一种基于球簇假设和Laguerre-Voronoi结构的生物质大颗粒热解仿真方法

技术特征：
1.一种基于球簇假设和laguerre-voronoi结构的生物质大颗粒热解仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，初始球簇生成采用具有大小、密度、温度、物质组成属性的子球体模拟真实生物质材料，由若干子球体共同构成球簇，以球簇等效表示原始生物质大颗粒；s2，在时间尺度上将热解过程划分为若干时间区间，并在每一时间区间上进行颗粒热解迭代；颗粒热解迭代过程包括颗粒结构更新、传热计算、热解反应计算和颗粒收缩计算四个子步骤；s3，完成迭代并输出计算结果，所述的计算结果包括颗粒内部温度分布及演化、密度及孔隙率分布及演化、颗粒形态演化、颗粒质量演化。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的初始球簇生成的方法为：利用网格生成技术对原始真实生物质进行网格划分；根据原始真实生物质的孔隙率以及网格位置和体积，依次对应生成特定位置和半径的子球体，子球体具有与原始真实生物质一致的本征密度；子球体间的空间对应真实生物质材料内部的孔隙；子球体的温度、物质组成属性与原始真实生物质保持一致。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的颗粒结构更新包括外包络面更新和内laguerre-voronoi结构更新；其中，外包络面更新具体方法为：采用若干与球簇表面子球体相切的平面将球簇整体包络在一凸多面体内，所形成的包络面集合构成所表征生物质颗粒的边界；内laguerre-voronoi结构更新具体方法为：利用laguerre-voronoi结构对任意子球体所属的空间区域进行划分：中心位置为x
i
，半径为r
i
的子球i所属的空间区域定义为laguerre-voronoi单元，其中任意一点x满足对任意子球j(j≠i)恒成立，其中x
j
，r
j
分别为子球j的中心位置和半径，d(x,x
i
)和d(x,x
j
)表示点x与子球i和j中心的距离。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的传热计算包括外部对流辐射计算和内部导热计算；外部对流辐射计算仅影响外表面子球体的温度变化，其热通量根据包络面面积以及当地环境对流和辐射相关参数计算得到；内部导热计算影响任意子球体的温度变化，其热通量通过导热系数、相邻子球的温度差和相对位置以及laguerre-voronoi单元交界面面积计算得到；若将导热系数与相邻子球的相对位置关联，则可以模拟生物质颗粒内各向异性的导热过程。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的热解反应计算采用动力学模型依次对子球体进行热解计算，根据反应前后的产物变化得到子球质量和密度变化。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的动力学模型可选择arrhenius模型。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的颗粒收缩计算包括子球体积更新和子球平移计算；其中，子球体积更新由热解过程中的质量变化和密度变化实现，其公式为
其中v
i
，m
i
，ρ
i
分别表示子球i的体积、质量和密度；子球平移计算包括主动平移子球计算和被动平移子球计算。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的主动平移子球计算方法为：首先定义收缩阈值γ
threshold
，其值在[0,1]范围内选取；随后对子球体进行穷举，满足ω
i
＞γ
threshold
·
max(ω)关系式的子球均发生主动移动，相反则不具备主动移速，其中ω
i
表示子球i的单位体积固体消耗速率，max(ω)则表示当前时刻最大的单位体积固体消耗速率；子球主动移速基于在时间步内对应laguerre-voronoi单元孔隙率不变的假设，其计算公式为：其中u
i
为子球i的主动移速，s
celli
和v
celli
则表示子球i所属的laguerre-voronoi单元的表面积和体积，(x
c
,y
c
,z
c
)和(x
i
,y
i
,z
i
)分别是生物质颗粒和其第i个组成子球的中心坐标，χ
x
，χ
y
和χ
z
分别是x，y，z方向上的收缩因子，用于实现各向异性的生物质颗粒收缩。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的被动平移子球计算方法为：针对任意主动移动的子球i，首先在边界上搜索得到子球j，使得其与子球i的连线向量与子球i的主动移速方向最接近；随后在子球i与j之间搜索得到最短路径；最后所有该路径上除子球i外的子球体均施加被动平移，相应的被动移速为2u
i
。

技术总结
本发明公开了一种基于球簇假设和Laguerre-Voronoi结构的生物质大颗粒热解仿真方法。所述方法属于生物质热解领域，可用于探究生物质的热解行为和现象，包括初始球簇生成、时间步离散及热解迭代、结果输出三个主要步骤。本发明利用球簇假设表征不规则形状生物质颗粒；利用组成子球的体积减小和移动实现母颗粒的收缩；利用Laguerre-Voronoi结构划分颗粒内部区域，不仅实现了颗粒内部热传输过程，还解析了颗粒内部孔隙结构；利用方向相关的热导率和收缩因子实现了颗粒各向异性的热传导和收缩过程。本方法有助于获取生物质热解过程中实验难以观察得到的内部细节，也可以扩展用于含多生物质颗粒的反应器尺度计算流体力学模型中，进而大幅度提高大尺度模拟的预测精度和准确度。和准确度。和准确度。


技术研发人员：库晓珂 张润辉 王金 刘志伟
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.04.29
技术公布日：2022/7/22