High fidelity micro- and meso-scale computations and data-driven physics-informed models of particle-laden flows

高保真微观和中观尺度计算以及数据驱动的粒子负载流物理模型

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2022-03114
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.35万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2022-01-01 至 2023-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Particle--laden flows are ubiquitous in nature and industry, ranging from sediment transport in rivers in earth and ocean science, fluidized bed chemical reactors in process engineering to drug transport in the human blood system of veins and capillaries in biomedical engineering. While a large body of knowledge already exists on particle-laden flow dynamics, the complexity of the dominant interphase momentum transfer is the primary reason why a complete understanding of this class of multiphase flow still escapes researchers and engineers. When the suspension cannot be regarded as dilute anymore, a common situation in many applications, particles strongly disturb the flow field around neighboring particles, leading to substantial particle--to--particle hydrodynamic force and torque fluctuations of magnitude often comparable to the mean value. Large-scale numerical models of particle-laden flows, such as the meso-scale Euler-Lagrange (EL) model and the macro-scale Euler-Euler (EE) model, rely on closure laws for the interphase momentum and heat transfer. The current closure laws are incapable of predicting the significant particle--to--particle fluctuations that are key to the fidelity of EL and EE simulations. Improving the fidelity of EL and EE simulations is of tremendous importance as these two models are of practical and industrial use. The project focuses on EL models. High fidelity micro--scale Particle-Resolved Simulation (PRS) supplies detailed information without the need for any closure but require very large computing resources and can simulate small systems only. The objective of this project is to design fully novel interphase transfer models that predict both the mean value and the particle-to-particle fluctuations. To do so, we analyze large data sets produced by micro-scale PRS and transfer the knowledge we learn from this analysis to the meso-scale EL models in the form of Data--Driven Physics--Informed (DDPI) models of interphase transfer. While the analysis of large PRS data sets with traditional methods remains a valuable research path, we use machine learning and neural networks (NN) to infer additional understanding from the data and to design more advanced interphase transfer models. This approach represents a complete change of paradigm in this field. DDPI models represent the next generation of interphase transfer models in particle--laden flows and target fidelity levels that were previously unattainable. As hybrid models, they bring together the best of two worlds: physical understanding and machine learning. The omnipresence of particle--laden flows in nature and industry supports the need for sustained research. Fields of application of particular interest to us are process intensification and green energy production, including the reduction of the environmental footprint of these processes and the development of reliable and efficient new technologies involving renewable materials such as wood and sunlight.
含颗粒流在自然界和工业中无处不在,从地球和海洋科学中河流中的沉积物输送、过程工程中的流化床化学反应器到生物医学工程中人体静脉和毛细血管血液系统中的药物输送。尽管关于颗粒流动动力学已经存在大量知识,但主要相间动量传递的复杂性是研究人员和工程师仍然无法完全理解此类多相流的主要原因。当悬浮液不再被视为稀释时(这是许多应用中的常见情况),颗粒强烈干扰相邻颗粒周围的流场,导致颗粒间的大量流体动力和扭矩波动,其幅度通常与平均值相当。含颗粒流的大规模数值模型,例如细观尺度欧拉-拉格朗日 (EL) 模型和宏观尺度欧拉-欧拉 (EE) 模型,依赖于相间动量和传热的闭合定律。当前的闭合定律无法预测显着的粒子间波动,而粒子间波动是 EL 和 EE 模拟保真度的关键。提高 EL 和 EE 模拟的保真度非常重要,因为这两个模型具有实际和工业用途。该项目重点关注 EL 模型。高保真微尺度粒子解析模拟(PRS)无需任何闭包即可提供详细信息,但需要非常大的计算资源,并且只能模拟小型系统。该项目的目标是设计全新的相间传递模型,以预测平均值和粒子间波动。为此,我们分析了微尺度 PRS 产生的大数据集,并将我们从分析中学到的知识以相间传递的数据驱动物理信息 (DDPI) 模型的形式转移到中尺度 EL 模型。 虽然使用传统方法分析大型 PRS 数据集仍然是一条有价值的研究路径,但我们使用机器学习和神经网络 (NN) 从数据中推断出更多理解,并设计更先进的相间传递模型。这种方法代表了该领域范式的彻底改变。 DDPI 模型代表了颗粒负载流中的下一代相间传递模型以及以前无法达到的目标保真度水平。作为混合模型,它们汇集了两个领域的优点:物理理解和机器学习。自然界和工业中普遍存在的颗粒流动支持了持续研究的必要性。我们特别感兴趣的应用领域是过程强化和绿色能源生产,包括减少这些过程的环境足迹以及开发涉及木材和阳光等可再生材料的可靠且高效的新技术。

