一种基于数值模拟的絮团识别方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于数值模拟的絮团识别方法及系统。本发明专利技术方法，包括：建立球形微细颗粒间相互作用模型，在三维空间尺度对絮凝体系进行数值模拟，形成絮凝混合体系；对数值模拟形成的絮凝混合体系进行几何解析和参数表征；根据颗粒空间直角坐标系中球心距离公式与颗粒半径之和公式判断絮凝体系中颗粒之间粘结接触情况，对单个颗粒和絮团进行划分；通过三维数据可视化工具对单个絮团进行三维空间尺度解析，完成三维空间的可视化絮团识别。本发明专利技术基于先进数值模拟技术的仿真结果，通过读写絮凝体系中所有颗粒有效参数信息，实现颗粒絮凝过程到结果的数字化转换，克服了现有常规絮凝物理试验操作复杂、测量难度大、检测精度低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值模拟的絮团识别方法及系统
本专利技术涉及微细颗粒絮凝
，具体而言，尤其涉及一种基于数值模拟的絮团识别方法及系统。
技术介绍
微细颗粒絮凝技术已广泛应用于化工、环保、海洋、矿业等领域，其中微细颗粒通过絮凝技术所形成的絮团特征直接影响絮凝工艺技术指标的优劣。随着离散元法DEM(Discreteelementmethod)、计算流体力学CFD(Computationalfluiddynamics)和计算机技术的不断发展，数值模拟方法以其高效率、高精度等优点已逐渐应用于微细颗粒絮凝过程的仿真研究，为优化絮凝工艺参数和调控絮凝工艺技术指标提供了有效手段。当前研究主要集中于二维空间尺度数值模拟，其存在着空间维数低、颗粒间相互作用描述不准确等局限，少数三维空间尺度数值模拟结果不能在絮凝体系中有效识别单个絮团，进而不能对其进行较为详尽的统计和特征分析，无法从絮团统计分布和三维空间特征角度揭示絮凝环境对絮团特征以及絮凝效果的影响，不利于基于先进的数值模拟方法优化絮凝工艺设备结构及其操作参数，进而影响了絮凝工艺设备的工作性能，降低絮凝生产技术指标，限制了絮凝工艺的进一步发展
技术实现思路
根据上述提出的现有数值模拟方法无法在絮凝体系中有效识别单个絮团而无法对絮团进行详尽统计和三维特征分析的技术问题，而提供一种基于数值模拟的絮团识别方法及系统。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于数值模拟的絮团识别方法，包括如下步骤：S1、应用DEM-CFD双向耦合方法，基于颗粒-颗粒、颗粒-絮团、絮团-絮团之间的作用关系，建立基于流场作用下的球形微细颗粒间相互作用模型，在三维空间尺度对絮凝体系进行数值模拟，形成具有多个单颗粒以及单颗粒通过粘附形成絮团的絮凝混合体系；S2、对数值模拟形成的所述絮凝混合体系进行几何解析和参数表征，提取絮凝体系中所有颗粒的编号、颗粒三维空间直角坐标参数和颗粒的直径；S3、依次根据颗粒空间直角坐标系中球心距离公式与颗粒半径之和公式判断絮凝体系中颗粒之间粘结接触情况，遍历所有颗粒，对未形成絮团的单个颗粒和粘附形成的絮团进行划分；S4、根据絮凝混合体系中单个颗粒与絮团的划分结果，通过三维数据可视化工具对单个絮团进行三维空间尺度解析，完成三维空间的可视化絮团识别。进一步地，所述步骤S1中，所述基于流场作用下微细颗粒间相互作用模型中的颗粒占据流体体积并与流体间发生相互作用，颗粒承受剪切力并与壁面发生作用，颗粒之间的接触模型根据物理试验对比结果进行可控调整。进一步地，所述步骤S2中，所述絮凝混合体系在三维空间直角坐标系中解析，以不同视角对絮凝混合体系进行显示，并对颗粒或絮团的物理参数进行表征，絮团识别所需参数信息通过DEM软件后处理导出扩展名为.csv的可读写文件，并基于CSV数据读写模块读写有效数据。进一步地，所述步骤S2中，颗粒三维空间直角坐标参数依次为(X1,Y1,Z1)，……(XN-1,YN-1,ZN-1)，(XN,YN,ZN)，颗粒直径为D1，……DN-1，DN，其中1，2……N-1，N分别为絮凝体系中的所有颗粒对应的序号，所述步骤S3中，所述颗粒空间直角坐标系中球心距离公式具体为：所述颗粒半径之和公式具体为：L0＝(Dm+Dn)/2，其中m、n分别为絮凝混合体系中的任意两个颗粒序号。