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A Eulerian population balance/Monte Carlo approach for simulating laminar aluminum dust flames
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作者 Fabian Sewerin Jannis Finke 《Particuology》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第5期323-343,共21页
Recently,metal powders have been conceptualized as carbon-free recyclable energy carriers that may form a cornerstone of a sustainable energy economy.The combustion of metal dusts in oxidizing atmospheres is exotherma... Recently,metal powders have been conceptualized as carbon-free recyclable energy carriers that may form a cornerstone of a sustainable energy economy.The combustion of metal dusts in oxidizing atmospheres is exothermal and yields oxide particles that could,potentially,be retrieved and,subsequently,recharged by conversion to pure metals using green primary energy sources.As a step towards a predictive tool for designing metal dust combustors,we present a fully Eulerian modelling approach for laminar particle-laden reactive flows that is,conceptually,based on a population balance description of the dispersed particles and relies on a stochastic Eulerian solution strategy.While the population balance equation(PBE)is formulated for the number-weighted distribution of characteristic properties among all particles near a spatial location,it is kinetically informed by the rates at which mass,momentum and heat are exchanged between the carrier gas and the particulate phase on the single particle level.Within the scope of the Eulerian Monte Carlo solution scheme,the property distribution is discretely represented in terms of the total number density and a finite number of property samples and the computational work is channelled towards the Eulerian estimation of mean particle properties.For the case of reactive aluminum particles,we combine a kinetic description of the gas-particle heat and mass transfer with a transport-limited continuum formulation to obtain rate expressions that are valid across the entire particle size range from the free molecular through the continuum regime.Besides velocity,the particle properties include only the particle mass,temperature and oxide mass fraction.This set of thermochemical degrees of freedom is retained also as phase transitions due to melting occur,drawing on a smooth blend of the solid and liquid thermodynamic and material properties.The particle-level formulation encompasses aluminum evaporation,surface oxidation,scavenging of oxide smoke,oxide evaporation/dissociation and radiation.After investigating how these effects translate,through the PBE,to the particle population level and affect the combustion in a homogeneous dust reactor,we analyze the combustion of an aluminum dust in a counterflow flame and validate predictions of the particles’centerline velocity profile and the flame speed by comparison with available experimental data.Concomitantly,nitrogen oxide emissions are investigated along with the particle burnout and outlet size distribution. 展开更多
