CN114580231B - 基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法及装置 - Google Patents

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CN114580231B CN202210101354.XA CN202210101354A CN114580231B CN 114580231 B CN114580231 B CN 114580231B CN 202210101354 A CN202210101354 A CN 202210101354A CN 114580231 B CN114580231 B CN 114580231B
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Abstract

本发明提供一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法及装置，其中基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，包括：获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，模型假设信息用于表征不同工况下好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况；基于模型假设信息，重构好氧发酵通风系统的三维流体域模型；确定所述三维流体域模型的有限元网格文件；基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型，模拟三维流体域通风模型基于空气在好氧发酵通风系统内的模拟流动过程建立。使用本发明方法能够为后续设计规模化好氧发酵工程及其工艺提供技术和理论支撑，也能降低成本，提高好氧发酵效率。

Description

基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法及装置
技术领域
本发明涉及农业废弃物无害化处理与资源化利用技术领域，尤其涉及一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法及装置。
背景技术
随着集约化、规模化养殖场的数量逐渐增加，导致畜禽粪污的产生量也越来越大，如果未及时有效处理畜禽粪污，不仅会对环境造成大气、水体和土壤等污染，也会限制畜禽养殖业的发展。基于此，规模化好氧堆肥处理应运而生，并且其核心是通风系统，适宜的通风系统可节约成本、提高堆体发酵效率。因此，如何设计通风系统成为研究热点。
相关技术中，首先依据经验确定实际工程的一个工况所需处理的堆肥物料量，并以该堆肥物料量为基准确定通风系统的管道经验信息，包括管道铺设形状、管道铺设面积、管道铺设方式、壁面开孔方式等信息，以基于管道经验信息设计三维管道通风系统，再将其应用于实际工程中各个工况中。
然而，由于现有三维管道通风系统基于一个工况的经验信息设计，使得当其应用于其他工况时只能尝试使用对应工况的经验参数进行等比例调整管道铺设，不仅提高了成本，也增加了后续的应用风险及返工风险。
发明内容
本发明提供一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法及装置，用以解决现有技术中将基于某一工况的经验信息设计的三维管道通风系统应用于其他工况时需要尝试等比例调整管道铺设所导致的成本增加、后续应用风险及返工风险均增加的缺陷，实现无需尝试即可快速获取较优的三维通风管道的设计方案且成本很低。
本发明提供一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，包括：
获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息用于表征不同工况下所述好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况；
基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型；
确定所述三维流体域模型的有限元网格文件；
基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型；其中，所述模拟三维流体域通风模型基于空气在所述好氧发酵通风系统内的模拟流动过程建立。
根据本发明提供的一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，所述获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，包括：
获取预设的好氧发酵通风系统，所述好氧发酵通风系统包括多孔通风管道，所述多孔通风管道用于接收风机输送的空气，并将所述空气经由孔隙输送至堆肥物料中；
获取所述好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息包括所述风机以预设流速输入空气、所述空气在所述多孔通风管道中以预设流动方式流动、所述多孔通风管道中存在动量损失以及所述多孔通风管道的孔隙以预设压强输出。根据本发明提供的一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，所述基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型，包括：
基于所述模型假设信息，确定所述风机的实际工作参数、用于盛放所述堆肥物料的堆肥槽的实际尺寸以及所述多孔通风管道的实际气孔分布结构；
基于所述实际工作参数、所述实际尺寸以及所述实际气孔分布结构，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型。
根据本发明提供的一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，所述确定所述三维流体域模型的有限元网格文件，包括：
