与郑州大学周俊杰副教授一起学“多尺度模拟导论”

周俊杰，2005年毕业于西安交通大学获工学博士学位，现为郑州大学机械与动力工程学院工程热物理与能源环境研究所所长，中国数字联盟会员，河南省节能量审核专家；主要从事多学科优化及工程仿真、多能源系统集成及储能、多尺度模拟及污染物控制、多场耦合分析及过程强化等工作。

他主持国家自然基金项目面上项目1项，参与国家自然基金项目5项，完成汽车、电力、石化和环保等领域横向课题10多项，获得专利授权5项，其中发明专利1项，软件著作权2项，在国内外期刊发表论文100余篇，主编和参编专著和教材《matlab/simulink实例详解》、《fluent工程技术与实例分析》2部。

一、写在文前

试验研究、理论分析与数值模拟是进行现代科学研究和产品创新设计的相辅相成的手段与方法。随着计算机技术和科技进步的飞速发展，数值模拟在开展科学研究、开发高新技术和加强产品创新设计方面的作用不可低估。

近年来，世界范围内科学研究和产品设计的一个重要特点是朝着多物理过程与多尺度的方向发展。自然界与工程领域中的许多过程本身涉及的尺度常常发生多个数量级的变化，尤其现代产品创新设计的所涉及过程的越来越复杂、几何尺度越来越广、跨越层次越来越多，多尺度模拟方法迅速发展。

采用不同空间和时间的尺度描述不同层次的过程的规模的大小、进程的快慢和效果的好坏。在微观尺度上模拟分子结构与行为、分子体系的各种物理、化学性质是复杂产品设计及生产过程设计的基础。在宏观尺度上以真实的工厂、单元、工段和物料为背景，用实时运行的动态数学模型来模拟典型的设备和工艺流程，以完成实际操作和事故处理的全过程，重现过程工业中包括控制系统的典型的一系列单元操作和流程工段，为产品生产、工艺设计、过程优化提供支持。时空多尺度模拟方法是未来过程工程科学研究的前沿问题之一。

二、多尺度模拟在各学科中的应用

多尺度模拟在各学科中的应用已成为学科发展的重要催化剂，多尺度模拟不仅可以实现对信息数据挖掘、物质结构解析等信息的收集、加工和利用等功能，同时在合理的假设下，肩负起从纷繁复杂的信息中发现和提炼新的理论和方法的重任，帮助我们更好地认识物质本质、理解反应机理、掌握结构与现象的关系，从而达到改造物质甚至创造新物质、控制反应过程、设计分子和合成路线等目的。多尺度模拟与产品设计越来越紧密，己逐渐渗透到产品设计的各个环节，二者彼此呼应，促进科学研究更加缜密，科研效率更加高效，同时，也大大地升华了产品的核心竞争力。

随着客户需求的提高和产品性能的升级，产品开发技术、制备生产过程、项目运行过程变得更加复杂，复杂产品系统的创新设计开发关系着国家盛衰的命脉，是一个国家经济实力和科技水平的度量。

复杂产品的数字化与最优化涉及到自然科学、技术科学、决策科学、系统科学、管理科学以及信息科学等众多学科。从产品数字化、产业数字化到生产数字化，对复杂产品创新和生产的成本与效率的关注不断深入。提高复杂产品生产效率的根本途径在于结构、功能和技术耦合体系的设计与构建，满足顾客个性化、定制化需求的多尺度模拟方法成为首要之选。

作为典型的复杂系统工程，复杂产品设计与生产系统的复杂性需要进行多领域协同优化。借用多尺度模拟方法来研究复杂产品的设计与优化。多尺度模拟是研究复杂系统的一个重要途径，通过对系统进行数学物理描述，建立多尺度仿真模型，对于产品设计与管理者研究复杂系统行为和特性、预测系统变化范围和发展趋势，相关设计与管理人员从事系统内的作业活动、进行业务训练和演习等，都具有十分重要的意义。如何进行多尺度数值模拟是众多学者和工程技术人员关注的热点。

三、多尺度模拟的模型

1、宏观模型

IGCC（IntegratedGasification Combined Cycle）即整体煤气化联合循环发电系统，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。IGCC由两部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气──蒸汽联合循环发电部分。

第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备（包括硫的回收装置）；

第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。

整体煤气化联合循环发电系统

2、微观模型

（a）催化剂吸附模型

（b）催化剂模型

3、介观模型

（a）流化床锅炉模型

（b）气化炉模型