CN109885912A - 一种烟气颗粒演化分析方法、装置、计算设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法、装置、计算设备和计算机可读存储介质，该方法包括：在fluent软件中设置网格模型、烟气流动分析条件和用户自定义函数，网格模型中包含流动域；按照烟气流动分析条件对流动域进行分析，得到烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息；通过用户自定义函数从fluent软件中导出气体组分信息；将导出后的气体组分信息导入颗粒演化模拟程序，并根据颗粒演化模拟程序和气体组分信息确定烟气颗粒演化结果。本发明的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法、装置、计算设备和计算机可读存储介质，能够使得fluent软件给出烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息，简化了烟气颗粒演化分析过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种烟气分析技术领域，尤其涉及一种烟气颗粒演化分析方法、装置、计算设备和存储介质。
背景技术
气体介质所形成的分散体系稳定地悬浮流体微粒或/和气溶胶固体，广泛存在于诸如大气气溶胶、化石燃料和烟草燃烧产生的烟气等自然界及工业编辑中，在气溶胶固体的研究中，多将烟气颗粒作为刚性颗粒，而实际工况中，烟气颗粒的动力学演化受到烟气组分的影响，如成核、凝并和表面增长等，分析在烟气颗粒运动过程中其周围的烟气浓度，对研究烟气颗粒的流动和演化具有重大意义。
相比于传统实验方法，以数值模拟方法具有实验设备占地面积小、实验条件要求简单、实验周期短、占用资金少和结果较准确等优点，成为研究烟气流动的重要方法，适用于流场模拟的fluent软件是数值模拟方法中常用且主流的模拟工具。
但是，编辑fluent软件分析烟气颗粒演化机理容易给出烟气颗粒的流动信息(例如：速度信息和压力信息等)，难以给出在烟气颗粒运动过程中烟气颗粒周围实时的气体组分信息，造成烟气颗粒演化分析困难。
发明内容
针对现有技术中fluent软件不能给出在烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息，造成烟气颗粒演化分析困难的不足，本发明提供一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法、装置、计算设备和计算机可读存储介质。
第一方面，本发明提供了一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法，包括：
在fluent软件中设置网格模型、烟气流动分析条件和用户自定义函数，所述网格模型中包含流动域；
按照所述烟气流动分析条件对所述流动域进行分析，得到烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息；
通过所述用户自定义函数从所述fluent软件中导出所述气体组分信息；
将导出后的所述气体组分信息导入颗粒演化模拟程序，并根据所述颗粒演化模拟程序和所述气体组分信息确定烟气颗粒演化结果。
第二方面，本发明提供了一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析装置，包括：
第一分析模块，用于在fluent软件中设置网格模型、烟气流动分析条件和用户自定义函数，所述网格模型中包含流动域；按照所述烟气流动分析条件对所述流动域进行分析，得到烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息；通过所述用户自定义函数从所述fluent软件中导出所述气体组分信息；
第二分析模块，用于将导出后的所述气体组分信息导入颗粒演化模拟程序，并根据所述颗粒演化模拟程序和所述气体组分信息确定烟气颗粒演化结果。
第三方面，本发明提供了一种计算设备，包括：
存储器，被配置为存储计算机程序；
处理器，被配置为与所述存储器通信且执行所述计算机程序，当所述计算机程序执行时实现如第一方面所述的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有至少一条指令或者至少一段程序或者代码集或者指令集，所述至少一条指令或者所述至少一段程序或者所述代码集或者所述指令集由处理器加载并运行时实现如第一方面所述的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法