当所述三维流体域模型包括所述多孔通风管道内部的空气流动区域以及其管壁上的孔隙时，对所述三维流体域模型进行有限元处理，得到所述三维流体域模型的有限元网格文件。
根据本发明提供的一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，所述基于动量传递的模拟三维流体域通风模型，包括选取控制方程，所述控制方程包括：
Figure BDA0003492561430000031
Figure BDA0003492561430000032
其中，ρair为空气的密度，
Figure BDA0003492561430000033
为空气的流动速度，
Figure BDA0003492561430000034
为偏应力张量，p为空气的压强，
Figure BDA0003492561430000035
为重力加速度，
Figure BDA0003492561430000036
为含有x轴、y轴和z轴的矩阵，t为时间。
根据本发明提供的一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，所述基于动量传递的模拟三维流体域通风模型包括设置边界条件，所述边界条件用于根据入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件限定所述三维流体域模型；
所述入口边界条件基于所述风机向所述多孔通风管道内输入空气的流动速度和压强确定，所述出口边界条件包括基于所述多孔通风管道的气孔分布及孔隙大小情况确定，所述壁面边界条件基于所述多孔通风管道的实际环境情况确定。
根据本发明提供的一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，在所述基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型的步骤之后，所述方法还包括：
求解所述基于动量传递的模拟三维流体域通风模型，得到模型结果数据；
对所述模型结果数据进行可视化处理，得到所述模拟三维流体域通风模型的各截面和流体域的流动速度分布情况。本发明还提供一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模装置，包括：
获取模块，用于获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息用于表征不同工况下所述好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况；
重构模块，用于基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型；
确定模块，用于确定所述三维流体域模型的有限元网格文件；
构建模块，用于基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型；其中，所述模拟三维流体域通风模型基于空气在所述好氧发酵通风系统内的模拟流动过程建立。本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法的步骤。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法的步骤。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法的步骤。
本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法及装置，其中基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，首先通过获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息；由于模型假设信息用于表征不同工况下好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况，因此避免了工况变化时的应用风险和返工风险，增强了模型设计的稳定性和可靠性；进一步的，基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型，并确定所述三维流体域模型的有限元网格文件，以使得基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型；由于模拟三维流体域通风模型基于空气在好氧发酵通风系统内的模拟流动过程及有限元网格文件建立，因此能够提高模拟三维流体域通风模型的精确性和灵活性，为后续设计规模化好氧发酵工程及其工艺提供技术和理论支撑，同时也降低了时间成本和经济成本，从而可应用于好氧发酵工程的设计、建造中，以降低工程施工成本，增加曝气效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法的流程示意图；
图2是本发明提供的好氧发酵通风系统的三维流体域模型示意图；
图3是本发明提供的好氧发酵通风系统的三维流体域模型局部放大的孔隙分布图；
图4是本发明提供的三维流体域模型网格划分示意图；
图5是本发明提供的三维流体域模型局部放大的孔隙部分网格划分示意图；
图6是本发明提供的流体域通风模型的管道入口段流速分布图；
图7是本发明提供的流体域通风模型的管道入口段流速分布正视图；
图8是本发明提供的流体域通风模型的输送管道5m截面处流速分布图；
图9是本发明提供的流体域通风模型的输送管道5m截面处流速分布正视图；
图10是本发明提供的流体域通风模型的输送管道10m截面处流速分布图；
图11是本发明提供的流体域通风模型的输送管道10m截面处流速分布正视图；
图12是本发明提供的流体域通风模型的输送管道15m截面处流速分布图；
图13是本发明提供的流体域通风模型的输送管道15m截面处流速分布正视图；
图14是本发明提供的流体域通风模型的输送管道20m截面处流速分布图；
图15是本发明提供的流体域通风模型的输送管道20m截面处流速分布正视图；