关键词 Metal dust combustion Aluminum population balance Eulerian monte carlo
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模拟颗粒凝并过程的快速Monte Carlo方法 被引量:2
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作者 徐祖伟 赵海波 +1 位作者 刘昕 郑楚光 《计算物理》 CSCD 北大核心 2013年第1期89-97,共9页
对常规异权值Monte Carlo(MC)方法进行改进,基于强核函数思想,通过颗粒群单重遍历即可求得强核函数最大值,采用接受-拒绝法随机搜寻凝并对,并利用搜寻过程中拒绝和接受的所有凝并对的信息来估计凝并事件的等待时间(时间步长),从而避免... 对常规异权值Monte Carlo(MC)方法进行改进,基于强核函数思想,通过颗粒群单重遍历即可求得强核函数最大值,采用接受-拒绝法随机搜寻凝并对,并利用搜寻过程中拒绝和接受的所有凝并对的信息来估计凝并事件的等待时间(时间步长),从而避免颗粒群的双重遍历,以提高MC的效率.对典型工况的模拟结果显示该快速方法计算代价仅为O(Ns),能够显著提高计算效率,同时保持足够的计算精度,较好地协调计算代价与计算精度之间的矛盾. 展开更多
关键词 颗粒群平衡模拟 凝并动力学 monte carlo方法 异数目权值 粒颗粒尺度分布
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利用Monte Carlo方法求解粒数衡算方程分析影响气泡分布的各种因素
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作者 马志杰 宋海华 张敏卿 《化学工程》 CAS CSCD 北大核心 2003年第3期12-16,共5页
精馏塔板上气泡尺寸分布是计算精馏塔板效率以及设计和操作精馏塔的关键参数 ,为了对它进行更好的预测 ,文中以Kolmogoroff各向同性湍流理论为基础并结合概率理论 ,利用计算机图形处理技术对气泡的聚并和破裂现象进行观察研究 ,分析气... 精馏塔板上气泡尺寸分布是计算精馏塔板效率以及设计和操作精馏塔的关键参数 ,为了对它进行更好的预测 ,文中以Kolmogoroff各向同性湍流理论为基础并结合概率理论 ,利用计算机图形处理技术对气泡的聚并和破裂现象进行观察研究 ,分析气泡的聚并和破裂机理 ,采用MonteCarlo模拟技术求解粒数衡算方程 ,对影响精馏塔板上气泡尺寸分布的各种因素进行研究分析。求解结果与实验数据相吻合并显示气泡尺寸分布为对数正态分布 。 展开更多
关键词 montecarlo方法 求解 粒数衡算方程 气泡分布 破裂 聚并
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一种描述颗粒沉积现象的Monte Carlo算法
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作者 刘红梅 蒋威 +1 位作者 刘文明 刘雪东 《常州大学学报(自然科学版)》 CAS 2021年第6期51-57,共7页
为了提高Monte Carlo算法在求解颗粒群平衡方程时的计算精度和效率,发展了一种基于异权值Monte Carlo(DWMC)算法的快速Monte Carlo(F-DWMC)算法,该算法在处理颗粒沉积事件时采用确定性方法,能够更加快速准确地求解颗粒的沉积行为。文章... 为了提高Monte Carlo算法在求解颗粒群平衡方程时的计算精度和效率,发展了一种基于异权值Monte Carlo(DWMC)算法的快速Monte Carlo(F-DWMC)算法,该算法在处理颗粒沉积事件时采用确定性方法,能够更加快速准确地求解颗粒的沉积行为。文章选定了两种存在理论分析解的工况(分别考虑颗粒重力沉积和布朗扩散沉积行为)对F-DWMC算法进行了验证,获得了多分散颗粒物系统的颗粒尺寸分布函数曲线,计算结果与理论分析解吻合较好,并且与DWMC算法相比,F-DWMC算法具有更高的计算精度和效率。 展开更多
关键词 monte carlo算法 颗粒群平衡方程 重力沉积 布朗扩散沉积
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A new framework for population balance modeling of spray fluidized bed agglomeration 被引量:5
5
作者 Mubashir Hussain Jitendra Kumar Evangelos Tsotsas 《Particuology》 SCIE EI CAS CSCD 2015年第2期141-154,共14页
Previous work (Hussain et al. (2013). Chemical Engineering Science, 101, 35) has pointed out that the conventional, one-dimensional population balance equation for aggregation can be expanded to accurately reprodu... Previous work (Hussain et al. (2013). Chemical Engineering Science, 101, 35) has pointed out that the conventional, one-dimensional population balance equation for aggregation can be expanded to accurately reproduce the results of discrete simulations of spray fluidized bed agglomeration. However, some parameters had to be imported from the discrete simulation (Monte-Carlo). The present paper shows how the expanded population balance can be run without importing parameters from the Monte-Carlo simulation. The expanded population balance still reproduces the results of