能源與環(huán)境工程中的多尺度、跨尺度問題研究

本項(xiàng)目以能源與環(huán)境學(xué)科中幾個(gè)典型的多尺度流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)工程問題為結(jié)合點(diǎn)，以本團(tuán)隊(duì)上一個(gè)重點(diǎn)基金研究結(jié)果為基礎(chǔ)，著重開展多尺度數(shù)值模擬中一些關(guān)鍵數(shù)值問題的研究，并輔以必要的實(shí)驗(yàn)測定，發(fā)展有效的適用于流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)問題的多尺度數(shù)值研究方法，構(gòu)建高效穩(wěn)定的多尺度計(jì)算體系。進(jìn)一步揭示不同尺度上流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)過程之間的耦合機(jī)制。在數(shù)值研究方面：構(gòu)建了聯(lián)系LBM及FVM的統(tǒng)一標(biāo)量重構(gòu)算子，并將其擴(kuò)展應(yīng)用到可壓縮流動(dòng)模擬中；采用LBM方法成功模擬核態(tài)沸騰模，克服了現(xiàn)有文獻(xiàn)中能量方程處理中的一些欠妥之處；通過數(shù)值風(fēng)洞確認(rèn)了外掠樓宇與街區(qū)的流動(dòng)存在與雷諾數(shù)密切相關(guān)及微弱相關(guān)的兩個(gè)區(qū)域；并且提出了相對(duì)變化率5%作為確定與雷諾無關(guān)流動(dòng)臨界雷諾數(shù)的依據(jù)；實(shí)驗(yàn)研究方面：基于質(zhì)子交換膜燃料電池、太陽能空氣吸熱器及大型濕熱風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)，發(fā)展相應(yīng)的多尺度問題的實(shí)驗(yàn)方法，深入研究了其中所發(fā)生的多尺度現(xiàn)象的基本規(guī)律，為考核與完善所建立的多尺度模型和數(shù)值方法提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 2100433B

本項(xiàng)目對(duì)流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)過程中的空間多尺度現(xiàn)象，以能源與環(huán)境領(lǐng)域中的幾個(gè)典型多尺度工程問題為具體研究對(duì)象，發(fā)展高效的多尺度數(shù)值求解方式，深入研究不同尺度上尤其是介觀和微觀層次上的流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象，揭示不同尺度上流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)過程之間的耦合機(jī)制。在數(shù)值模擬方面：構(gòu)建MD、DSMC與其它數(shù)值方法耦合的重構(gòu)算子，發(fā)展分區(qū)計(jì)算、界面耦合多尺度數(shù)值求解方法；完善分層計(jì)算、逐級(jí)傳遞多尺度求解方法；發(fā)展湍流流動(dòng)中壁面粘性影響區(qū)和外層之間高效，準(zhǔn)確的信息交換方法。在實(shí)驗(yàn)方面：基于質(zhì)子交換膜燃料電池、太陽能空氣吸熱器及城市小區(qū)空氣品質(zhì)及污染物散發(fā)實(shí)驗(yàn)，發(fā)展相應(yīng)的多尺度問題的實(shí)驗(yàn)方法，獲得一批可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為考核與完善所建立的多尺度數(shù)值方法提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過本項(xiàng)目的執(zhí)行不僅可以大力提高我國在能源與環(huán)境工程領(lǐng)域中多尺度問題數(shù)值模擬研究的國際地位，而且對(duì)相關(guān)的工程問題也有一定的指導(dǎo)與參考意義。

序

Preface

前言

第1章導(dǎo)論

1.1材料的特性源自材料的原子結(jié)構(gòu)與微觀結(jié)構(gòu)

