CN104268306A - 一种尘饼结构特性提取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种尘饼结构特性提取方法及装置，所述方法包括：建立粉尘颗粒的运动状态与沉积位置之间的映射关系；获取外界输入的多个粉尘颗粒的初始运动状态，并根据所述映射关系获得各粉尘颗粒沉积形成尘饼时的沉积位置；利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息。如此方案，无需引入过多假设条件，就可真实反映颗粒在电除尘器中的实际情况，保证提取出的尘饼结构特性的准确性，通过这种定性、定量分析的方式实现对粉尘沉积及尘饼生成过程的准确预测。

Description

一种尘饼结构特性提取方法及装置

技术领域

本发明涉及电除尘器技术领域，具体涉及一种尘饼结构特性提取方法及装置。

背景技术

电除尘器具有处理能力强、能耗低、操作性能稳定等优点，被广泛应用在火力发电、冶金、炼钢、化工等行业，进行烟气净化或回收有价物质等工艺过程中。电除尘器的工作原理可以理解为：电除尘器的电晕极在直流高压作用下将周围气体电离，如此，粉尘颗粒随烟气进入电除尘器时，就会在电场中荷电，进而在电场力的作用下向电除尘器的收尘极运动，吸附沉积在收尘极板上，实现粉尘与烟气分离的目的。

随着粉尘的不断沉积，会在收尘极上形成尘饼，导致电除尘器的电场区域的电场强度下降，降低电除尘器的除尘效率；此外，当粉尘沉积到一定厚度时，还很容易引发反电晕放电现象，致使电除尘器的除尘效率急剧下降。如此可见，粉尘沉积以及尘饼生成均会对电除尘器的除尘效率产生至关重要的影响，然而，目前人们对粉尘沉积形成尘饼的过程了解的并不充分，仅能在尘饼生成后测量得到尘饼堆积密度等宏观特性，尚无法实现对尘饼生成的定量分析及预测。

发明内容

本发明提供一种尘饼结构特性提取方法及装置，用以实现对粉尘沉积及尘饼生成过程的准确预测。

为了解决以上技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种尘饼结构特性提取方法，所述方法包括：

建立粉尘颗粒的运动状态与沉积位置之间的映射关系；

获取外界输入的多个粉尘颗粒的初始运动状态，并根据所述映射关系获得各粉尘颗粒沉积形成尘饼时的沉积位置；

利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息。

优选的，所述建立粉尘颗粒的运动状态与沉积位置之间的映射关系，包括：

根据各粉尘颗粒在当前时间点的受力情况，计算获得粉尘颗粒的运动状态，所述运动状态包括运动位置、运动速度和角速度；

判断各粉尘颗粒的运动速度与角速度是否为零，如果是，则将所述运动位置确定为所述沉积位置；如果否，则按预设时间步长确定下一时间点，并执行所述计算获得粉尘颗粒的运动状态的步骤。

优选的，若所述运动状态为水平运动状态，则粉尘颗粒的受力情况为：

$m_i\frac{{\mathrm{dv}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(F_{\mathrm{ij}}^n+F_{\mathrm{ij}}^s+F_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{vdw}})+F_i^e;$

其中，m_i为粉尘颗粒i的质量，v_i为粉尘颗粒i的移动速度，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的法向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的范德华力，为粉尘颗粒i受到的电场力。

优选的，若所述运动状态为旋转运动状态，则粉尘颗粒的受力情况为：

$I_i\frac{{\mathrm{d\ω}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(R_{\mathrm{ij}}\×F_{\mathrm{ij}}^s+T_{\mathrm{ij}}^r);$

其中，I_i为粉尘颗粒i的转动惯量，ω_i为粉尘颗粒i的角速度，R_ij为粉尘颗粒j与粉尘颗粒i的中心距，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为产生的扭矩，为粉尘颗粒i与粉尘颗粒j旋转运动时的摩擦扭矩。

优选的，所述粉尘颗粒的初始运动状态包括：初始位置S₀、初始移动速度v₀＝0、初始角速度ω₀＝0，且各粉尘颗粒之间无接触。

优选的，若所述结构特性信息为堆积密度，则所述利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息，包括：

根据粉尘颗粒的沉积位置，获取预设体积内的粉尘颗粒数；

利用所述粉尘颗粒数、及各粉尘颗粒的质量计算得到所述堆积密度。

优选的，若所述结构特性信息为配位数，则所述利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息，包括：

若所述配位数为各粉尘颗粒对应的配位数，则根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目N_i，得到所述尘饼中粉尘颗粒i对应的的配位数；

