针对气溶胶跨中小尺度瞬态迁移过程的三维耦合模拟方法技术

本发明专利技术涉及针对气溶胶跨中小尺度瞬态迁移过程的三维耦合模拟方法，解决了现有研究方法难以考虑气溶胶跨尺度耦合模拟的问题。本发明专利技术包括如下步骤：1)确定小尺度气溶胶粒径分群特性；2)将小尺度气溶胶空间区域离散为多个三维控制体；3)确定每个三维控制体内每种粒径道的粒子数；4)获得粒子数在三维控制体内的再分布数据；5)通过再分布数据得到气溶胶质量；6)将小三维控制体与中尺度范围的空间网格匹配映射及重构；7)至9)在中尺度范围内将气溶胶划分为不同模态，计算不同模态的质量浓度、数浓度、零阶矩、三阶矩以及中值粒径；10)将得到的数据代入到中尺度数值计算模型中，最终得到气溶胶在中尺度范围内的参数分布数据。溶胶在中尺度范围内的参数分布数据。溶胶在中尺度范围内的参数分布数据。

【技术实现步骤摘要】
针对气溶胶跨中小尺度瞬态迁移过程的三维耦合模拟方法


[0001]本专利技术涉及气溶胶数值计算，具体涉及针对气溶胶跨中小尺度瞬态迁移过程的三维耦合模拟方法。

技术介绍

[0002]气溶胶在大气中的瞬态迁移研究在化工过程、空气污染防治乃至传染病预防等研究领域均具有重要意义。
[0003]从气溶胶的产生过程来看，一般大气中的气溶胶会经历源项生成、发展、扩散、沉降等物理阶段。一般而言，大气气溶胶的源项生成及发展阶段具备典型的空间小尺度特征，而大气气溶胶的扩散及沉降则可能达到中尺度的研究范畴。因此大气气溶胶的瞬态迁移是一个典型的跨中小尺度问题。
[0004]目前气溶胶在大气中的迁移过程研究主要可分为试验观测和数值模拟两大类。其中试验观测多是在室内(参照[1]张延泽、肖凯涛、宋伟伟、秦健、迟卉、黄瑞源.防暴弹室内爆炸扩散试验及刺激剂浓度预测[J].爆破，2021，38(4)：163
‑
172；[2]李江存、刘志龙、梁婷、田兴涛、王悦、李吉刚、党胜男、李廷.一种爆炸作用下毒物扩散试验方法，专利技术专利，CN112304812A，2021.2；[3]李江存、刘志龙、梁婷、田兴涛、王悦、李吉刚、李廷.一种爆炸作用下毒物扩散试验装置，技术，CN213600539U，2021.7)或室外(参照龚朋彬、过惠平、段中山.爆炸烟云扩散时空分布的仿真与实验，火箭军工程大学学报(自然科学版)，2019，(4).)理想试验条件下进行，利用高速摄影及压力传感器等实验装置，对气溶胶浓度的时空分布进行实测，并通过改变观测条件如风速等，研究不同因素对于气溶胶扩散及沉降的影响。但该类试验观测研究造价较高，且可重复性较差。此外，由于现有观测仪器的技术制约，可获取的观测数据也较为有限。因此，另一大类研究方法即数值模拟在近年来发展迅速，成为了研究气溶胶产物时空分布的有效手段之一。在该类方法中，研究学者多利用各类数值模式，在不同尺度上研究气溶胶的扩散沉降特性(参照[1]何帆、何凯凯、黄东等.风对某型爆炸式催泪弹烟雾扩散特性的影响分析[J].军械工程学院学报，2016，28(5)：25
‑
29.DOI：10.3969/j.issn.1008
‑
2956.2016.05.006；[2]史宝军、聂士明、孙静.基于高斯烟羽混合模型的LPG泄漏扩散研究[J].安全与环境学报，2022，22(2)：909
‑
918；[3]Brandt,J.,Christensen,J.H.，and Frohn,L.M.:Modelling transport and deposition of caesium and iodine from the Chernobyl accident using the DREAM model，Atmos.Chem.Phys.，2，397
–
