【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于填充床流体力学模拟的，具体涉及一种非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法。
技术介绍
1、非规则颗粒介质广泛存在于各类工业领域之中。以钢铁冶金工业为例：在烧结工艺中，铁矿石颗粒在烧结机上的堆积特性对负压风机的功耗有着决定性的影响；在炼焦工艺中，焦炭颗粒在干熄焦炉中的堆积和运动情况对风机电耗以及换热效率都有着重要影响；在高炉炼铁工艺中，含铁原料颗粒在高炉料层中的堆积结构直接影响了高炉煤气流的分布，进而影响高炉的煤气还原率、燃料比和综合能耗。然而由于非规则颗粒具有非常复杂的形状属性，因此非规则颗粒的运动和堆积特性当前还难以有效地进行研究。
2、非规则颗粒物质在各类工业领域中的实际操作环境常常不利于实验观察和设备监测(例如环境高温或密闭)，因此在当前技术水平的限制下，非规则颗粒的运动和堆积特性通常无法通过直观的物理实验来获得。鉴于此，很多学者开始借助数值模拟手段来进行替代性研究。目前模拟计算颗粒类物质运动的主要方法是离散单元法(dem)，其基本原理是将整个颗粒系统看作成多个离散单元的集合，利用牛顿第二定律建立每个离散单元的运动方程，通过迭代计算得到整个颗粒系统的演化过程。该方法可以准确地模拟各离散单元之间的相互作用，因此在颗粒模拟领域得到了广泛的应用。然而针对非规则颗粒的模拟研究，当前离散单元法仍然主要局限于椭球、多面体等基本形貌，对于烧结矿等无规律形貌类别的颗粒物质仍然没有系统性的分析方法。
3、另一方面，非规则颗粒在工业中常常与某一类或多种类流体共同存在，形成以颗粒堆积结构为主体的颗粒-流体多
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，该方法能够准确描述流体在非规则颗粒表面的真实流动信息，实现了对颗粒-流体相间作用力的高精度计算。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，包括如下步骤：
4、步骤1、通过三维扫描得到待研究非规则颗粒的轮廓结构信息，根据轮廓结构信息结合经实验测量得到的颗粒物理属性参数，建立非规则颗粒模型；
5、步骤2、根据填充床的尺寸参数采用三维建模软件建立非规则颗粒填充床几何模型；
6、步骤3、根据离散单元法建立非规则颗粒运动控制方程，并根据计算流体动力学方法建立填充床中的流体运动控制方程；
7、步骤4、设定基本的初始条件，将步骤1构建的非规则颗粒自然堆积于填充床几何模型中达到预设定高度，结合非规则颗粒运动控制方程以及流体运动控制方程，计算非规则颗粒与流体之间的耦合作用力，从而获得填充过程中非规则颗粒在填充床内部的流体流场和压降信息。
8、进一步地，步骤1中，给定非规则颗粒的生成参数，根据轮廓结构信息结合给定的非规则颗粒生成参数采用多重球形颗粒重构法生成非规则颗粒的几何模型，再对非规则颗粒的几何模型赋予相应的物理属性参数，得到非规则颗粒模型，其中，采用多重球形颗粒重构法构建非规则颗粒的几何模型的方法包括：
9、第一步，根据给定的非规则颗粒生成参数，在其扫描得到的几何轮廓空间内生成若干个直径不同且互相叠加的初始球形颗粒群，当生成的初始颗粒群的总体积达到非规则颗粒几何轮廓体积的80％后停止得到重构颗粒群；
10、第二步，调节位于重构颗粒群表面的球形颗粒的直径及其与临近颗粒的重叠量，每次调节的数值大小是通过使用非线性最小二乘算法求解位于重构颗粒群表面的球形颗粒与烧结矿轮廓间距之和∑(si,vi)的最小值来得到，表示为：
11、
12、其中，si为与几何轮廓中第i网格空间点vi(vix,viy,viz)相配对的球形颗粒信息集，其坐标和半径分别为(x0i,y0i,z0i)和ri；
13、每调节一次后均检查重构颗粒群的∑(si,vi)值是否仍然存在下降优化方向，若存在下降优化方向则继续重复上述过程直至不存下降优化方向，输出优化后的重构烧结矿颗粒的几何模型；
14、第三步，计算经上述步骤优化后的重构非规则颗粒的体积并将其与原非规则颗粒体积进行比较，当两者体积的误差值不超过10％，则输出重构后的非规则颗粒的几何模型；如果误差超过10％，需要回到第一步重新随机生成初始球形颗粒群并重复第二步的调节过程，直到满足体积误差要求。
15、进一步地，非规则颗粒的生成参数包括球形颗粒最大数目、最大球形颗粒直径百分比、最小球形颗粒直径百分比、凸形表面松弛调节系数和球形颗粒重叠量阈值。
16、进一步地，物理属性参数包括颗粒表观密度、弹性模量、泊松比、摩擦系数、恢复系数。
17、进一步地，尺寸参数包括填充床直径、填充床高度、入口气体分布装置。
18、进一步地，步骤3中，非规则颗粒运动控制方程，包括基于牛顿第二定律的颗粒平动和转动控制方程，分别表示为：
19、
