CN102663211B - 气固两相流动环境下的工业监测和控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，包括：获取气固两相流动环境中颗粒的理化性能参数；建立气固两相流动环境中颗粒的运动模型；对上述建立的运动模型进行并行求解；确定气固两相流动环境中的颗粒信息；根据确定的颗粒信息进行工业监测和控制。此外，还公开了一种气固两相流动环境下的工业监测和控制装置，包括理化性能参数获取模块、运动模型建立模块、并行求解模块、颗粒信息确定模块和监测控制模块。本发明通过大规模的并行计算算法，可在气固两相流动环境下获取颗粒的信息，进而进行工业监测和控制。对工业实践中的气固两相流动环境进行数值模拟，从而提高工业运行和控制水平，具有显著的经济价值。

Description

气固两相流动环境下的工业监测和控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及气固两相流动技术领域，尤其涉及一种气固两相流动环境下的工业监测和控制方法和一种气固两相流动环境下的工业监测和控制装置。

背景技术

随着大规模并行计算硬件和软件技术的发展，为气固两相流动环境中大量颗粒的数值模拟研究提供了新的平台。目前气固两相流动环境的应用研究，往往只考虑颗粒与流体之间的单相耦合，而颗粒对流体没有反作用。对颗粒与颗粒之间的碰撞，颗粒与流体之间的双向耦合作用通常不考虑。这样就影响到了工业实践中监测和控制的准确性。

如果要解决气固两相流动中存在的难题，则需要依赖于准确的数据，包括直接的试验研究数据和数值模拟的数据。因此，采用大规模并行计算方法在复杂的气固两相流动环境下准确、快速地获取颗粒信息，进而实现准确有效地工业监测和控制，显得尤为重要。

发明内容

为解决上述存在的问题，本发明提供了一种气固两相流动环境下的工业监测和控制方法和一种气固两相流动环境下的工业监测和控制装置。

一种气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，包括以下步骤：

获取气固两相流动环境中颗粒的理化性能参数；

建立气固两相流动环境中颗粒的运动模型；所述颗粒的运动模型包括：

$\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}=u_p;m_p\frac{d{u}_p}{\mathrm{dt}}=F_D+F_G+F_{\mathrm{LS}}+F_{\mathrm{LR}};I_p\frac{d{\mathrm{\ω}}_p}{\mathrm{dt}}=T;$

其中，x_p是颗粒的空间位置；u_p是颗粒的线速度；ω_p是颗粒的旋转角速度；m_p是颗粒质量，I_p是球状颗粒的转动惯量，F_D为颗粒所受到的阻力，F_G为颗粒所受到的重力，F_LS为颗粒所受到的滑移剪切升力，F_LR为颗粒所受到的滑移旋转升力；

对上述建立的运动模型进行并行求解；

根据并行求解结果，确定气固两相流动环境中的颗粒信息；

根据确定的颗粒信息进行工业监测和控制。

与一般技术相比，本发明所提供的气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，通过大规模的并行计算算法，可在气固两相流动环境下获取颗粒的信息，进而进行工业监测和控制。对工业实践中的气固两相流动环境进行数值模拟，从而提高工业运行和控制水平，具有显著的经济价值。

一种气固两相流动环境下的工业监测和控制装置，包括理化性能参数获取模块、运动模型建立模块、并行求解模块、颗粒信息确定模块和监测控制模块；

所述理化性能参数获取模块用于获取气固两相流动环境中颗粒的理化性能参数；

所述运动模型建立模块用于建立气固两相流动环境中颗粒的运动模型；所述颗粒的运动模型包括：

$\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}=u_p;m_p\frac{d{u}_p}{\mathrm{dt}}=F_D+F_G+F_{\mathrm{LS}}+F_{\mathrm{LR}};I_p\frac{d{\mathrm{\ω}}_p}{\mathrm{dt}}=T;$

其中，x_p是颗粒的空间位置；u_p是颗粒的线速度；ω_p是颗粒的旋转角速度；m_p是颗粒质量，I_p是球状颗粒的转动惯量，F_D为颗粒所受到的阻力，F_G为颗粒所受到的重力，F_LS为颗粒所受到的滑移剪切升力，F_LR为颗粒所受到的滑移旋转升力；