进一步地，所述步骤S3中，颗粒是否粘附形成絮团的判断依据为：Lmn≤L0，即任意两颗粒的球心距离小于等于两颗粒的半径之和时两颗粒絮凝粘附成团，以此为粘附判断依据对絮凝体系中的所有颗粒采取递归循环算法计算判断颗粒粘附情况，根据判断结果识别絮凝体系中形成的絮团。进一步地，所述步骤S3中，基于Phthon计算机语言并采用递归循环算法，采取多模块组合方式对絮凝体系中颗粒之间粘结接触情况进行判断和识别，对未形成絮团的单个颗粒和粘附形成的絮团进行划分。进一步地，所述步骤S3中，所述的多模块组合方式中的多模块具体还包括支持高级大量的维度数组与矩阵运算和提供所需数学库函数的NUMPY模块，以及用于支持三维数据可视化工具MayaviScene的VTK模块、TRAITS模块、TRAITSUI模块、MATH模块、PYFACE模块。进一步地，所述递归循环算法具体计算方式为：S31、在絮凝体系中选定数据中第一颗粒为初始颗粒，以Lmn≤L0为判断依据对体系中其余颗粒与该初始颗粒依次进行粘附判断，当初始颗粒遍历完最后一颗粒时第一循环结束；S32、第二循环开始，此时以第二颗粒为初始颗粒，同样以Lmn≤L0为判断依据对体系中第三及后序颗粒与该初始颗粒进行粘附判断，当该初始颗粒遍历完最后一颗粒时第二循环结束；S33、逐次对第三、第四……第N-1循环，至此完成递归循环计算，彼此粘附的颗粒以颗粒序号数据组形式输出；S34、将所有数据组进行比对，合并具有公共序号的所有数据组为新数据组，对于每一新数据组中的重复颗粒序号仅保留一个，每一新数据组所包含序号与之对应的颗粒组即为与之对应形成的絮团，最后对所有新数据组进行统计，确定新数据组个数以及每一数据组包含的序号个数，即絮团数量与对应絮团所包含的颗粒数量，再次对具有相同个数序号的新数据组进行统计，确定具有相同个数序号的新数据组个数，即识别包含相同颗粒数量的絮团数量。本专利技术还提供了一种基于数值模拟的絮团识别系统，包括：絮凝混合模型模块，用于建立基于流场作用下的球形微细颗粒间相互作用模型，从而对絮凝体系进行数值模拟，对颗粒和絮团进行划分；加载模块，用于加载颗粒的运动参数，具体为：颗粒的编号、颗粒三维空间直角坐标参数和颗粒的直径；数值计算模块，用于对各颗粒之间的球心距离和颗粒半径之和进行计算；单颗粒/絮团划分模块，用于通过数值计算模块得到的结果判断絮凝体系中颗粒之间粘结接触情况，从而区分未形成絮团的单个颗粒和粘附形成的絮团；絮团显示模块，用于对划分后的絮团进行可视化展示。进一步地，所述加载模块获取的颗粒三维空间直角坐标参数依次为(X1,Y1,Z1)，……(XN-1,YN-1,ZN-1)，(XN,YN,ZN)，颗粒直径为D1，……DN-1，DN，其中1，2……N-1，N分别为絮凝体系中的所有颗粒对应的序号，所述数值计算模块中，计算颗粒空间直角坐标系中球心距离公式具体为：计算所述颗粒半径之和公式具体为：L0＝(Dm+Dn)/2，其中m、n分别为絮凝混合体系中的任意两个颗粒序号；所述单颗粒/絮团划分模块判断依据为：Lmn≤L0，即任意两颗粒的球心距离小于等于两颗粒的半径之和时两颗粒絮凝粘附成团。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术基于先进数值模拟技术的仿真结果，通过读写絮凝体系中所有颗粒有效参数信息，实现颗粒絮凝过程到结果的数字化转换，克服了现有常规絮凝物理试验操作复杂、测量难度大、检测精度低的问题。2、本专利技术采用Python计算机语言快速、准确实现絮凝体系中所有颗粒的递归循环计算，对体系中所有颗粒的粘附接触情况进行准确判断，克服了人工计算和统计所带来的人力物力耗费大、难度高、计算速度慢的问题。