刘晓星：创新求变 奋斗不息
　　
本刊记者  倪海波

      颗粒物质是由大量离散固体颗粒构成的聚集体，在自然界及各种过程工业中广泛存在。以化工工业为例，有统计数据表明，其产品的一半，原材料的近四分之三，都是颗粒物质。因此，深入认识和准确刻画颗粒物质的流动力学特性，对于设计、优化和放大相关颗粒物质操作装置至关重要。
　　然而，颗粒物质的复杂性在于其兼具固体和流体的特性：随机堆积的颗粒物质可以承受一定的剪切作用而保持静止，呈现类固体的特性；在剪切作用达到一定程度后，颗粒物质会发生力学失稳而流动，呈现类流体的特性。正是颗粒物质的这种复杂“流固”共存特性，迄今为止还未有普适性的理论能准确描述和刻画其复杂流变特性，相关科学问题也成为当前颗粒物质研究领域的热点和难点。另一方面，在超过临界应力的条件下，颗粒会发生破碎。颗粒的破碎不但会带来一些重要的工程操作问题，同时也会改变颗粒物料内部的应力分布，进而影响其宏观流变特性。围绕着微观颗粒破碎和宏观颗粒物料流变特性问题，中国科学院过程工程研究所（以下简称“研究所”）研究员刘晓星以计算机数值模拟为手段开展了持续的研究。在科研工作上携信念与坚持前进，刘晓星在颗粒物研究领域打开了一个又一个新局面。
　　
勇于挑战，主攻颗粒物料

　　谈起与颗粒物质的结缘，刘晓星说，这得从博士学习阶段所承担的热态钢渣急冷破碎企业合作项目说起。这个项目的装置是一个水平放置的滚筒，热态钢渣在滚筒中急冷、通过钢球的研磨而破碎，随后连续地排除滚筒。而在实际操作过程中，这个滚筒装置的固定端面非常容易受到钢渣的腐蚀，而该固定端面的拆卸又代价极高。针对这一具体工程问题，刘晓星开发了带有颗粒破碎功能的三维离散单元法程序，在此基础上又对滚筒中钢渣破碎行为及破碎后钢渣—钢球两组分混合物料的流动特性进行了深入的研究。
　　通过研究，刘晓星得出，该系统内部存在三种截然不同流动结构。在一定的操作工况下，破碎后小粒径的钢渣会富集到物料层内部，以致不容易通过滚筒侧壁开孔迅速排出；并且物料层内部颗粒物料在滚筒转动端面的推动作用下发生轴向运动，最终富集到滚筒固定端面一侧。正是基于对这一项目的研究，激发了刘晓星对颗粒物研究的兴趣。他说，企业也对该工艺的操作条件及滚筒结构进行了改进，有效地缓解了滚筒端面腐蚀问题。改进后的滚筒碎渣工艺在国内外10余家企业中得到了推广，并取得了良好的经济效应。
　　通过对滚筒碎渣工艺装置的模拟研究，刘晓星意识到定性地处理颗粒破碎并不是一个难题，但是要定量准确地预测破碎行为，就存在一定的挑战。“要实现破碎行为的定量准确预测，涉及到如何准确地构造破碎前颗粒的微观拓扑结构，也就是构成颗粒的微观晶粒单元之间的空间排列及几何特征，以及建立晶粒单元之间精确的作用模型。”
　　为了在颗粒物质研究中打下坚实的基础，在博士毕业之后，刘晓星前往国外继续留学深造。
　　在国外进修期间，刘晓星的研究对象是带有微结构的部分烧结陶瓷材料。“尽管部分烧结陶瓷材料在宏观上为连续体，但是在微观上呈现出明显的颗粒态特征，因此，它也通常被称为颗粒态物质。常规的用于离散颗粒物料模拟的离散单元法非常适合用于处理这类材料。”刘晓星说到。
　　由于其极度脆性特征，高空隙率陶瓷材料力学性能尤其是断裂强度的实验测量非常困难，实验数据重复性差。而刘晓星的研究任务就是通过数值模拟，定量准确地预测这类材料的力学性能。他说，虽然离散单元法已经经历了多年的发展，且在很多领域中都得到了广泛的认可和应用，但是以通过离散单元法来得到定量准确预测结果的相关报道还比较少。如何构造和实现与实际试样微观结构相同或相似的数值模拟试样，如何精确地计算微观单元之间的力学作用，成为了解决问题面临的最主要挑战。
　　因此，针对第一个挑战，刘晓星与合作伙伴一起，共同开发了带有晶粒表面质量扩散功能的三维离散单元法程序。该程序能实现陶瓷粉末烧结过程的颗粒尺度数值模拟，准确复现部分烧结陶瓷材料的微观拓扑结构，进而为材料本身微观结构参数如表面积、三相界面等刻画，以及后续材料力学性能定量数值模拟奠定了坚实的基础。针对第二个挑战，刘晓星借鉴有限元数值分析结果，通过考虑空间耦合效应，对经典两体接触模型进行了修正；并采用修正模型的自开发离散单元法程序，准确地预测了部分烧结陶瓷材料的力学性能包括杨氏模量、断裂强度、断裂韧度等。相关工作获得了合作同事的高度评价。
　　
学成归国，攀登科研高峰