或者，

若所述配位数为所述尘饼对应的配位数，则根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目N_i；计算得到所述尘饼对应的配位数其中，m为粉尘颗粒的总数。

优选的，若所述结构特性信息为径向分布函数，则所述利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息，包括：

根据粉尘颗粒的沉积位置，统计粉尘颗粒i周边指定距离内出现其它粉尘颗粒的概率，得到所述径向分布函数。

一种尘饼结构特性提取装置，所述装置包括：

映射关系建立单元，用于建立粉尘颗粒的运动状态与沉积位置之间的映射关系；

沉积位置获得单元，用于获取外界输入的多个粉尘颗粒的初始运动状态，并根据所述映射关系获得各粉尘颗粒沉积形成尘饼时的沉积位置；

提取单元，用于利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息。

优选的，所述映射关系建立单元包括：

运动状态计算单元，用于根据各粉尘颗粒在当前时间点的受力情况，计算获得粉尘颗粒的运动状态，所述运动状态包括运动位置、运动速度和角速度；

判断单元，用于判断各粉尘颗粒的运动速度与角速度是否为零，如果是，则将所述运动位置确定为所述沉积位置；如果否，则按预设时间步长确定下一时间点，并通知所述运动状态计算单元执行所述计算获得粉尘颗粒的运动状态的步骤。

优选的，若所述运动状态为水平运动状态，则所述运动状态计算单元根据如下受力情况计算所述运动状态：

$m_i\frac{{\mathrm{dv}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(F_{\mathrm{ij}}^n+F_{\mathrm{ij}}^s+F_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{vdw}})+F_i^e;$

其中，m_i为粉尘颗粒i的质量，v_i为粉尘颗粒i的移动速度，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的法向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的范德华力，为粉尘颗粒i受到的电场力。

优选的，若所述运动状态为旋转运动状态，则所述运动状态计算单元根据如下受力情况计算所述运动状态：

$I_i\frac{{\mathrm{d\ω}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(R_{\mathrm{ij}}\×F_{\mathrm{ij}}^s+T_{\mathrm{ij}}^r);$

其中，I_i为粉尘颗粒i的转动惯量，ω_i为粉尘颗粒i的角速度，R_ij为粉尘颗粒j与粉尘颗粒i的中心距，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为产生的扭矩，为粉尘颗粒i与粉尘颗粒j旋转运动时的摩擦扭矩。

优选的，若所述结构特性信息为堆积密度，则所述提取单元包括：

第一获取单元，用于根据粉尘颗粒的沉积位置，获取预设体积内的粉尘颗粒数；

堆积密度计算单元，用于利用所述粉尘颗粒数、及各粉尘颗粒的质量计算得到所述堆积密度。

优选的，若所述结构特性信息为各粉尘颗粒对应的配位数，则所述提取单元包括：

第二获取单元，用于根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目N_i，得到所述尘饼中粉尘颗粒i对应的的配位数；

或者，

若所述结构特性信息为所述尘饼对应的配位数，则所述提取单元包括：

第二获取单元，用于根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目N_i；

配位数计算单元，用于计算得到所述尘饼对应的配位数其中，m为粉尘颗粒的总数。

优选的，若所述结构特性信息为径向分布函数，则

所述提取单元，具体用于根据粉尘颗粒的沉积位置，统计粉尘颗粒i周边指定距离内出现其它粉尘颗粒的概率，得到所述径向分布函数。

本发明实施例提供一种尘饼结构特性提取方法及装置，通过离散单元数值试验法，建立粉尘颗粒运动状态与粉尘颗粒沉积位置之间的映射关系，并通过分析颗粒受力情况，计算各颗粒的运行状态，从而追踪获得各颗粒的运动轨迹，确定颗粒形成尘饼时的排布状态，进而根据颗粒的排布状态提取分析尘饼的结构特性。数值试验过程中无需引入过多假设条件，能真实反映颗粒在电除尘器中的实际情况，保证提取出的尘饼结构特性的准确性，通过这种定性、定量分析的方式实现对粉尘沉积及尘饼生成过程的准确预测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例尘饼结构特性提取方法的流程图；