417，2002；[4]V.Simsek、L.Pozzoli、A.Unal、T.Kindap、M.Karaca.Simulation of 137Cs transport and deposition after the chernobyl nuclear power plant accident and radiological doses over the Anatolian peninsula.Sci.Total Environ.，499(2014)，pp.74
‑
88.)。通过数值模拟手段可以获得气溶胶在不同物理阶段的浓度三维时空分布特性，从而为气溶胶大气污染特性的评估提供有力的技术支撑。数值模拟方法的优点主要在于节省人力物力等资源，并可多次重复数值试验。但是考虑到气溶胶在不同物理阶段的尺度效应及尺度特征的差异，从研究方法上来看，
目前数值模拟类的方法一般采用单一数值模式开展气溶胶的单一尺度分析的计算路线已不能满足大气气溶胶跨尺度瞬态迁移模拟分析的需求，其计算精度和准确性存在一定偏差。
[0005]总体而言，目前针对气溶胶跨中小尺度三维瞬态迁移特性的研究工作较为匮乏，而开展相关的研究工作对于理解气溶胶的大气迁移过程具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出了一种针对气溶胶跨中小尺度瞬态迁移过程的三维耦合模拟方法，用于解决现有方法中采用单一尺度不能满足现有研究需求的问题，以及现有研究方法难以考虑气溶胶跨尺度耦合模拟的技术问题。
[0007]本专利技术的构思为：将气溶胶的源项发展阶段与扩散沉降阶段进行深度数据耦合，从而对气溶胶在大气中的扩散、沉降等迁移过程进行跨中小尺度耦合模拟计算。本专利技术首先基于小尺度模式计算气溶胶在小范围空间的变化情况，获得其浓度分布特性，然后将气溶胶粒子分为不同的模态区间，通过计算不同模态区间的阶矩参数来获取不同模态下的气溶胶数浓度以及质量浓度，作为中尺度计算的初始条件，最终通过计算进一步获得包括中值粒径以及标准偏差在内的气溶胶关键参数，满足后续中尺度计算的条件，从而实现气溶胶跨尺度数值模拟的有机融合。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种针对气溶胶跨中小尺度瞬态迁移过程的三维耦合模拟方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
[0010]步骤1，确定小尺度气溶胶空间内气溶胶源项的气溶胶密度、气溶胶粒径分群特性以及每个气溶胶粒径群内的气溶胶粒子数；
[0011]气溶胶按照粒径的不同分为N个粒径道，每个粒径道的编号为i，i＝1,2,......,N；
[0012]步骤2，将小尺度气溶胶空间计算区域离散为M个三维控制体，每个三维控制体的编号为j，j＝1,2,......,M；
[0013]步骤3，通过气溶胶在三维空间内的初始分布位置和质量浓度，确定每个三维控制体内部每一种粒径道内的粒子数n'
i
，i＝1,2,......,N；
[0014]步骤4，通过每个三维控制体内部每一种粒径道内的粒子数n'
i
获得气溶胶的粒径及位置分布的数据信息，进而标记每一种粒径道内的粒子数在每个三维控制体内部的再分布数据，标记为n
i,j
；
[0015]步骤5，根据每一种粒径道内的粒子数在每个三维控制体内部的再分布数据n
i,j
得到每个三维控制体内部每一种粒径道的气溶胶质量m
i,j
；
[0016]步骤6，设置中尺度气溶胶空间数值计算模型，将小尺度气溶胶空间中的三维控制体与中尺度气溶胶空间数值计算模型的空间网格进行匹配映射及重构；
[0017]步骤7，在中尺度气溶胶空间数值计算模型中将所有的气溶胶划分为不同模态，并计算不同模态的质量浓度和数浓度；
[0018]步骤8，根据步骤7中得到的不同模态的质量浓度和数浓度，得到对应模态的零阶矩以及三阶矩；
[0019]步骤9，获取不同模态气溶胶的中值粒径；
