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    化學(xué)工程是一門擁有接近百年發(fā)展史的學(xué)科，它的發(fā)展和進(jìn)步對(duì)整個(gè)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展和興起起到了巨大的推動(dòng)作用，到目前為止，化學(xué)工程的服務(wù)對(duì)象不單是化學(xué)工業(yè)，而且已經(jīng)擴(kuò)展到材料、冶金、能源、生物、環(huán)境等諸多過程工業(yè)。世界工業(yè)化的發(fā)展和繁榮離不開化學(xué)工程，因此化學(xué)工程學(xué)科也在不斷擴(kuò)大其科學(xué)內(nèi)涵，向著更為交叉學(xué)科發(fā)展起來(lái)，尤其應(yīng)用于研究物質(zhì)在各個(gè)學(xué)科轉(zhuǎn)化過程中，向著化學(xué)、生物等學(xué)科中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、傳遞和反應(yīng)及其相互關(guān)系為科學(xué)內(nèi)涵的過程工程學(xué)科間轉(zhuǎn)移。目前，化學(xué)工業(yè)在我國(guó)整個(gè)國(guó)民生產(chǎn)中占據(jù)非常重要的比例，過程工業(yè)的產(chǎn)值約占工業(yè)總產(chǎn)值的一半，并且占據(jù)工業(yè)總稅收的l/3，由此可見化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展不僅在科學(xué)領(lǐng)域有著重要的意義，而且在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著同樣舉足輕重的作用。

    多尺度現(xiàn)象幾乎出現(xiàn)在所有的自然科學(xué)和實(shí)際工程應(yīng)用中，因此對(duì)于多尺度問題模擬與計(jì)算研究的課題在材料科學(xué)、化學(xué)、力學(xué)和生物學(xué)等許多領(lǐng)域中屢見不鮮。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于材料的要求也在不斷的提高，材料設(shè)計(jì)系統(tǒng)也逐漸趨向于細(xì)致化和復(fù)雜化， 因此，原本用于單一尺度的模型顯示出其固有的局限性，單一尺度模型其中的一個(gè)主要的局限性就是它的精度無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。除此之外，單一尺度模型的局限性還表現(xiàn)在對(duì)微觀尺度上的力學(xué)性能的忽略，而微觀上被忽略的力學(xué)性能往往會(huì)對(duì)模型的合理性有非常重要的影響。例如，在建筑中常用到的混凝土，其微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能(如尺寸大小穩(wěn)定性、強(qiáng)度以及耐久性等) 有著至關(guān)重要的影響，可是現(xiàn)如今所經(jīng)常使用到的混凝土模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有反映微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀性能的影響。

    此外，為了克服有些單一尺度量級(jí)的模型是半經(jīng)驗(yàn)的，研究者們就開始從微觀尺度模型上著手。而將微觀尺度量級(jí)的模型使用在整個(gè)系統(tǒng)上，卻給建模和計(jì)算帶來(lái)極大的復(fù)雜程度，不僅有可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)， 而且對(duì)于有用信息的提取也是件十分困難的事情。因此，本文將對(duì)一個(gè)能夠克服上述困難的有力工具——多尺度模型進(jìn)行探討。

    1　多尺度模擬概念

    上世紀(jì)50~60年代，“三傳一反”原理廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科和工業(yè)上，已經(jīng)成為是化學(xué)工程的基石，“三傳一反”原理本質(zhì)上是一種宏觀的表述，其科學(xué)內(nèi)涵僅限于宏觀上數(shù)學(xué)和物理歸納。實(shí)際上，化學(xué)工程討論的范圍同時(shí)涉及到很寬的時(shí)間和空間尺度上，時(shí)間上從分子化學(xué)間振動(dòng)的納秒(<10-4 s)到工業(yè)過程所需的幾天，空間上從分子或顆粒的納米(<10-9 m)到工廠的米或千米（>10km）。如果要對(duì)某一尺度進(jìn)行控制，則需要在另一尺度中尋找可操作的手段?，F(xiàn)如今，化學(xué)工程已開始慢慢傾向于生物學(xué)科、醫(yī)藥學(xué)科、納米顆粒、材料學(xué)科、環(huán)境等學(xué)科和過程，而我們傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)依然存在過程調(diào)控、放大和優(yōu)化等復(fù)雜問題。