图2是本发明实施例中建立映射关系的流程图；

图3是本发明实施例中均匀电场下的粉尘堆积过程示意图；

图4是本发明实施例中配位数的提取结果示意图；

图5是本发明实施例中径向分布函数示意图；

图6是本发明实施例中芒刺线-板极配型式的场强分布示意图；

图7是本发明实施例中非均匀电场下的粉尘堆积过程示意图；

图8是本发明实施例中非均匀电场下试验观测的粉尘尘饼示意图；

图9是本发明实施例尘饼结构特性提取装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

电除尘器的粉尘沉积及尘饼生成，可看成是一个动力学过程，受颗粒受力、运动、电场分布等因素的影响，基于此，本发明实施例通过离散单元数值试验的方式，还原尘饼的生成过程，并追踪分析粉尘颗粒的运动轨迹，通过这种定性、定量分析的方式预测尘饼的结构特性，为研究提高电除尘器除尘效率的措施提供可靠的技术支持。

下面对本发明实施例的方案进行解释说明。

参见图1，示出了本发明实施例尘饼结构特性提取方法的流程图，可包括：

步骤101，建立粉尘颗粒的运动状态与沉积位置之间的映射关系。

作为本发明方案的技术基础，可先通过离散单元数值试验法，建立粉尘颗粒的运动状态与粉尘颗粒沉积形成尘饼时的沉积位置之间的映射关系，通过追踪各粉尘颗粒运动轨迹的方式，得到粉尘颗粒形成尘饼时的排布状态，进而提取出尘饼的结构特性。

需要说明的是，为了尽量模拟出粉尘在电除尘器中的真实状态，本发明实施例中可从粉尘颗粒的水平运动状态和旋转运动状态出发，获得二者与沉积位置的映射关系。

具体地，建立映射关系的过程可参见图2所示流程图，包括：

步骤201，根据各粉尘颗粒在当前时间点的受力情况，计算获得粉尘颗粒的运动状态，所述运动状态包括运动位置、运动速度和角速度。

步骤202，判断各粉尘颗粒的运动速度与角速度是否为零，如果是，则执行步骤203；如果否，则执行步骤204。

步骤203，将所述运动位置确定为所述沉积位置。

步骤204，在当前时间点t的基础上，按预设时间步长Δt确定下一时间点t′＝t+Δt，并返回执行步骤201，计算粉尘颗粒在t′的运动状态，如此循环，直至确定出各粉尘颗粒的沉积位置为止。

粉尘颗粒的受力情况可参见下文所做介绍，此处暂不详述。通过对受力情况求解，得到粉尘颗粒在当前时间点的运动状态后，就可判断粉尘颗粒是否能在当前时间点堆积形成尘饼，即判断所有粉尘颗粒是否均已停止运动，对应于本发明方案中，可体现为各粉尘颗粒的运动速度为零、且角速度为零，也就是说，所有粉尘颗粒既不再进行水平运动，也不再进行旋转运动，就意味着粉尘堆积形成了尘饼。

如果判断结果为已堆积形成尘饼，则将各粉尘颗粒在当前时间点的运动位置作为各自的沉积位置；如果判断结果为未堆积形成尘饼，则继续判断粉尘颗粒是否能在下一时间点堆积形成尘饼，并以此类推直至得到每个粉尘颗粒的沉积位置为止。

对应上述建立映射关系的过程，本发明实施例可做如下三点说明。

一是，预设时间步长设置的越小，追踪粉尘颗粒的轨迹就越精准，提取出的结构特性也就越准确，相应的计算量也会越大，因此可根据实际应用情况设置预设时间步长，本发明实施例可不做具体限定。

二是，粉尘颗粒的受力情况可体现如下：

(1)针对水平运动状态，粉尘颗粒的受力情况可体现为：

$m_i\frac{{\mathrm{dv}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(F_{\mathrm{ij}}^n+F_{\mathrm{ij}}^s+F_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{vdw}})+F_i^e;$

其中，m_i为粉尘颗粒i的质量，v_i为粉尘颗粒i的移动速度，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的法向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的范德华力，为粉尘颗粒i受到的电场力。

具体地，

法向力可体现为：

其中，R_i、R_j分别为粉尘颗粒i和粉尘颗粒j的半径；E为弹性模量，E＝Y/(1-γ²)，Y为杨氏模量，γ为泊松系数；ξ_n为粉尘颗粒i和粉尘颗粒j的法向变形量；v_ij为粉尘颗粒i和粉尘颗粒j的相对速度，v_ij＝v_j-v_i；为颗粒i法向变形方向的单位矢量。