1.2多尺度分析的研究目標(biāo)、內(nèi)容及串行式與并行式的研究方法

1.3材料設(shè)計(jì)中多尺度分析方法的選擇

1.4兩類空間多尺度問題及時(shí)問多尺度

1.4.1兩類空間多尺度問題

1.4.2兩類問題的基本區(qū)別

1.4.3時(shí)間多尺度問題

1.5不同應(yīng)用背景下多尺度問題的示例

1.5.1珠光體鋼軌鋼力學(xué)行為的微、細(xì)、宏觀多尺度分析

1.5.2生物活躍材料與人體醫(yī)療植入物的多尺度分析

1.5.3納米陶瓷涂層抗腐蝕的多尺度分析

1.5.4波形蛋白質(zhì)纖維的嵌套結(jié)構(gòu)與多物理、多尺度性能

1.5.5材料脆韌轉(zhuǎn)換分析中原子尺度與連續(xù)介質(zhì)尺度的連接

1.6國際上多尺度分析的發(fā)展概況

1.6.1總的態(tài)勢

1.6.2跨原子/連續(xù)介質(zhì)(第一類)多尺度分析

1.6.3跨連續(xù)介質(zhì)微/細(xì)/宏觀(第二類)多尺度分析

1.6.4時(shí)間多尺度分析

1.6.5存在的問題及所作的努力

1.7兼顧前瞻性的內(nèi)容設(shè)置

思考與探索

參考文獻(xiàn)

第2章分子動(dòng)力學(xué)要義及其與量子力學(xué)的能量連接

2.1分子動(dòng)力學(xué)的發(fā)展概況及其重要性

2.1.1從發(fā)展趨勢看研究分子動(dòng)力學(xué)的意義

2.1.2分子動(dòng)力學(xué)的一些研究領(lǐng)域

2.1.3分子動(dòng)力學(xué)的時(shí)空尺度

2.2分子動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方程、勢能函數(shù)、力與應(yīng)力

2.2.1質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的拉格朗日方程

2.2.2勢能函數(shù)U及作用于原子上的力與應(yīng)力

2.3分子動(dòng)力學(xué)的算法及其精度

2.3.1數(shù)值積分過程

2.3.2差分表達(dá)式

2.3.3Vetlet數(shù)值算法、精度分析及簡例

2.3.4其他常用的算法

2.4力的計(jì)算與邊界條件的處理

2.4.1分子動(dòng)力學(xué)程序中力的計(jì)算算法

2.4.2分子動(dòng)力學(xué)程序中力的并行算法

2.4.3分子動(dòng)力學(xué)中邊界條件的處理方法

2.5多體交互作用與嵌入原子法

2.5.1考慮多體作用的Tersoft與Brenner對(duì)勢

2.5.2嵌入原子法

2.6陶瓷材料分子動(dòng)力學(xué)模擬

2.6.1引言

2.6.2Born固體模型與考慮極化的殼體模型

2.7如何確定經(jīng)驗(yàn)勢中的參數(shù)

2.7.1LJ對(duì)勢函數(shù)參數(shù)e與a的估算

2.7.2LB混合律對(duì)指數(shù)勢及Morse勢三參數(shù)的估算

2.7.3陶瓷氧化物勢函數(shù)及其參數(shù)的確定

2.7.4用于研究磷酸鹽生化活躍材料的勢函數(shù)

2.7.5分?jǐn)?shù)式離子鍵固體勢函數(shù)

2.8如何確定分子動(dòng)力學(xué)模型的原子結(jié)構(gòu)坐標(biāo)及進(jìn)行圖形顯示

2.8.1分子動(dòng)力學(xué)模型原子結(jié)構(gòu)坐標(biāo)的確定

2.8.2分子動(dòng)力學(xué)的圖形顯示

2.9如何采用軟件進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算

2.9.1DL_Poly軟件簡介

2.9.2DL_Poly_2.18的文件庫及輸入文件的內(nèi)容

2.9.3DL_Poly_2.18的輸出文件

2.10量子力學(xué)與分子動(dòng)力學(xué)的能量連接

2.10.1原子內(nèi)的能量平衡及量子力學(xué)的基本概念

2.10.2分子動(dòng)力學(xué)與量子力學(xué)的耦合

2.10.3薛定諤方程求解孤立原子的能量

2.10.4耦合系統(tǒng)的能量

2.10.5求解量子力學(xué)基本方程實(shí)現(xiàn)耦合的三種基本方法

2.10.6緊束縛方法

2.10.7Hartree-Fock理論及其相關(guān)的方法

2.10.8電子密度泛函理論

2.11實(shí)例：納米涂層及植入物與液體界面分析中的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算

