无数值扩散的动态混合过程模拟方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种无数值扩散的动态混合过程模拟方法及装置，其中，方法包括：S1、建立基于混合器的非稳态流场模型；S2、根据非稳态流场模型，截取该流场模型中与流动方向相垂直的若干个截面，在每个截面中n

【技术实现步骤摘要】
无数值扩散的动态混合过程模拟方法及装置


[0001]本专利技术涉及微/毫反应器
，尤其涉及一种无数值扩散的动态混合过程模拟方法及装置。

技术介绍

[0002]连续流微/毫反应器被广泛用于各种应用，例如：纳米材料合成、传感器、有机合成和智能反应平台等，其具有快速传质和传热、减少浪费、本质安全等优点。尽管反应器的直径很小，但反应器的性能经常受混合效率的限制，因为传质是由层流中的缓慢的分子扩散而不是对流控制的。快速混合对于控制特定反应的选择性和调整纳米材料的尺寸至关重要。相比于浓度梯度驱动的扩散过程较慢的传质速度，对流是指液体微团的宏观运行导致的传质过程，速度更快。
[0003]因此，需要开发一种强化对流而不依赖扩散的高效混合器。而混合器的快速开发依赖于快速低成本、准确量化混合效率的实验或者模拟计算技术，以得到混合过程中准确的浓度分布，进而辅助设计相应的高效混合器。
[0004]目前，平面激光诱导荧光是实验可视化混合效率的有效方法，但是其成本较高，实验周期长。相比之下，通过商业软件的模拟结果成本低，但受到数值扩散的影响，其模拟浓度分布依赖于欧拉形式的标量传输方程，其流场的离散化带来的截断误差引入的伪扩散系数远大于实际扩散系数，也称为数值扩散，造成模拟结果严重高估了混合效率。
[0005]此外，现有技术中还提出了一种基于拉格朗日形式的标量传输方程精确模拟稳态流场中混合效率的方法(Lab on a Chip,2013,13(8):1515
‑
1521)，但该方法不适用于非稳态。而非稳态流场往往呈现出比稳态更高的混合效率，需要开发针对性的模拟方法，以研究非稳态流场的混合器优化问题。
[0006]从而，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在提供一种无数值扩散的动态混合过程模拟方法及装置，以克服现有技术中存在的不足。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0009]一种无数值扩散的动态混合过程模拟方法，其包括如下步骤：
[0010]S1、建立基于混合器的非稳态流场模型；
[0011]S2、根据所述非稳态流场模型，截取该流场模型中与流动方向相垂直的若干个截面，在每个截面中n
τ
个间距
△
τ的时刻设置示踪粒子，根据示踪粒子的运动轨迹，对设置的示踪粒子进行反向追踪，得到相应示踪粒子的入口以推断初始浓度，并模拟生成相应截面上对流贡献的浓度分布的视频数据；
[0012]S3、基于示踪粒子的初始浓度以及其沿相应运动轨迹的扩散速度，通过拉格朗日方程模拟生成扩散贡献的浓度分布的视频数据。
[0013]作为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法的改进，基于所述混合器，输入相应的建模条件，通过计算流体力学软件建立混合器的非稳态流场模型，并存储计算出的时间序列的速度场数据，速度场时间间隔为ΔT。
[0014]作为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法的改进，所基于的混合器具有至少两个进口，还具有一个出口，所述至少两个进口位于所述混合器的一端，所述出口位于所述混合器的另一端；
[0015]其中至少一个进口为溶剂进口，至少一个进口为稀释的溶质进口，所述出口为溶剂与溶质形成的混合液的出口。
[0016]作为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法的改进，所述若干截面为随着动态混合的进行，在时间上间隔
△
τ设置的示踪粒子阵列截面，以进行反向粒子追踪。
[0017]作为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法的改进，所述示踪粒子为苏丹红6G示踪剂。
[0018]作为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法的改进，所述示踪粒子直径为管道尺寸的0.1％至5％。
[0019]作为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法的改进，在各截面上设置阵列排布的示踪粒子，针对阵列排布的各示踪粒子分别进行反向追踪。
[0020]作为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法的改进，根据示踪粒子的运动轨迹，对设置的示踪粒子进行反向追踪包括：
