一种多孔介质模型设计方法技术

本发明专利技术涉及一种多孔介质模型设计方法，属于多孔材料制备领域。所述多孔介质模型设计方法包括以下步骤：提出多孔介质固体骨架与孔隙分界面方程，定义固体骨架区域与孔隙区域；建立固体骨架与孔隙分界面方程特征参数与多孔介质结构参数之间的数学模型；编写求解方程特征参数的计算程序，由用户输入多孔介质结构参数设计值，并给定多孔介质模型边界，输出固体骨架与孔隙分界面方程特征参数；以特征参数为输入条件，构建多孔介质模型拓扑结构；优化多孔介质模型拓扑结构表面的网格质量，导出文件。得到的拓扑结构文件可以应用于实物制备和数值分析等多个领域。本方法可以实现对多孔介质结构参数孔隙率ε，孔径dp和孔密度PPI的精确定量控制，方法简单易行。基于此发明专利技术的梯度多孔介质模型设计方法，可以使多孔介质模型的结构参数沿任一方向实现梯度分布。

A Design Method of Porous Media Model

The invention relates to a design method of porous medium model, which belongs to the field of porous material preparation. The porous medium model design method includes the following steps: putting forward the porous medium solid skeleton-pore interface equation, defining the solid skeleton area and pore area; establishing the mathematical model between the characteristic parameters of the solid skeleton-pore interface equation and the porous medium structural parameters; compiling the calculating program for solving the characteristic parameters of the equation, and inputting the porous medium structural parameters by users. The design values are given and the boundary of the porous media model is given. The characteristic parameters of the interface equation between solid skeleton and pore are output; the topological structure of the porous media model is constructed under the input condition of the characteristic parameters; the mesh quality of the surface of the porous media model's topological structure is optimized and the documents are derived. The obtained topological structure files can be used in many fields such as physical preparation and numerical analysis. This method can be used to precisely control the porosity e, pore diameter DP and pore density PPI of porous media. The method is simple and feasible. The gradient porous media model design method based on this invention can make the structural parameters of the porous media model achieve gradient distribution along any direction.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔介质模型设计方法