Monte-Carlo simulations accurately, taking into account key micro-scale phenomena (sessile droplet drying, efficiency of collisions), but with much lower computational cost. Required input parameters are just the drying time of sessile droplets (calculated in advance), and the prefactor of an equation that correlates particle collision frequency with fluidized bed expansion. In this way, the expanded population balance is, apart from autonomous, also (nearly) predictive. Its performance is demonstrated by comparisons with both Monte-Carlo results and experimental data for various operating conditions (binder mass flow rate, gas temperature). Despite formally being a one-dimensional expression, the expanded population balance captures additional properties, such as the number of wet particles and the number of droplets in the system, which are even difficult to measure in exoeriments. 展开更多
关键词 population balances KINETICS AGGREGATION monte carlo simulation Fluidized bed Modeling
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Advances in numerical methods for the solution of population balance equations for disperse phase systems 被引量:3
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作者 SU JunWei1,GU ZhaoLin2,3 & XU X.Yun41 Department of Mechanical Engineering and Automation,School of Mechanical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China 2 Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China,Ministry of Education,Lanzhou 730000,China +1 位作者 3 Department of Environmental Science and Technology,School of Human Settlements and Civil Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China 4 Department of Chemical Engineering,Imperial College London,London SW7 2AZ,UK 《Science China Chemistry》 SCIE EI CAS 2009年第8期1063-1079,共17页
Accurate prediction of the evolution of particle size distribution is critical to determining the dynamic flow structure of a disperse phase system.A population balance equation(PBE),a non-linear hyperbolic equation o... Accurate prediction of the evolution of particle size distribution is critical to determining the dynamic flow structure of a disperse phase system.A population balance equation(PBE),a non-linear hyperbolic equation of the number density function,is usually employed to describe the micro-behavior(aggregation,breakage,growth,etc.) of a disperse phase and its effect on particle size distribution.Numerical solution is the only choice in most cases.In this paper,three different numerical methods(direct discretization methods,Monte Carlo methods,and moment methods) for the solution of a PBE are evaluated with regard to their ease of implementation,computational load and numerical accuracy.Special attention is paid to the relatively new and superior moment methods including quadrature method of moments(QMOM),direct quadrature method of moments(DQMOM),modified quadrature method of moments(M-QMOM),adaptive direct quadrature method of moments(ADQMOM),fixed pivot quadrature method of moments(FPQMOM),moving particle ensemble method(MPEM) and local fixed pivot quadrature method of moments(LFPQMOM).The prospects of these methods are discussed in the final section,based on their individual merits and current state of development of the field. 展开更多