图16是本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模装置的结构示意图；
图17是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
随着集约化、规模化养殖场数量逐渐增加，导致畜禽粪污的产生量也随之增大，若未及时有效的处理畜禽粪污，则会对环境造成大气、水体和土壤等污染，限制了畜禽养殖业的发展。规模化好氧堆肥处理可有效解决畜禽粪污带来的污染问题，实现畜禽粪污的资源化、无害化和减量化利用。如何提高堆体发酵效率，降低堆肥过程温室气体和臭气排放是密切关注的现实问题。
对于规模化堆肥系统来说，适宜的通风系统建造可节约成本，提高堆肥效率、均匀度和堆肥产品品质。同时，通风系统属于基建范围，是十分重要的环节。通过控制通风速率，可以为微生物生长代谢活动提供氧气，带走堆体中的水分，以及达到调节系统温度的目的。模拟好氧发酵工程通风系统可为设计、建造好氧发酵设备及工艺提供较为精确的工程数据和科学数据支撑。
基于此，下面结合图1-图17描述本发明的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法及装置，其中基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法主要面向好氧发酵通风系统，包括但不限定槽式好氧发酵的底部曝气系统、垛式好氧发酵的底部曝气系统和膜覆盖式好氧发酵的底部曝气系统，并且基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法的执行主体可以是基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模装置，基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模装置可以通过软件、硬件或者软硬件结合的方式实现成为终端设备的部分或者全部。可选的，终端设备可以为个人计算机(Personal Computer，PC)、便携式设备、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备等其它电子设备。本发明对终端设备的具体形式不做限定。
需要说明的是，下述方法实施例的执行主体可以是上述终端设备的部分或者全部。下述方法实施例以执行主体为终端设备为例进行说明。
图1为本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法的流程示意图，如图1所示，该基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，包括以下步骤：
步骤110、获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息用于表征不同工况下所述好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况。
具体的，由于现有技术使用一个工况的经验信息设计好氧发酵通风系统，导致其应用于实际工程其他工况时会遇到各种现实问题，而所遇到的各种现实问题也是由于前端设计识别并未考虑所设计的好氧发酵通风系统是否依旧适用不同的工况所对应的经验信息。因此，本发明先获取不同工况下好氧发酵通风系统的空气流动情况、空气流速分布情况以及动能损失情况，使得后续实际应用时只需优化或调整相应参数的取值，也为后期的管道尺寸设计、供氧风机选取、曝气孔排列设计等提供理论支撑，可广泛适用于类似的曝气系统建模和设计领域。
步骤120、基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型。
具体的，针对好氧发酵通风系统的模拟，不能对其管道进行模拟，而只能对其管道内输送的流体(比如空气)进行模拟，因此，当获得预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息时，可以进一步重构好氧发酵通风系统的三维流体域模型，以此评价管道的设计效果是否满足实际需求。
步骤130、确定所述三维流体域模型的有限元网格文件。
具体的，由于有限元分析主要用于理解、预测、优化以及控制产品或过程的设计和运行，通过有限元分析方法可将数学模型离散化，得到相应的数值模型，随后通过求解离散方程，对结果进行分析。而且随着其基本理论和方法的逐步完善和改进，有限元分析能成功地用来求解如热传导、流体力学、电磁场等领域的各类线性、非线性问题。因此，本发明在重构好氧发酵通风系统的三维流体域模型时，可以进一步使用有限元分析方法确定三维流体域模型的有限元网格文件，以通过有限元分析方法得到模型的最优设计方案。
步骤140、基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型。
其中，所述模拟三维流体域通风模型基于空气在所述好氧发酵通风系统内的模拟流动过程建立。
具体的，将所得到的三维流体域模型的有限元网格文件导入预设的模型构建及求解软件(比如Fluent软件)中进行模型构建及模型求解，其模拟过程为空气在管道的流动，并借鉴于动量传动机制，使用瞬态的Naiver-Stokes方程和管道沿程阻力方程来模拟，从而构建得到基于动量传递的模拟三维流体域通风模型，该模拟三维流体域通风模型不仅基于动量传动机制，还可以基于质量守恒，并且可以显示为模型文件，其文件格式可以为.cas。
需要说明的是，构建模拟三维流体域通风模型所使用的模型构建及求解软件可以不局限与本发明所提及的软件，还可以根据实际情况和尺寸进行调整。