切向力可体现为：

其中，μ_s为滑动摩擦系数；ξ_s为粉尘颗粒i和粉尘颗粒j的切向变形量；ξ_s，max为最大切向变形量；为切向变形方向的单位矢量。

范德华力可体现为：

其中，H_a为哈梅克常数(Hamaker Constant)；h为粉尘颗粒i和粉尘颗粒j的表面间距。

电场力可体现为：

其中，E_a为电场场强；ε₀为真空介电常数；h_d为粉尘颗粒与收尘极间的距离；为电场强度方向的单位矢量；q为粉尘颗粒荷电量，表达式可体现为q＝16πε₀[2(k_p-1)/(k_p+2)+1]d²E_a，k_p为粉尘颗粒介电常数，d为粉尘颗粒的粒径。

(2)针对旋转运动状态，粉尘颗粒的受力情况可体现为：

$I_i\frac{{\mathrm{d\ω}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(R_{\mathrm{ij}}\×F_{\mathrm{ij}}^s+T_{\mathrm{ij}}^r);$

其中，I_i为粉尘颗粒i的转动惯量，ω_i为粉尘颗粒i的角速度，R_ij为粉尘颗粒j与粉尘颗粒i的中心距，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为产生的扭矩，为粉尘颗粒i与粉尘颗粒j旋转运动时产生的摩擦扭矩，μ_r为滚动摩擦系数；为角速度单位矢量。

三是，基于上述受力情况分析，就可计算得到每个粉尘颗粒所受到的力和力矩，进而利用牛顿第二定律求解得到每个颗粒的运动位置、运动速度和角速度。求解过程中不会引入过多假设条件，计算结果能真实反映粉尘颗粒在电除尘器中的实际情况，基于此提取出的尘饼结构特性更为准确。

步骤102，获取外界输入的多个粉尘颗粒的初始运动状态，并根据所述映射关系获得各粉尘颗粒沉积形成尘饼时的沉积位置。

步骤103，利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息。

基于步骤101建立的映射关系，就可针对外界输入的颗粒初始运动条件，分析预测对应的尘饼结构特性。本发明实施例中尘饼结构特性可具体体现为：宏观特性(如，堆积密度ρ等)、微观特性(如，配位数Z、径向分布函数等)。为了方便理解，下面从均匀电场、非均匀电场两种情景出发，对提取结构特性信息的过程进行解释说明。

1.均匀电场下的结构特性提取过程

这种场景下电场力均匀分布，在图3所示情况下，随机产生的粉尘颗粒群散布于收尘极上方，若粉尘颗粒群包含m个颗粒，且颗粒i的初始状态为：初始位置S_i0、初始移动速度v_i0＝0、初始角速度ω_i0＝0，此外，为了模拟颗粒在电除尘器中的真实情况，还可使各粉尘颗粒之间无接触，即相邻两个颗粒的中心距大于两颗粒的半径和。另外，受力情况分析过程中使用的参数可参见下表1所示:

表1

基于上述参数，通过数值试验即可还原颗粒群沉积形成尘饼的过程，以图3所示为例，在初始时间点t＝0s时的颗粒群分布如图中(a)所示，孔隙率(指散粒状材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例)为0.919，按照预设步长不断循环判断的过程中，存在一个时间点t＝0.06s，该时间点的颗粒群分布如图中(b)所示，由图中所示可知，在该时间点上，还未沉积形成尘饼，即，还存在运动的颗粒，故可继续按照预设步长进行循环判断，直至在时间点t＝0.1s时所有颗粒全部停止运动，堆积形成尘饼，具体可参见图中(c)所示。

由上文计算颗粒受力情况的公式可知，电场强度E_a与粉尘颗粒直径d是影响粉尘颗粒沉积、尘饼生成的重要物理量，在二者取值不同时，提取的尘饼结构特性也会有所不同。下面结合电场强度E_a、粉尘颗粒直径d的不同取值，对提取结构特性的过程、验证结构特性准确性的过程进行解释说明。

(1)提取尘饼的堆积密度ρ

通过数值试验得到各个粉尘颗粒的沉积位置后，即可按照如下方式提取堆积密度：首先，根据粉尘颗粒的沉积位置，获取预设体积内的粉尘颗粒数；其次，利用所述粉尘颗粒数、及各粉尘颗粒的质量计算得到所述堆积密度。