所述并行求解模块用于对上述建立的运动模型进行并行求解；

所述颗粒信息确定模块用于根据并行求解结果，确定气固两相流动环境中的颗粒信息；

所述监测控制模块用于根据确定的颗粒信息进行工业监测和控制。

与一般技术相比，本发明所提供的气固两相流动环境下的工业监测和控制装置，通过大规模的并行计算算法，可在气固两相流动环境下获取颗粒的信息，进而进行工业监测和控制。对工业实践中的气固两相流动环境进行数值模拟，从而提高工业运行和控制水平，具有显著的经济价值。

附图说明

图1是本发明气固两相流动环境下的工业监测和控制方法的示意流程图；

图2是本发明气固两相流动环境下的工业监测和控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。

请参阅图1，为本发明气固两相流动环境下的工业监测和控制方法的示意流程图。本发明气固两相流动环境下的工业监测和控制方法包括以下步骤：

S101获取气固两相流动环境中颗粒的理化性能参数；

首先要获取气固两相流动环境中颗粒的理化性能参数。

以电站锅炉中煤粉气固两相流动环境作为一个优选实施例，则需要获取电站火炉中的煤粉颗粒的媒质信息，这些媒质信息可以通过工业分析或者元素分析来得到。

S102建立气固两相流动环境中颗粒的运动模型；

建立气固两相流动环境中流体的运动模型，其中，建立的气固两相流动环境中流体内颗粒的运动模型可包括流体对流体内颗粒的作用力。

建立气固两相流动环境中流体内颗粒的运动模型，其中，建立的气固两相流动环境中流体的运动模型可包括流体内颗粒对流体的反作用力。

以电站锅炉中煤粉气固两相流动环境作为一个优选实施例，对本发明建立气固两相流动环境中颗粒的运动模型进行描述。

首先，建立流体控制方程。

假定气相为理想的牛顿流体。颗粒相考虑为具有相同直径d_p和密度ρ_p的刚性球体。颗粒的密度和流体的密度的比值ρ_p/ρ_f为2500。颗粒的直径远远小于网格的间距，颗粒对流体的动量反作用可以用点力描述。流体相的守恒方程可以描述如下：

连续方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂\mathrm{\ρ}{u}_i}{\∂x_i}=0$

动量方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρ}{u}_j}{\∂t}+\frac{\∂\mathrm{\ρ}{u}_i{u}_j}{\∂x_i}=-\frac{\∂P}{\∂x_i}+\frac{\∂{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}{\∂x_i}+\mathrm{\ρ}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_k{f}_{k,j}+F_{p\→f}$

温度方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρT}}{\∂t}+\frac{\∂\mathrm{\ρT}{u}_i}{\∂x_i}+\frac{P}{C_v}\frac{\∂u_i}{\∂x_i}=[\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x_i}\right)+\mathrm{\Φ}]/C_v$

整理形式： $\frac{\mathrm{D\ρT}}{\mathrm{Dt}}+\frac{P}{D_v}\frac{\∂u_i}{\∂x_i}=[-\frac{\∂q_i}{\∂x_i}+\mathrm{\Φ}]/C_v$

状态方程： $P=\mathrm{\ρ}\frac{R_r}{\stackrel{\_}{W}}T$

其中，ρ是流体的密度，P是流体的压力，u_i是i方向的流体的速度，F_p→f是颗粒反馈到流体上的力，T是温度，R是气体常数R_c/W，R_c是通用气体常数，W是气体摩尔质量。

建立完流体控制方程，还需建立颗粒控制方程。

对颗粒相模拟作如下假设：颗粒为具有相同直径和相同密度的规则刚性球体；颗粒的密度远大于流体的密度。

由于颗粒远重于流体，颗粒受到的力主要是Stokes阻力和重力，Basset力小一个数量级而可以忽略。颗粒受到的升力比阻力和重力要小很多，但在本发明中，由于考虑到以后模拟平板边界层等有壁面约束的流动，在壁面附近存在较大的速度梯度，由此产生的滑移－剪切升力对颗粒在壁面附近的沉降过程有较大影响，所以不可忽略。另外，颗粒与壁面的碰撞使颗粒具有较大的旋转速度，由此产生的滑移－旋转升力也将被考虑。

因此，本实施例所考虑的作用于颗粒的力包括阻力，重力，滑移剪切升力和滑移旋转升力，追踪颗粒运动的方程组为：

$\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}=u_p$

$m_p\frac{d{u}_p}{\mathrm{dt}}=F_D+F_G+F_{\mathrm{LS}}+F_{\mathrm{LR}}$

$I_p\frac{d{\mathrm{\ω}}_p}{\mathrm{dt}}=T$

其中，x_p是颗粒的空间位置；u_p是颗粒的线速度；ω_p是颗粒的旋转角速度；m_p是颗粒质量，I_p是球状颗粒的转动惯量，其中，

$m_p=\frac{\mathrm{\π}}{6}{\mathrm{\ρ}}_p{d_p}^3={\mathrm{\ρ}}_p{V}_p,I_p=\frac{1}{10}{m}_p{d_p}^2.$

