基于格子Boltzmann方法的多孔介质内气固反应与热质耦合传输过程的微观机理研究

The gas-solid reaction in porous media coupled with heat and mass transfer widely exist in many fields, such as energy, chemical engineering, metallurgy, environment, and so on. However, the reaction system typically contains various gas components, the porous media always exist micro-channels, and the gas-solid reaction will change the pore structure of porous media, also influence heat transport. These features limit the traditional methods in studying the gas-solid reaction in porous media, while the lattice Boltzmann (LB) method that developed in recent years can overcome these bottlenecks. In view of this, the advanced lattice Boltzmann model will be developed to investigate gas-solid reaction in porous media, through high-performance computing technology. The research topics include: building LB model that can accurately describe the gas-solid reaction coupled with heat and mass transfer, developing efficient scheme for boundary conditions; performing numerical simulation and mechanism analysis of gas-solid reaction in porous media; discovering effective method and technique to improve reaction conversion. The study not only can be used to reveal the microscopic mechanism of gas-solid reactions in porous media, but also provides the necessary theoretical basis for the engineering design and application, such as the absorption performance enhancement of calcium oxide.

多孔介质内耦合热质传输的气固反应流问题广泛存在于能源、化学工业、冶金及环境等众多领域。由于该反应系统通常包含多个气体组分，气固反应的发生还将导致固体结构和温度的变化，而且多孔介质内还存在许多微小孔隙，传统的研究方法在这类问题的微观机理研究方面都面临诸多瓶颈，而近年来发展起来的格子Boltzmann（LB）方法解决这些瓶颈有独特的优势。鉴于此，本项目将采用LB方法这一先进的数值模拟方法，并借助高性能计算技术，对多孔介质内耦合热质传输的气固反应微观机理进行研究。主要包括：发展热质传输与气固反应相互耦合的LB模型和边界条件处理格式；分析孔隙结构、气体成分与浓度、温度、固体产物与固体反应物摩尔体积比等对多孔介质内气固反应性能的影响，探索提高反应转化率的方法与手段。本研究不但可以用来揭示多孔介质内气固反应的微观机理，而且为氧化钙吸收二氧化碳性能的提高及与此类似的工程问题提供了必要的理论依据与指导。

多孔介质内气固反应是一个既涉及到多组分非均相化学反应又涉及热质传输过程的复杂系统，且在能源、化学工业、冶金及环境等领域中广泛存在。本项目提出采用近年来发展起来的格子Boltzmann（LB）方法，并结合GPU并行计算等高性能计算手段，对多孔介质内耦合热质传输的气固反应过程的微观机理进行研究。本项目基本按计划执行，（1）首先建立了用于描述耦合热质传输非均相反应过程的多组分格子Boltzmann模型和边界处理格式，鉴于描述传热传质过程的方程均为对流扩散方程，本项目构建了一系列用于描述对流扩散方程的LB模型及相应的边界处理格式，主要包括：建立了多相多组分LB模型及耦合粘性Burgers方程的LB模型，设计了一类具有更高稳定性且非常适合用于处理反应边界条件的边界处理格式；（2）多孔介质内耦合热质传输的气固反应流问题，不仅涉及到多孔介质内非均相反应的发生，还存在多孔介质内多组分流动与扩散问题。项目组基于前面提出的LB模型分别对多孔介质内的多组分流动与扩散问题及多孔介质内的非均相反应问题进行了数值模拟与分析，主要包括：研究了单个微管道内及复杂多孔介质内多相多组分流体的混合流动过程，对多孔介质内的溶解与沉淀现象以及气固反应过程开展了一系列的研究；（3）本项目还基于稀疏矩阵算法，并结合MPI（Message Passing Interface）技术实现了基于多GPU的格子Boltzmann算法研究设计，为实现更大规模更高性能的LB模拟提供了可能。