本发明提供的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法、装置、计算设备和存储介质的有益效果是：通过用户自定义函数使得fluent软件能够给出在烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息，相比于在fluent软件模拟烟气颗粒演化，通过颗粒演化模拟程序能够简化烟气颗粒演化分析过程，提高了分析效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的网格模型的示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析装置的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种计算设备的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例的一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤100、在fluent软件中设置网格模型、烟气流动分析条件和用户自定义函数，网格模型中包含流动域；
步骤200、按照烟气流动分析条件对流动域进行分析，得到烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息；
步骤300、通过用户自定义函数从fluent软件中导出气体组分信息；
步骤400、将导出后的气体组分信息导入颗粒演化模拟程序，并根据颗粒演化模拟程序和气体组分信息确定烟气颗粒演化结果。
在步骤100之前，构建用户自定义函数UDF，用户自定义函数UDF用于读取、存储和输出气体组分信息，为从fluent软件中导出气体组分信息提供便利，使得fluent软件能够给出气体组分信息，气体组分信息可以包括温度和在混合多组分气体的烟气中的烟气浓度信息，烟气例如：香烟烟气。
通过fluent软件实现对烟气颗粒进行流场模拟，通过颗粒演化模拟程序对烟气颗粒进行演化模拟，使得烟气颗粒的流场模拟和演化模拟分离，这样fluent软件不再对烟气颗粒演化模拟，能够简化烟气颗粒的分析过程，提高了分析效率，具有普遍适用性规律，适用于工业废气和杂质净化提纯等领域。
优选地，步骤100具体包括：
步骤110、建立烟气流动几何模型；
步骤120、获取烟气流动几何模型的结构特征和模型边界条件；
步骤130、根据结构特征和模型边界条件在烟气流动几何模型上划分网格，得到网格模型；
步骤140、将网格模型导入fluent软件；
步骤150、根据负体积检验网格的正确性，得到检验结果；
步骤160、根据检验结果在fluent软件中设置烟气流动分析条件和用户自定义函数。
在一些具体实例中，可以采用CAD软件建立烟气流动几何模型，烟气流动几何模型可以包括人体呼吸道模型，作为定性条件的模型边界条件可以包括烟气进口、烟气出口和壁面；可以采用ICEM软件根据模型边界条件和结构特征在烟气流动几何模型上划分六面体网格，计算网格数为243976，输出msh文件，msh文件作为导入fluent软件的网格模型，如图2所示为在人体呼吸道模型上划分网格后的网格模型，网格模型是为烟气流动提供场所的物理模型。
优选地，步骤160具体包括：
步骤161、当检验结果指示网格不存在负体积时，确定网格正确，在fluent软件中设置烟气流动分析条件和用户自定义函数；
步骤162、当检验结果指示网格存在负体积时，确定网格不正确，调整网格，且使调整后的网格不存在负体积。
在一些具体实例中，如图3所示，在确定网格不正确时，返回步骤130，在人体呼吸道模型的局部调整网格，使得网格不存在负体积，如此只有确定网格正确时，才会在fluent软件中设置烟气流动分析条件和用户自定义函数的条件，有效保证了烟气颗粒流场模拟的可靠性。
优选地，烟气流动分析条件包括单位、烟气流动模拟模型、能量方程、组分输运模型、离散相模型、材料属性、域条件、实际工况边界条件、求解条件和迭代参数。
步骤161具体包括：按照预定流程在fluent软件中设置单位、烟气流动模拟模型、能量方程、组分输运模型、离散相模型、材料属性、域条件、实际工况边界条件、求解条件、用户自定义函数和迭代参数。
通过预定流程在fluent软件中流程化设置烟气流动分析条件和用户自定义函数，使得烟气流动分析条件和用户自定义函数设置简单化。
在一些具体实例中，预定流程可以是从先到后的顺序，烟气流动分析条件和用户自定义函数的设置流程如下：
设定单位,根据人体呼吸道的真实尺寸设定单位为mm；
选择正确的烟气流动模拟模型，例如：采用k-ω(SST)模型以求解层流向湍流过渡的流场；
开启能量方程，烟气流动存在换热；
开启组分输运(Species Transport)模型；