阻力的计算方法：

单个颗粒所受到的阻力的计算公式为：

$F_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_f\frac{\mathrm{\π}{d_p}^2}{4}{C}_D(u_f-u_p)|u_f-u_p|,$

其中，阻力系数C_D可以表示为：

$C_D=\frac{24}{R{e}_p}{f}_D$

f_D为阻力因子，表示阻力系数与Stokes阻力之比，由下式计算：

$f_D=1+0.15R\text{e}{e_p}^{0.678}+0.0175\frac{R{e}_p}{1+4.25\×{10}^{4}R{e_p}^{-1.16}}$

颗粒Reynolds数由颗粒直径和颗粒-流体的相对速度计算，

$R{e}_p=\frac{{\mathrm{\ρ}}_f{d}_p|u_f-u_p|}{{\mathrm{\μ}}_f}.$

滑移－剪切升力的计算：

通过引入一个修正函数，将由渐进展开得到的较低Reynolds数下的滑移-剪切应力的表达式扩展到较高颗粒Reynolds数情况：

$F_{\mathrm{LS}}=1.615{d_p}^2{\left({\mathrm{\ρ}}_f{\mathrm{\μ}}_f\right)}^{1/2}{\left(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_f}\right)}^{0.5}\{(u_f-u_p)\×{\mathrm{\ω}}_f\}f(R{e}_p,R{e}_s)$

其中，流体旋转计算为：

${\mathrm{\ω}}_f=\frac{1}{2}\▿\×u_f$

引入一个升力系数，滑移-剪切升力可表示为：

$F_{\mathrm{LS}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_f}{2}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d_p}^3{C}_{\mathrm{LS}}\{(u_f-u_p)\×{\mathrm{\ω}}_f\}$

升力系数表示为：

$C_{\mathrm{LS}}=\frac{4.1126}{R{e_s}^{0.5}}f(R{e}_p,R{e}_s)$

修正函数表示扩展的升力与Saffman升力的比值：

$f(R{e}_p,R{e}_s)=\frac{F_{\mathrm{LS}}}{F_{\mathrm{LS},\mathrm{Saff}}}=\left\{\begin{array}{cc}(1-0.3314{\mathrm{\β}}^{1/2})\exp (-\frac{R{e}_p}{10})+0.3314{\mathrm{\β}}^{1/2}& R{e}_p\≤40\\ 0.0524{\left(\mathrm{\βR}{e}_p\right)}^{1/2}& R{e}_p>40\end{array}\right.$

其中，

$\mathrm{\β}=\frac{d_p\left|{\mathrm{\ω}}_f\right|}{2|u_f-u_p|}=\frac{1}{2}\frac{R{e}_s}{R{e}_p}$

Re_s是剪切流Reynolds数，

$R{e}_s=\frac{{\mathrm{\ρ}}_f{d_p}^2\left|{\mathrm{\ω}}_f\right|}{{\mathrm{\μ}}_f}.$

滑移－旋转升力：

考虑颗粒和运动流体之间的相对运动，得出其滑移－旋转升力的计算方法为：

$F_{\mathrm{LR}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_f}{2}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d_p}^2{C}_{\mathrm{LR}}|u_f-u_p|\frac{\mathrm{\Ω}\×(u_f-u_p)}{\left|\mathrm{\Ω}\right|}$

其中，Ω表示相对旋转，Ω＝ω_f-ω_p。对于较小的颗粒Reynolds数，如Re_p≤1，升力系数由如下关系式计算：

$C_{\mathrm{LR}}=\frac{d_p\left|\mathrm{\Ω}\right|}{|u_f-u_p|}=\frac{R{e}_R}{R{e}_p}$

其中，

为颗粒旋转Reynolds数。

对于较大颗粒Reynolds数，有如下关系式：

$C_{\mathrm{LR}}=0.45+(\frac{R{e}_R}{R{e}_p}-0.45)\exp (-0.05684\&CenterDot;R{e_R}^{0.4}\&CenterDot;R{e_p}^{0.3}),\mathrm{for}1<R{e}_p<140$

