CN111223186A - 三维随机孔结构模型的物理建模方法、***和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维随机孔结构模型的物理建模方法、***和设备，包括：建立三维多孔介质区域物理模型，利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，输出包含节点位置信息和元素与节点对应关系的第一网格文件；所述三维多孔介质区域由骨架和空隙组成，所述空隙的位置是随机的，去除代表骨架的网格元素，保留代表空隙的网格元素，重构包含空隙率和孔径大小信息的第二网格文件；将所述第二网络文件导入到ANSYS ICEM软件中，采用Flood‑fill/Make_consistent一致性函数来识别并移除孤立的网格，利用网格检查函数生成表面网格，确保最外层的体积元素被曲面网格覆盖。
Description
技术领域
本发明涉及多孔介质区域随机孔结构的物理建模和网格划分技术领域，特别涉及一种三维随机孔结构模型的物理建模方法、***和设备。
背景技术
多孔介质区域内部的流体动力学特征研究至关重要。为了反映多孔介质区域的局部效应并进行三维流场模拟，首先需要对空隙尺度形态结构进行三维重构。采用先进的实验技术，例如X射线计算层析成像和磁共振成像，可以捕捉多孔介质的几何形状特征，获得高空间分辨率的孔隙结构，但存在成本昂贵，且对后处理计算资源要求较高的问题。
近年来，离散单元法(DEM)可以成功地生成具有随机堆积球形或圆柱体形颗粒特征的堆积结构，将得到的填料结构导入到CFD预处理器(ANSYS-ICEM)中，生成用于CFD模拟的网格。然而，对整个多孔介质区域(例如固定床反应器)进行CFD-DEM需要大量的模拟粒子。这使得精确的模拟结果通常受到可用计算资源的限制。此外，将复杂的拓扑结构(粒子-粒子和壁面-粒子接触点)进行网格划分也充满了挑战。因为接触点附近的计算网格单元通常是倾斜的，数值模拟容易发散。因此，有必要采取合适的物理建模方法对三维多孔介质区域进行网格划分，进而通过CFD模拟得到多孔介质区域内部流体的流动特性和压降特性。
发明内容
本发明提供了一种三维随机孔结构模型的物理建模方法、***和设备，其目的是为了物理建模难以描述多孔介质区域的多孔性特征的问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种三维随机孔结构模型的物理建模方法，包括：
步骤1，建立三维多孔介质区域物理模型，利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，输出包含节点位置信息和元素与节点对应关系的第一网格文件；
步骤2，所述三维多孔介质区域由骨架和空隙组成，所述空隙的位置是随机的，去除代表骨架的网格元素，保留代表空隙的网格元素，重构包含空隙率和孔径大小信息的第二网格文件；
步骤3，将所述第二网络文件导入到ANSYS ICEM软件中，采用Flood-fill/Make_consistent一致性函数来识别并移除孤立的网格，利用网格检查函数生成表面网格，确保最外层的体积元素被曲面网格覆盖。
其中，所述步骤1具体包括：
利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，网格尺寸表示孔径的大小，利用Abaqus软件建模可以输出的包含节点位置信息的网格文件，每个网格单元由一个元素和八个节点组成，输出的网格文件中元素的总数目为Nt，元素代表空隙的位置。
其中，所述步骤2具体包括：
代表空隙的元素数量等于床层空隙率和元素总数的乘积，其中，所述空隙的位置是随机的，用一预设范围内的非重复随机数来描述；
检索并保留网格文件中代表空隙位置的元素及其节点位置信息，通过合并空隙元素文件和节点文件获得重构的网格文件。
本发明的实施例还提供了一种三维随机孔结构模型的物理建模***，包括：
模型建立模块，用于建立三维多孔介质区域物理模型，利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，输出包含节点位置信息和元素与节点对应关系的第一网格文件；所述三维多孔介质区域由骨架和空隙组成，所述空隙的位置是随机的；
重构模块，用于去除代表骨架的网格元素，保留代表空隙的网格元素，重构包含空隙率和孔径大小信息的第二网格文件；
网格生成模块，用于将所述第二网络文件导入到ANSYS ICEM软件中，采用Flood-fill/Make_consistent一致性函数来识别并移除孤立的网格，利用网格检查函数生成表面网格，确保最外层的体积元素被曲面网格覆盖。
其中，所述模型建立模块具体用于利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，网格尺寸表示孔径的大小，利用Abaqus软件建模可以输出的包含节点位置信息的网格文件，每个网格单元由一个元素和八个节点组成，输出的网格文件中元素的总数目为Nt，元素代表空隙的位置。
其中，所述重构模块包括：
检索模块，用于检索并保留网格文件中代表空隙位置的元素及其节点位置信息，通过合并空隙元素文件和节点文件获得重构的网格文件。
本发明的实施例还提供了一种三维随机孔结构模型的物理建模设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例所述的三维随机孔结构模型的物理建模方法的步骤。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明的三维随机孔结构模型的物理建模方法、***和设备由骨架和随机分布的空隙组成，建立的三维随机孔结构模型内部除了少数孤立的空隙，大部分的空隙是相互连通的，如实反映了三维多孔介质内部的真实结构特征，解决了物理建模难以描述多孔介质区域的多孔性特征的难题，基于空隙率和平均孔径参数进行网格建模，可以得到不同内部结构特征的多孔介质区域，同时还可以通过网格修复手段去除孤立的空隙，进而可为多孔介质区域的计算流体力学模拟提供网格模型。