启用离散相模型(DPM模型)，将DPM模型设置为单向耦合，即：流场对颗粒运动有影响，但反之没有，设置各种流动参数，如颗粒受力情况等，创建Injection,设置InjectionType为surface，设置烟气颗粒为刚性粒子，根据实际情况设置烟气颗粒的各种参数，如：颗粒密度、颗粒粒径和颗粒速度等；
设置材料属性,例如：根据香烟烟气组分添加水蒸气、一氧化碳、二氧化碳等气体、自主创建尼古丁蒸汽和设置气体物性参数等；
设置域条件，设置模型内部区域的形态，在域条件设置中，选择当前域为流体域；
设置实际工况边界条件，例如：根据现实情况设置烟气入口条件为速度入口、烟气出口条件为压力出口以及壁面温度恒定为人体体温等；
确定求解条件，求解条件包括求解法和求解精度，例如：压力速度耦合选择SIMPLE模式和所有方程的差分格式选择二阶迎风；
设置用户自定义函数；
初始化边界并设置迭代参数，迭代参数包括在预定时间内的时间步长和步数，用户自定义函数按照时间步长执行步数，以供导出烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息，例如：预定时间为2s、时间步长为0.005s和步数为400。
在fluent软件中，组分输运模型和离散相模型可以用来模拟呼吸过程中的烟气及其颗粒演化过程，利用fluent软件的用户自定义UDF接口二次开发出用户自定义函数，开发了基于DPM的离散颗粒相的运动信息代码，并提取了颗粒运动路径上的组分含量信息。
优选地，预定流程包括导入子流程、选择子流程和挂载子流程，按照预定流程在fluent软件中设置单位、烟气流动模拟模型、能量方程、组分输运模型、DPM模型、材料属性、域条件、实际工况边界条件、求解条件、用户自定义函数和迭代参数具体包括：按照从先到后的顺序在fluent软件中依序设置单位、烟气流动模拟模型、能量方程、组分输运模型、离散相模型、材料属性、域条件和实际工况边界条件；按照导入子流程在fluent软件中导入用户自定义函数，按照选择子流程在fluent软件中选择用户自定义函数，按照挂载子流程在fluent软件中挂载用户自定义函数；在fluent软件中设置迭代参数。
在一些具体实例中，导入子流程包括定义(define)、用户自定义(user-defined)、函数(function)和编辑(compile)，按照从先到后的顺序依序执行定义、用户自定义、函数和编辑的流程，将用户自定义函数导入fluent软件；选择子流程包括离散相模型(discretephase model)、用户自定义函数(UDF)和体积力(body force)，按照从先到后的顺序依据执行离散相模型、用户自定义函数和体积力的流程，选择导入fluent软件的用户自定义函数；挂载子流程包括函数挂载(function hooks)、在结束执行(execute at end)和添加(add)，按照从先到后的顺序执行functionhooks、execute at end和add的流程，将选择的用户自定义函数挂载在fluent软件中，如此通过导入子流程、选择子流程和挂载子流程对用户自定义函数进行流程化设置，使得在fluent软件中设置用户自定义函数简单化。
优选地，步骤300具体包括：
步骤310、从流体域网络中读取烟气颗粒坐标位置；
步骤320、根据组分输运模型中的烟气组分标记遍历在烟气颗粒坐标位置上的气体组分信息；
步骤330、将气体组分信息存入内存；
步骤340、通过至少两个线程从内存中并行导出气体组分信息。
在一些具体实例中，通过至少两个线程从内存中并行导出气体组分信息，内存可以包括用户自定义内存(UDM)，例如：利用FLUENT求解器中的node线程、host线程以及parallel线程并行化处理用户自定义内存中的气体组分信息，该三个线程可以调用多个内核，大幅提高了大规模气体组分信息的导出效率。
优选地，颗粒演化模拟程序包括OSMC程序。
实施例二
如图4所示，本发明实施例的一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析装置，该装置包括：
第一分析模块，用于在fluent软件中设置网格模型、烟气流动分析条件和用户自定义函数，网格模型中包含流动域；按照烟气流动分析条件对流动域进行分析，得到烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息；通过用户自定义函数从fluent软件中导出气体组分信息；
第二分析模块，用于将导出后的气体组分信息导入颗粒演化模拟程序，根据颗粒演化模拟程序和气体组分信息确定烟气颗粒演化结果。
优选地，如图5所示，第一分析模块包括设置子模块、分析子模块和导出子模块；设置子模块，用于在fluent软件中设置网格模型、烟气流动分析条件和用户自定义函数，网格模型中包含流动域；分析子模块，用于按照烟气流动分析条件对流动域进行分析，得到烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息；导出子模块，用于通过用户自定义函数从fluent软件中导出气体组分信息。