本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，首先通过获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息；由于模型假设信息用于表征不同工况下好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况，因此避免了工况变化时的应用风险和返工风险，增强了模型设计的稳定性和可靠性；进一步的，基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型，并确定所述三维流体域模型的有限元网格文件，以使得基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型；由于模拟三维流体域通风模型基于空气在好氧发酵通风系统内的模拟流动过程及有限元网格文件建立，因此能够提高模拟三维流体域通风模型的精确性和灵活性，为后续设计规模化好氧发酵工程及其工艺提供技术和理论支撑，同时也降低了时间成本和经济成本，从而可应用于好氧发酵工程的设计、建造中，以降低工程施工成本，增加曝气效率。
可选的，步骤110的具体实现过程可以包括：
首先，获取预设的好氧发酵通风系统，所述好氧发酵通风系统包括多孔通风管道，所述多孔通风管道用于接收风机输送的空气，并将所述空气经由孔隙输送至堆肥物料中；然后，获取所述好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息包括所述风机以预设流速输入空气、所述空气在所述多孔通风管道中以预设流动方式流动、所述多孔通风管道中存在动量损失以及所述多孔通风管道的孔隙以预设压强输出。
具体的，好氧发酵通风系统可以为多孔通风管道，多孔通风管道接收风机输送的空气，空气在多孔通风管道中流动且经多孔通风管道的孔隙输出后，流入至多孔通风管道上部的堆肥物料中。示例性的，风机可以具体为供养风机。
需要说明的是，多孔通风管道的壁面分布有若干气孔，每个气孔的直径大小可以相同，也可以不同；并且，多个气孔的排列方式可以规则分布(比如阵列分布)，也可以不规则分布。此处均不作具体限定。此外，好氧发酵通风系统的模型假设信息可以具体包括：风机以固定流速和压强向多空通风管道内输入空气，空气在多孔通风管道中的流动形式为湍流，也可根据实际情况调整为层流等形式，空气在多孔通风管道内流动时存在管道沿程等动量损失，以及多孔通风管道的孔隙输出条件为恒压。
本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，通过模拟风机向多孔通风管道输送空气、空气经由孔隙输出至堆肥物料中的方式，获取表征好氧发酵通风过程的模型假设信息，以为后续准确模拟通风管道空间的气体流动情况、流速分布及动能损失提供有力依据。
可选的，步骤120的具体实现过程可以包括：
首先，基于所述模型假设信息，确定所述风机的实际工作参数、用于盛放所述堆肥物料的堆肥槽的实际尺寸以及所述多孔通风管道的实际气孔分布结构；然后，基于所述实际工作参数、所述实际尺寸以及所述实际气孔分布结构，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型。
具体的，由于所需处理的堆肥物料量发生变化时，为了在节约成本的前提下提高好氧发酵效率，此时风机的流速和压强大小需要相应变化、盛放堆肥物料的堆肥槽的尺寸大小需要相应发生变化、多孔通风管道的管壁上分布的气孔结构也需要发生变化。也即，如图2所示，基于好氧发酵通风系统的模型假设信息，可以确定风机的流速和压强等实际工作参数，可以确定用于盛放堆肥物料的堆肥槽的长、宽、高等实际尺寸参数，也可以用于确定多孔通风管道的实际气孔分布结构，实际气孔分布结构可以包括气孔的分布方式、气孔的直径大小及气孔的数量等，以此重构好氧发酵通风系统的三维流体域模型，三维流体域模型局部放大的孔隙分布图如图3所示。
本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，通过基于好氧发酵通风系统的模型假设信息所确定的风机的实际工作参数、用于盛放堆肥物料的堆肥槽的实际尺寸以及多孔通风管道的实际气孔分布结构的方式，重构好氧发酵通风系统的三维流体域模型，以此使得当工况不同时只需快速且精准优化对应参数，即可获取较优的设计方案，从而便于后续系统化指导实际应用。
可选的，步骤130的具体实现过程可以包括：
当所述三维流体域模型包括所述多孔通风管道内部的空气流动区域以及其管壁上的孔隙时，对所述三维流体域模型进行有限元处理，得到所述三维流体域模型的有限元网格文件。
具体的，当好氧发酵通风系统的三维流体域模型经由三维软件依据风机的实际工作参数、用于盛放堆肥物料的堆肥槽的实际尺寸以及多孔通风管道的实际气孔分布结构所得时，三维流体域模型则由多孔通风管道内部的空气流动区域以及其管壁上的孔隙架构而成，此时对对三维流体域模型进行有限元处理，可以通过将三维流体域模型直接导入网格划分软件(比如Mesh软件)中进行网格划分的方式进行有限元处理，也即如图4所示，确定三维流体域模型的入口面(也即多孔通风管道与风机的连接面)、出口面(也即多孔通风管道的管壁上的所有孔隙)，并基于面网格、体积网格、膨胀面方法等其它求解方法获得优质的计算域网格(比如.msh)以用于有限元计算，从而得到三维流体域模型的有限元网格文件，三维流体域模型的局部放大的孔隙部分网格划分可以如图5所示。
需要说明的是，网格划分方法可以不局限与本发明中所提及的方法，还可以根据实际情况进行调整。并且，模拟三维流体域通风模型由多孔通风管道内部的空气流动区域以及其管壁上的孔隙架构计算域时，也可以根据实际情况和尺寸进行调整。
本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，通过对由多孔通风管道内部的空气流动区域以及其管壁上的孔隙确定的三维流体域模型进行有限元处理的方式，得到三维流体域模型的有限元网格文件，以此实现评价多孔通风管道的模型设计效果的目的，从而为后续构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型提供保障。
可选的，所述基于动量传递的模拟三维流体域通风模型包括选取控制方程，所述控制方程包括：
Figure BDA0003492561430000131
Figure BDA0003492561430000132
其中，ρair为空气的密度，单位为kg·m-3；
Figure BDA0003492561430000133
为空气的流动速度，单位为m·s-1；
Figure BDA0003492561430000134
为偏应力张量；p为空气的压强，单位为Pa；