20、
21、式中mi为颗粒i质量，ui为颗粒i平动速度，分别为颗粒i受到的弹性碰撞力和粘滞阻尼力，mig为颗粒i所受重力，ff为气体对颗粒i的作用力，ii为颗粒i的转动惯量，ωi为颗粒i角速度，ti为颗粒i接触力切向分量产生的扭矩。
22、进一步地，步骤3中流体运动控制方程包括连续性方程和动量守恒方程，其中，所述连续性方程表示为：
23、
24、动量守恒方程表示为：
25、
26、式中ρf为气体密度，uf为气体速度矢量，t为时间，p为气体压力，τ为气体的应力张量，ff为气固相间作用力,g为重力加速度。
27、进一步地，步骤4中设定的基本初始条件至少包括：环境气体压强、填充床入口气体流量、气体密度、气体动力黏度；烧结矿颗粒尺寸范围、烧结矿颗粒总数。
28、进一步地，采用浸没边界法计算非规则颗粒与流体之间的耦合作用力，包括如下步骤：
29、对颗粒-气体相界面处的网格进行动态网格细化处理；
30、对颗粒-气体相界面处的网格进行细化后，设定模拟计算的耦合时间步长；
31、在第一个耦合时间步长内，先计算非规则颗粒受到的作用力并根据步骤3中的颗粒运动控制方程更新每个非规则颗粒的速度和位置；
32、然后结合颗粒的速度和位置信息采用piso算法求解步骤3中的气体运动控制方程从而更新气体的速度和压力；
33、根据更新后的气体的速度和压力以及非规则颗粒的速度和位置计算颗粒与气体相间的作用力：
34、
35、...
【技术保护点】
1.一种非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，步骤1中，给定非规则颗粒的生成参数，根据轮廓结构信息结合给定的非规则颗粒生成参数采用多重球形颗粒重构法生成非规则颗粒的几何模型，再对非规则颗粒的几何模型赋予相应的物理属性参数，得到非规则颗粒模型，其中，采用多重球形颗粒重构法构建非规则颗粒的几何模型的方法包括：
3.根据权利要求2所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，非规则颗粒的生成参数包括球形颗粒最大数目、最大球形颗粒直径百分比、最小球形颗粒直径百分比、凸形表面松弛调节系数和球形颗粒重叠量阈值。
4.根据权利要求1所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，物理属性参数包括颗粒表观密度、弹性模量、泊松比、摩擦系数、恢复系数。
5.根据权利要求1所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，尺寸参数包括填充床直径、填充床高度、入口气体分布装置。
6.根据权利要求1所述的非规则颗
7.根据权利要求1所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，步骤3中流体运动控制方程包括连续性方程和动量守恒方程，其中，连续性方程表示为：
8.根据权利要求1所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，步骤4中设定的基本初始条件至少包括：环境气体压强、填充床入口气体流量、气体密度、气体动力黏度；烧结矿颗粒尺寸范围、烧结矿颗粒总数。
9.根据权利要求1所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，采用浸没边界法计算非规则颗粒与流体之间的耦合作用力，包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，动态网格细化处理方法为：
...【技术特征摘要】
1.一种非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，步骤1中，给定非规则颗粒的生成参数，根据轮廓结构信息结合给定的非规则颗粒生成参数采用多重球形颗粒重构法生成非规则颗粒的几何模型，再对非规则颗粒的几何模型赋予相应的物理属性参数，得到非规则颗粒模型，其中，采用多重球形颗粒重构法构建非规则颗粒的几何模型的方法包括：
3.根据权利要求2所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，非规则颗粒的生成参数包括球形颗粒最大数目、最大球形颗粒直径百分比、最小球形颗粒直径百分比、凸形表面松弛调节系数和球形颗粒重叠量阈值。
4.根据权利要求1所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，物理属性参数包括颗粒表观密度、弹性模量、泊松比、摩擦系数、恢复系数。
5.根据权利要求1所述的非规则颗粒填充床流体阻力特性的分析方法，其特征在于，...
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