关键词 population balance equation direct DISCRETIZATION METHOD monte carlo METHOD MOMENT methods disperse PHASE system
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颗粒凝并动力学MonteCarlo方法的高效GPU并行计算 被引量:3
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作者 赵海波 徐祖伟 +2 位作者 刘昕 史家伟 郑楚光 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第14期1358-1368,共11页
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... 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. 展开更多
关键词 颗粒群平衡模拟 凝并 随机模拟 并行计算 CUDA 计算效率
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高温物理气相合成Ag纳米颗粒的Monte Carlo-GPU并行模拟 被引量:1
8
作者 尚诚 Gregor Kotalczyk +2 位作者 赵海波 徐祖伟 FRANK Einar Kruis 《工程热物理学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期982-988,共7页
高温物理气相合成是合成纳米颗粒的重要方法之一,该过程包含复杂的成核、生长、凝并等颗粒动力学事件,对其进行精准、快速的数值模拟具有重要的指导意义。基于群平衡Monte Carlo方法,本研究采用GPU统一计算设备架构(CUDA)并行算法模拟A... 高温物理气相合成是合成纳米颗粒的重要方法之一,该过程包含复杂的成核、生长、凝并等颗粒动力学事件,对其进行精准、快速的数值模拟具有重要的指导意义。基于群平衡Monte Carlo方法,本研究采用GPU统一计算设备架构(CUDA)并行算法模拟Ag纳米颗粒的高温物理气相合成过程。为了提高计算效率,颗粒凝并事件考虑了快速Monte Carlo方法。该方法能够很好地描述纳米颗粒的高温物理气相合成过程,与实验测量对比表明,模拟结果基本吻合颗粒群尺度分布,计算速率平均提高13.8%。 展开更多
关键词 纳米颗粒 快速monte carlo GPU 颗粒群平衡
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气相合成铋纳米颗粒的多维MonteCarlo模拟
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作者 尚诚 徐祖伟 +2 位作者 赵海波 何松 FRANK Einar Kruis 《工程热物理学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第12期3313-3318,共6页
气相合成是纳米颗粒的主要生产途经之一,对其复杂颗粒动力学事件及气固多相流过程的模拟具有重要指导意义。本研究首次提出了群平衡Monte Carlo下的高效颗粒迁移方法,在GPU架构下进行了气相合成铋纳米颗粒的多维CFD-PBMC模拟。作为颗粒... 气相合成是纳米颗粒的主要生产途经之一,对其复杂颗粒动力学事件及气固多相流过程的模拟具有重要指导意义。本研究首次提出了群平衡Monte Carlo下的高效颗粒迁移方法,在GPU架构下进行了气相合成铋纳米颗粒的多维CFD-PBMC模拟。作为颗粒合成源头事件,比较了不同成核模型对纳米颗粒的影响,成核速率的差异直接影响了成核区域大小及蒸气浓度分布,使得停留时间较长的边界处颗粒差异显著。与实验测量结果对比,当前模拟颗粒浓度均偏高而体积偏小。 展开更多
关键词 气相合成 多维PBMC 成核理论 GPU
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火焰喷雾热解合成ZrO_(2)纳米颗粒的大涡-群平衡Monte Carlo(LES-PBMC)模拟
10
作者 何松 苏志晶 +2 位作者 徐祖伟 鲁昊 赵海波 《工程热物理学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期696-702,共7页
本文基于OpenFoam平台开发的非线性大涡模拟-部分搅拌反应器(NLES-PaSR)模型,对FSP湍流喷雾燃烧火焰进行LES模拟,并首次发展了高效的多维群平衡蒙特卡洛(PBMC)方法,对FSP过程中ZrO_(2)纳米颗粒的时空演化过程进行描述。结果表明,FSP是... 本文基于OpenFoam平台开发的非线性大涡模拟-部分搅拌反应器(NLES-PaSR)模型,对FSP湍流喷雾燃烧火焰进行LES模拟,并首次发展了高效的多维群平衡蒙特卡洛(PBMC)方法,对FSP过程中ZrO_(2)纳米颗粒的时空演化过程进行描述。结果表明,FSP是一个剧烈的强湍流燃烧过程,在周围稳燃火焰的影响下,其火焰温度具有两个峰值,且三种动力学事件的发生速率均在第一个温度峰值(HAB=0.012 m)达到最大。随着颗粒在火焰中的迁移及停留时间的增加,颗粒粒径逐渐增大。三种动力学事件之间的相互竞争关系以及颗粒在流场中的迁移行为,共同影响着火焰中颗粒尺寸、形态的演变。 展开更多
关键词 NLES-PaSR大涡模拟 群平衡monte carlo 火焰喷雾热解 ZrO2纳米颗粒
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雾天气向霾天气转化时气溶胶颗粒物的动力学特性 被引量:21
11
作者 丁珏 刘义 +2 位作者 李家骅 张宝亮 王庆涛 《气象与环境学报》 2012年第2期91-96,共6页
