数值模拟中的粉尘分散性量化方法、系统、终端及存储介质

本发明属于工业粉尘安全，尤其是涉及一种数值模拟中的粉尘分散性量化方法、系统、终端及存储介质。

背景技术：

1、在金属切削加工、采矿、木材加工、谷物处理等工业过程中，大量的粉尘可能会在生产过程中产生。小粒径的粉尘通常会在悬浮在空气中；而大粒径的粉尘受到振动、冲击等也会随气流漂浮到空气中，从而形成粉尘云，在遇到点火源后将会引发粉尘爆炸，造成不可挽回的损失。粉尘爆炸的五要素包括：可燃性粉尘、助燃物、点火源、粉尘云以及密闭空间，其中粉尘云的形成是发生粉尘爆炸的先决条件，而粉尘云分散的均匀程度(分散性)直接影响粉尘爆炸烈度。粉尘云的分散性是影响粉尘爆炸敏感性的重要参数。近年来，粉尘分散已经成为粉尘爆炸研究领域中备受关注的重要方向。

2、在现有的实验研究中，可以利用高速摄像机捕捉粉尘的分散过程，或是根据透光率的变化获得局部的粉尘浓度，但是实验手段只能获取少数点的粉尘浓度数据，难以对整体的粉尘分布进行描述。随着计算机技术的发展，数值模拟逐渐成为粉尘爆炸特性研究的重要手段。许多学者通过数值模拟的方式对粉尘的分散特性进行了探索，常用的方式是绘制粉尘的浓度分布云图，从而定性评估粉尘的分散程度。但是当前的数值模拟技术体系中缺少统一的指标用来量化空间中粉尘的分散程度，导致难以准确比较不同工况下粉尘的分散性，不利于粉尘的分散规律的后续研究。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种数值模拟中的粉尘分散性量化方法、系统、终端及存储介质，以解决现有的数值模拟技术对空间中粉尘分散程度缺少量化表征指标的技术缺陷。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种数值模拟中的粉尘分散性量化方法，包括：

4、建立几何模型，并对所述几何模型进行网格划分；

5、建立控制方程，并利用所述几何模型进行模拟计算，得到所述几何模型中所有节点的粉尘浓度值；

6、构建粉尘分散性表征模型，并基于所述几何模型中所有节点的粉尘浓度值，利用所述粉尘分散性表征模型计算节点的粉尘浓度标准差；

7、获取所述节点的粉尘浓度标准差，并利用所述节点的粉尘浓度标准差量化粉尘分散性；其中，所述节点的粉尘浓度标准差与粉尘分散性呈负相关，即当所述节点的粉尘浓度标准差越小时，粉尘分散性越高。

8、进一步的，所述建立几何模型，并对所述几何模型进行网格划分，包括：

9、获取粉尘分散的实际工况，并基于所述粉尘分散研究的实际工况建立几何模型；

10、对所述几何模型进行网格划分。

11、进一步的，所述建立控制方程，并利用所述几何模型进行模拟计算，得到所述几何模型中所有节点的粉尘浓度值，包括：

12、计算气体的湍流运动，其主要的计算方程如下：

13、连续性方程：

14、

15、动量守恒方程：

16、

17、上两式中：ρ表示空气的密度，u表示在流体速度矢量，p表示静压，τ表示应力张量，g表示重力加速度，f是由于悬浮颗粒引起的动量交换；

18、假设气体的流动为完全湍流，不考虑流体分子之间的粘性，求解湍流动能及其耗散率的方程如下：

19、

20、上两式中：gk表示平均速度梯度引起的湍流动能，gb表示浮力引起的湍流动能，ym表示湍流波动对总耗散率的贡献，c1ε、c2ε、c3ε是常数，σε表示tdr prandtl数，σk表示tkeprandtl数，sk和sε分别为k方程和ε方程的源项；

21、将粉尘颗粒看作质点，单独计算每一个质点的位置、速度和粒子与流场的交互影响，每个颗粒所受力的平衡微分方程如下：

22、

23、上式中，fd(u-up)为拖曳力，计算公式为：

24、

25、其中，f表示重力，u和ρ分别表示空气的空气速度和密度，g为重力加速度，up和ρp分别表示粉尘颗粒的速度和密度，dp表示粉尘颗粒的直径，μ表示动力粘度，re为相对reynolds数，计算公式为：