将各种力的表达式带入颗粒运动方程，并在方程两边分别除以m_p，得：

$\begin{array}{c}\frac{d{u}_p}{\mathrm{dt}}=\frac{3}{4}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_f}{{\mathrm{\&rho;}}_p{d}_p}{C}_D(u_f-u_p)|u_f-u_p|+\frac{3}{4}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_f}{{\mathrm{\&rho;}}_p}{C}_{\mathrm{lS}}\{(u_f-u_p)\&times;{\mathrm{\&omega;}}_f\}\\ +\frac{3}{4}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_f}{{\mathrm{\&rho;}}_p{d}_p}{C}_{\mathrm{LR}}|u_f-u_p|\frac{\mathrm{\&Omega;}\&times;\left(u_f{-u}_p\right)}{\left|\mathrm{\&Omega;}\right|}+g\\ =\frac{f_D}{{\mathrm{\&tau;}}_p}{C}_D(u_f-u_p)+\frac{3}{4}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_f}{{\mathrm{\&rho;}}_p}{C}_{\mathrm{LS}}\{(u_f-u_p)\&times;{\mathrm{\&omega;}}_f\}+\frac{3}{4}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_f}{{\mathrm{\&rho;}}_p}\frac{R{e}_p}{R{e}_R}{C}_{\mathrm{LR}}\{\mathrm{\&Omega;}\&times;(u_f-u_p)\}+g\end{array}$

力矩的计算方法：

由于粘性相互作用，流体作用于旋转颗粒的力矩在静止流体和小颗粒Reynolds数条件下推导出。通过引入一个旋转系数C_R，他们的表达式可扩展到三维流动和较高颗粒Reynolds数的情况：

$T=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_f}{2}{\left(\frac{d_p}{2}\right)}^5{C}_R\left|\mathrm{\&Omega;}\right|\mathrm{\&Omega;}$

则颗粒的转动方程可以表示为：

$\frac{d{\mathrm{\&omega;}}_p}{\mathrm{dt}}=\frac{15}{16}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_f}{{\mathrm{\&rho;}}_p\mathrm{\&pi;}}{C}_R\left|\mathrm{\&Omega;}\right|\mathrm{\&Omega;}$

对于较高颗粒Reynolds数，如32＜Re_R＜1000，旋转系数可计算为：

$C_R=\frac{12.9}{R{e_R}^{0.5}}+\frac{128.4}{R{e}_R}$

如果颗粒Reynolds数较小，如Re_R≤32，旋转系数为：

$C_R=\frac{64\mathrm{\&pi;}}{R{e}_R}.$

值得指出的是，上述建立气固两相流动环境中颗粒的运动模型的过程仅是以电站锅炉中煤粉气固两相流动环境作为一个优选实施例。对于不同的气固两相流动环境，建模过程也不相同。

S103对上述建立的运动模型进行并行求解；

作为其中一个实施例，可按照如下方法来对建立的模型进行并行求解。将气固两相流动环境区域分解为若干个子区域；根据预设的用于在颗粒穿越不同子区域时进行信息传递的颗粒信息传递函数和预设的用于进行颗粒碰撞并行计算的颗粒碰撞并行算法，在分解的若干个子区域内，分别进行并行求解。

作为其中一个实施例，在所述预设的颗粒碰撞并行算法中，可选择硬球碰撞模型作为颗粒碰撞的模型。

其中，所述确定颗粒碰撞并行算法的步骤，可包括以下步骤：选择硬球碰撞模型作为颗粒碰撞的模型；确定颗粒碰撞的搜索区域；确定颗粒碰撞的判断方法；确定颗粒碰撞后颗粒位置和速度的改变量。

优选的，可通过链表的方式进行颗粒信息数据的传递和颗粒碰撞数据的处理。

下面以电站锅炉中煤粉气固两相流动环境作为一个优选实施例，对并行求解进行描述。

预设的颗粒信息传递函数的实现方法：

颗粒并行模拟最重要的部分是颗粒信息的准确传递。为了展示方便，整个流场区域可采用一维分解。对于二维分解在颗粒信息传递方法上是一致的，只是传递的过程更复杂。在颗粒并行时，需要考虑的是颗粒穿越边界的信息传递问题。在对气固两相流动区域进行一维分解的情形下，颗粒可能从区域的左右边界传递，除了第一个子区域和最后一个子区域，其它的子区域需要从两个方向进行颗粒信息的传递。作为一个实施例，可定义两个逻辑变量：Send_left和Send_right。当Send_left=True，则有颗粒向左边子区域传递；当Send_right=True，则有颗粒向右边的子区域传递。如果没有颗粒穿越左右边界，则Send_left=False，Send_right=False。由于每个时间步颗粒穿越边界的数目不是固定的，所以可定义两个整型变量来记录每个时间步穿越区域边界的数目。