密度主要用来描述物质在单位体积下的质量，故可在颗粒群停止运动后，根据它们的沉积位置，根据预设体积内的粉尘颗粒数、以及这些颗粒的质量，计算得到尘饼堆积密度＝各颗粒的质量之和/预设体积。

在具体实现时，可按照预设体积，从不同位置获得多个颗粒组，然后根据每个颗粒组包含的颗粒数、各颗粒的质量，计算得到各个颗粒组的堆积密度，最后将其中出现次数最多的堆积密度值作为尘饼的堆积密度ρ；或者，计算各颗粒组堆积密度值的平均值，并将该平均值作为尘饼的堆积密度ρ。对此可根据实际应用需求而定，本发明实施例可不做具体限定。需要说明的是，从不同位置获得的颗粒组中，可包含不同颗粒(即，各颗粒组在位置上不交叠)，也可包含部分相同颗粒(即，各颗粒组在位置上部分交叠)，本发明实施例对此亦可不做具体限定。另外，预设体积还可直接体现为粉尘形成的尘饼的体积，对应的各颗粒的质量之和就是所有颗粒的质量之和。

提取得到尘饼的堆积密度后，还可与实验值相比较，验证提取值的准确性。参见下表2，示出了粉尘颗粒粒径d＝10μm条件下的验证结果。

表2

Ea(Vm)	ρ(提取值)	ρ(实验值)
			2.865×105	0.5392	0.5222

2.874×105	0.5415	0.5278
			3.542×105	0.5550	0.5500

由表2所示可知，在相同颗粒粒径条件下，尘饼堆积密度随着电场强度的增大而增大，且提取值与实验值相比较为接近，由此可知，基于本发明方案提取得到的堆积密度的准确性很高，预测结果具有可靠性，故，可根据上述过程揭示出堆积密度与颗粒粒径、电场强度之间的关系。

(2)提取尘饼的配位数Z

通过数值试验得到各个粉尘颗粒的沉积位置后，即可按照如下方式提取配位数：

若所述配位数为各粉尘颗粒对应的配位数，则根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目N_i，得到所述尘饼中粉尘颗粒i对应的的配位数；

若所述配位数为所述尘饼对应的配位数，则先根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目N_i；再计算得到所述尘饼对应的配位数其中，m为粉尘颗粒的总数。

配位数主要用来描述位于某个指定颗粒周边的颗粒数目，配位数越大，表明与该指定颗粒接触的颗粒数量越多，形成的尘饼结构就越密实。本发明实施例中配位数可具体体现为：尘饼中各粉尘颗粒对应的配位数、尘饼对应的配位数。其中，考虑到粉尘颗粒为柔性颗粒，颗粒之间相互作用会产生一定的形变，因此，通过判断两个颗粒之间的中心距是否大于二者半径之和的方式，来确定配位数，如，颗粒i与颗粒j之间的中心距d小于(r_i+r_j)，则可将颗粒j记为与颗粒i接触，对应的颗粒i的配位数加1。需要说明的是，在确定尘饼对应的配位数时，可在逐个确定出粉尘颗粒群内各颗粒的配位数后，将其中出现次数最多的配位数作为尘饼对应的配位数Z；或者，还可利用各颗粒的配位数计算平均值，并将该平均值作为尘饼对应的配位数Z。对此可根据实际应用需求而定，本发明实施例可不做具体限定。

参见图4，示出了E_a＝50000V/m条件下，不同颗粒粒径下(从左向右依次为d＝1μm、d＝10μm、d＝1000μm)的配位数提取结果，图中每个球体代表一个粉尘颗粒的中心，球体间的连接杆代表两颗粒相接触，由图中所示可知：相同电场强度下，粉尘颗粒粒径越大，尘饼配位数就越大，相应地尘饼微观结构就越密实，堆积密度就越大。故，可根据上述过程揭示出电场强度、颗粒粒径、配位数、堆积密度之间的关系。

(3)提取径向分布函数

通过数值试验得到各个粉尘颗粒的沉积位置后，即可按照如下方式提取径向分布函数：根据粉尘颗粒的沉积位置，统计粉尘颗粒i周边指定距离内出现其它粉尘颗粒的概率，得到所述径向分布函数。

