一种模拟多孔介质固相转换器内部流体流动的方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟多孔介质固相转换器内部流体流动的方法，通过对由玻璃微珠烧结而成的固相转换器样本，建立多孔介质的几何模拟区域；获取样本的切片图，对切片图像序列进行处理并进行三维重构，对多孔介质固相转换器3D重构模型进行网格化处理，研究多孔介质转换器内部流体流动，基于双电层理论分析多孔介质固相骨架与流体接触面及邻域内的电势分布；采用3D体像素的图像处理方法，考虑多孔介质固相转换器不同方向上的连续性，提高了3D重构几何模型的精度，从而提高流体分布情况的模拟精度，同时具有建模快、收敛性好、移植性高等优点，能加快多孔介质固相转换器内部流体流动所涉及信号转换过程的建模，有助于提升液环式角加速度计的整体性能。

A Method for Simulating Fluid Flow in Porous Media Solid-phase Converter

The invention discloses a method for simulating fluid flow in porous medium solid-phase converter, which establishes the geometric simulation region of porous medium by sintering the sample of solid-phase converter made of glass beads, obtains the slice diagram of the sample, processes the slice image sequence and carries out three-dimensional reconstruction, and grids the 3D reconstruction model of porous medium solid-phase converter. The fluid flow in the porous media converter is studied, and the potential distribution in the interface and neighborhood between the solid-state skeleton and the fluid is analyzed based on the double-layer theory. The 3D volume pixel image processing method is used to consider the continuity of the solid-state converter in different directions, which improves the accuracy of 3D reconstruction geometric model, thus improving the simulation accuracy of the fluid distribution. The advantages of fast modeling, good convergence and high portability can accelerate the modeling of signal conversion process involved in fluid flow in porous media solid-phase converter, and help to improve the overall performance of liquid-ring angular accelerometer.

【技术实现步骤摘要】
一种模拟多孔介质固相转换器内部流体流动的方法
本专利技术涉及一种模拟多孔介质固相转换器内部流体流动的方法，属于多孔介质流体流动研究领域。
技术介绍
基于界面双电层效应的液环式角加速度计是一种新型的角加速度计，在多扰动、变负载、大过载的复杂工况下能实现对角加速度的高精度、高动态以及高可靠性的测量与分析。由玻璃微珠烧结而成的多孔介质固相转换器是该角加速度计的关键部件，可以实现外加压力信号到电信号的转换。该多孔介质固相转换器内部流体的流动以及分布情况直接影响外加压力信号到电信号的转换过程。因此研究多孔介质固相转换器内流体流动，有利于对所述信号转换过程的建模，同时有助于提高该角加速度计的整体性能。目前缺乏实验测量方案以及相应的测量设备对复杂多孔介质内固液界面附近的速度分布、离子浓度分布以及电势分布直接进行测量，借助流场仿真软件对多孔介质内流体进行仿真，既得到了多孔介质内部流体流动的细节，同时节省了研究成本。