    因此，從分子尺度到宏觀過程尺度的多尺度關(guān)聯(lián)將逐漸在化學(xué)工程中得到應(yīng)用。傳統(tǒng)的“三傳一反”將面臨著巨大的新的挑戰(zhàn)，必須要換一個(gè)角度，從新的角度來(lái)認(rèn)識(shí)化學(xué)工程的現(xiàn)象和規(guī)律[1]。

    不均勻時(shí)空多尺度結(jié)構(gòu)是化學(xué)工程眾多現(xiàn)象中突出的特征，并且不均勻時(shí)空的多尺度結(jié)構(gòu)慢慢得到研究人員的關(guān)注[2]。李靜海等[3]最早提出了能量最小多尺度作用模型，并且已成功預(yù)測(cè)了快速流化床中局部稀密兩相不均勻分布和密相的聚團(tuán)尺寸以及氣固流型。這項(xiàng)研究表明了用多尺度方法是非?？尚械模差A(yù)示其對(duì)化學(xué)工程進(jìn)行量化具有可行性，并將在未來(lái)化學(xué)工業(yè)有一定的發(fā)展勢(shì)頭。化學(xué)工程中的現(xiàn)象可歸納為以下4種過程：流動(dòng)、傳遞、分相和反應(yīng)；6種尺度：分子、納微米、單元(顆粒、液滴、氣泡)、聚團(tuán)、設(shè)備、工廠。

    多尺度法可歸納為：（1）把總過程分解為若干不同尺度的子過程；（2）研究不同尺度下各個(gè)子過程；（3）對(duì)不同子過程以及子過程之間的相互聯(lián)系進(jìn)行研究；（4）采用物理化學(xué)過程手段，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生多尺度結(jié)構(gòu)的控制機(jī)理分析和歸納；（5）將這些不同子過程的研究結(jié)果綜合起來(lái)，解決總過程的問題?？墒沁@些步驟的實(shí)施存在很多難題，難點(diǎn)分為：（1）選擇有代表性的尺度以及尺度空間，可以表達(dá)過程的結(jié)構(gòu)特征；（2）不同尺度間的相互聯(lián)系的分析；（3）多過程多尺度綜合的方法和規(guī)則。多尺度模擬考慮空間和時(shí)間的跨尺度與跨層次特征，并將相關(guān)尺度禍合起來(lái)，提高模擬和計(jì)算效率，分析出有用的微觀信息，是求解各種復(fù)雜的材料和工程問題的重要方法和技術(shù)。抓住不同時(shí)空條件下材料或者系統(tǒng)的物理響應(yīng)特征是多尺度模擬的目標(biāo)，并要對(duì)其性能或者使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，掌握較小尺度的結(jié)構(gòu)與性能對(duì)材料或者系統(tǒng)宏觀行為的影響。

     目前，按照連接尺度的范圍大小，多尺度模擬主要包括納觀、微觀、細(xì)觀和宏觀等主要尺度的模擬。一般情況下，納觀尺度上常運(yùn)用量子力學(xué)（quantum mechanics，QM）理論，微觀尺度上常運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)（moleeular damies，MD）理論，而細(xì)觀和宏觀尺度運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)（continuum mechanies，CM）理論，但細(xì)觀尺度比宏觀小得多并且有一定的隨機(jī)性，還需要結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。

    對(duì)多尺度模擬建模的策略常有以下兩種：一種策略是先在較低的尺度上進(jìn)行建模，分析總結(jié)，尋找其中的規(guī)律和法則，然后再將規(guī)律放入高尺度模型中，這個(gè)過程是一個(gè)從小尺度到大尺度的遞階過程。采用這種策略的方法一般稱作信息傳遞的多尺度方法(information-passing multi-scale methods )或遞階的多尺度方法(hierarehical multi-seale methods ) 。另一種策略是在不同尺度上同時(shí)進(jìn)行建模， 并把區(qū)域進(jìn)行劃分，將區(qū)域分成不同尺度定律控制的區(qū)域， 這些區(qū)域可以重疊也可以不重疊，并且在區(qū)域之間交界連接。

    在第二種策略中， 區(qū)域之間的連接也是一個(gè)重要問題。采用這種策略的方法一般稱作一致 的多尺度方法(coneurent multi-seale methods)。