优选地，如图6所示，设置子模块包括建立子模块、获取子模块、划分子模块、第一导入子模块、检验子模块、第一设置子模块和第二设置子模块。
建立子模块，用于建立烟气流动几何模型。
获取子模块，用于获取烟气流动几何模型的结构特征和模型边界条件。
划分子模块，用于根据结构特征和模型边界条件在烟气流动几何模型上划分网格，得到网格模型。
第一导入子模块，用于将网格模型导入fluent软件。
检验子模块，用于根据负体积检验网格的正确性，得到检验结果。
第一设置子模块，用于当检验结果指示网格不存在负体积时，确定网格正确，在fluent软件中设置烟气流动分析条件和用户自定义函数。
第二设置子模块，用于当检验结果指示网格存在负体积时，确定网格不正确，调整网格，且使调整后的网格不存在负体积。
优选地，烟气流动分析条件包括单位、烟气流动模拟模型、能量方程、组分输运模型、DPM模型、材料属性、域条件、实际工况边界条件、求解条件和迭代参数。
第一设置子模块，具体用于：按照预定流程在fluent软件中设置单位、烟气流动模拟模型、能量方程、组分输运模型、DPM模型、材料属性、域条件、实际工况边界条件、求解条件、用户自定义函数和迭代参数。
优选地，第二预定流程包括导入子流程、选择子流程和挂载子流程。
第一设置子模块具体用于：按照从先到后的顺序在fluent软件中依序设置单位、烟气流动模拟模型、能量方程、组分输运模型、离散相模型、材料属性、域条件和实际工况边界条件；按照导入子流程在fluent软件中导入用户自定义函数，按照选择子流程在fluent软件中选择用户自定义函数，按照挂载子流程在fluent软件中挂载用户自定义函数；在fluent软件中设置迭代参数。
优选地，如图6所示，第二分析模块包括第二导入子模块和确定子模块。
第二导入子模块，用于将导出后的气体组分信息导入颗粒演化模拟程序；模拟模块，用于根据颗粒演化模拟程序和气体组分信息确定烟气颗粒演化结果。
第二导入子模块具体用于：从流体域网络中读取烟气颗粒坐标位置，根据组分输运模型中的烟气组分标记遍历在烟气颗粒坐标位置上的气体组分信息，将气体组分信息存入内存，通过至少两个线程从内存中并行导出气体组分信息。
实施例三
如图7所示，本发明实施例的一种计算设备，包括：
存储器，被配置为存储计算机程序；
处理器，被配置为可与存储器通信且可执行计算机程序，当计算机程序被执行时实现如下步骤，该步骤包括实施例一中的任一基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法步骤。
在一些具体实例中，计算设备可以包括笔记本电脑、智能电视、台式电脑、手机或者服务器等。
实施例四
本发明实施例的一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有至少一条指令或者至少一段程序或者代码集或者指令集，至少一条指令或者至少一段程序或者代码集或者指令集由处理器加载并运行时实现如下步骤，该步骤包括实施例一中的任一基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法步骤。
在一些具体实例中，计算机可读存储设备可以包括优盘、移动硬盘或者光碟等。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“方面”、“优选地”或“一些具体实例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、步骤或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、步骤或者特点可以在任一个或多个具体实例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同具体实例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合或/和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法，其特征在于，包括：
在fluent软件中设置网格模型、烟气流动分析条件和用户自定义函数，所述网格模型中包含流动域；
按照所述烟气流动分析条件对所述流动域进行分析，得到烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息；
通过所述用户自定义函数从所述fluent软件中导出所述气体组分信息；
将导出后的所述气体组分信息导入颗粒演化模拟程序，并根据所述颗粒演化模拟程序和所述气体组分信息确定烟气颗粒演化结果。