2.11.1基本方法

2.11.2對(duì)勢函數(shù)的確定

2.11.3氮化鐵與基體鐵界面剪切抗力的計(jì)算

2.11.4植入物與水一蛋白質(zhì)系統(tǒng)界面的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算

參考文獻(xiàn)

第3章跨原子/連續(xù)介質(zhì)多尺度分析

3.1引言

3.2跨第一原理/原子/宏觀多尺度變形與破壞分析

3.2.1模型區(qū)域的分割及其耦合

3.2.2系統(tǒng)的總哈密頓量及其分解

3.2.3握手區(qū)的一般設(shè)計(jì)及MAAD的特點(diǎn)

3.2.4MAAD存在的問題

3.3一維模型

3.3.1FE/MD耦合運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)

3.3.2分子動(dòng)力學(xué)與有限元耦合的數(shù)值例子

3.4Cauchy-Born法則及跨原子一連續(xù)介質(zhì)尺度的解析方法

3.4.1Cauchy-Born法則

3.4.2關(guān)于Cauchy-Born法則精度的討論

3.4.3基于Cauchy-Born法則的跨原子/連續(xù)介質(zhì)尺度的解析方法

3.4.4解析方法的應(yīng)用

3.5變形與破壞的擬連續(xù)介質(zhì)多尺度分析

3.5.1QC方法的基本模型及能量計(jì)算

3.5.2QC方法邊界的不協(xié)調(diào)性及鬼力

3.5.3QC方法的特殊貢獻(xiàn)

3.5.4全部非局部化的QC方法

3.6QC與離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)耦合的多尺度分析

3.6.1基本模型

3.6.2解法：三種邊值問題的疊加

3.6.3過渡區(qū)的處理及位錯(cuò)穿越過渡區(qū)

3.7用于動(dòng)力學(xué)模擬的搭接區(qū)多尺度分析

3.8用于動(dòng)力學(xué)模擬的橋接區(qū)多尺度分析

3.8.1位移場在兩個(gè)不同尺度的分解

3.8.2運(yùn)動(dòng)的多尺度方程及其討論

3.8.3橋接法多尺度框架及廣義朗之萬方程

3.8.4數(shù)值例題

3.8.5對(duì)橋接法的簡短評(píng)論

3.9幾種模型界面不協(xié)調(diào)性的比較

參考文獻(xiàn)

第4章廣義質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)多尺度模擬方法

4.1引言

4.2廣義質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方法的多尺度幾何模型

4.2.1多尺度區(qū)的形成

4.2.2廣義質(zhì)點(diǎn)的級(jí)別與其表征的原子數(shù)的定量關(guān)系

4.2.3模型實(shí)例

4.3逆映射法求解廣義質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)力學(xué)方程

4.3.1對(duì)等價(jià)剛度規(guī)則的質(zhì)疑

4.3.2映射與逆映射

4.4多尺度區(qū)的自然邊界條件

4.4.1原子區(qū)與連續(xù)介質(zhì)區(qū)邊界的內(nèi)稟不協(xié)調(diào)性

4.4.2廣義質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)各尺度區(qū)問的自然邊界

4.5廣義質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方法的驗(yàn)證

4.6廣義質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方法的初步應(yīng)用

4.6.1相變

4.6.2相變的機(jī)制

參考文獻(xiàn)

