：2015,实现计算流体力学大规模实时模拟的方法,授权公告号：CN104933225B。
[5] 计算机软件著作权：2015,工业混合过程快速计算流体力学模拟软件[简称:FastCFD]V1.0,登记号:2015SRBJ0698。