    2　CPU-GPU 耦合的多尺度模擬應(yīng)用

    顆粒軌道模型由于能夠得到微觀尺度上單個(gè)顆粒的具體信息，對(duì)于探索顆粒流體系統(tǒng)中的復(fù)雜流動(dòng)行為能夠提供十分有益的幫助，同時(shí)在實(shí)際工程應(yīng)用中表現(xiàn)出巨大的潛力[4-7]。但由于工業(yè)裝置均規(guī)模較大而且具有復(fù)雜的邊界，同時(shí)工業(yè)過程伴有復(fù)雜的流動(dòng)和傳熱以及反應(yīng)，應(yīng)用顆粒軌道模型依然需要大量的處理時(shí)間。

    最近幾年，圖形處理器(GPU)的發(fā)展很大程度上提高了計(jì)算機(jī)圖形處理的速度以及圖形質(zhì)量。并且同時(shí)，圖形處理器繪制流水線的高速度和并行性以及近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的可編程功能，方便了圖形處理以外的數(shù)字圖像處理和通用并行計(jì)算，并且，近年來(lái)人們關(guān)注的新的熱點(diǎn)問題聚焦在使用GPU對(duì)傳統(tǒng)的通用計(jì)算和圖像處理算法和進(jìn)行并行加速[8-12]。針對(duì)顆粒軌道模型中最耗時(shí)的顆粒相間作用，利用 GPU進(jìn)程間快速便捷的通信，可以減少傳統(tǒng)并行機(jī)進(jìn)程間通信和管理的損耗；同時(shí)GPU的執(zhí)行時(shí)間和粒子規(guī)模為次線性關(guān)系，不僅提高了算法的運(yùn)算速度而且大大增加計(jì)算的規(guī)模。本文針對(duì)傳統(tǒng)并行顆粒軌道模型在實(shí)際應(yīng)用中的缺點(diǎn)，結(jié)合GPU的高速并行性，提出了一種多尺度并行顆粒軌道模型，而這種模型則是基于GPU加速，并且減少了計(jì)算時(shí)間，解決了計(jì)算的粒子規(guī)模問題，極大提高了顆粒軌道模型的運(yùn)算速度。

    2.1　計(jì)算方法

    2.1.1　CPU-GPU 耦合的多尺度計(jì)算模式

    文獻(xiàn)提出的基于GPU加速CPU-GPU耦合的多尺度并行顆粒軌道模型，其計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在宏觀尺度上由主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行任務(wù)劃分，進(jìn)而基于區(qū)域分解法在介觀尺度上的流體相運(yùn)動(dòng)方程在CPU上并行求解，而微觀尺度上的計(jì)算量大的顆粒相間作用以及粒子搜索等在GPU中加速并行執(zhí)行。
 

圖1 CPU-GPU耦合的多尺度計(jì)算結(jié)構(gòu)的示意圖
 

    2.1.2　CPU-GPU 耦合的多尺度計(jì)算流程

    根據(jù)上述的CPU-GPU耦合的多尺度計(jì)算模式所建立的計(jì)算模型的流程如圖2所示。首先上層的CPU主節(jié)點(diǎn)讀入整體計(jì)算區(qū)域和計(jì)算參數(shù)以及初始計(jì)算條件，完成初始化后進(jìn)行負(fù)載調(diào)度和計(jì)算區(qū)域分割，并將分割后的任務(wù)分配到各個(gè)CPU節(jié)點(diǎn)。計(jì)算過程中每次迭代計(jì)算完成后，中層的各個(gè)CPU節(jié)點(diǎn)的流量殘差要?dú)w約收集到上層的CPU以進(jìn)行收斂判斷。然后中層的CPU節(jié)點(diǎn)接到任務(wù)后進(jìn)行流體動(dòng)量方程的求解，流體動(dòng)量方程的求解完畢后則計(jì)算在此流場(chǎng)下顆粒所受到的曳力，并發(fā)送到GPU，然后進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間步的計(jì)算。最后下層的GPU將中層的CPU的顆粒相計(jì)算區(qū)域作為一個(gè)柵格，其中所包含的每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)方程利用一個(gè)線程進(jìn)行并行求解。顆粒運(yùn)動(dòng)方程的求解過程主要包括：（1）交換該柵格和相鄰柵格的重疊區(qū)域的粒子的信息；（2）搜索定位每個(gè)顆粒的所在元胞，并確定其鄰居顆粒的信息；（3）進(jìn)行顆粒碰撞過程的計(jì)算；（4）根據(jù)顆粒碰撞所受到的合力，并將更新后的顆粒速度和位置信息發(fā)送到中層GPU，然后進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間步的計(jì)算。

