颗粒凝并动力学MonteCarlo方法的高效GPU并行计算

Monte Carlo(MC)方法作为一种求解颗粒群平衡方程(PBE)的有效方法(PBMC),由于它对多维问题的适应性、符合实际颗粒动力学特征的离散和随机本质、程序结构相对简单、易于编程实现等优点受到人们持久、普遍的关注.但在涉及到颗粒凝并问题时,常规的PBMC方法计算代价较高,与模拟颗粒数目的平方成正比,限制了其工程应用.并行计算技术的快速发展,特别是近年来NVIDIA公司提出的计算统一设备架构(CUDA)为PBMC的快速高效模拟提供了一个良好的平台.本文在CUDA平台上实现了颗粒凝并动力学PBMC的图形处理器(GPU)并行计算(分别实现了累计概率法和接受-拒绝法选择凝并对)及中央处理器(CPU)的协同处理,与目前广泛运行于CPU的串行计算相比,取得了精确的计算结果和非常明显的加速,计算代价仅与颗粒数目成正比,在当前主流GPU/CPU设备上能够达到上百倍的加速比.     

柴油机排气颗粒的力学特征与形貌分析

采用Hamaker等理论模型计算分析了理想状态下颗粒-颗粒间的作用力;采用原子力显微镜以及透射电子显微镜试验的方法,考察了干燥环境下(相对湿度RH≤20%)排气颗粒间总的吸引力、黏附力以及黏附能,探究了排气颗粒粒径对粒子间作用力及颗粒形貌的影响关系.结果表明:颗粒粒径由25 nm增加到45 nm过程中,单颗粒之间的范德华力增加4.6倍,静电力增大9.9倍,相比范德华力,静电力较小.颗粒间黏附力与黏附能均增加了1.8倍.通过AFM试验,对平均粒径分别为30,37,46 nm的团簇颗粒进行测量,发现随着粒径增大,颗粒间总的吸引力F_(at)逐渐增大,为1.04~1.38 n N,范德华力F_(vdw)是F_(at)中的主要作用力,库仑力较小.吸引力F_(ad)与黏附能W_(ad)随着颗粒粒径增大而增加,F_(at)由3.21 nN增大到3.75 nN,增大约16.8%,W_(ad)由2.03×10~(-16) J增大到2.20×10~(-16) J,增大约8.4%,F_ad与W_(ad)的增大充分反映了颗粒间的黏附性增强,颗粒间能量势垒增大,团簇颗粒间更为稳定.随着颗粒平均粒径的增大,导致了颗粒间吸引力、黏附力及黏附能增大,颗粒逐渐团聚,由枝状向簇状转变,逐渐呈山峰状堆积,颗粒致密度、团簇大小均增大,说明颗粒间作用力的变化与颗粒形貌之间存在一定的影响关系.     

柴油机排气稀释过程中挥发性纳米颗粒形成和变化特性

建立了描述柴油机排气稀释过程中挥发性纳米颗粒形成和变化的H2SO4-H2O二元均相成核和气溶胶动力学耦合模型.利用该模型模拟计算H2SO4-H2O二元均相成核作用下分子团簇的生成率和团簇粒径等参数,以及分子团簇向挥发性纳米颗粒转化过程的气溶胶动力学作用;并考察了燃料硫含量和实验室内稀释采样条件变化对柴油机排气中挥发性纳米颗粒数浓度粒径分布的影响.研究表明:H2SO4-H2O二元均相成核作用产生大量分子团簇,燃料硫、温度、湿度对分子团簇的生成率和团簇粒径产生显著影响.凝并作用使成核作用产生的分子团簇由单分散系向多分散系转化,形成挥发性纳米颗粒;凝结作用进一步促进颗粒向大粒子方向迁移,排气中碳烟粒子会抑制挥发性纳米颗粒的形成;燃料硫含量和稀释参数(初级通道内混合气稀释比、温/湿度和停留时间)等均显著影响挥发性纳米颗粒的数浓度粒径分布.