無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法及裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法及裝置，其中，方法包括：S1、建立基于混合器的非穩(wěn)態(tài)流場模型；S2、根據(jù)非穩(wěn)態(tài)流場模型，截取該流場模型中與流動方向相垂直的若干個截面，在每個截面中n

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法及裝置


[0001]本專利技術(shù)涉及微/毫反應(yīng)器
，尤其涉及一種無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法及裝置。

技術(shù)介紹

[0002]連續(xù)流微/毫反應(yīng)器被廣泛用于各種應(yīng)用，例如：納米材料合成、傳感器、有機(jī)合成和智能反應(yīng)平臺等，其具有快速傳質(zhì)和傳熱、減少浪費(fèi)、本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)。盡管反應(yīng)器的直徑很小，但反應(yīng)器的性能經(jīng)常受混合效率的限制，因?yàn)閭髻|(zhì)是由層流中的緩慢的分子擴(kuò)散而不是對流控制的。快速混合對于控制特定反應(yīng)的選擇性和調(diào)整納米材料的尺寸至關(guān)重要。相比于濃度梯度驅(qū)動的擴(kuò)散過程較慢的傳質(zhì)速度，對流是指液體微團(tuán)的宏觀運(yùn)行導(dǎo)致的傳質(zhì)過程，速度更快。
[0003]因此，需要開發(fā)一種強(qiáng)化對流而不依賴擴(kuò)散的高效混合器。而混合器的快速開發(fā)依賴于快速低成本、準(zhǔn)確量化混合效率的實(shí)驗(yàn)或者模擬計(jì)算技術(shù)，以得到混合過程中準(zhǔn)確的濃度分布，進(jìn)而輔助設(shè)計(jì)相應(yīng)的高效混合器。
[0004]目前，平面激光誘導(dǎo)熒光是實(shí)驗(yàn)可視化混合效率的有效方法，但是其成本較高，實(shí)驗(yàn)周期長。相比之下，通過商業(yè)軟件的模擬結(jié)果成本低，但受到數(shù)值擴(kuò)散的影響，其模擬濃度分布依賴于歐拉形式的標(biāo)量傳輸方程，其流場的離散化帶來的截?cái)嗾`差引入的偽擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)，也稱為數(shù)值擴(kuò)散，造成模擬結(jié)果嚴(yán)重高估了混合效率。
[0005]此外，現(xiàn)有技術(shù)中還提出了一種基于拉格朗日形式的標(biāo)量傳輸方程精確模擬穩(wěn)態(tài)流場中混合效率的方法(Lab on a Chip,2013,13(8):1515
?
1521)，但該方法不適用于非穩(wěn)態(tài)。而非穩(wěn)態(tài)流場往往呈現(xiàn)出比穩(wěn)態(tài)更高的混合效率，需要開發(fā)針對性的模擬方法，以研究非穩(wěn)態(tài)流場的混合器優(yōu)化問題。
[0006]從而，針對上述問題，有必要提出進(jìn)一步地解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