本专利技术涉及一种多孔介质模型设计方法，更具体地说涉及一种应用数学方法描述多孔介质结构，并构建多孔介质模型拓扑结构的设计方法，属于多孔材料制备领域。
技术介绍
我国已超过美国，成为世界第一大能源消费国。就节能减排而言，一方面利用环境标准推动能源技术进步、降低单位GDP能耗；另一方面发展清洁燃烧技术。常见的低热值气体主要有焦炉煤气、高炉煤气、石油伴生气、化工行业的低热值尾气和沼气等。低热值气体通常不能直接燃烧，直接排放至大气中，造成能源浪费和环境污染。国内外学者提出了大量的强化燃烧和污染物控制技术，其中多孔介质燃烧是最有效和便捷的技术之一。多孔介质燃烧器通常包含至少两个不同的区域：上游为小孔隙预热区，下游为大孔隙燃烧区。在多孔介质大孔区，烟气温度高于多孔介质固体骨架的温度，气体燃烧释放出的热量通过对流换热传递至固体骨架；固体骨架通过导热和辐射将热量传递至多孔介质小孔区，固体骨架预热新鲜预混气体；燃烧火焰稳定在大孔区和小孔区的分界面附近。这种结构设计有利于实现超焓燃烧，同时具有燃烧效率高，火焰稳定范围宽和污染物排放低等优点。中国专利技术专利CN201510101420.3提出一种斯特林发动机的燃烧加热系统，由上下设置的直形渐变叠式多孔介质燃烧器及填充式多孔介质加热器构成，具有燃烧稳定、燃烧效率高、工作稳定和功率调节范围广等优点。中国专利技术专利CN101929676B提出一种催化多孔介质燃烧器，上游布置孔径较小的金属纤维毡，下游布置孔径较大的陶瓷泡沫，降低了最高燃烧温度，并较低污染物排放。多孔介质的结构参数孔隙率，孔径和孔密度对火焰稳定性具有重要影响。然而，现有的设计方法很难精确定量控制孔隙率，孔径和孔密度。进一步的数值仿真结果显示与上述两段式多孔介质燃烧器相比，梯度(连续变化)孔隙结构的多孔介质燃烧器可以显著提高燃烧效率，拓宽火焰稳定范围，并降低污染物排放。中国专利CN105967713A提出一种梯度孔隙陶瓷纤维多孔介质的制备方法，但是所设计制备的梯度孔隙多孔介质的结构参数不能实现精确定量控制，设计制备方法的可重复性也并未提及。国际期刊论文Computationalstudyoffluidflowandheattransferincompositepackedbedsofsphereswithlowtubetoparticlediameterratio提出一种径向梯度孔径设计方法，但对孔隙率的变化没有控制功能。由此可见，现有方法很难实现多孔介质梯度结构参数(孔隙率，孔径和孔密度)的定量、精确设计。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术不足，提供一种多孔介质模型设计方法，操作方便可控，可以实现对多孔介质结构参数孔隙率ε，孔径dp和孔密度PPI的精确定量控制。基于此专利技术的梯度多孔介质模型设计方法，可以使多孔介质模型的结构参数沿任一方向实现梯度分布，从而进一步改善多孔介质燃烧效率，拓宽火焰稳定范围。本专利技术为了解决以上技术问题所采用的技术方案是：一种多孔介质模型设计方法，包括以下步骤：S1：提出一种三角函数形式的空间曲面方程用来表示多孔介质固体骨架与孔隙分界面，即F(x，y，z)＝∑sini(px)·sinj(py)·sink(pz)·cosl(px)·cosm(py)·cosn(pz)+q＝0，其中i，j，k，l，m，n＝0或1，p和q是与多孔介质结构参数有关的方程特征参数；S2：建立多孔介质结构参数孔隙率ε、孔径dp和孔密度PPI与分界面方程F(x，y，z)＝0特征参数p和q之间的数学模型，即根据多孔介质结构参数孔隙率ε，孔径dp和孔密度PPI的定义，它们与方程特征参数p和q的关系如式(1)-(3)所示，其中V代表体积，π是常数(3.1415926)；ε＝VF(x，y，z)＞0/(VF(x，y，z)＜0+VF(x，y，z)＞0)(1)PPI＝25·p/(2π)(3)S3：根据步骤S2中的数学模型，编写求解方程特征参数p和q的计算程序，由用户输入结构参数孔隙率ε与孔径dp，或者孔隙率ε与孔密度PPI的设计值，并给定多孔介质模型边界，程序输出固体骨架与孔隙分界面方程中的特征参数p和q；S4：以输出的特征参数p和q为输入条件，构建多孔介质模型拓扑结构，边界内孔隙区域为F(x，y，z)＞0，固体骨架区域为F(x，y，z)＜0；S5：优化多孔介质模型拓扑结构表面的网格质量，导出模型文件。