径向分布函数g(r)主要用来描述针对某指定颗粒，在一定距离r内出现其它颗粒的概率，可用来研究尘饼结构的有序性。可具体体现为：设置指定距离r，并统计每个粉尘颗粒周边指定距离r内出现其它颗粒的概率，并将其中出现次数最多的概率、或计算得到的平均概率作为该指定距离r下的径向分布值；然后再设置其它指定距离，以此类推，绘制出径向分布函数。参见图5，示出了E_a＝50000V/m、不同颗粒粒径下尘饼的径向分布函数示意图。

一般情况下，若颗粒完全无序排布，g(r)会等于1；若g(r)出现大于1的峰值，则表征特定的结构在尘饼中具有代表性。由图5所示可知，在三种颗粒粒径下，g(r)会在r＝1d时出现极大值，这代表的是每个颗粒周围都包裹着一层与之相接触的其它颗粒。另外，对于粗颗粒(颗粒粒径d＝1mm)的情况，尘饼主要受电场力影响，范德华力对颗粒的运行影响较小，对应地，g(r)在r＝1.732d和r＝2.0d附近出现两个小峰，这代表了典型的颗粒无序堆积结构。同时，随着r的增大，g(r)逐渐变为在1附近有小波动，这表示随着距离的增大，颗粒之间的相关性逐渐消失，表明结构逐渐变为无序。

另外，由图中所示情况还可知，随着颗粒粒径的变小，g(r)的第二、第三峰逐渐变小，对此可以理解为：从g(r)上来看，小粒径颗粒堆积形成的尘饼结构变得更为无序，这主要是因为小粒径颗粒将受到范德华力更大的影响，呈现不一样的结构。基于上述分析，便可根据过程揭示出电场强度、颗粒粒径、径向分布函数之间的关系。

(3)提取其它结构特性信息

本发明实施例中，除了利用粉尘颗粒沉积位置提取沉积密度、配位数、径向分布函数等结构特性信息之外，还可提取分析尘饼的其它微观结构特性，如，沃罗诺伊元胞(Voronoi Cell)、德劳内元胞(Delaunay Cell)等特性，此处不再展开赘述。

2.非均匀电场下的结构特性提取过程

上文对均匀电场场景下的结构特性提取过程进行了介绍，然而，众所周知电除尘器的实际电场是非均匀的，且电场分布与极配型式有关，下面对非均匀电场下的结构特性提取过程进行解释说明。

参见图6，示出了芒刺线-板极配型式对应的收尘极板的部分场强分布示意图，该场强分布呈椭圆形，且场强由椭圆中心位置向椭圆周边位置逐渐减小，可体现为如下表达式：

$E=(1-\frac{x^2}{a^2}-\frac{z^2}{b^2})E_{\max },$ 其中 $\frac{x^2}{a^2}+\frac{z^2}{b^2}\≤1$

E＝0，其中 $\frac{x^2}{a^2}+\frac{z^2}{b^2}>1$

式中，E_max表示椭圆中心的场强，a表示椭圆长半轴距，b表示椭圆短半轴距。

与上文提取过程相类似，在非均匀电场下，设置粉尘颗粒群的初始状态，并追踪颗粒群向收尘极运动时的运行轨迹，并在颗粒群的所有颗粒的移动速度、角速度变为零时，记录颗粒群中各颗粒在尘饼生成时的沉积位置。通过离散单元数值试验方法追踪得到的尘饼形状可参见图7所示，图中尘饼形状呈现椭圆形，与图8所示的实验观测结果相比，二者基本相符。

由数值试验结果可知，尘饼堆积厚度的分布与电场强度的分布有关，且在非均匀电场下，呈现出中心薄周边厚的分布状态，这主要是因为尘饼中心位置电场强度大，颗粒堆积密实致使粉尘厚度小；尘饼周边位置电场强度小，颗粒堆积疏松致使粉尘厚度大。如此，即可根据电场强度分布、颗粒粒径、结构特性参数(如，堆积密度、配位数、径向分布函数等)之间的关系，准确预测电除尘器的粉尘沉积及尘饼生成过程，这样，就可为研究提高电除尘器除尘效率的措施提供有效的技术支撑。

与图1所示方法相对应地，本发明实施例还提供了一种尘饼结构特性提取装置，参见图9所示结构图，可包括：

映射关系建立单元301，用于建立粉尘颗粒的运动状态与沉积位置之间的映射关系；

沉积位置获得单元302，用于获取外界输入的多个粉尘颗粒的初始运动状态，并根据所述映射关系获得各粉尘颗粒沉积形成尘饼时的沉积位置；

提取单元303，用于利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息。

优选的，所述映射关系建立单元包括：

运动状态计算单元，用于根据各粉尘颗粒在当前时间点的受力情况，计算获得粉尘颗粒的运动状态，所述运动状态包括运动位置、运动速度和角速度；

判断单元，用于判断各粉尘颗粒的运动速度与角速度是否为零，如果是，则将所述运动位置确定为所述沉积位置；如果否，则按预设时间步长确定下一时间点，并通知所述运动状态计算单元执行所述计算获得粉尘颗粒的运动状态的步骤。