第5章串行嵌套式多尺度方法及復(fù)相材料循環(huán)彈塑性多尺度分析

5.1引言

5.2跨微/細(xì)/宏觀三尺度分析的基本框架及尺度間的信息傳遞

5.3基于改進(jìn)的自洽模型的細(xì)一宏觀定量關(guān)系

5.3.1改進(jìn)的自洽模型

5.3.2基于改進(jìn)的自治方法的宏/細(xì)觀定量關(guān)系

5.4非均質(zhì)材料組成相的彈塑性本構(gòu)關(guān)系

5.4.1帶耗散的彈簧滑塊模型對(duì)彈塑性材料本構(gòu)關(guān)系的描述

5.4.2描述塑性響應(yīng)的遺傳型本構(gòu)方程

5.4.3經(jīng)典塑性理論及其非經(jīng)典塑性理論的比較

5.5基于微觀分析的微一細(xì)觀定量關(guān)系

5.6基于原子位錯(cuò)分析的微觀尺度塑性參數(shù)及其尺度效應(yīng)

5.7由細(xì)觀塑性應(yīng)變決定宏觀參量的數(shù)值方法

5.8復(fù)相材料循環(huán)彈塑性尺度效應(yīng)的試驗(yàn)研究

5.9多尺度分析數(shù)值結(jié)果及其與試驗(yàn)結(jié)果的比較

參考文獻(xiàn)

附注5A

附注5B

第6章串行耦合式多尺度方法及損傷層合復(fù)合材料的多尺度分析

6.1引言

6.2通過中間單元體聯(lián)系大小尺度的串行嵌套式多尺度模型

6.2.1無損傷的條件下層合板(宏觀)與片層(細(xì)觀)的連接

6.2.2微觀單元體等效本構(gòu)方程與基體、纖維特性的關(guān)系

6.3損傷層合復(fù)合材料串行耦合式多尺度分析

6.3.1復(fù)合材料迭層方式對(duì)損傷起始及演化影響的試驗(yàn)結(jié)果

6.3.2含損傷時(shí)層合復(fù)合材料多尺度分析的特點(diǎn)

6.3.3損傷層片等效本構(gòu)方程的形式

6.4細(xì)/宏觀耦合模型及在位損傷函數(shù)的確定

6.4.1等效約束模型

6.4.2沿每一片層厚度的平均

6.4.3沿單元體寬度方向的平均過程，二維剪切滯后模型

6.4.4在位損傷函數(shù)的確定與表達(dá)式

6.4.5串行耦合式與串行嵌套式多尺度分析方法的區(qū)別

6.5基于損傷準(zhǔn)則的串行耦合式多尺度破壞分析

6.6計(jì)及基體開裂演化的多尺度分析的計(jì)算結(jié)果及討論

6.6.1沿縱向(y向)受拉伸時(shí)[O/90]s類型層合板就地?fù)p傷函數(shù)Azz及A66的確定

6.6.2沿縱向受拉伸載荷時(shí)[O/90]s類型層合板剛度的下降

6.6.3損傷裂紋的起始與演化

6.6.4多尺度模型的預(yù)言及其與試驗(yàn)結(jié)果的比較

參考文獻(xiàn)

附注6A

附注6B

附錄A原子與生物大分子的結(jié)構(gòu)、排列及其運(yùn)動(dòng)

A.1原子的基本結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)

A.1.1原子的結(jié)構(gòu)

A.1.2原子的電子結(jié)構(gòu)

A.2原子的鍵連接

A.2.1金屬鍵

A.2.2共價(jià)鍵

A.2.3離子鍵

A.2.4范德瓦耳斯鍵

A.2.5混合鍵連接

A.2.6鍵能量與原子間距

A.2.7對(duì)原子結(jié)構(gòu)的小結(jié)

A.3原子的排列布置與單元晶胞

A.3.1三種級(jí)別的原子布置

A.3.2單元晶胞

A.4晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)、方向與平面

A.4.1點(diǎn)的坐標(biāo)

