一种基于CFD-DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CFD

【技术实现步骤摘要】
一种基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法


[0001]本专利技术涉及流体颗粒耦合计算领域，具体涉及一种基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法。

技术介绍

[0002]飞机客舱环境是人员和物品密集，内部环境复杂多变的半封闭空间，其内部空气环境主要由发动机引气通过由环控系统(ECS)进行调控并为客舱内不同区域提供所需空气。作为连续相的载流在持续改善舱内空气流动环境的同时可能导致舱内污染源的扩散，并进一步吸附在座位、壁面甚至衣物等表面造成较长时间污染。舱内流体具有低雷诺数和高湍流等特性，气流易受到送风边界、内部布局以及人员流动等的影响而极大的改变其特性，而如果其中存在悬浮于空气中的病毒气溶胶分散体系，尤其是小颗粒，极容易被吸入并下沉至下呼吸道，直至肺部底层，从而形成感染灶。
[0003]呼吸道传染病，例如新冠肺炎的最主要传播方式之一便是病毒气溶胶传播，病毒气溶胶是粒径约为0.001～100μm的固体或液体悬浮于空中而形成的分散体系，病原微生物附着在大气或其他环境中存在的病毒气溶胶上，由他人吸入呼吸道后引起感染。该体系与连续相气体的物理属性不同，需要在这类分散体系中加入与流体和固体相关的本构方程和适当的耦合策略，使研究者能够在粒子尺度上研究几乎包括任何细节的动量、热量和质量传递以及化学反应。目前采用实验方法对病毒载体病毒气溶胶的传播途径研究手段由于受限于成本过高，且难以做到多参数和多环境下的快速分析。而采用有限体积法求解雷诺平均的纳维/>‑
斯托克斯方程(Reynolds
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averaged Navier
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Stokes equation,RANS)用于描述多参数和多环境下的气体流动，又无法准确模拟病毒气溶胶颗粒的流动及吸附状态。