Figure BDA0003492561430000135
为重力加速度，单位为m/s2；
Figure BDA0003492561430000136
为含有x轴、y轴和z轴的矩阵；t为时间。
具体的，基于三维流体域模型的有限元网格文件构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型的过程中，包括选取控制方程，控制方程包括在模拟过程为空气在多孔通风管道内的流动连续性和流体动量守恒所得到的Naiver-Stokes方程和沿程阻力方程，也即如式(1)和式(2)所示；并且在式(1)和式(2)中，待求解量是空气的流动速度
Figure BDA0003492561430000141
其它均可认为是已知量。
需要说明的是，Naiver-Stokes方程和沿程阻力方程也会受到实际条件的影响，故也可根据实际情况进行调整。
本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，在基于三维流体域模型的有限元网格文件构建模拟三维流体域通风模型的过程中通过选取控制方程，且控制方程包括Naiver-Stokes方程和沿程阻力方程，因此能够保证所构建模拟三维流体域通风模型的参数优化效率，也对后续的设计指导具备前瞻性从而为后续提高规模化好氧发酵效率和，降低建造成本提供技术和理论支撑。
可选的，所述基于动量传递的模拟三维流体域通风模型还包括设置边界条件，所述边界条件用于根据入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件限定所述三维流体域模型；
所述入口边界条件基于所述风机向所述多孔通风管道内输入空气的流动速度和压强确定，所述出口边界条件包括基于所述多孔通风管道的气孔分布及孔隙大小情况确定，所述壁面边界条件基于所述多孔通风管道的实际环境情况确定。
具体的，基于三维流体域模型的有限元网格文件构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型的过程中，不止包括选取控制方程，还包括设置边界条件，边界条件用于根据入口边界条件、出口边界条件及壁面边界条件限定三维流体域模型，入口边界条件可以为风机向多孔通风管道内输入空气的流动速度和压强，出口边界条件基于出口边界条件可变，也即，当无法确定多孔通风管道的孔隙出口端的压力和流动速度时可以设置出口边界条件为多孔通风管道的孔隙出口端除压力外的所有流动参数法向梯度为0，当可以确定多孔通风管道的孔隙出口端的压力和流动速度时可以设置其它的出口边界条件，比如可以根据多孔通风管道上部的堆肥物料量估算所得；并且，所设置的边界条件还可以包括壁面边界条件，壁面边界条件可以基于多孔通风管道的实际环境情况确定，比如可以基于多孔通风管道的实际环境温度等外部环境因素确定多孔通风管道的管道壁面为光滑壁面造型还是凹坑型、凸起型、波浪型等非光滑管道壁面造型。
需要说明的是，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型的过程中设置的边界条件，包括三维流体域模型和多孔通风管道的壁面交界处，也即多孔通风管道内流动的空气和管道壁面，用于框住三维流体域模型，从而便于后续设计多孔通风管道的长、宽、高、直径、气孔分布，以此方便架构多孔通风管道的结构参数。并且，入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件也可根据实际情况进行调整。
本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，在基于三维流体域模型的有限元网格文件构建模拟三维流体域通风模型的过程中通过设置边界条件，且边界条件通过风机输送空气的流动速度和压强、管道上气孔分布和孔隙大小情况以及多孔通风管道的实际环境情况限定三维流体域模型的方式，确保基于动量传递的模拟三维流体域通风模型的高精度性和高可靠性，从而为后续设计规模化好氧发酵工程、工艺提供技术和理论支撑。
可选的，在步骤140之后，所述方法还可以包括：
首先，求解所述基于动量传递的模拟三维流体域通风模型，得到模型结果数据；然后，对所述模型结果数据进行可视化处理，得到所述模拟三维流体域通风模型的各截面和流体域的流动速度分布情况。
具体的，为了获知所构建的模拟三维流体域通风模型的实际效果，可以对模拟三维流体域通风模型进行模型求解和结果分析，也即，使用压强-速度耦合法、一阶导经验方法等其它模型求解方法求解上述式(1)和式(2)所示的控制方程，获得模型结果数据，模型结果数据可以为.dat文件。然后，对模型结果数据进行可视化处理，也即将模型结果数据(比如.dat文件)导入后处理(比如CFD-Post软件)进行结果分析并显示分析结果，从而得到模拟三维流体域通风模型的各截面和流体域的流动速度分布情况，如图6～15所示，并且，由图6～15可以看出，随着入口距离的逐渐增大，管道截面的速度越来越小；且由于压强差的原因，管径内流速分布不均匀；当压强较大时，出口处存在流速集中效果。
需要说明的是，针对模拟三维流体域通风模型的求解方法还可根据收敛情况进行调整，并且分析结果不仅局限于速度分布，还可以观测压强分布等，此处不作具体限度。
本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，通过对基于动量传递的模拟三维流体域通风模型进行模型求解及结果可视化处理的方式，能够直观且明确显示所建立的模拟三维流体域模型各截面和流体域的流动速度分布情况，以便于评价设计效果，从而为后续优化或调整相应参数提供有力依据。
下面对本发明提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模装置进行描述，下文描述的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模装置与上文描述的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法可相互对应参照。