颗粒相数据处理：

本实施例可采用链表的方式来处理颗粒信息的传递过程，按照如下步骤进行颗粒信息的传递执行：

定义颗粒链表；穿越左边边界颗粒数据的复制；穿越右边边界颗粒数据的复制；接受右边传过来颗粒信息，复制到主链表；接受左边传过来颗粒信息，复制到主链表；从主链表删除穿越左右边界的颗粒信息。

颗粒双向耦合返回到流体上力的处理：

由于本实施例采用区域分解的策略，整个求解区域分解为若干个网格数相等的子区域。考虑到颗粒穿越边界的问题，每个子区域左右边界与邻近的子区域自动重叠一层网格。这样处理好处在于，当颗粒穿越当地子区域边界时，自动记入到左右相应的子区域。尤其需要注意的问题是当考虑双向耦合时，边界上网格点接受颗粒返回到流场的力是相邻子区域内所有颗粒返回的力的总和。

预设的颗粒碰撞并行算法可按照如下方式实现：

为了实现颗粒碰撞的并行计算，整个流场和颗粒场的计算采用并行求解。气相场采用区域分解算法，颗粒相的求解采用了拉格朗日方法追踪实际的颗粒，为了保证求解统计量，本实施例可不采用计算颗粒方式。

硬球碰撞模型：

本实施例中颗粒的平均浓度较低，颗粒不产生塑性变形，认为颗粒之间的碰撞是二元碰撞，因此可采用硬球碰撞模型。硬球模型基于气体分子运动理论，考虑两个颗粒之间的瞬间碰撞，但是两次碰撞过程中颗粒自由运动不受流体影响。当主颗粒和搜索颗粒运动轨迹发生交叠，这两颗颗粒即发生碰撞。碰撞后两颗粒不仅速度、相对速度发生改变，而且还伴随着能量损失。硬球模型中颗粒碰撞前后径向速度的变化以颗粒的弹性恢复系数来表征，在本实施例中取为常数0.9。切向速度的变化用摩擦系数描述，取常数0.3，最后根据速度变化值，由冲量定理求出颗粒运动控制方程中的颗粒间碰撞作用力。硬球模型的优点是各个计算参数均为真实值，在低浓度气固两相流场模拟中比较有效。

碰撞实现步骤：

硬球模型搜索碰撞的第一步是确定颗粒的碰撞搜索区域。因为在极短的时间步长，例如Δt=5×10-5s，每颗颗粒只能与相邻区域内的颗粒发生碰撞，所以确定搜索范围可以提高计算的效率。

确定搜索区域的具体方法：

沿着计算区域均匀划分网格，优选的，可使每个颗粒的移动范围为27个网格，在这个移动范围可以确定碰撞的搜索范围。

碰撞判断方法：

确定每颗颗粒的碰撞搜索范围后，搜索该颗粒与范围内的所有颗粒是否发生碰撞。如果当主颗粒i与搜索颗粒j运动轨迹发生交叠，则这两个颗粒发生碰撞。

碰撞后颗粒速度和位置改变量：

碰撞后，两颗粒不仅速度、相对速度发生改变，而且还伴随着能量损失。硬球模型中颗粒碰撞前后径向速度的变化用颗粒的弹性恢复系数e来表征。在本发明研究中e取为0.9。切向速度的变化用摩擦系数β来描述，本实施例取为0.3。

碰撞后主颗粒i、搜索颗粒j的速度u'_pi和u'_pj根据动量守恒定律得到：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{pi}}^{\&prime;}=u_{\mathrm{pi}}+J\\ u_{\mathrm{pj}}^{\&prime;}=u_{\mathrm{pj}}-J\end{array}\right.$

式中u_pi为碰撞前主颗粒i的速度，u_pj为碰撞前搜索颗粒j的速度，J为碰撞施加在主颗粒上的单位质量动量，由径向、切向两部分分量J_n、J_t组成，分别由下面的各个式子得到：