2.根据权利要求1所述的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法，其特征在于，在fluent软件中设置网格模型、烟气流动分析条件和用户自定义函数具体包括：
建立烟气流动几何模型；
获取所述烟气流动几何模型的结构特征和模型边界条件；
根据所述结构特征和所述模型边界条件在所述烟气流动几何模型上划分网格，得到所述网格模型；
将所述网格模型导入所述fluent软件；
根据负体积检验所述网格的正确性，得到检验结果；
根据所述检验结果在所述fluent软件中设置所述烟气流动分析条件和所述用户自定义函数。
3.根据权利要求2所述的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法，其特征在于，根据所述检验结果在所述fluent软件中设置所述烟气流动分析条件和所述用户自定义函数具体包括：
当所述检验结果指示所述网格不存在所述负体积时，确定所述网格正确，在所述fluent软件中设置所述烟气流动分析条件和所述用户自定义函数；
当所述检验结果指示所述网格存在所述负体积时，确定所述网格不正确，调整所述网格，且使调整后的所述网格不存在所述负体积。
4.根据权利要求3所述的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法，其特征在于，所述烟气流动分析条件包括单位、烟气流动模拟模型、能量方程、组分输运模型、离散相模型、材料属性、域条件、实际工况边界条件、求解条件和迭代参数，在所述fluent软件中设置所述烟气流动分析条件和所述用户自定义函数具体包括：
按照预定流程在所述fluent软件中设置所述单位、所述烟气流动模拟模型、所述能量方程、所述组分输运模型、所述离散相模型、所述材料属性、所述域条件、所述实际工况边界条件、所述求解条件、所述用户自定义函数和所述迭代参数。
5.根据权利要求4所述的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法，其特征在于，所述预定流程包括导入子流程、选择子流程和挂载子流程，按照预定流程在所述fluent软件中设置所述单位、所述烟气流动模拟模型、所述能量方程、所述组分输运模型、所述离散相模型、所述材料属性、所述域条件、所述实际工况边界条件、所述求解条件、所述用户自定义函数和所述迭代参数具体包括：
按照从先到后的顺序在所述fluent软件中依序设置所述单位、所述烟气流动模拟模型、所述能量方程、所述组分输运模型、所述离散相模型、所述材料属性、所述域条件和所述实际工况边界条件；
按照所述导入子流程在所述fluent软件中导入所述用户自定义函数；
按照所述选择子流程在所述fluent软件中选择所述用户自定义函数；
按照所述挂载子流程在所述fluent软件中挂载所述用户自定义函数；
在所述fluent软件中设置所述迭代参数。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法，其特征在于，通过所述用户自定义函数从所述fluent软件中导出所述气体组分信息具体包括：
从流体域网络中读取烟气颗粒坐标位置；
根据组分输运模型中的烟气组分标记遍历在所述烟气颗粒坐标位置上的所述气体组分信息；
将所述气体组分信息存入内存；
通过至少两个线程从所述内存中并行导出所述气体组分信息。
7.根据权利要求1-5任一项所述的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法，其特征在于，所述颗粒演化模拟程序包括OSMC程序。
8.一种基于fluent软件的烟气颗粒演化分析装置，其特征在于，包括：
第一分析模块，用于在fluent软件中设置网格模型、烟气流动分析条件和用户自定义函数，所述网格模型中包含流动域；按照所述烟气流动分析条件对所述流动域进行分析，得到烟气颗粒运动过程中其周围实时的气体组分信息；通过所述用户自定义函数从所述fluent软件中导出所述气体组分信息；
第二分析模块，用于将导出后的所述气体组分信息导入颗粒演化模拟程序，并根据所述颗粒演化模拟程序和所述气体组分信息确定烟气颗粒演化结果。
9.一种计算设备，其特征在于，包括：
存储器，被配置为存储计算机程序；
处理器，被配置为与所述存储器通信且执行所述计算机程序，当所述计算机程序被执行时实现如权利要求1-7任一项所述的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有至少一条指令或者至少一段程序或者代码集或者指令集，所述至少一条指令或者所述至少一段程序或者所述代码集或者所述指令集由处理器加载并运行时实现如权利要求1-7任一项所述的基于fluent软件的烟气颗粒演化分析方法。
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