优选的，若所述运动状态为水平运动状态，则所述运动状态计算单元根据如下受力情况计算所述运动状态：

$m_i\frac{{\mathrm{dv}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(F_{\mathrm{ij}}^n+F_{\mathrm{ij}}^s+F_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{vdw}})+F_i^e;$

其中，m_i为粉尘颗粒i的质量，v_i为粉尘颗粒i的移动速度，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的法向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的范德华力，为粉尘颗粒i受到的电场力。

优选的，若所述运动状态为旋转运动状态，则所述运动状态计算单元根据如下受力情况计算所述运动状态：

$I_i\frac{{\mathrm{d\ω}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(R_{\mathrm{ij}}\×F_{\mathrm{ij}}^s+T_{\mathrm{ij}}^r);$

其中，I_i为粉尘颗粒i的转动惯量，ω_i为粉尘颗粒i的角速度，R_ij为粉尘颗粒j与粉尘颗粒i的中心距，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为产生的扭矩，为粉尘颗粒i与粉尘颗粒j旋转运动时的摩擦扭矩。

优选的，若所述结构特性信息为堆积密度，则所述提取单元包括：

第一获取单元，用于根据粉尘颗粒的沉积位置，获取预设体积内的粉尘颗粒数；

堆积密度计算单元，用于利用所述粉尘颗粒数、及各粉尘颗粒的质量计算得到所述堆积密度。

优选的，若所述结构特性信息为各粉尘颗粒对应的配位数，则所述提取单元包括：

第二获取单元，用于根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目N_i，得到所述尘饼中粉尘颗粒i对应的的配位数；

或者，若所述结构特性信息为所述尘饼对应的配位数，则所述提取单元包括：

第二获取单元，用于根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目N_i；

配位数计算单元，用于计算得到所述尘饼对应的配位数其中，m为粉尘颗粒的总数。

优选的，若所述结构特性信息为径向分布函数，则

所述提取单元，具体用于根据粉尘颗粒的沉积位置，统计粉尘颗粒i周边指定距离内出现其它粉尘颗粒的概率，得到所述径向分布函数。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种尘饼结构特性提取方法，其特征在于，所述方法包括：

建立粉尘颗粒的运动状态与沉积位置之间的映射关系；

获取外界输入的多个粉尘颗粒的初始运动状态，并根据所述映射关系获得各粉尘颗粒沉积形成尘饼时的沉积位置；

利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立粉尘颗粒的运动状态与沉积位置之间的映射关系，包括：

根据各粉尘颗粒在当前时间点的受力情况，计算获得粉尘颗粒的运动状态，所述运动状态包括运动位置、运动速度和角速度；

判断各粉尘颗粒的运动速度与角速度是否为零，如果是，则将所述运动位置确定为所述沉积位置；如果否，则按预设时间步长确定下一时间点，并执行所述计算获得粉尘颗粒的运动状态的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若所述运动状态为水平运动状态，则粉尘颗粒的受力情况为：

$m_i\frac{{\mathrm{dv}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(F_{\mathrm{ij}}^n+F_{\mathrm{ij}}^s+F_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{vdw}})+F_i^e;$

其中，m_i为粉尘颗粒i的质量，v_i为粉尘颗粒i的移动速度，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的法向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的范德华力，为粉尘颗粒i受到的电场力。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若所述运动状态为旋转运动状态，则粉尘颗粒的受力情况为：

$I_i\frac{{\mathrm{d\ω}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(R_{\mathrm{ij}}\×F_{\mathrm{ij}}^s+T_{\mathrm{ij}}^r);$

其中，I_i为粉尘颗粒i的转动惯量，ω_i为粉尘颗粒i的角速度，R_ij为粉尘颗粒j与粉尘颗粒i的中心距，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为产生的扭矩，为粉尘颗粒i与粉尘颗粒j旋转运动时的摩擦扭矩。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉尘颗粒的初始运动状态包括：初始位置S₀、初始移动速度v₀＝0、初始角速度ω₀＝0，且各粉尘颗粒之间无接触。

