化工过程通常可以分为化学、化工、过程系统工程三个层次，而每个层次内部又都存在微尺度、介尺度、宏尺度三类典型尺度。微尺度用以描述系统中运动的最小时空单元，如考虑颗粒浓度分布时反应器中的单个颗粒；宏尺度代表所考虑的整个系统，如此时所涉及的反应器总体；介尺度则用以描述由微尺度单元在运动过程中形成的时空不均匀结构。

由于介尺度结构的存在及其重要影响，宏尺度与微尺度间的关联往往难以借助既有的统计力学和热力学方法获得。因此无论对理论还是应用研究，从精确的微尺度模拟复现介尺度和宏尺度行为都是不可或缺的重要手段。理论上，跟踪每个微尺度单元的运动，用离散模型还原体系演化，能得到最精准的结果。但现实是，化工体系里的单元数量动辄上亿，直接模拟不现实。因此工程上常采用连续介质模型，通过统计平均简化计算，可代价却是忽略了关键的介尺度结构，模拟结果与实际生产的偏差也随之而来，这一问题在对化工过程效率、绿色度要求越来越高的今天，显得愈发突出。

能量最小多尺度(Energy-Minimization Multi-Scale, EMMS)范式为解决这一难题提供了核心思路规。EMMS 以多尺度分解与竞争中的协调为核心思想，将复杂系统划分为微观、介观、宏观尺度，揭示介尺度非均匀结构由不同控制机制竞争并通过能量最小化达到稳态。EMMS范式以多目标变分原理为数学表达，耦合多尺度计算流体力学，突破传统均相假设，实现复杂多相系统的精准模拟与量化描述，已从气固流态化拓展至多类复杂体系，形成从机理、模型到软件、应用的完整研究范式。

大规模高性能颗粒仿真软件DEMMS是EMMS范式在工业离散模拟中的具体实现与落地载体。在模型构上，DEMMS软件颗粒尺度用离散单元法（DEM），反应器尺度采用离散网络模型，同时还配置粗粒化方法，把大量微小单元 “合并” 计算，解决了单元数量过大的问题。依托Mole-8.5E 超算，能处理 10⁹~10¹¹ 量级单元的工业体系，粒子更新速率超 10¹⁰步/秒，计算效能是传统 CPU 软件的 10 倍左右，真正让离散模拟从实验室走向了工业应用。

在化工领域，DEMMS软件可用于气固流化床、提升管、催化反应器等关键设备的精细仿真，可实现从颗粒运动、聚团演化到反应器整体流动与反应行为的跨尺度耦合计算，精准刻画颗粒混合、传递、反应及停留时间分布，为反应器结构优化、工艺参数调控、装置放大及故障诊断提供定量依据，同时依托粗粒化策略兼顾模拟精度与计算效率，适用于石化、煤化工等工业反应器的虚拟设计与运行优化。

颗粒流是化工生产中最常见的现象，从物料输送到混合传热，都离不开对颗粒运动的精准模拟。下图展示了基于DEMMS软件实现了某工艺中试装置的螺旋混合-输送器在不同结构和操作参数下的混合指标与停留时间分布的模拟。

颗粒在螺旋输送器中的混合与温度分布

对长13.5m、直径1.5m、含960 万个毫米级颗粒的滚筒混合器，用30块GPU就能达到物理演化速度的1/60。针对螺旋混合-输送器的模拟，DEMMS软件还能精准预测不同结构、操作参数下的混合效果、停留时间分布和温度分布，模拟结果与实验高度吻合，并且呈现实验中难以观测的内部动态过程，为装置优化设计提供了关键参考。

基于DEMMS软件，对中科院过程所中瑞联合循环流化床装置进行气固循环流化床全回路高精度模拟，本算例采用 1.27 亿计算颗粒，对应真实体系 1270 亿颗粒（约 20kg 物料），通过10倍粗粒化技术，在保证物理精度的前提下大幅降低计算规模，高效还原了工业级装置的气固流动特性。

(a)中科院过程工程研究所VPE平台的循环流化床; (b)提升管模拟局部放大；(c)气固循环流化床全回路高精度模拟

在技术实现上，DEMMS软件依托GPU 并行技术，实现了气相与固相计算载荷的动态均衡分配，显著提升了全回路多复杂组件（如提升管、分离器、回料阀等）的计算适应度与能效性。从模拟结果来看，DEMMS软件精准捕捉了全回路内颗粒速度分布规律，清晰呈现了提升管内颗粒流动的非均匀结构，为循环流化床装置的流场优化、放大设计及工况调控提供了可靠依据。

相较于传统模拟方法，DEMMS软件在处理大规模气固两相流问题时，既保障了微观颗粒动力学的解析精度，又实现了工业级装置的全回路高效计算，为过程工程领域的流化床反应器研发、故障诊断与工艺优化提供了核心仿真工具，推动了气固流态化技术的数字化发展。

气固流化床反应器-再生器全回路装置，核心应用于需要催化剂循环再生的化工与能源加工场景，其中石油炼制是最典型领域，还可应用于煤化工、环保等行业。对气固流化床反应器-再生器全回路装置进行数值仿真，可以帮助解决工业装置设计、运行和优化中的实际难题。下图展示了基于DEMMS软件实现了目前报道的最为复杂的离散全回路模拟件，得到了合理的两相流场分布，并模拟改善了分布板压降模拟结果和颗粒堆积结果。

全回路模拟颗粒状态

从计算结果可以看出，反应器顶部的颗粒基本均在一级旋风分离器内被分离出去，从二级旋风分离器离开甚至达到反应器顶部集气室的颗粒很少。再生器顶部的情况类似，几乎没有颗粒到达再生器顶部。再生器内流化颗粒的膨胀高度大致位于再生器旋风分离器料腿附近，与工厂实际相符。此外，反应器外层沉降区的挡板（Stripper）在模拟中起到了给颗粒减速的作用，使颗粒在下落过程中不至于速度过高，从而使反应器底部落料区颗粒状态较为稳定，不至于产生强烈的反弹和不稳定。

针对双锥水力旋流器分离性能调控难题，采用DEMMS软件与OpenFOAM构建的数值方法开展研究，DEMMS软件的核心价值在于能精准模拟颗粒间碰撞、颗粒与流体的相互作用，适配高浓度颗粒体系，弥补传统模型无法准确刻画旋流器内稠密颗粒运动与分离行为的缺陷，结合 VOF 与 RSM 实现了气-液-固三相流场与分离过程的可靠预测，清晰揭示入口速度与底流口直径的强交互作用，为双锥水力旋流器的结构优化与工况匹配提供了精准、实用的工程指导。