如图16所示，本发明提供一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模装置，如图16所示，该基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模装置1600，包括：
获取模块1610，用于获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息用于表征不同工况下所述好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况；重构模块1620，用于基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型；确定模块1630，用于确定所述三维流体域模型的有限元网格文件；构建模块1640，用于基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型；其中，所述模拟三维流体域通风模型基于空气在所述好氧发酵通风系统内的模拟流动过程建立。
可选的，重构模块1620，具体可以用于基于所述模型假设信息，确定所述风机的实际工作参数、用于盛放所述堆肥物料的堆肥槽的实际尺寸以及所述多孔通风管道的实际气孔分布结构；基于所述实际工作参数、所述实际尺寸以及所述实际气孔分布结构，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型。
可选的，确定模块1630，具体可以用于当所述三维流体域模型包括所述多孔通风管道内部的空气流动区域以及其管壁上的孔隙时，对所述三维流体域模型进行有限元处理，得到所述三维流体域模型的有限元网格文件。
可选的，构建模块1640，具体可以用于选取控制方程，包括：
Figure BDA0003492561430000171
Figure BDA0003492561430000172
其中，ρair为空气的密度，
Figure BDA0003492561430000173
为空气的流动速度，
Figure BDA0003492561430000174
为偏应力张量，p为空气的压强，
Figure BDA0003492561430000175
为重力加速度，
Figure BDA0003492561430000176
为含有x轴、y轴和z轴的矩阵，t为时间。
可选的，构建模块1640，具体还可以用于设置边界条件，所述边界条件用于根据入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件限定所述三维流体域模型；所述入口边界条件基于所述风机向所述多孔通风管道内输入空气的流动速度和压强确定，所述出口边界条件包括基于所述多孔通风管道的气孔分布及孔隙大小情况确定，所述壁面边界条件基于所述多孔通风管道的实际环境情况确定。
可选的，所述装置还可以包括处理模块，用于求解所述基于动量传递的模拟三维流体域通风模型，得到模型结果数据；对所述模型结果数据进行可视化处理，得到所述模拟三维流体域通风模型的各截面和流体域的流动速度分布情况。
图17示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图17所示，该电子设备17可以包括：处理器(processor)1710、通信接口(Communications Interface)1720、存储器(memory)1730和通信总线1740，其中，处理器1710，通信接口1720，存储器1730通过通信总线1740完成相互间的通信。处理器1710可以调用存储器1730中的逻辑指令，以执行基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，该方法包括：
获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息用于表征不同工况下所述好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况；
基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型；
确定所述三维流体域模型的有限元网格文件；
基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型；其中，所述模拟三维流体域通风模型基于空气在所述好氧发酵通风系统内的模拟流动过程建立。
此外，上述的存储器1730中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，该方法包括：
获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息用于表征不同工况下所述好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况；
基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型；
确定所述三维流体域模型的有限元网格文件；
基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型；其中，所述模拟三维流体域通风模型基于空气在所述好氧发酵通风系统内的模拟流动过程建立。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，该方法包括：
获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息用于表征不同工况下所述好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况；
基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型；
确定所述三维流体域模型的有限元网格文件；