3、本专利技术应用多模块组合方式实现数值模拟结果数据读写、运算处理、数据三维可视化，最终对絮凝体系中的絮团进行判断和有效识别，解决了基于现有絮凝数值模拟结果无法提取絮团的关键问题，为絮凝体系中絮团的统计分布和结构特征分析提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数值模拟的絮团识别方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、应用DEM‑CFD双向耦合方法，基于颗粒‑颗粒、颗粒‑絮团、絮团‑絮团之间的作用关系，建立基于流场作用下的球形微细颗粒间相互作用模型，在三维空间尺度对絮凝体系进行数值模拟，形成具有多个单颗粒以及单颗粒通过粘附形成絮团的絮凝混合体系；S2、对数值模拟形成的所述絮凝混合体系进行几何解析和参数表征，提取絮凝体系中所有颗粒的编号、颗粒三维空间直角坐标参数和颗粒的直径；S3、依次根据颗粒空间直角坐标系中球心距离公式与颗粒半径之和公式判断絮凝体系中颗粒之间粘结接触情况，遍历所有颗粒，对未形成絮团的单个颗粒和粘附形成的絮团进行划分；S4、根据絮凝混合体系中单个颗粒与絮团的划分结果，通过三维数据可视化工具对单个絮团进行三维空间尺度解析，完成三维空间的可视化絮团识别。

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟的絮团识别方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、应用DEM-CFD双向耦合方法，基于颗粒-颗粒、颗粒-絮团、絮团-絮团之间的作用关系，建立基于流场作用下的球形微细颗粒间相互作用模型，在三维空间尺度对絮凝体系进行数值模拟，形成具有多个单颗粒以及单颗粒通过粘附形成絮团的絮凝混合体系；S2、对数值模拟形成的所述絮凝混合体系进行几何解析和参数表征，提取絮凝体系中所有颗粒的编号、颗粒三维空间直角坐标参数和颗粒的直径；S3、依次根据颗粒空间直角坐标系中球心距离公式与颗粒半径之和公式判断絮凝体系中颗粒之间粘结接触情况，遍历所有颗粒，对未形成絮团的单个颗粒和粘附形成的絮团进行划分；S4、根据絮凝混合体系中单个颗粒与絮团的划分结果，通过三维数据可视化工具对单个絮团进行三维空间尺度解析，完成三维空间的可视化絮团识别。2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的絮团识别方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述基于流场作用下微细颗粒间相互作用模型中的颗粒占据流体体积并与流体间发生相互作用，颗粒承受剪切力并与壁面发生作用，颗粒之间的接触模型根据物理试验对比结果进行可控调整。3.根据权利要求1所述的基于数值模拟的絮团识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述絮凝混合体系在三维空间直角坐标系中解析，以不同视角对絮凝混合体系进行显示，并对颗粒或絮团的物理参数进行表征，絮团识别所需参数信息通过DEM软件后处理导出扩展名为.csv的可读写文件，并基于CSV数据读写模块读写有效数据。4.根据权利要求1所述的基于数值模拟的絮团识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，颗粒三维空间直角坐标参数依次为(X1,Y1,Z1)，……(XN-1,YN-1,ZN-1)，(XN,YN,ZN)，颗粒直径为D1，……DN-1，DN，其中1，2……N-1，N分别为絮凝体系中的所有颗粒对应的序号，所述步骤S3中，所述颗粒空间直角坐标系中球心距离公式具体为：所述颗粒半径之和公式具体为：L0＝(Dm+Dn)/2，其中m、n分别为絮凝混合体系中的任意两个颗粒序号。5.根据权利要求4所述的基于数值模拟的絮团识别方法，其特征在于，所述步骤S3中，颗粒是否粘附形成絮团的判断依据为：Lmn≤L0，即所求两颗粒的球心距离小于等于两颗粒的半径之和时两颗粒絮凝粘附成团，以此为粘附判断依据对絮凝体系中的所有颗粒采取递归循环算法计算判断颗粒粘附情况，根据判断结果识别絮凝体系中形成的絮团。6.根据权利要求1或5所述的基于数值模拟的絮团识别方法，其特征在于，所述步骤S3中，基于Phthon计算机语言并采用递归循环算法，采取多模块组合方式对絮凝体系中颗粒之间粘结接触情况进行判断和识别，对未形成絮团的单个颗粒和粘附形成的絮团进行划分。7.根据权利要求6所述的基于数值...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔宝玉，王学涛，周晓荣，魏德洲，赵强，张浩，孟令国，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21