　　如果说我们的视野由晶粒单元构成的微观颗粒上升到的微观颗粒的聚集体——颗粒物料所决定的话，那么面临的一个重要问题则是：如何准确描述和刻画颗粒物料的力学响应特性。刘晓星说，颗粒物料具有离散特性，颗粒物料内部的应力空间分布呈极度不均匀特性和各向异性特性。密集颗粒物料的这些微观结构非均匀特性，为基于平均化方法，模拟预测其复杂宏观流动、力学乃至传递反应特性提出了极大挑战。然而对于实际的工程应用装置，譬如工业中常见的各种密集颗粒物料混合、输运装置以及移动床、高炉等反应装置，准确把握颗粒物料的宏观流动力学特性恰恰是装置设计优化放大的基础。
　　基于颗粒尺度的离散单元法数值模拟结果表明，密集颗粒物质内部的颗粒接触可分为强、弱两类：强接触能够承载一定的剪切作用而不被破坏，因而呈现类固体的特性；而轻微的剪切作用即可导致弱接触被破坏，表现出类流体的特性。因此，要从本质上刻画和预测密集颗粒物料宏观力学响应特性，就要准确描述强接触（类固体）—弱接触（类流体）之间的转捩。针对这一问题，刘晓星从能量协调的角度、基于多尺度数值模拟方法，从微观颗粒力学、介观非均匀结构、宏观力学响应等不同尺度层次，结合物理实验和计算机数值模拟，开展了大量探索性的基础性研究工作。刘晓星及其团队的研究结果表明，强接触的被破坏会导致明显的介尺度效应。在现象上，这种介尺度效应表现为在系统中就形成了大于颗粒，且其尺度但小于系统尺度的颗粒运动特性呈显著空间相关性的颗粒聚团；而在力学上，这种介尺度效应体现为强接触被破坏所导致的局部应力波动会降低相邻区域的临界屈服应力。基于这一研究结果，刘晓星带领学生发展了考虑非局部效应的流变模型，并将此流变模型应用到大型移动床系统，成功预测了系统中颗粒物料的流动特性。
　　在刘晓星看来，基础研究，特别是数值模拟方面的基础研究，最终目的都是为解决工业应用中的实际问题。自2012年年底进入研究所工作以来，刘晓星承担或具体负责了多项工程反应器设计优化放大方面的模拟工作。围绕所在团队正在研发的大型移动床煤热解技术，刘晓星带领研究小组采用多尺度模拟方法，系统地考察了移动床几何型式对颗粒物料流动结构、内构件设置对反应器内流动传递反应特性影响等关键工程问题展开研究，为该技术的中试放大及后续的工业推广提供了坚实的理论支撑。
　　此外，围绕高含水生物质双床解耦燃烧技术的研发及中试调试，刘晓星带领学生开展了系统的热态模拟研究。针对双床解耦燃烧技术中热解器内固态生物质残渣停留时间长，数值模拟很难直接复现实际操作这一限制，刘晓星研究小组创新性地提出了半经验性的固体停留时间预测方法。该方法成功预测了双床解耦燃烧技术中热解器生物质残渣和热载体的停留时间特性以及两者之间的混合特性，从而为所在团队优化热解器结构以及由热解器到提升管燃烧器间热解气二次风布置提供了有力的指导。
　　依托于所在团队承担的国家重大科学仪器设备开发专项及国家重点研发计划项目课题的支持，刘晓星还带领研究小组与所内外同行合作，采用不同的数值模拟手段，对微型流化床系统内的流动传递和反应特性进行了详细的考察和分析。在这些工作基础上，刘晓星带领团队进一步发展了基于微型流化床系统的气固相反应原位微分化表征技术。
　　科研无坦途，同样科研也无止境，惟有永不止步地向上攀登才能问鼎顶峰。现在，刘晓星就努力登顶这座高峰。