基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型；其中，所述模拟三维流体域通风模型基于空气在所述好氧发酵通风系统内的模拟流动过程建立。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述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的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，其特征在于，包括：
获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息用于表征在空气输入所述好氧发酵通风系统的多孔通风管道中流动以及输出的过程中，不同工况下所述好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况；
基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型；
确定所述三维流体域模型的有限元网格文件；
基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型；其中，所述模拟三维流体域通风模型包括基于空气在所述好氧发酵通风系统内的模拟流动过程建立的控制方程和边界条件。
2.根据权利要求1所述的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，其特征在于，所述获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，包括：
获取预设的好氧发酵通风系统，所述好氧发酵通风系统包括多孔通风管道，所述多孔通风管道用于接收风机输送的空气，并将所述空气经由孔隙输送至堆肥物料中；
获取所述好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息包括所述风机以预设流速输入空气、所述空气在所述多孔通风管道中以预设流动方式流动、所述多孔通风管道中存在动量损失以及所述多孔通风管道的孔隙以预设压强输出。
3.根据权利要求2所述的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，其特征在于，所述基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型，包括：
基于所述模型假设信息，确定所述风机的实际工作参数、用于盛放所述堆肥物料的堆肥槽的实际尺寸以及所述多孔通风管道的实际气孔分布结构；
基于所述实际工作参数、所述实际尺寸以及所述实际气孔分布结构，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型。
4.根据权利要求2所述的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，其特征在于，所述确定所述三维流体域模型的有限元网格文件，包括：
当所述三维流体域模型包括所述多孔通风管道内部的空气流动区域以及其管壁上的孔隙时，对所述三维流体域模型进行有限元处理，得到所述三维流体域模型的有限元网格文件。
5.根据权利要求1所述的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，其特征在于，所述基于动量传递的模拟三维流体域通风模型，包括选取控制方程，所述控制方程包括：
Figure FDA0003848130600000021
Figure FDA0003848130600000022
其中，ρair为空气的密度，
Figure FDA0003848130600000031
为空气的流动速度，
Figure FDA0003848130600000032
为偏应力张量，p为空气的压强，
Figure FDA0003848130600000033
为重力加速度，
Figure FDA0003848130600000034
为含有x轴、y轴和z轴的矩阵，t为时间。
6.根据权利要求2所述的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，其特征在于，所述基于动量传递的模拟三维流体域通风模型包括设置边界条件，所述边界条件用于根据入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件限定所述三维流体域模型；
所述入口边界条件基于所述风机向所述多孔通风管道内输入空气的流动速度和压强确定，所述出口边界条件包括基于所述多孔通风管道的气孔分布及孔隙大小情况确定，所述壁面边界条件基于所述多孔通风管道的实际环境情况确定。
7.根据权利要求1所述的基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法，其特征在于，在所述基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型的步骤之后，所述方法还包括：
求解所述基于动量传递的模拟三维流体域通风模型，得到模型结果数据；
对所述模型结果数据进行可视化处理，得到所述模拟三维流体域通风模型的各截面和流体域的流动速度分布情况。
8.一种基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取预设的好氧发酵通风系统的模型假设信息，所述模型假设信息用于表征在空气输入所述好氧发酵通风系统的多孔通风管道中流动以及输出的过程中，不同工况下所述好氧发酵通风系统的空气流动情况和空气流速分布情况；
重构模块，用于基于所述模型假设信息，重构所述好氧发酵通风系统的三维流体域模型；
确定模块，用于确定所述三维流体域模型的有限元网格文件；
构建模块，用于基于所述有限元网格文件，构建基于动量传递的模拟三维流体域通风模型；其中，所述模拟三维流体域通风模型包括空气在所述好氧发酵通风系统内的模拟流动过程建立的控制方程和边界条件。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述基于动量传递的模拟好氧发酵通风系统的建模方法的步骤。
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