CN116822211A - 一种基于Fluent柔弹性反应器的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于Fluent柔弹性反应器的分析方法，该方法通过外部实验室试验获得反应器在运行状态下的动态边界位移数据，运用Matlab软件对数据进行拟合，得到动态边界方程，将其作为Fluent模块网格边界，以更加精确的模拟真实的边界，设置Fluent结果输出ASCII文件，运用Python书写后处理代码，对结果文件进行数据处理并生成混合水平曲线，最终对混合曲线进行评估，以研究混合变量对于柔弹性反应器混合水平的影响。本发明方法能进一步研究柔弹性反应器内部的流场域的数值变化，为柔弹性反应器的深入研究与改进提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及流体分析技术领域，具体涉及一种基于Fluent柔弹性反应器的分析方法。
背景技术
Fluent作为目前主流的流体分析软件之一，具有丰富的物理模型和先进的数值分析方法。柔弹性反应器作为较为创新的发酵设备，具有挤压蠕动等功能，能够大幅增加发酵面积，缩短发酵周期等优点。通过将Fluent软件用于柔弹性反应器，可以变相的研究其挤压边界对反应器内部流场分布的影响，进而为柔弹性反应器的改进提供科学依据及数据基础。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于Fluent柔弹性反应器的分析方法，通过此分析方法，反映柔弹性反应器各项指标对反应器介质混合水平的影响，以更加深入研究和改进反应器性能。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于Fluent柔弹性反应器的分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：在柔弹性反应器外壁面布置一系列连续参考点，用以捕捉柔弹性反应器壁面在挤压过程中的边界数据；
步骤S2：根据步骤S1中所得边界数据，运用MatLab软件对数据进行处理并拟合边界方程，以作为Fluent UDF动网格边界方程；
步骤S3：运用Fluent软件，对柔弹性反应器2d模型进行空气、甘油以及示踪剂在动网格边界下，示踪剂的混合水平进行模拟；
步骤S4：根据Fluent输出结果，运用Python代码对结果进行运算处理，并绘制混合水平曲线；
步骤S5：通过不同边界条件下的混合水平曲线对比分析，评估自变因素对于柔弹性反应器混合水平的影响。
进一步的，所述步骤S1中，参考点采用带颜色的点，并在柔弹性反应器内部设置对应的补光灯，用以灵敏捕捉柔弹性反应器壁面在挤压过程中带颜色点的位移数据。
进一步的，所述步骤S2中，具体为：
步骤S21：将边界点的位移数据导入到Malab软件；
步骤S22：运用软件Curve fitting tool选择拟合曲线模式，得到拟合曲线方程。
进一步的，所述步骤S3中，通过Fluent软件结合步骤S22所拟合曲线方程，作为动网格边界方程，以模拟示踪剂在挤压状态下，在流体域中的分布状态。
进一步的，所述步骤S4中，根据混合水平方程，通过编写Python代码对Fluent输出的一系列ASCII文件进行数据处理，最终生成混合水平曲线。
本发明的有益效果是:
本发明方法可以较为真实的反应柔弹性反应器的混合机制，以及各种因素对于混合水平的影响，柔弹性反应器边界不再局限于假定的理想边界（例如sin函数），而是来源于真正的试验数据，因此模拟分析结果更加可靠，能进一步研究柔弹性反应器内部的流场域的数值变化，为柔弹性反应器的深入研究与改进提供理论依据，同时也为柔弹性反应器在固液态发酵，结肠发酵等领域中，发酵反应器的数值模拟方面提供研究方法。
附图说明
图1为本发明的开发流程图；
图2为本发明柔弹性反应器试验边界图；
图3为本发明试验数据拟合过程图；
图4为本发明Workbench fluent模块图；
图5为本发明示踪剂流体域混合摩尔浓度图；
图6为本发明示踪剂流体域混合水平曲线图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1所示，一种基于Fluent柔弹性反应器的分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：在柔弹性反应器外壁面布置一系列连续参考点，用以捕捉柔弹性反应器壁面在挤压过程中的边界数据；
步骤S2：根据步骤S1中所得边界数据，运用MatLab软件对数据进行处理并拟合边界方程，以作为Fluent UDF动网格边界方程；
步骤S3：运用Fluent软件，对柔弹性反应器2d模型进行空气、甘油以及示踪剂在动网格边界下，示踪剂的混合水平进行模拟；本次所采用的Fluent模块为Ansys Workbench中功能模块，与Ansys Fluent模块是一个程序，仅进入软件的方式不同；
步骤S4：根据Fluent输出结果，运用Python代码对结果进行运算处理，并绘制混合水平曲线；