技术实现思路

[0004]以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
[0005]本专利技术的目的在于解决上述问题，提供了一种基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法，采用CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体学)求解器和DEM(Discrete Element Method，离散单元法)求解器来分别计算求解飞机客舱环境内的流体的连续相物理参数和离散相物理参数，并通过数据交换接口来进行物理参数交换，使得DEM求解器可耦合CFD求解器所发送的连续相物理参数对病毒气溶胶颗粒的运动和分布状态进行数值描述，从而确定对飞机客舱环境内的病毒气溶胶传播途径和吸附状态。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]本专利技术提供一种基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法，包括
以下步骤：
[0008]获取流场几何模型，并将流场几何模型导入CFD
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DEM耦合求解器中；
[0009]根据流场几何模型确定计算域边界参数；
[0010]基于计算域边界参数分别建立CFD求解器数值模型和DEM求解器数值模型，并进行初始化；
[0011]基于CFD求解器数值模型和DEM求解器数值模型对流场几何模型内的病毒气溶胶颗粒进行CFD
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DEM求解计算；
[0012]基于CFD
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DEM求解结果获取飞机客舱环境内病毒气溶胶传播特性。
[0013]根据本专利技术的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法的一实施例，所述病毒气溶胶传播特性包括病毒气溶胶颗粒运动轨迹和病毒气溶胶颗粒吸附状态，所述计算域边界参数包括计算域边界范围和计算域边界条件；其中，
[0014]所述计算域边界范围用于确定进行CFD
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DEM求解计算的空间区域；
[0015]所述计算域边界条件用于确定计算域中的与病毒气溶胶颗粒接触的物体表面的物理条件或物理模型。
[0016]根据本专利技术的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法的一实施例，所述CFD
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DEM求解计算包括以下步骤：
[0017]基于外界真实状态对CFD求解器赋予飞机客舱环境内流体的初始状态的连续相物理参数，并将初始状态的连续相物理参数发送到DEM求解器中；
[0018]所述DEM求解器基于流体初始状态的连续相物理参数计算初始网格单元物理量均值，获取离散相物理参数，并将计算得到的离散相物理参数发送到 CFD求解器中进行初始值更新；
[0019]所述CFD求解器基于接收到的离散相物理参数更新连续相物理参数，然后通过CFD求解器数值模型进行流体数值计算；
[0020]判断CFD求解器是否完成当前CFD时间步；若是，则停止当前时间步的流体数值计算，并将输出的新的连续相物理参数发送到DEM求解器中；若否，则继续进行流体数值计算；
[0021]所述DEM求解器基于对接收到的连续相物理参数，通过DEM求解进行病毒气溶胶数值迭代计算；
[0022]判断DEM求解器是否完成一个CFD时间步；若是，则停止当前DEM时间步的病毒气溶胶数值迭代计算，并将输出的新的连续相物理参数发送到CFD 求解器中；若否，则继续进行病毒气溶胶数值迭代计算；
[0023]判断CFD求解器和DEM求解器是否达到设定的终止条件；若是，则结束CFD
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DEM求解计算；若否，则继续进行下一时间步的流体数值计算和病毒气溶胶数值迭代计算。
[0024]根据本专利技术的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法的一实施例，所述CFD求解器和DEM求解器通过数据交换接口进行连续散相物理参数和离散相物理参数的相互交换；其中，
[0025]所述连续相物理参数包括速度、压力和CFD时间步，
[0026]所述离散相物理参数包括相间作用力、离散相速度、离散相体积力和更新的CFD时间步。
[0027]根据本专利技术的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法的一实施
例，所述CFD求解器采用RANS模型进行流体数值计算；其中，RANS 模型的控制方程为：
[0028]；
[0029]其中，da表示差分表面积，
[0030]dV表示任意控制的体积，
[0031]W表示RANS模型中的原始变量，
[0032]F表示无黏通量项，
[0033]G表示黏性通量项，
[0034]H表示体积力矢量。
[0035]根据本专利技术的基于CFD
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DEM耦合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：获取流场几何模型，并将流场几何模型导入CFD
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DEM耦合求解器中；根据流场几何模型确定计算域边界参数；基于计算域边界参数分别建立CFD求解器数值模型和DEM求解器数值模型，并进行初始化；基于CFD求解器数值模型和DEM求解器数值模型对流场几何模型内的病毒气溶胶颗粒进行CFD
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DEM求解计算；基于CFD
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DEM求解结果获取飞机客舱环境内病毒气溶胶传播特性。2.根据权利要求1所述的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法，其特征在于，所述病毒气溶胶传播特性包括病毒气溶胶颗粒运动轨迹和病毒气溶胶颗粒吸附状态，所述计算域边界参数包括计算域边界范围和计算域边界条件；其中，所述计算域边界范围用于确定进行CFD
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DEM求解计算的空间区域；所述计算域边界条件用于确定计算域中的与病毒气溶胶颗粒接触的物体表面的物理条件或物理模型。3.根据权利要求2所述的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法，其特征在于，所述CFD
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DEM求解计算包括以下步骤：基于外界真实状态对CFD求解器赋予飞机客舱环境内流体的初始状态的连续相物理参数，并将初始状态的连续相物理参数发送到DEM求解器中；所述DEM求解器基于流体初始状态的连续相物理参数计算初始网格单元物理量均值，获取离散相物理参数，并将计算得到的离散相物理参数发送到CFD求解器中进行初始值更新；所述CFD求解器基于接收到的离散相物理参数更新连续相物理参数，然后通过CFD求解器数值模型进行流体数值计算；判断CFD求解器是否完成当前CFD时间步；若是，则停止当前时间步的流体数值计算，并将输出的新的连续相物理参数发送到DEM求解器中；若否，则继续进行流体数值计算；所述DEM求解器基于对接收到的连续相物理参数，通过DEM求解进行病毒气溶胶数值迭代计算；判断DEM求解器是否完成一个CFD时间步；若是，则停止当前DEM时间步的病毒气溶胶数值迭代计算，并将输出的新的连续相物理参数发送到CFD求解器中；若否，则继续进行病毒气溶胶数值迭代计算；判断CFD求解器和DEM求解器是否达到设定的终止条件；若是，则结束CFD
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DEM求解计算；若否，则继续进行下一时间步的流体数值计算和病毒气溶胶数值迭代计算。4.根据权利要求3所述的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法，其特征在于，所述CFD求解器和DEM求解器通过数据交换接口进行连续散相物理参数和离散相物理参数的相互交换；其中，所述连续相物理参数包括速度、压力和CFD时间步，所述离散相物理参数包括相间作用力、离散相速度、离散相体积力和更新的CFD时间步。
5.根据权利要求3所述的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法，其特征在于，所述CFD求解器采用RANS模型进行流体数值计算；其中，RANS模型的控制方程为：；其中，da表示差分表面积，dV表示任意控制的体积，W表示RANS模型中的原始变量，F表示无黏通量项，G表示黏性通量项，H表示体积力矢量。6.根据权利要求5所述的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法，其特征在于，W、F、G分别通过以下公式进行计算：特征在于，W、F、G分别通过以下公式进行计算：特征在于，W、F、G分别通过以下公式进行计算：；其中，ρ表示流体密度，v表示流体速度，E表示每单位质量的总能量，I表示单位矩阵，H表示总焓，T表示黏性应力张量，表示热通量矢量。7.根据权利要求5所述的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法，其特征在于，所述RANS模型的控制方式还可以结合预处理矩阵Γ对在所有速度下飞机客舱环境内的可压缩流体和不可压缩流体进行有效求解，流体求解公式如下：；其中，Γ表示预处理矩阵，Q表示经预处理过后的RANS模型的原始变量，
F表示无黏通量项，G表示黏性通量项，H表示体积力矢量。8.根据权利要求7所述的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法，其特征在于，所述预处理矩阵Γ的计算公式如下：特征在于，所述预处理矩阵Γ的计算公式如下：；其中，ρ
T
表示恒定压力下密度相对于温度的导数，v表示流体速度，θ表示特定参数，C
p
为比热容，δ为不同气体条件下的值，其中，若气体条件为理想气体，则δ值为1；若气体条件为不可压流体，则δ值为0。9.根据权利要求5所述的基于CFD
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DEM耦合求解器的病毒气溶胶传播特性评估方法，其特征在于，所述流体求解公式还可以应用于特殊指定的网格单元0中控制流体体积，计算公式如下：；其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡健平，张路，方陈浩，
申请(专利权)人：东航技术应用研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：