A.4.2晶體的方向

A.4.3晶面的表征

A.4.4滑移系

A.5原子的穩(wěn)定性與擴(kuò)散

A.5.1擴(kuò)散的描述

A.5.2擴(kuò)散的機(jī)制

A.6蛋白質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)

A.6.1蛋白質(zhì)的多肽(polypeptides)鏈結(jié)構(gòu)

A.6.2由側(cè)鏈R決定的20種氨基酸的三組類型

A.6.3氨基酸的其他結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

A.7脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)

A.7.1生物大分子與結(jié)構(gòu)形成的一般規(guī)則

A.7.2核糖核酸(RNA)與脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)

參考文獻(xiàn)

附錄B對(duì)比與評(píng)鑒：RCMM多尺度分析工作學(xué)術(shù)評(píng)論匯集

卷后語2100433B

針對(duì)大跨度斜拉橋風(fēng)致災(zāi)變研究中亟待解決的基礎(chǔ)性問題，從理論分析、數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場測試、工程應(yīng)用四個(gè)方面，深入研究強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場作用下大跨度斜拉橋的動(dòng)力學(xué)行為、損傷破壞演化機(jī)理及其過程，主要包括：1) 揭示大跨度斜拉橋的多尺度物理機(jī)制及其耦合機(jī)理，建立強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場作用下大跨度斜拉橋基于物理的、一體化的動(dòng)力行為描述與分析方法；2) 研究大跨度斜拉橋在強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場作用下材料尺度的損傷演化行為及損傷累積效應(yīng)，揭示損傷演化從材料尺度向構(gòu)件尺度發(fā)展的機(jī)理和特性，在此基礎(chǔ)上研究構(gòu)件尺度的損傷演化規(guī)律及其失效破壞機(jī)理；3) 研究大跨度斜拉橋構(gòu)件尺度破壞與整體結(jié)構(gòu)尺度破壞之間的關(guān)系，建立大跨度斜拉橋風(fēng)致災(zāi)變破壞的預(yù)測方法，并將研究成果進(jìn)一步應(yīng)用于國家重點(diǎn)工程蘇通長江大橋的結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)。. 本項(xiàng)目內(nèi)容是重大工程結(jié)構(gòu)損傷積累、健康監(jiān)測與安全評(píng)定研究中亟待解決的核心問題，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。

針對(duì)大跨度斜拉橋風(fēng)致災(zāi)變研究中亟待解決的基礎(chǔ)性問題，從理論分析、數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場測試、工程應(yīng)用四個(gè)方面，深入研究了強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場作用下大跨度斜拉橋的動(dòng)力學(xué)行為、損傷破壞演化機(jī)理及其過程，主要包括：1) 揭示了大跨度斜拉橋的多尺度物理機(jī)制及其耦合機(jī)理，建立了強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場作用下大跨度斜拉橋基于物理的、一體化的動(dòng)力行為描述與分析方法；2) 研究了大跨度斜拉橋在強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場作用下材料尺度的損傷演化行為及損傷累積效應(yīng)，揭示了損傷演化從材料尺度向構(gòu)件尺度發(fā)展的機(jī)理和特性，在此基礎(chǔ)上研究了構(gòu)件尺度的損傷演化規(guī)律及其失效破壞機(jī)理；3) 研究了大跨度斜拉橋構(gòu)件尺度破壞與整體結(jié)構(gòu)尺度破壞之間的關(guān)系，建立了大跨度斜拉橋風(fēng)致災(zāi)變破壞的預(yù)測方法，并將研究成果進(jìn)一步應(yīng)用于國家重點(diǎn)工程蘇通長江大橋的結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)。 本項(xiàng)目內(nèi)容是重大工程結(jié)構(gòu)損傷積累、健康監(jiān)測與安全評(píng)定研究中亟待解決的核心問題，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。 2100433B