$\left\{\begin{array}{c}J=J_n+J_t\\ J_n=0.5\&times;(1+e)c\&CenterDot;n\\ J_t=\min [-\mathrm{\&beta;}{J}_n,\frac{1}{7}|c_{\mathrm{fc}}\left|\right]\end{array}\right.$

其中，c_fc＝csina，为碰撞前两颗粒相对速度切向分量。

颗粒碰撞和颗粒搜索实现方法：

在颗粒碰撞并行计算过程中，由于求解区域被分解为若干个子区域，每个子区域与邻近的子区域自动重叠一层网格。在每个子区域的边界上根据颗粒搜索区域定义，在每个子区域的左右边界定义颗粒碰撞搜索的影响区域。不管颗粒在什么位置发生碰撞，只需要考虑颗粒碰撞的次数以及碰撞前后的速度改变量，然后根据颗粒终端位置，将这些信息计入到终端位置所在的子区域，从而实现颗粒速度的更新。

颗粒碰撞并行计算的具体实现方法：

颗粒相添加到流场中：如果是第一个时间步，将颗粒添加到流场中，需要对颗粒主链表A1（为分析的方便，以A1，B1，C1表示颗粒并行中所涉及到的颗粒链表）进行定义。如果是其它的时间步，需要对已经定义的链表进行是否为空链表的判断，如果是空链表，则需要重新定义链表；反之如果不是空链表，则需要在已有的颗粒链表A1的基础上进行颗粒信息的追加操作。

颗粒在时间推进的过程中，记录颗粒初始和结束的位置：在这个阶段，需要注意的是，在颗粒碰撞算法中，需要进行颗粒循环读取操作。为了正确进行颗粒循环读取的操作，需要定义两个碰撞链表B1和C1。B1和C1链表的内容是完全相同的，保存的是颗粒初始的位置和速度，以及时间推进结束的位置和速度信息。

颗粒碰撞的算法实现：在进行颗粒碰撞算法实现前，首先对颗粒的位置进行判断，如果颗粒超过当地子区域的左右边界，则需要将颗粒信息传递到相应的子区域，越界的部分需要删除掉，具体的程序逻辑结构如下：颗粒位置的判断；越界部分删除；需要传递的颗粒记录到文件中；向左和向右逻辑控制函数；颗粒数据的传递；颗粒记录链表的删除。

当上述的过程完成后，下面需要将碰撞后颗粒的速度以及颗粒的序号正确返回给主颗粒链表A1。

颗粒穿越边界处理：

当气固两相流动区域进行一维分解时，首先用链表记录即将穿越边界的颗粒信息，包括颗粒的速度、位置等相关的信息，然后实现颗粒信息的传递，完成颗粒的并行计算。需要注意的是，必须等所有的颗粒信息传递结束以后，才能开始下一步的颗粒计算。

当气固两相流动区域进行二维分解时，颗粒信息的传递过程更复杂，需要考虑8个方向的信息传递，即上、下、左、右、左上、右下、右上、左下。

值得指出的是，上述对运动模型并行求解的过程仅是以电站锅炉中煤粉气固两相流动环境作为一个优选实施例。对于不同的气固两相流动环境，求解过程也可不同。

S104根据并行求解结果，确定气固两相流动环境中的颗粒信息。

步骤S103完成对运动模型的并行求解之后，便可根据并行求解的结果，确定气固两相流动环境中的颗粒信息。

优选的，可根据并行求解结果，确定气固两相流动环境中的流体信息；以及确定气固两相流动环境中的流体内颗粒的位置信息和速度信息。

S105根据确定的颗粒信息进行工业监测和控制。

步骤S104确定了气固两相流动环境中的颗粒信息之后，可以根据确定的颗粒信息进行工业监测和控制。例如，可在以下领域：电站锅炉、钢铁冶炼、发动机燃烧控制、化工领域中气固流动控制、垃圾焚烧炉中的气固流动控制、环境评估中的气固流动监测等，应用本发明的方法进行工业监测和控制。

在其中一个实施例中，本发明可用于控制电站锅炉的运行，降低煤粉颗粒与炉膛壁面的结焦，降低受热面颗粒的磨损，降低受热面超湿，减少锅炉停机的次数以及提高锅炉运行的安全性。

本发明的气固两相流动中大量颗粒并行数值模拟算法，实现大量颗粒在欧拉－拉格朗日坐标系下的并行计算，无需采用计算颗粒的方式，解决了颗粒穿越计算区域边界信息传递，颗粒与流体之间并行环境下的双向耦合，以及颗粒与颗粒之间的碰撞。在颗粒双向耦合并行算法中，可采用重叠一层网格的方法，为颗粒穿越计算区域边界归属性问题提供简化。