[0021]以所要计算浓度分布的截面位置的示踪粒子为起点，混合器进口为终点，将示踪粒子由起点运动至终点的时间段划分为若干运动周期ΔT；
[0022]对于其中第n个周期，假定速度场为稳态，并将流场速度取反方向，流场速度不变，为得到示踪粒子的速度和位置，通过计算示踪粒子受到的曳力，来计算其加速度及轨迹，其在ΔT时长，即该周期迭代结束时的位置和速度，由对迭代过程中最接近ΔT时刻的两个点的速度和位置进行线性插值计算得到；
[0023]基于线性插值计算得到的速度和位置，导入上一个周期的流场，并将速度取反向，且速度值不变，计算示踪粒子受到的曳力，以继续对上一个周期的示踪粒子进行反向追踪。
[0024]作为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法的改进，将相关条件输入编程软件控制全部计算过程，并通过计算流体力学软件计算并输出每个粒子的运动轨迹。
[0025]作为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法的改进，所述扩散速度通过截面上的扩散速度进行估算。
[0026]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0027]一种无数值扩散的动态混合过程模拟装置，其包括：处理器、存储器以及程序；所述程序存储在所述存储器中，所述处理器调用存储器存储的程序，以执行如上所述的无数值扩散的动态混合过程模拟方法。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术通过建立基于混合器的非稳态流场模型，通过反向追踪的方式计算对流贡献的浓度分布。且进一步通过拉格朗日方程计算扩散贡献的浓度分布。从而，可在没有数值扩散的情况下，准确模拟非稳态下混合器中的浓度分布，进而有利于根据计算得到的浓度分布对混合器进行优化设计。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法一实施例的方法流程示意图，其中，其中n
τ
为总的要模拟的帧数，n
par
为示踪粒子的个数，
△
τ为相临两帧图像之间的时间间距，
△
T为相临两个存储的速度场之间的时间间距；
[0031]图2为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法一实施例中T型混合器的结构示意图；
[0032]图3为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法一实施例中示踪粒子在截面上均匀布置的示例；
[0033]图4为为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法一实施例中截面上对流贡献的浓度分布图；
[0034]图5为本专利技术无数值扩散的动态混合过程模拟方法一实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无数值扩散的动态混合过程模拟方法，其特征在于，所述动态混合过程模拟方法包括如下步骤：S1、建立基于混合器的非稳态流场模型；S2、根据所述非稳态流场模型，截取该流场模型中与流动方向相垂直的若干个截面，在每个截面中n
τ
个间距
△
τ的时刻设置示踪粒子，根据示踪粒子的运动轨迹，对设置的示踪粒子进行反向追踪，得到相应示踪粒子的入口以推断初始浓度，并模拟生成相应截面上对流贡献的浓度分布的视频数据；S3、基于示踪粒子的初始浓度以及其沿相应运动轨迹的扩散速度，通过拉格朗日方程模拟生成扩散贡献的浓度分布的视频数据。2.根据权利要求1所述的无数值扩散的动态混合过程模拟方法，其特征在于，基于所述混合器，输入相应的建模条件，通过计算流体力学软件建立混合器的非稳态流场模型，并存储计算出的时间序列的速度场数据，速度场时间间隔为ΔT。3.根据权利要求2所述的无数值扩散的动态混合过程模拟方法，其特征在于，所基于的混合器具有至少两个进口，还具有一个出口，所述至少两个进口位于所述混合器的一端，所述出口位于所述混合器的另一端；其中至少一个进口为溶剂进口，至少一个进口为稀释的溶质进口，所述出口为溶剂与溶质形成的混合液的出口。4.根据权利要求1所述的无数值扩散的动态混合过程模拟方法，其特征在于，所述若干截面为随着动态混合的进行，在时间上间隔
△
τ设置的示踪粒子阵列截面，以进行反向粒子追踪。5.根据权利要求1所述的无数值扩散的动态混合过程模拟方法，其特征在于，所述示踪粒子为苏丹...

【专利技术属性】
技术研发人员：高云虎，徐志红，王中南，
申请(专利权)人：苏州思萃同位素技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：