技术实现思路
本专利技术提供了一种模拟多孔介质固相转换器内部流体流动的方法，该方法有利于多孔介质固相转换器内部流体流动的建模及定量研究，简化了实验过程，节省了经济和时间成本。为达到上述目的,本专利技术的技术方案主要包含以下步骤：一种模拟多孔介质固相转换器内部流体流动的方法，包括如下步骤：第一步：基于多孔介质固相转换器样本生成多孔介质几何模拟区域，具体为：采用玻璃微珠烧结形成多孔介质固相转换器；采用Micro-CT设备扫描多孔介质固相转换器内部结构图像，得到3D灰度值切片图像序列；将所述3D灰度值切片图像序列转换为3D体像素图像；对所述3D体像素图像进行阈值分割，获得3D二值图像；由此获得多孔介质固相转换器的几何模拟区域；第二步，对第一步获得的多孔介质固相转换器几何模拟区域进行网格化处理；第三步，在采用ANSYSFLUENT软件中，采用NavierStokes方程解算流体流速分布，采用Possion方程以及NernstPlanck方程联立解算电势分布和流体内离子浓度，由此模拟得到多孔介质固相转换器内部流体流动。较佳的，第三步中，采用Possion方程以及NernstPlanck方程联立解算电势分布和流体内离子浓度的具体方法为：首先，将Possion方程转化为标准的UDS方程形式：即UDS方程的非稳定项＝0，对流项＝0，扩散系数＝1，即得到标准UDS方程形式的Possion方程：其中，n+表示正离子浓度，n-表示负离子浓度，z为离子所带单位电荷量个数，e为基本电荷量，ψ为电势分布；ε为介电常数；然后，将NernstPlanck方程转化为标准的UDS方程形式：即UDS方程的扩散系数＝D，即得到标准UDS方程形式的NernstPlanck方程：其中，t表示时间，V为速度矢量分布，D为离子扩散系数，kb为玻尔兹曼常数，T为温度；最后，通过ANSYSFLUENT软件对Possion方程以及NernstPlanck方程联立解算电势分布和流体内离子浓度。较佳的，所述第一步中，采用Micro-CT设备扫描多孔介质固相转换器内部结构图像时，先对多孔介质固相转换器样品进行切割处理，选取部分体积放入Micro-CT设备中进行扫描。较佳的，针对第一步获得的3D二值图像，对其进行滤波处理，消除Micro-CT扫描过程中产生的噪声。较佳的，针对滤波处理后的3D二值图像，对多孔介质固相转换器中的微珠表面进行光滑处理。较佳的，在所述第二步进行网格化处理时，多孔介质固相转换器的固相骨架表面的网格数量比流体内部网格更密集。较佳的，多孔介质固相转换器中玻璃微珠的尺寸为微米量级。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术将基于玻璃微珠烧结而成的固相转换器作为研究对象。通过Micro-CT扫描转换器样品，获得原始灰度值；对3D体像素图像进行阈值分割，曲面光滑等处理生成3D几何模拟区域，并进行网格化处理；最后通过用户自定义程序UDF编写用户自定义方程UDS，实现对多孔介质固体骨架与孔隙内流体之间双电层电势分布以及孔隙内速度分布的仿真计算。该专利技术方法的计算具有建模快、收敛性好、移植性高等优点，能加快多孔介质固相转换器内部流体流动所涉及信号转换过程的建模，有助于提升液环式角加速度计的整体性能。附图说明图1为多孔介质固相转换器及其电镜扫描图；图2为多孔介质固相转换器3DMicro-CT扫描切片图；图3为3D几何模拟区域；图4为网格化的几何模拟区域；图5为几何模拟区域内的速度分布；图6为本专利技术的方法流程图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。如图6所示，本专利技术的一种模拟多孔介质固相转换器内部流体流动的方法，包括如下步骤：第一步：基于多孔介质固相转换器样本生成多孔介质几何模拟区域。首先，制备多孔介质固相转换器。多孔介质固相转换器是由大量玻璃微珠烧结而成，转换器样本的玻璃微珠粒径范围分为30～70um、50～90um、70～130um、90～150um四种类型。制作圆柱形的金属模具，将微珠填满模具并放入恒温炉进行加热，将微珠烧结在一起，获得圆柱形的多孔介质固相转换器。不同类型的粒径范围所需烧结时间不同。转换器模具的圆形端面内径为10mm，厚度为2mm，最后烧结出的转换器尺寸与模具尺寸略有偏差。其次，几何模拟区域的生成。多孔介质固相转换器由微米级别粒径的玻璃微珠烧制而成，为了获得较为清晰的转换器内部结构图，需采用分辨率较高的Micro-CT设备，而Micro-CT设备的分辨率与被测物体体积成反比。