由于气固两相流动的复杂性，一般的采用现场试验的方法，很难得到颗粒的物理规律。很难通过试验的方法，为工业实践提供指导。本发明解决了大量颗粒存在的情况下，进行大规模网格并行计算，是是比较有效的考虑两相流动的并行直接模拟方法，其算法可以直接应用到工业实际中。例如将本发明应用到电站煤粉锅炉气固两相流动的数值模拟，可以显著提高电站锅炉运行和控制水平，具有显著的经济价值。

随着颗粒污染物等环保要求的进一步加强，利用本发明，可以进一步分析污染物颗粒的减排规律，大大提高污染物减排的效率。利用本发明进行颗粒污染物的监测。例如，可以预测大气中PM2.5颗粒物运动的规律，为监测和控制PM2.5颗粒物提供了有效的技术手段。另外，由于自然界气固两相流动广泛存在，比如大气污染物中颗粒物的扩散，河流中泥沙的运动，而且化工机械领域也存在着气固两相流动的情况。因此，本发明提出的气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，可以推广到化工、机械、材料、能源等相关领域的气固两相流动问题中，具有重要的工程应用价值和经济效益。

与一般技术相比，本发明所提供的气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，通过大规模的并行计算算法，可在气固两相流动环境下获取颗粒的信息，进而进行工业监测和控制。对工业实践中的气固两相流动环境进行数值模拟，从而提高工业运行和控制水平，具有显著的经济价值。

请参阅图2，为本发明气固两相流动环境下的工业监测和控制装置的结构示意图。本发明气固两相流动环境下的工业监测和控制装置包括理化性能参数获取模块201、运动模型建立模块202、并行求解模块203、颗粒信息确定模块204和监测控制模块205；

所述理化性能参数获取模块201用于获取气固两相流动环境中颗粒的理化性能参数；

所述运动模型建立模块202用于建立气固两相流动环境中颗粒的运动模型；

建立气固两相流动环境中颗粒的运动模型可包括建立气固两相流动环境中流体的运动模型以及流体内颗粒的运动模型，其中，建立的气固两相流动环境中流体内颗粒的运动模型可包括流体对流体内颗粒的作用力，流体的运动模型可包括流体内颗粒对流体的反作用力。

所述并行求解模块203用于对上述建立的运动模型进行并行求解；

所述并行求解模块203包括区域分解模块；

所述区域分解模块用于将气固两相流动环境区域分解为若干个子区域；

所述并行求解模块进一步用于根据预设的用于在颗粒穿越不同子区域时进行信息传递的颗粒信息传递函数和预设的用于进行颗粒碰撞并行计算的颗粒碰撞并行算法，在分解的若干个子区域内，分别进行并行求解。

优选的，可通过链表的方式进行颗粒信息数据的传递和颗粒碰撞数据的处理。

所述颗粒信息确定模块204用于根据并行求解结果，确定气固两相流动环境中的颗粒信息。

完成对运动模型的并行求解之后，便可根据并行求解的结果，确定气固两相流动环境中的颗粒信息。

优选的，所述颗粒信息确定模块204可根据并行求解结果，确定气固两相流动环境中的流体信息；以及确定气固两相流动环境中的流体内颗粒的位置信息和速度信息。

所述监测控制模块205用于根据确定的颗粒信息进行工业监测和控制。

确定了气固两相流动环境中的颗粒信息之后，可以根据确定的颗粒信息进行工业监测和控制。例如，可在以下领域：电站锅炉、钢铁冶炼、发动机燃烧控制、化工领域中气固流动控制、垃圾焚烧炉中的气固流动控制、环境评估中的气固流动监测等，应用本发明的方法进行工业监测和控制。

在其中一个实施例中，本发明可用于控制电站锅炉的运行，降低煤粉颗粒与炉膛壁面的结焦，降低受热面颗粒的磨损，降低受热面超湿，减少锅炉停机的次数以及提高锅炉运行的安全性。

与一般技术相比，本发明所提供的气固两相流动环境下的工业监测和控制装置，通过大规模的并行计算算法，可在气固两相流动环境下获取颗粒的信息，进而进行工业监测和控制。对工业实践中的气固两相流动环境进行数值模拟，从而提高工业运行和控制水平，具有显著的经济价值。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取气固两相流动环境中颗粒的理化性能参数；