圖2 CPU-GPU耦合的多尺度計(jì)算的流程圖

    位每個(gè)顆粒的所在元胞，并確定其鄰居顆粒的信息；（3）進(jìn)行顆粒碰撞過程的計(jì)算；（4）根據(jù)顆粒碰撞所受到的合力，并將更新后的顆粒速度和位置信息發(fā)送到中層GPU，然后進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間步的計(jì)算。

    2.2　流態(tài)化不同流型過渡的模擬

    基于上述的CPU-GPU耦合的顆粒軌道模型的計(jì)算流程，有文獻(xiàn)對(duì)具有不同反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)而具有相同平均空隙率和入口氣速的三種不同工況下的氣固流態(tài)化系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究。模擬中對(duì)于氣相，入口處以固定的氣速進(jìn)入，對(duì)于固體邊壁采用無(wú)滑移邊界條件，上端的出口采用自由出流邊界條件處理，顆粒初始隨機(jī)在整個(gè)管內(nèi)分布。三種工況下的顆粒的非均勻結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化過程的模擬結(jié)果分別如圖3~5所示。正如李等[13]所提出的設(shè)備尺寸的改變同樣會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)結(jié)構(gòu)的突變即所謂的放大效應(yīng)，本文的模擬結(jié)果展示了在不同系統(tǒng)具有相同氣速和空隙率的情況下，隨著設(shè)備尺寸的改變，兩相流動(dòng)的流型由節(jié)涌流態(tài)化向湍動(dòng)流態(tài)化和快速流態(tài)化過渡的過程。
 

圖3 近似節(jié)涌流態(tài)化的動(dòng)態(tài)演化過程圖
 

圖4 近似湍動(dòng)流態(tài)化的動(dòng)態(tài)演化過程
 

圖5 近似快速流態(tài)化的動(dòng)態(tài)演化過程
 

    2.3　流態(tài)化系統(tǒng)的大規(guī)模模擬

    基于CPU-GPU耦合的顆粒軌道模型的計(jì)算模式，對(duì)包含50萬(wàn)個(gè)顆粒的氣固流態(tài)化系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究。模擬中對(duì)于氣相，入口處以固定的氣速進(jìn)入，對(duì)于固體邊壁采用無(wú)滑移邊界條件，上端的出口采用自由出流邊界條件處理，顆粒初始隨機(jī)在整個(gè)管內(nèi)分布。模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，模擬結(jié)果復(fù)現(xiàn)了具有軸向上，上稀下濃，而徑向上，中間稀兩邊濃的非均勻結(jié)構(gòu)特征的稀密相共存的環(huán)核結(jié)構(gòu)的形成過程，同時(shí)展示了顆粒的團(tuán)聚過程由小的團(tuán)簇逐漸發(fā)展為帶狀團(tuán)聚物進(jìn)而發(fā)展為顆粒群的過程。
 

圖6 大規(guī)模顆粒流體系統(tǒng)的非均勻結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化過程

    綜上所述，針對(duì)顆粒軌道模型中顆粒計(jì)算量過大而限制其應(yīng)用的問題，利用求解顆粒運(yùn)動(dòng)方程的離散單元法良好的并行性，同時(shí)結(jié)合GPU的超強(qiáng)計(jì)算能力，提出了一種基于GPU加速的多尺度并行顆粒軌道模型，并詳細(xì)論述了該模型的多尺度計(jì)算結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。先以設(shè)備尺度變化而導(dǎo)致的流動(dòng)結(jié)構(gòu)的突變作為算例進(jìn)行了模擬研究，模擬結(jié)果展示了在不同系統(tǒng)具有相同氣速和空隙率的情況下，隨著設(shè)備尺寸的改變，兩相流動(dòng)的流型由節(jié)涌流態(tài)化向湍動(dòng)流態(tài)化和快速流態(tài)化過渡的過程。進(jìn)而對(duì)包含有50萬(wàn)個(gè)顆粒的氣固流態(tài)化系統(tǒng)的非均勻結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化過程進(jìn)行了模擬研究，復(fù)現(xiàn)了具有軸向上，上稀下濃，而徑向上，中間稀兩邊濃的非均勻結(jié)構(gòu)特征的稀密相共存的環(huán)核結(jié)構(gòu)的形成過程，同時(shí)展示了顆粒的團(tuán)聚過程由小的團(tuán)簇逐漸發(fā)展為帶狀團(tuán)聚物進(jìn)而發(fā)展為顆粒群的過程。