[0020]步骤10，根据不同模态的质量浓度和数浓度、零阶矩以及三阶矩以及对应的中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对气溶胶跨中小尺度瞬态迁移过程的三维耦合模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，确定小尺度气溶胶空间内气溶胶源项的气溶胶密度、气溶胶粒径分群特性以及每个气溶胶粒径群内的气溶胶粒子数；气溶胶按照粒径的不同分为N个粒径道，每个粒径道的编号为i，i＝1,2,......,N；步骤2，将小尺度气溶胶空间计算区域离散为M个三维控制体，每个三维控制体的编号为j，j＝1,2,......,M；步骤3，通过气溶胶在三维空间内的初始分布位置和质量浓度，确定每个三维控制体内部每一种粒径道内的粒子数n'
i
，i＝1,2,......,N；步骤4，通过每个三维控制体内部每一种粒径道内的粒子数n'
i
获得气溶胶的粒径及位置分布的数据信息，进而标记每一种粒径道内的粒子数在每个三维控制体内部的再分布数据，标记为n
i,j
；步骤5，根据每一种粒径道内的粒子数在每个三维控制体内部的再分布数据n
i,j
得到每个三维控制体内部每一种粒径道的气溶胶质量m
i,j
；步骤6，设置中尺度气溶胶空间数值计算模型，将小尺度气溶胶空间中的三维控制体与中尺度气溶胶空间数值计算模型的空间网格进行匹配映射及重构；步骤7，在中尺度气溶胶空间数值计算模型中将所有的气溶胶划分为不同模态，并计算不同模态的质量浓度和数浓度；步骤8，根据步骤7中得到的不同模态的质量浓度和数浓度，得到对应模态的零阶矩以及三阶矩；步骤9，获取不同模态气溶胶的中值粒径；步骤10，根据不同模态的质量浓度和数浓度、零阶矩以及三阶矩以及对应的中值粒径代入到中尺度气溶胶空间数值计算模型，最终得到气溶胶在中尺度范围内的物理参数分布数据。2.根据权利要求1所述的针对气溶胶跨中小尺度瞬态迁移过程的三维耦合模拟方法，其特征在于，步骤4具体如下：通过在欧拉多相求解器中植入群体平衡模型，求解N
‑
S方程获得气溶胶总相分数后，额外求解一组关于气溶胶粒子演变的群体平衡方程，通过每个三维控制体内部每一种粒径道内的粒子数n'
i
获得气溶胶的粒径及位置分布的数据信息，进而标记第i个粒径道内的粒子数在第j个三维控制体内部的再分布数据，标记为n
i,j
。3.根据权利要求2所述的针对气溶胶跨中小尺度瞬态迁移过程的三维耦合模拟方法，其特征在于，步骤5中，计算第j个三维控制体内部第i个粒径道的气溶胶质量m
i,j
的公式如下：其中，n
i,j
为第i个粒径道内的粒子数在第j个三维控制体内部的再分布数据，ρ为气溶胶的密度，d
i
为第i个粒径道内气溶胶的粒径。4.根据权利要求3所述的针对气溶胶跨中小尺度瞬态迁移过程的三维耦合模拟方法，
其特征在于，步骤6具体如下：6.1，将步骤1至步骤5中小尺度气溶胶空间计算方法计算获得的气溶胶数据整理为三维数据集；6.2，通过最近邻插值方法将小尺度气溶胶空间中气溶胶数据集重新采样，重新采样的数据覆盖原三维数据集中的数据并形成新的三维数据集，将新的三维数据集网格的大小调整为与中尺度气溶胶空间的三维数据集的网格大小一致；6.3，将小尺度气溶胶空间中新的三维数据集和中尺度气溶胶空间的三维数据集进行对齐，确保两个三维数据集的原点和网格间距相同；6.4，当原点和网格间距相同时，将小尺度气溶胶空间中的气溶胶质量和每个三维控制体内部每一种粒径道内的粒子数与中尺度气溶胶空间中的空间网格进行融合。5.根据权利要求1
‑
4中任一所述的针对气溶胶跨中小尺度瞬态迁移过程的三维耦合模拟方法，其特征在于，步骤7具体如下：在中尺度气溶胶空间中，根据大气气溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：马振辉，马腾跃，唐秀欢，王宝生，刘龙波，胡攀，长孙永刚，苏春磊，李达，李志明，陈立新，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：