为了获取分辨率较高的CT扫描图像，需要对多孔介质固相转换器样品进行切割处理，选取部分体积放入Micro-CT设备中进行扫描，并得到3D灰度值切片图像序列。为了考虑多孔介质固相转换器图像在三个不同方向上的连通性，需将3D切片图转换为3D体像素图像，然后采用基于3D体像素图像处理的方法对其进行阈值分割、滤波以及表面光滑等操作，保证处理结果在各方向上的连通性，具体包括如下步骤：首先遍历3D体像素图像的灰度值大小，选取合适的阈值，对其进行阈值分割，分割后的图像为具有“0”和“1”两种状态的3D二值图像。其中“0”表示固相转换器中的孔隙部分，而“1”表示多孔介质固相骨架，该固相骨架在几何模拟过程中是孔隙中流体流动的边界。为了消除Micro-CT扫描过程中产生的噪声，需进一步对3D二值图像进行滤波处理，具体包括：填充图像中的“小孔”，该“小孔”是指由于噪声的存在，本应该为“0”(或者为“1”)的部分变成了“1”(或者“0”)，与周围背景不一致的地方；另外需要消弭同一部分区域之间的狭窄间断和细长的鸿沟，并填补区域轮廓线中的断裂；最后对多孔介质固相转换器中的微珠表面进行光滑处理，获得可用于几何模拟计算的多孔介质固相转换器3D几何模拟区域。第二步，网格化几何模拟区域。多孔介质固相转换器是由玻璃微珠烧结而成，内部结构较为复杂，一般网格划分方法对其进行剖分后，很难直接用于后续计算，因此本专利技术根据几何模拟区域中固相骨架表面粗糙度以及流通通道大小确定网格密度；由于需重点分析固相骨架表面与流体接触部分以及其很小的邻域范围内的电势分布，因此固相骨架表面的网格数量相比于流体内部网格更多更密集，有利于后续计算的快速收敛。同时需对各边界及接触面命名，生成适合流体计算的网格几何文件。第三步，对多孔介质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟多孔介质固相转换器内部流体流动的方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：基于多孔介质固相转换器样本生成多孔介质几何模拟区域，具体为：采用玻璃微珠烧结形成多孔介质固相转换器；采用Micro‑CT设备扫描多孔介质固相转换器内部结构图像，得到3D灰度值切片图像序列；将所述3D灰度值切片图像序列转换为3D体像素图像；对所述3D体像素图像进行阈值分割，获得3D二值图像；由此获得多孔介质固相转换器的几何模拟区域；第二步，对第一步获得的多孔介质固相转换器几何模拟区域进行网格化处理；第三步，在采用ANSYS FLUENT软件中，采用Navier Stokes方程解算流体流速分布，采用Possion方程以及Nernst Planck方程联立解算电势分布和流体内离子浓度，由此模拟得到多孔介质固相转换器内部流体流动。

【技术特征摘要】
1.一种模拟多孔介质固相转换器内部流体流动的方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：基于多孔介质固相转换器样本生成多孔介质几何模拟区域，具体为：采用玻璃微珠烧结形成多孔介质固相转换器；采用Micro-CT设备扫描多孔介质固相转换器内部结构图像，得到3D灰度值切片图像序列；将所述3D灰度值切片图像序列转换为3D体像素图像；对所述3D体像素图像进行阈值分割，获得3D二值图像；由此获得多孔介质固相转换器的几何模拟区域；第二步，对第一步获得的多孔介质固相转换器几何模拟区域进行网格化处理；第三步，在采用ANSYSFLUENT软件中，采用NavierStokes方程解算流体流速分布，采用Possion方程以及NernstPlanck方程联立解算电势分布和流体内离子浓度，由此模拟得到多孔介质固相转换器内部流体流动。2.如权利要求1所述的一种模拟多孔介质固相转换器内部流体流动的方法，其特征在于，第三步中，采用Possion方程以及NernstPlanck方程联立解算电势分布和流体内离子浓度的具体方法为：首先，将Possion方程转化为标准的UDS方程形式：即UDS方程的非稳定项＝0，对流项＝0，扩散系数＝1，即得到标准UDS方程形式的Possion方程：其中，n+表示正离子浓度，n-表示负离子浓度，z为离子所带单位电荷量个数，e为基本电荷量，ψ为电势分布；ε为介电常数；然后，将NernstPlanck方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王美玲，明丽，郭若愚，程思源，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11