针对自然界中雾天气向霾天气转化的现象,提出建立和发展雾环境气溶胶颗粒物多效应的动力学模型。基于离散系统的颗粒群平衡方程和多重Monte Carlo算法,分别对雾形成阶段(凝并、冷凝和成核3个动力学事件占主导),雾发展阶段(凝并、破碎、... 针对自然界中雾天气向霾天气转化的现象,提出建立和发展雾环境气溶胶颗粒物多效应的动力学模型。基于离散系统的颗粒群平衡方程和多重Monte Carlo算法,分别对雾形成阶段(凝并、冷凝和成核3个动力学事件占主导),雾发展阶段(凝并、破碎、沉积和成核4个动力学事件占主导)和雾消散阶段(破碎、蒸发和沉积3个动力学事件占主导)气溶胶颗粒物平均体积、颗粒数目随时间的演变过程进行研究。结果表明:气溶胶颗粒物的初始体积尺度为1,经过雾的生命周期进入消散阶段时,尺度为0.0156的细小气溶胶颗粒数迅速增加,1000 s时间已发展至初始值的8.12倍。研究结果解释了自然界中雾天气向霾天气转化的过程和物理机制。 展开更多
关键词 雾霾天气 气溶胶 颗粒群平衡模拟 动力学特性 多重montecarlo算法
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雾环境二次气溶胶生长过程的数值研究 被引量:3
12
作者 丁珏 王庆涛 +1 位作者 刘义 应梦侃 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2013年第2期164-170,共7页
雾环境气溶胶之间的碰撞和凝并是气溶胶迁移、生长的动力学基础.基于颗粒群平衡方程和多重蒙特卡洛方法,针对雾环境中二次液态气溶胶生长过程开展数值研究,着重分析了湍流和布朗作用机制对单分散和指数分布的二次气溶胶碰撞凝并的影响.... 雾环境气溶胶之间的碰撞和凝并是气溶胶迁移、生长的动力学基础.基于颗粒群平衡方程和多重蒙特卡洛方法,针对雾环境中二次液态气溶胶生长过程开展数值研究,着重分析了湍流和布朗作用机制对单分散和指数分布的二次气溶胶碰撞凝并的影响.结果表明:雾环境气溶胶之间的碰撞凝并使得颗粒的总数目减少,颗粒平均体积逐渐增大.对于初始尺度为自由分子区、单分散的气溶胶,布朗运动时间为600 s时,二次气溶胶平均尺度增大至初始的202.7倍左右,数目降至初始的0.006.对于湍流作用下有布朗运动的二次气溶胶,在较短的时间内(如100 s)气溶胶尺度增至初始的163倍,颗粒数目降至初始的0.025倍,说明雾环境流场的湍流运动引起二次气溶胶较强的输运和聚集,导致颗粒碰撞凝并概率增加,颗粒尺度增大. 展开更多
关键词 雾天气 二次气溶胶 生长 颗粒群平衡方程 多重蒙特卡洛方法
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CO_2添加对碳烟生成及其尺寸分布的影响
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作者 彭飞 魏明锐 +1 位作者 刘近平 李松 《内燃机学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第5期433-439,共7页
基于颗粒群演化的模拟理论方法,构建了一维稳态层流预混火焰中碳烟颗粒动力学演化过程的数学模型.通过耦合含有生成芘分子(A4)的详细化学反应机理,并采用蒙特卡洛(Monte Carlo)随机算法求解颗粒群平衡方程获得碳烟颗粒动力学演变尺寸分... 基于颗粒群演化的模拟理论方法,构建了一维稳态层流预混火焰中碳烟颗粒动力学演化过程的数学模型.通过耦合含有生成芘分子(A4)的详细化学反应机理,并采用蒙特卡洛(Monte Carlo)随机算法求解颗粒群平衡方程获得碳烟颗粒动力学演变尺寸分布信息.在此基础上,详细分析了层流预混火焰中二氧化碳添加对碳烟颗粒物尺寸分布的影响.结果表明:添加二氧化碳降低了碳烟颗粒成核速率,使得小粒径碳烟颗粒数密度减小;同时,添加二氧化碳减弱了碳烟颗粒表面生长速率,以及提高了OH和O2浓度而加速了碳烟的氧化反应,使得大粒径碳烟颗粒数密度降低.CO2添加对碳烟颗粒生成起到了一定抑制作用. 展开更多
关键词 颗粒群平衡方程 monte carlo 二氧化碳 尺寸分布
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双组分颗粒团聚过程中组分混合程度的预测
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作者 赵翰卿 徐祖伟 赵海波 《中国科学院大学学报(中英文)》 CSCD 北大核心 2017年第2期204-209,共6页
多组分颗粒凝并是颗粒长大过程的主要物理机制之一。对于双组分凝并,混合程度χ为一重要衡量标准,是预测组分分布的关键参数。针对双组分颗粒团聚的非稳态过程研究混合程度随时间的变化关系,采用颗粒群平衡模拟异权值快速Monte Carlo方... 多组分颗粒凝并是颗粒长大过程的主要物理机制之一。对于双组分凝并,混合程度χ为一重要衡量标准,是预测组分分布的关键参数。针对双组分颗粒团聚的非稳态过程研究混合程度随时间的变化关系,采用颗粒群平衡模拟异权值快速Monte Carlo方法,进行模拟,最终预测出χ与初始条件的关系,得到自由分子区布朗凝并与连续区布朗凝并的指数形式预测公式,并进行验证,从而可以通过合理选择初始参数,优化控制组分分布和实现颗粒定向功能制备。 展开更多
关键词 颗粒群平衡模拟 双组分凝并 monte carlo方法 混合程度
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离散相系统群体平衡模型的求解算法 被引量:24
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作者 苏军伟 顾兆林 XU X.Yun 《中国科学:化学》 CAS CSCD 北大核心 2010年第2期144-160,共17页
准确预测离散相系统中微观粒子的尺度分布演变对系统动态流动行为的准确确定起关键性作用.粒子的尺度分布演变以及引起尺度分布变化的离散相微观行为(聚并、破碎、长大等)由群体平衡模型来描述.该模型是关于数值密度函数的非线性双曲型... 准确预测离散相系统中微观粒子的尺度分布演变对系统动态流动行为的准确确定起关键性作用.粒子的尺度分布演变以及引起尺度分布变化的离散相微观行为(聚并、破碎、长大等)由群体平衡模型来描述.该模型是关于数值密度函数的非线性双曲型方程,数值求解为主要手段.本文对群体平衡方程的直接离散方法、MonteCarlo、矩方法从实现难易程度、计算机资源消耗、计算精度三方面进行了详细阐述,并着重介绍了几种性能优越的矩方法——矩积分方法(QMOM)、矩直接积分方法(DQMOM)、可调节矩积分方法(M-QMOM)、自适应矩直接积分方法(ADQMOM)、定点矩积分方法(FPQMOM)、粒子游动算法(MPEM)和局部定点矩积分方法(LFPQMOM).最后根据算法的优缺点及其当前发展状况对不同算法的未来发展做了预测. 展开更多
关键词 群体平衡方程 直接离散方法 monte carlo方法 矩方法 离散相系统
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