建立气固两相流动环境中颗粒的运动模型；所述颗粒的运动模型包括：

$\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}=u_p;m_p\frac{d{u}_p}{\mathrm{dt}}=F_D+F_G+F_{\mathrm{LS}}+F_{\mathrm{LR}};I_p\frac{d{\mathrm{\&omega;}}_p}{\mathrm{dt}}=T;$

其中，x_p是颗粒的空间位置；u_p是颗粒的线速度；ω_p是颗粒的旋转角速度；m_p是颗粒质量，I_p是球状颗粒的转动惯量，F_D为颗粒所受到的阻力，F_G为颗粒所受到的重力，F_LS为颗粒所受到的滑移剪切升力，F_LR为颗粒所受到的滑移旋转升力；

对上述建立的运动模型进行并行求解；

根据并行求解结果，确定气固两相流动环境中的颗粒信息；

根据确定的颗粒信息进行工业监测和控制。

2.根据权利要求1所述的气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，其特征在于，所述建立气固两相流动环境中颗粒的运动模型的步骤，包括以下步骤：

建立气固两相流动环境中流体的运动模型；

建立气固两相流动环境中流体内颗粒的运动模型。

3.根据权利要求2所述的气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，其特征在于，所述建立的气固两相流动环境中流体内颗粒的运动模型包括流体对流体内颗粒的作用力；

所述建立的气固两相流动环境中流体的运动模型包括流体内颗粒对流体的反作用力。

4.根据权利要求1所述的气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，其特征在于，所述对上述建立的运动模型进行并行求解的步骤，包括以下步骤：

将气固两相流动环境区域分解为若干个子区域；

根据预设的用于在颗粒穿越不同子区域时进行信息传递的颗粒信息传递函数和预设的用于进行颗粒碰撞并行计算的颗粒碰撞并行算法，在分解的若干个子区域内，分别进行并行求解。

5.根据权利要求4所述的气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，其特征在于，在所述预设的颗粒碰撞并行算法中，选择硬球碰撞模型作为颗粒碰撞的模型。

6.根据权利要求1所述的气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，其特征在于，在所述对上述建立的运动模型进行并行求解的步骤中，通过链表的方式进行颗粒信息数据的传递和颗粒碰撞数据的处理。

7.根据权利要求1所述的气固两相流动环境下的工业监测和控制方法，其特征在于，所述根据并行求解结果，确定气固两相流动环境中的颗粒信息的步骤，包括以下步骤：

根据并行求解结果，确定气固两相流动环境中的流体信息；

根据并行求解结果，确定气固两相流动环境中的流体内颗粒的位置信息和速度信息。

8.一种气固两相流动环境下的工业监测和控制装置，其特征在于，包括理化性能参数获取模块、运动模型建立模块、并行求解模块、颗粒信息确定模块和监测控制模块；

所述理化性能参数获取模块用于获取气固两相流动环境中颗粒的理化性能参数；

所述运动模型建立模块用于建立气固两相流动环境中颗粒的运动模型；所述颗粒的运动模型包括：

$\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}=u_p;m_p\frac{d{u}_p}{\mathrm{dt}}=F_D+F_G+F_{\mathrm{LS}}+F_{\mathrm{LR}};I_p\frac{d{\mathrm{\&omega;}}_p}{\mathrm{dt}}=T;$

其中，x_p是颗粒的空间位置；u_p是颗粒的线速度；ω_p是颗粒的旋转角速度；m_p是颗粒质量，I_p是球状颗粒的转动惯量，F_D为颗粒所受到的阻力，F_G为颗粒所受到的重力，F_LS为颗粒所受到的滑移剪切升力，F_LR为颗粒所受到的滑移旋转升力；

所述并行求解模块用于对上述建立的运动模型进行并行求解；

所述颗粒信息确定模块用于根据并行求解结果，确定气固两相流动环境中的颗粒信息；

所述监测控制模块用于根据确定的颗粒信息进行工业监测和控制。

9.根据权利要求8所述的气固两相流动环境下的工业监测和控制装置，其特征在于，所述并行求解模块包括区域分解模块；

所述区域分解模块用于将气固两相流动环境区域分解为若干个子区域；

所述并行求解模块进一步用于根据预设的用于在颗粒穿越不同子区域时进行信息传递的颗粒信息传递函数和预设的用于进行颗粒碰撞并行计算的颗粒碰撞并行算法，在分解的若干个子区域内，分别进行并行求解。

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