6.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于，若所述结构特性信息为堆积密度，则所述利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息，包括：

根据粉尘颗粒的沉积位置，获取预设体积内的粉尘颗粒数；

利用所述粉尘颗粒数、及各粉尘颗粒的质量计算得到所述堆积密度。

7.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于，若所述结构特性信息为配位数，则所述利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息，包括：

若所述配位数为各粉尘颗粒对应的配位数，则根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目N_i，得到所述尘饼中粉尘颗粒i对应的的配位数；

或者，

若所述配位数为所述尘饼对应的配位数，则根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目N_i；计算得到所述尘饼对应的配位数其中，m为粉尘颗粒的总数。

8.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于，若所述结构特性信息为径向分布函数，则所述利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息，包括：

根据粉尘颗粒的沉积位置，统计粉尘颗粒i周边指定距离内出现其它粉尘颗粒的概率，得到所述径向分布函数。

9.一种尘饼结构特性提取装置，其特征在于，所述装置包括：

映射关系建立单元，用于建立粉尘颗粒的运动状态与沉积位置之间的映射关系；

沉积位置获得单元，用于获取外界输入的多个粉尘颗粒的初始运动状态，并根据所述映射关系获得各粉尘颗粒沉积形成尘饼时的沉积位置；

提取单元，用于利用各粉尘颗粒的沉积位置提取获得所述尘饼的结构特性信息。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述映射关系建立单元包括：

运动状态计算单元，用于根据各粉尘颗粒在当前时间点的受力情况，计算获得粉尘颗粒的运动状态，所述运动状态包括运动位置、运动速度和角速度；

判断单元，用于判断各粉尘颗粒的运动速度与角速度是否为零，如果是，则将所述运动位置确定为所述沉积位置；如果否，则按预设时间步长确定下一时间点，并通知所述运动状态计算单元执行所述计算获得粉尘颗粒的运动状态的步骤。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，若所述运动状态为水平运动状态，则所述运动状态计算单元根据如下受力情况计算所述运动状态：

$m_i\frac{{\mathrm{dv}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(F_{\mathrm{ij}}^n+F_{\mathrm{ij}}^s+F_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{vdw}})+F_i^e;$

其中，m_i为粉尘颗粒i的质量，v_i为粉尘颗粒i的移动速度，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的法向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的范德华力，为粉尘颗粒i受到的电场力。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，若所述运动状态为旋转运动状态，则所述运动状态计算单元根据如下受力情况计算所述运动状态：

$I_i\frac{{\mathrm{d\ω}}_i}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}(R_{\mathrm{ij}}\×F_{\mathrm{ij}}^s+T_{\mathrm{ij}}^r);$

其中，I_i为粉尘颗粒i的转动惯量，ω_i为粉尘颗粒i的角速度，R_ij为粉尘颗粒j与粉尘颗粒i的中心距，为粉尘颗粒j对粉尘颗粒i的切向力，为产生的扭矩，为粉尘颗粒i与粉尘颗粒j旋转运动时的摩擦扭矩。

13.根据权利要求9～12任一项所述的装置，其特征在于，若所述结构特性信息为堆积密度，则所述提取单元包括：

第一获取单元，用于根据粉尘颗粒的沉积位置，获取预设体积内的粉尘颗粒数；

堆积密度计算单元，用于利用所述粉尘颗粒数、及各粉尘颗粒的质量计算得到所述堆积密度。

14.根据权利要求9～12任一项所述的装置，其特征在于，

若所述结构特性信息为各粉尘颗粒对应的配位数，则所述提取单元包括：

第二获取单元，用于根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目N_i，得到所述尘饼中粉尘颗粒i对应的的配位数；

或者，

若所述结构特性信息为所述尘饼对应的配位数，则所述提取单元包括：

第二获取单元，用于根据粉尘颗粒的沉积位置，获取与粉尘颗粒i的中心距不大于二者半径之和的粉尘颗粒的数目Ni；

配位数计算单元，用于计算得到所述尘饼对应的配位数其中，m为粉尘颗粒的总数。

15.根据权利要求9～12任一项所述的装置，其特征在于，若所述结构特性信息为径向分布函数，则

所述提取单元，具体用于根据粉尘颗粒的沉积位置，统计粉尘颗粒i周边指定距离内出现其它粉尘颗粒的概率，得到所述径向分布函数。