气溶胶动力学高效并行随机数值模拟及实验研究

Aerosol is ubiquitous in both natural science and industry. Stochastic simulation of aerosol dynamics is very flexible in dealing with complex physical models, at the same time, it is much easier to handle the complex aerosol morphology (describing particles via volume, surface area, fractal dimension, etc. together). However, stochastic simulation is computationally too expensive to be integrated with the Computational Fluid Dynamics (CFD)/Numerical Heat Transfer (NHT). Here, it is proposed to further optimize the high order operator splitting Monte Carlo simulator for aerosol dynamics, which has been recently developed by the project proposer. Additionally, the Monte Carlo simulator will be adapted to run on Graphic Processing Units (GPUs) in parallel. The proposer has found that it is possible to reduce the stochastic error and limit the systematic error simultaneously through using small number of Monte Carlo particles and repeating independent simulations a huge number of times. This finding gives theoretical support on using GPUs to significantly speed up the simulation. The simulation on GPUs is expected to be orders of magnitude faster than on CPUs, taking advantage of the independence of the stochastic simulations. Furthermore, the stochastic method will be two-way coupled with the combustion kinetic solve Chemkin to investigate the inception and evolution of soot in burner stabilized premixed flame. Simultaneously, soot experiment will be carried out, and the measured data will be used to verify the numerical simulation results.

气溶胶研究有着广泛的自然科学及工业应用背景。气溶胶动力学随机模拟方法能够便捷处理复杂物理模型,并可方便推广到多维颗粒形态空间(同时用体积,表面积,以 及分数维度等多参数描述复杂颗粒形态)。然而,随机模拟的计算量过大,无法结合计算流体力学/数值传热学来处理复杂流动问题。此项目,将进一步发展优化申请人发明的高阶算子分裂随机模 拟方法,并将此方法移植到 GPU 上进行高效并行模拟。基于申请人现有研究发现,选用少量 模拟粒子数目,而大量重复独立的随机模拟,可在极大减小随机误差的同时,保证可控的系统误差。因而,可最大程度利用 GPU 相对 CPU 计算优势,有望使模拟速度获得数量级上提升。进一步,将随机模拟方法与燃烧动力学求解器Chemkin双向耦合，来模拟一维预混火焰中炭烟的形成演化规律。同时，开展相应燃烧实验，比较验证数值模拟结果。

气溶胶指固体或/和流体微粒稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系。其广泛存在于自然界及工业应用中，如大气中的云层，气雾喷剂，以及目前广泛关注的可吸入颗粒物（如雾霾）。深入研究气溶胶的演化发展规律在健康保健及环境保护方面有着重大的现实意义。石油燃料燃烧过程中生成的碳烟，作为气溶胶的一种，是燃烧过程中一种主要的污染物。研究碳烟的生成演化规律有助于深入了解燃烧过程，为改进燃烧，减少碳烟排放提供理论指导。.本项目发展了一种精确高效的算子分裂气溶胶随机模拟方法，对其精度及效率进行了全面深入的研究。在对不同的算子分裂方法的误差比较分析后发现，二阶的中心对称型Strang分裂方法，在综合数值精度与计算效率方面等多方面考量后，为最优选择。. 应用此随机方法，结合燃烧反应动力学标准程序Chemkin，模拟研究了预混燃烧火焰中碳烟的生成演化规律。通过比较目前两种流行的碳烟前驱物环芳香烃的生成机理（ABF与KM2），发现包含更大环芳香烃产物的KM2反应机理，能够更加合理的模拟碳烟生成，与已知实验结果更加吻合。. 除开数值模拟，本项目同时也开展了相应的模拟燃烧实验。在国际先进同行的指导下，从无到有搭建了实验台架，并进一步与国际同行进行了深入地合作研究。.本项目成功开发了一种高效精确的气溶胶随机模拟方法，并成功将此方法应用于多种环境条件下气溶胶的生成演化模拟，加深了在复杂条件下气溶胶生成演化规律的理解。