优选方案进一步包括如下任一技术特征：多孔介质固体骨架与孔隙分界面为任一满足通用方程F(x，y，z)＝0的空间曲面。孔隙率ε由分界面方程特征参数q控制，孔密度PPI由分界面方程特征参数p控制，孔径dp由分界面方程特征参数p和q共同控制，已知结构参数孔隙率ε与孔径dp，或者孔隙率ε与孔密度PPI可以得到方程特征参数p和q。多孔介质结构参数孔隙率ε，孔径dp与孔密度PPI既可以是恒定值，也可以呈梯度分布；以半径为R，高为H的圆柱形为例，其模型边界为空间曲面z＝0，z＝H和x2+y2＝R2。构建的多孔介质模型拓扑结构表面由大量多边形网格组成。所述多孔介质模型设计方法具有调整多孔介质模型拓扑结构表面的多边形网格数量，优化网格节点分布的功能。本专利技术与现有设计方法相比，具有以下效果：1.本专利技术实施过程简单，可以实现对多孔介质结构参数孔隙率ε，孔径dp和孔密度PPI的精确定量控制；2.应用本专利技术设计的多孔结构可以用数学方程精确描述；3.应用本专利技术设计的多孔介质结构参数孔隙率ε，孔径dp和孔密度PPI既可以是恒定值，也可以沿空间呈梯度分布。附图说明图1本专利技术的设计流程图具体实施方式图1为本专利技术的设计流程图。一种多孔介质模型设计方法，包括以下步骤：S1：提出一种三角函数形式的空间曲面方程用来表示多孔介质固体骨架与孔隙分界面，即F(x，y，z)＝∑sini(px)·sinj(py)·sink(pz)·cosl(px)·cosm(py)·cosn(pz)+q＝0，其中i，j，k，l，m，n＝0或1，p和q是与多孔介质结构参数有关的方程特征参数，定义孔隙区域为F(x，y，z)＞0，固体骨架区域为F(x，y，z)＜0；S2：建立多孔介质结构参数孔隙率ε、孔径dp和孔密度PPI与分界面方程F(x，y，z)＝0特征参数p和q之间的数学模型，即根据多孔介质结构参数孔隙率ε，孔径dp和孔密度PPI的定义，它们与方程特征参数p和q的关系如式(1)-(3)所示，其中V代表体积，π是常数(3.1415926)；ε＝VF(x，y，z)＞0/(VF(x，y，z)＜0+VF(x，y，z)＞0)(1)PPI＝25·p/(2π)(3)S3：编写求解方程特征参数p和q的计算程序，用户输入结构参数孔隙率ε与孔径dp，或者孔隙率ε与孔密度PPI的设计值，并给定多孔介质模型边界，对方程特征参数p和q赋初值，基于蒙特卡罗法分别统计满足F(x，y，z)＞0和F(x，y，z)＜0的粒子数(即体积)，根据方程(1)计算孔隙率ε，分别根据方程(2)和(3)计算孔径dp和孔密度PPI，然后计算其与结构参数设计值的残差，当残差足够小时迭代结束，输出方程特征参数p和q；S4：以输出的特征参数p和q为输入条件，应用MathMod软件构建多孔介质模型拓扑结构，边界内孔隙区域为F(x，y，z本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔介质模型设计方法，包括以下步骤：S1：提出一种三角函数形式的空间曲面方程用来表示多孔介质固体骨架与孔隙分界面，即F(x，y，z)＝∑sin

【技术特征摘要】
1.一种多孔介质模型设计方法，包括以下步骤：S1：提出一种三角函数形式的空间曲面方程用来表示多孔介质固体骨架与孔隙分界面，即F(x，y，z)＝∑sini(px)·sinj(py)·sink(pz)·cosl(px)·cosm(py)·cosn(pz)+q＝0，其中i，j，k，l，m，n＝0或1，p和q是与多孔介质结构参数有关的方程特征参数；S2：建立多孔介质结构参数孔隙率ε、孔径dp和孔密度PPI与分界面方程F(x，y，z)＝0特征参数p和q之间的数学模型，如式(1)-(3)所示，其中V代表体积，π是常数(3.1415926)；ε＝VF(x，y，z)＞0/(VF(x，y，z)＜0+VF(x，y，z)＞0)(1)PPI＝25·p/(2π)(3)S3：根据步骤S2中的数学模型，编写求解方程特征参数p和q的计算程序，由用户输入结构参数孔隙率ε与孔径dp，或者孔隙率ε与孔密度PPI的设计值，并给定多孔介质模型边界，程序输出固体骨架与孔隙分界面方程中的特征参数p和q；S4：以输出的特征参数p和q为输入条件，构建多孔介质模型拓扑结构，边界内孔隙区域为F(x，y，z)＞0...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秋旺，程志龙，杨剑，付佩，郭志罡，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61