步骤S5：通过不同边界条件下的混合水平曲线对比分析，评估自变因素对于柔弹性反应器混合水平的影响。
所述步骤S1中，参考点采用带颜色的点，在本实施例中采用红点，如图2所示，并在柔弹性反应器内部设置对应的补光灯，用以灵敏捕捉柔弹性反应器壁面在挤压过程中红点的位移数据。
所述步骤S2中，具体为：
步骤S21：将边界点的位移数据导入到Malab软件；
步骤S22：运用软件Curve fitting tool选择拟合曲线模式，得到拟合曲线方程，例如多项式，观察下方表格R方值，要求大于0.95，其如图3所示。
所述步骤S3中，通过Fluent软件结合步骤S22所拟合曲线方程，作为动网格边界方程，以模拟示踪剂在挤压状态下，在流体域中的分布状态。
在步骤S3中，具体操作时：
步骤S31：在workbench模块选择Fluid Flows模块平台进行分析，实现结合几何模型，网格以及边界集合与Fluent模块的关联，选择Geometry模块，将几何模型导入软件，其如图4所示；
步骤S32：选择Mesh模块，对几何模型进行网格划分，通过前期网格无关性验证，最终网格尺寸大小定为1mm，考虑到Fluent动网格边界，会导致网格出现重构，因此网格类型选择三角形网格，划分方法为Triangle，其如图4所示；
步骤S33：选择Setup模块，进入Fluent软件模块，进行相关分析设置，由于采用多项流分析，所以才用双精度设置，调整并行计算核数，进入软件。
各参数设置如下：
General设置选择瞬态计算，设置流体域与示踪剂的材料，流体域材料为与甘油相同性质的材料，密度为1259.9Kg/m3，黏度为1.41Pa•s；
设置分析多相流VOF模型，同时设置组分运输，本发明中甘油与示踪剂两者间设置组分运输，两者可以发生物质转化，两者混合物为甘油-示踪剂，扩散系数为1.37E-12，甘油-示踪剂与空气设置为多相流，两者不能发生物质交换；
设置网格边界，根据S22得到边界拟合方程，使用C语言边界Fluent UDF代码，以驱动边界运动；边界挤压挡板运动方程如下：
Func = 0.0325 - (0.01056 - 0.010 * cos(0.4 * pi * time) - 0.00056 *cos(0.8 * pi * time))
其中Func为边界网格节点位移，单位为m，常数pi为3.1415926，time为fluent分析时间，单位为s。
选择软件计算方法PISO，并设置相关分析控制参数，Pressure为0.1，Density为0.3等，最后进入软件初始化模块进行全局初始化，设置结果输出项，提交计算，计算结果如图5所示，该图中，31为空气，32为甘油-示踪剂。
在步骤S4中，根据混合水平方程，通过编写Python代码对Fluent输出的一系列ASCII文件进行数据处理，最终生成混合水平曲线如图6所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于Fluent柔弹性反应器的分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：在柔弹性反应器外壁面布置一系列连续参考点，用以捕捉柔弹性反应器壁面在挤压过程中的边界数据；
步骤S2：根据步骤S1中所得边界数据，运用MatLab软件对数据进行处理并拟合边界方程，以作为Fluent UDF动网格边界方程；
步骤S3：运用Fluent软件，对柔弹性反应器2d模型进行空气、甘油以及示踪剂在动网格边界下，示踪剂的混合水平进行模拟；
步骤S4：根据Fluent输出结果，运用Python代码对结果进行运算处理，并绘制混合水平曲线；
步骤S5：通过不同边界条件下的混合水平曲线对比分析，评估自变因素对于柔弹性反应器混合水平的影响。
2.根据权利要求1所述的基于Fluent柔弹性反应器的分析方法，其特征在于，所述步骤S1中，参考点采用带颜色的点，并在柔弹性反应器内部设置对应的补光灯，用以灵敏捕捉柔弹性反应器壁面在挤压过程中带颜色点的位移数据。
3.根据权利要求2所述的基于Fluent柔弹性反应器的分析方法，其特征在于，所述步骤S2中，具体为：
步骤S21：将边界点的位移数据导入到Malab软件；
步骤S22：运用软件Curve fitting tool选择拟合曲线模式，得到拟合曲线方程。
4.根据权利要求3所述的基于Fluent柔弹性反应器的分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过Fluent软件结合步骤S22所拟合曲线方程，作为动网格边界方程，以模拟示踪剂在挤压状态下，在流体域中的分布状态。
5.根据权利要求1或4所述的基于Fluent柔弹性反应器的分析方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据混合水平方程，通过编写Python代码对Fluent输出的一系列ASCII文件进行数据处理，最终生成混合水平曲线。
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