26、

27、cd表示曳力系数，计算公式为：

28、

29、对所述进行网格划分后的几何模型定义边界条件，并根据计算需求选择时间步长和求解步数；

30、根据所述时间步长和求解步数，求解所述几何模型所有节点的粉尘浓度值、及其随时间变化情况。

31、进一步的，所述构建粉尘分散性表征模型，并基于所述几何模型中所有节点的粉尘浓度值，利用所述粉尘分散性表征模型计算节点的粉尘浓度标准差，包括：

32、获取所述几何模型中所有节点的粉尘浓度值；

33、构建粉尘分散性表征模型，并利用所述粉尘分散性表征模型计算节点的粉尘浓度标准差，计算公式如下：

34、

35、上式中，n表示所述几何模型中划分网格的总节点数量，xi表示各个节点上的粉尘浓度值，表示节点粉尘浓度均值。

36、第二方面，本发明提供了一种数值模拟中的粉尘分散性量化系统，包括：

37、建立模块，用于建立几何模型，并对所述几何模型进行网格划分；

38、模拟模块，用于建立控制方程，并利用所述几何模型进行模拟计算，得到所述几何模型中所有节点的粉尘浓度值；

39、构建模块，用于构建粉尘分散性表征模型，并基于所述几何模型中所有节点的粉尘浓度值，利用所述粉尘分散性表征模型计算节点的粉尘浓度标准差；

40、量化模块，用于获取所述节点的粉尘浓度标准差，并利用所述节点的粉尘浓度标准差量化粉尘分散性；其中，所述节点的粉尘浓度标准差与粉尘分散性呈负相关，即当所述节点的粉尘浓度标准差越小时，粉尘分散性越高。

41、第三方面，本发明实施例还提供了一种终端，包括：

42、一个或多个处理器；

43、存储装置，用于存储一个或多个程序；

44、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述数值模拟中的粉尘分散性量化方法。

45、第四方面，本发明实施例还提供了一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如上述数值模拟中的粉尘分散性量化方法。

46、相对于现有技术，本发明所述的数值模拟中的粉尘分散性量化方法、系统、终端及存储介质具有以下优势：

47、本发明所述的一种用于量化粉尘分散性的方法、系统、终端及存储介质，使用空间中粉尘浓度的标准差值来量化粉尘的分散性。不同程度的粉尘分散性可能导致不同级别的危险，该方法可用于球室、管道、车间等多种场景的粉尘分散研究，实现不同状态下的粉尘云爆炸敏感性评估，为进一步的粉尘爆炸相关研究提供理论基础。

技术特征：

1.一种数值模拟中的粉尘分散性量化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立几何模型，并对所述几何模型进行网格划分，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立控制方程，并利用所述几何模型进行模拟计算，得到所述几何模型中所有节点的粉尘浓度值，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建粉尘分散性表征模型，并基于所述几何模型中所有节点的粉尘浓度值，利用所述粉尘分散性表征模型计算节点的粉尘浓度标准差，包括：

5.一种数值模拟中的粉尘分散性量化系统，其特征在于，包括：

6.一种终端，其特征在于，包括：

7.一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如权利要求1-4中任一所述的数值模拟中的粉尘分散性量化方法。

技术总结本发明提供了一种数值模拟中的粉尘分散性量化方法、系统、终端及存储介质，方法包括：建立几何模型，并对所述几何模型进行网格划分；建立控制方程，并利用所述几何模型进行模拟计算，得到所述几何模型中所有节点的粉尘浓度值；构建粉尘分散性表征模型，并基于节点的粉尘浓度值，利用所述粉尘分散性表征模型计算节点的粉尘浓度标准差；获取所述节点的粉尘浓度标准差，并利用所述节点的粉尘浓度标准差量化粉尘分散性。本发明所述的数值模拟中的粉尘分散性量化方法、系统、终端及存储介质，可用于球室、管道、车间等多种场景的粉尘分散研究，实现不同状态下的粉尘云爆炸敏感性评估，为进一步的粉尘爆炸危险性研究提供理论基础。技术研发人员：关文玲,夏跃爽,任常兴,王晓丽,董呈杰,张网受保护的技术使用者：天津理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29