[0007]本專利技術(shù)旨在提供一種無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法及裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)的技術(shù)方案是：
[0009]一種無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法，其包括如下步驟：
[0010]S1、建立基于混合器的非穩(wěn)態(tài)流場模型；
[0011]S2、根據(jù)所述非穩(wěn)態(tài)流場模型，截取該流場模型中與流動方向相垂直的若干個截面，在每個截面中n
τ
個間距
△
τ的時刻設(shè)置示蹤粒子，根據(jù)示蹤粒子的運(yùn)動軌跡，對設(shè)置的示蹤粒子進(jìn)行反向追蹤，得到相應(yīng)示蹤粒子的入口以推斷初始濃度，并模擬生成相應(yīng)截面上對流貢獻(xiàn)的濃度分布的視頻數(shù)據(jù)；
[0012]S3、基于示蹤粒子的初始濃度以及其沿相應(yīng)運(yùn)動軌跡的擴(kuò)散速度，通過拉格朗日方程模擬生成擴(kuò)散貢獻(xiàn)的濃度分布的視頻數(shù)據(jù)。
[0013]作為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法的改進(jìn)，基于所述混合器，輸入相應(yīng)的建模條件，通過計(jì)算流體力學(xué)軟件建立混合器的非穩(wěn)態(tài)流場模型，并存儲計(jì)算出的時間序列的速度場數(shù)據(jù)，速度場時間間隔為ΔT。
[0014]作為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法的改進(jìn)，所基于的混合器具有至少兩個進(jìn)口，還具有一個出口，所述至少兩個進(jìn)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]其中至少一個進(jìn)口為溶劑進(jìn)口，至少一個進(jìn)口為稀釋的溶質(zhì)進(jìn)口，所述出口為溶劑與溶質(zhì)形成的混合液的出口。
[0016]作為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法的改進(jìn)，所述若干截面為隨著動態(tài)混合的進(jìn)行，在時間上間隔
△
τ設(shè)置的示蹤粒子陣列截面，以進(jìn)行反向粒子追蹤。
[0017]作為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法的改進(jìn)，所述示蹤粒子為蘇丹紅6G示蹤劑。
[0018]作為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法的改進(jìn)，所述示蹤粒子直徑為管道尺寸的0.1％至5％。
[0019]作為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法的改進(jìn)，在各截面上設(shè)置陣列排布的示蹤粒子，針對陣列排布的各示蹤粒子分別進(jìn)行反向追蹤。
[0020]作為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法的改進(jìn)，根據(jù)示蹤粒子的運(yùn)動軌跡，對設(shè)置的示蹤粒子進(jìn)行反向追蹤包括：
[0021]以所要計(jì)算濃度分布的截面位置的示蹤粒子為起點(diǎn)，混合器進(jìn)口為終點(diǎn)，將示蹤粒子由起點(diǎn)運(yùn)動至終點(diǎn)的時間段劃分為若干運(yùn)動周期ΔT；
[0022]對于其中第n個周期，假定速度場為穩(wěn)態(tài)，并將流場速度取反方向，流場速度不變，為得到示蹤粒子的速度和位置，通過計(jì)算示蹤粒子受到的曳力，來計(jì)算其加速度及軌跡，其在ΔT時長，即該周期迭代結(jié)束時的位置和速度，由對迭代過程中最接近ΔT時刻的兩個點(diǎn)的速度和位置進(jìn)行線性插值計(jì)算得到；
[0023]基于線性插值計(jì)算得到的速度和位置，導(dǎo)入上一個周期的流場，并將速度取反向，且速度值不變，計(jì)算示蹤粒子受到的曳力，以繼續(xù)對上一個周期的示蹤粒子進(jìn)行反向追蹤。
[0024]作為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法的改進(jìn)，將相關(guān)條件輸入編程軟件控制全部計(jì)算過程，并通過計(jì)算流體力學(xué)軟件計(jì)算并輸出每個粒子的運(yùn)動軌跡。
[0025]作為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法的改進(jìn)，所述擴(kuò)散速度通過截面上的擴(kuò)散速度進(jìn)行估算。
[0026]為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)的技術(shù)方案是：
[0027]一種無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬裝置，其包括：處理器、存儲器以及程序；所述程序存儲在所述存儲器中，所述處理器調(diào)用存儲器存儲的程序，以執(zhí)行如上所述的無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)通過建立基于混合器的非穩(wěn)態(tài)流場模型，通過反向追蹤的方式計(jì)算對流貢獻(xiàn)的濃度分布。且進(jìn)一步通過拉格朗日方程計(jì)算擴(kuò)散貢獻(xiàn)的濃度分布。從而，可在沒有數(shù)值擴(kuò)散的情況下，準(zhǔn)確模擬非穩(wěn)態(tài)下混合器中的濃度分布，進(jìn)而有利于根據(jù)計(jì)算得到的濃度分布對混合器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
附圖說明
[0029]為了更清楚地說明本專利技術(shù)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術(shù)中記載的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0030]圖1為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法一實(shí)施例的方法流程示意圖，其中，其中n
τ
為總的要模擬的幀數(shù)，n
par
為示蹤粒子的個數(shù)，
△
τ為相臨兩幀圖像之間的時間間距，
△
T為相臨兩個存儲的速度場之間的時間間距；
[0031]圖2為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法一實(shí)施例中T型混合器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法一實(shí)施例中示蹤粒子在截面上均勻布置的示例；
[0033]圖4為為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法一實(shí)施例中截面上對流貢獻(xiàn)的濃度分布圖；
[0034]圖5為本專利技術(shù)無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法一實(shí)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法，其特征在于，所述動態(tài)混合過程模擬方法包括如下步驟：S1、建立基于混合器的非穩(wěn)態(tài)流場模型；S2、根據(jù)所述非穩(wěn)態(tài)流場模型，截取該流場模型中與流動方向相垂直的若干個截面，在每個截面中n
τ
個間距
△
τ的時刻設(shè)置示蹤粒子，根據(jù)示蹤粒子的運(yùn)動軌跡，對設(shè)置的示蹤粒子進(jìn)行反向追蹤，得到相應(yīng)示蹤粒子的入口以推斷初始濃度，并模擬生成相應(yīng)截面上對流貢獻(xiàn)的濃度分布的視頻數(shù)據(jù)；S3、基于示蹤粒子的初始濃度以及其沿相應(yīng)運(yùn)動軌跡的擴(kuò)散速度，通過拉格朗日方程模擬生成擴(kuò)散貢獻(xiàn)的濃度分布的視頻數(shù)據(jù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法，其特征在于，基于所述混合器，輸入相應(yīng)的建模條件，通過計(jì)算流體力學(xué)軟件建立混合器的非穩(wěn)態(tài)流場模型，并存儲計(jì)算出的時間序列的速度場數(shù)據(jù)，速度場時間間隔為ΔT。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法，其特征在于，所基于的混合器具有至少兩個進(jìn)口，還具有一個出口，所述至少兩個進(jìn)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；其中至少一個進(jìn)口為溶劑進(jìn)口，至少一個進(jìn)口為稀釋的溶質(zhì)進(jìn)口，所述出口為溶劑與溶質(zhì)形成的混合液的出口。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法，其特征在于，所述若干截面為隨著動態(tài)混合的進(jìn)行，在時間上間隔
△
τ設(shè)置的示蹤粒子陣列截面，以進(jìn)行反向粒子追蹤。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無數(shù)值擴(kuò)散的動態(tài)混合過程模擬方法，其特征在于，所述示蹤粒子為蘇丹...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：高云虎，徐志紅，王中南，
申請(專利權(quán))人：蘇州思萃同位素技術(shù)研究所有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：