    3　存在問題及結(jié)論

    由于自身理論體系的問題，多尺度分析方法缺乏系統(tǒng)性和完整性。雖然在解決一些實(shí)際問題時(shí)，多尺度分析方法很有成效，但其針對(duì)性很強(qiáng)，一般都是一對(duì)一的解決方法，對(duì)于普通的模型缺少適用性。多尺度模擬當(dāng)今研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)仍然是不同尺度區(qū)域間的連接以及低尺度建模理論。大型商用計(jì)算程序還沒有和多尺度模擬與計(jì)算有效結(jié)合起來(lái)，還沒能夠有效實(shí)現(xiàn)，基本上要靠研究人員編寫計(jì)算程序或者采用一些發(fā)達(dá)國(guó)家沿用的理論和設(shè)別，多尺度方法的發(fā)展與應(yīng)用在這種現(xiàn)狀下很難進(jìn)行下去。此外，多尺度方法的最終目標(biāo)之一還是要建立連接納米尺度、微米尺度、細(xì)觀尺度和宏觀尺度等全尺度模擬的理論與方法。此外， 這種方法還需要進(jìn)行大規(guī)模的普及，吸引更多的研究者和專家加入，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)對(duì)復(fù)雜材料、生物學(xué)、化學(xué)、力學(xué)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有重要意義。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 張鎖江, 張香平. 分子工程與過程工程[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2004. 36 - 49．

    [2] 李靜海, 郭慕孫. 過程工程量化的科學(xué)途徑-多尺度法[J]. 自然科學(xué)進(jìn)展,1999, 9 (121)：1073 - 1078．

    [3] 李靜海．顆粒流體兩相流多尺度方法和能量最小模型[D]．北京：中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所，1987．

    [4] Hoomans B P B，Kuipers J A M ，Briels W J, van Swaaij W P M. DiscreteParticle Simulation of Bubbleand Slug Fclrmation in a Two-dimensional Gasfluidized:a Hard-sphere Approach[J]. Chem. Eng. Sci., 1996,51: 99 - 108.

    [5] 0uyang J, Li J H. Particle-motion-resolved Discrete Model for SimulatingGas-Solid Fluidization[J]. Chem.Eng. Sci., 1999, 54: 2077 - 2083.

    [6] Tsuji Y, Kawaguchi T, Tanaka T. Discrete Particle Simulation of TwodimensionalFluidized Bed[J]. Powder Techno1., 1993, 77: 79 - 87.

    [7] Xu B H，Yu A B. Numerical Simulation of the Gas-Solid Flow in aFluidized Bed by Combining Discrete Particle Method with Computation FluidDynamics[J]. Chem. Eng. Sci., 1997, 52: 2785 - 2809.

    [8] Li J, Kuipersa J A M. Gas-particle interactions in dense gas-fluidized beds[J].Chem. Eng. Sci.，2003, 58:711-718.

    [9] Belleman Robert G., Bedorf Jeroen, Zwart Simon F. Portegies. Highperformance direct gravitational N-body simulations on graphics processing unitsII: An implementation in CUDA[J]. New Astronomy, 2008,13(2): 103 - 112.

    [10] van Meel J A, Arnold A, Frenkel D, Zwart S F Portegies, Belleman R G.Harvesting graphics power for MD simulations[J]. Molecular Simulation, 2008,34(3): 259 - 266.

    [11] Anderson J A, Lorenz C D, Travesset A. General purpose moleculardynamics simulations fully implemented on graphics processing units[J].Comput. Phys., 2008, 227(10): 5342 - 5359.

    [12] 多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多尺度離散模擬項(xiàng)目組. 基于GPU 的多尺度離散模擬并行計(jì)算[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008.

    [13] Li J, Kwauk M. Exporing complex systems in chemical engineering－themulti-scale methodology[J]. Chem.Eng. Sci, 2003, 58: 521 - 535.

    作者簡(jiǎn)介

    孫以環(huán)（1983-），女，江蘇沐陽(yáng)人，湖北工業(yè)大學(xué)儀器儀表工程專業(yè)碩士研究生在讀，現(xiàn)就職于中國(guó)石油天然氣運(yùn)輸公司長(zhǎng)慶運(yùn)輸分公司。

    摘自《自動(dòng)化博覽》5月刊