项目成果

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Wachs, Anthony其他文献

Progress in numerical simulation of yield stress fluid flows
  • DOI:
    10.1007/s00397-016-0985-9
  • 发表时间:
    2017-03-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Saramito, Pierre;Wachs, Anthony
  • 通讯作者:
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Grains3D, a flexible DEM approach for particles of arbitrary convex shapePart III: extension to non-convex particles modelled as glued convex particles
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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Numerical simulation of weakly compressible Bingham flows: The restart of pipeline flows of waxy crude oils
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Vinay, Guillaume;Wachs, Anthony;Agassant, Jean-Francois
  • 通讯作者:
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A 1.5D numerical model for the start up of weakly compressible flow of a viscoplastic and thixotropic fluid in pipelines
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2009-06-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
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  • 通讯作者:
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Grains3D, a flexible DEM approach for particles of arbitrary convex shape - Part I: Numerical model and validations
  • DOI:
    10.1016/j.powtec.2012.03.023
  • 发表时间:
    2012-07-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Wachs, Anthony;Girolami, Laurence;Ferrer, Gilles
  • 通讯作者:
    Ferrer, Gilles

Wachs, Anthony的其他文献

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Multi-scale modelling of reactive particulate flows
反应颗粒流的多尺度建模
  • 批准号:
    RGPIN-2016-06572
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Multi-scale modelling of reactive particulate flows
反应颗粒流的多尺度建模
  • 批准号:
    RGPIN-2016-06572
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
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  • 批准号:
    RGPIN-2016-06572
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    2019
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Multi-scale modelling of reactive particulate flows
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  • 批准号:
    493029-2016
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Accelerator Supplements
Multi-scale modelling of reactive particulate flows
反应颗粒流的多尺度建模
  • 批准号:
    RGPIN-2016-06572
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Multi-scale modelling of reactive particulate flows
反应颗粒流的多尺度建模
  • 批准号:
    RGPIN-2016-06572
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Multi-scale modelling of reactive particulate flows
反应颗粒流的多尺度建模
  • 批准号:
    493029-2016
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Accelerator Supplements
Multi-scale modelling of reactive particulate flows
反应颗粒流的多尺度建模
  • 批准号:
    493029-2016
  • 财政年份:
    2016
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Accelerator Supplements
Multi-scale modelling of reactive particulate flows
反应颗粒流的多尺度建模
  • 批准号:
    RGPIN-2016-06572
  • 财政年份:
    2016
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual

相似国自然基金

基于高性能纳米线的3D打印储能芯片制备与构效关系研究
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    JCZRLH202500840
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    0.0 万元
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基于非辐射能量传递和胶体电流体微喷印的Micro-LED红光色转换技术
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  • 批准年份:
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  • 资助金额:
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  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

Nano/micro/meso/multifunctional intensification strategies for greener multiphase reactors/materials
更环保的多相反应器/材料的纳米/微米/介观/多功能强化策略
  • 批准号:
    RGPIN-2018-04086
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Affective Analytics: A Framework for Monitoring Emotions at the Micro, Meso, and Macro Levels
情感分析:在微观、中观和宏观层面监测情绪的框架
  • 批准号:
    RGPIN-2022-03879
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Nano/micro/meso/multifunctional intensification strategies for greener multiphase reactors/materials
更环保的多相反应器/材料的纳米/微米/介观/多功能强化策略
  • 批准号:
    RGPIN-2018-04086
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Remote-by-Default Care in the COVID-19 pandemic: addressing the micro-,meso-,and macro-level challenges of a radical new service model
COVID-19 大流行中的默认远程护理:解决全新服务模式的微观、中观和宏观层面的挑战
  • 批准号:
    ES/V010069/1
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Research Grant
Nano/micro/meso/multifunctional intensification strategies for greener multiphase reactors/materials
更环保的多相反应器/材料的纳米/微米/介观/多功能强化策略
  • 批准号:
    RGPIN-2018-04086
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Nano/micro/meso/multifunctional intensification strategies for greener multiphase reactors/materials
更环保的多相反应器/材料的纳米/微米/介观/多功能强化策略
  • 批准号:
    RGPIN-2018-04086
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Connectome 2.0: Developing the next generation human MRI scanner for bridging studies of the micro-, meso- and macro-connectome
Connectome 2.0:开发下一代人体 MRI 扫描仪,用于桥接微观、中观和宏观连接组研究
  • 批准号:
    10458018
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
Connectome 2.0: Developing the next generation human MRI scanner for bridging studies of the micro-, meso- and macro-connectome
Connectome 2.0:开发下一代人体 MRI 扫描仪,用于桥接微观、中观和宏观连接组研究
  • 批准号:
    10532483
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
Nano/micro/meso/multifunctional intensification strategies for greener multiphase reactors/materials
更环保的多相反应器/材料的纳米/微米/介观/多功能强化策略
  • 批准号:
    RGPIN-2018-04086
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Connectome 2.0: Developing the next generation human MRI scanner for bridging studies of the micro-, meso- and macro-connectome
Connectome 2.0:开发下一代人体 MRI 扫描仪,用于桥接微观、中观和宏观连接组研究
  • 批准号:
    10226118
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 3.35万
  • 项目类别:
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知道了