附图说明
图1为本发明的初始有限元模型的构建示意图；
图2为本发明的重构元素文件中元素编号及其元素-节点对应关系；
图3为本发明的多孔介质模型重构示意图；
图4为不同孔径条件下进气速度对压降的影响示意图；
图5为不同孔径条件下空隙率函数对压降的影响示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的物理建模难以描述多孔介质区域的多孔性特征的问题，提供了一种三维随机孔结构模型的物理建模方法、***和设备。
本发明的实施例提供了一种三维随机孔结构模型的物理建模方法，包括：
步骤1，建立三维多孔介质区域物理模型，利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，输出包含节点位置信息和元素与节点对应关系的第一网格文件；
步骤2，所述三维多孔介质区域由骨架和空隙组成，所述空隙的位置是随机的，去除代表骨架的网格元素，保留代表空隙的网格元素，重构包含空隙率和孔径大小信息的第二网格文件；
步骤3，将所述第二网络文件导入到ANSYS ICEM软件中，采用Flood-fill/Make_consistent一致性函数来识别并移除孤立的网格，利用网格检查函数生成表面网格，确保最外层的体积元素被曲面网格覆盖。
其中，所述步骤1具体包括：
利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，网格尺寸表示孔径的大小，利用Abaqus软件建模可以输出的包含节点位置信息的网格文件，每个网格单元由一个元素和八个节点组成，输出的网格文件中元素的总数目为Nt，元素代表空隙的位置。
其中，所述步骤2具体包括：
代表空隙的元素数量等于床层空隙率和元素总数的乘积，其中，所述空隙的位置是随机的，用一预设范围内的非重复随机数来描述；
检索并保留网格文件中代表空隙位置的元素及其节点位置信息，通过合并空隙元素文件和节点文件获得重构的网格文件。
本发明的三维随机孔结构模型的物理建模方法对直径为60mm、高度600mm的固定床反应器内部填料颗粒随机填充所形成的多孔介质区域进行网格模型构建，具体包括如下步骤：(1)构建三维固定床反应器结构化网格模型：在Abaqus软件中基于平均孔径参数(d＝5mm)构建结构化的有限单元网格模型，如图1A所示。输出具有.inp后缀的网格文件，其中每个节点(Node)和元素(Element)都有它们自己的编号，每个Element周围有8个Node，总节点数为23353，总元素数为20760。节点的位置信息以及节点和元素之间的对应关系如图1B和图1C所示。将网格文件拆分成Element和Node文件，留作备用。
(2)骨架和空隙分离：多孔介质区域由骨架和空隙组成，空隙的位置用元素的位置来表示。假设床层空隙率为50％，则空隙的总个数Np＝20760*0.5＝10380。由于多孔介质区域空隙的位置是随机的，因此空隙的编号可以用1到20760之间的非重复随机数列来表示。非重复随机数列通过Matlab软件生成，导出为文本文件并作为索引文件。然后，基于索引文件采用Python语言编写程序检索并保留Element文件中代表空隙位置的元素，其他舍去的元素即表示骨架，如图2所示。最后，通过合并空隙元素文件和节点位置信息文件获得重构的网格文件。
(3)网格修复和表面网格重构：对于可应用于计算流体力学软件识别和计算的三维网格，最外层的体积元素应该由表面网格覆盖，边界条件需要施加在与体积元素相连接的面网格上。将重构得到的网格文件导入到ANSYS ICEM软件中，采用Flood-fill/Make_consistent一致性函数来识别并移除孤立的网格。孤立的空隙经常存在于重建的模型中，如图3A所示，这使得后续计算不收敛并且在计算过程中发生错误。因此在进行数值模拟之前，需要将图3B所示的孤立空隙删除。最终生成的固定床多孔介质区域空隙结构网格模型如图3C所示，数值模拟计算只在空隙内进行。
本发明的实施例还提供了一种三维随机孔结构模型的物理建模***，包括：模型建立模块，用于建立三维多孔介质区域物理模型，利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，输出包含节点位置信息和元素与节点对应关系的第一网格文件；所述三维多孔介质区域由骨架和空隙组成，所述空隙的位置是随机的；重构模块，用于去除代表骨架的网格元素，保留代表空隙的网格元素，重构包含空隙率和孔径大小信息的第二网格文件；网格生成模块，用于将所述第二网络文件导入到ANSYS ICEM软件中，采用Flood-fill/Make_consistent一致性函数来识别并移除孤立的网格，利用网格检查函数生成表面网格，确保最外层的体积元素被曲面网格覆盖。
其中，所述模型建立模块具体用于利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，网格尺寸表示孔径的大小，利用Abaqus软件建模可以输出的包含节点位置信息的网格文件，每个网格单元由一个元素和八个节点组成，输出的网格文件中元素的总数目为Nt，元素代表空隙的位置。
其中，所述重构模块包括：
检索模块，用于检索并保留网格文件中代表空隙位置的元素及其节点位置信息，通过合并空隙元素文件和节点文件获得重构的网格文件。
本发明的实施例还提供了一种三维随机孔结构模型的物理建模设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例所述的三维随机孔结构模型的物理建模方法的步骤。
本发明的三维随机孔结构模型的物理建模方法的具体实施例还包括：利用商用软件(ANSYS Fluent 16.2)对随机填料结构中的流体流动行为进行数值模拟，确定其压降特性。选择单相流体系作为研究对象。空气(ρ＝1.225kg/m3，μ＝1.7894×10-5Pa.s)以匀速从反应器底部进入，并以恒定压力从塔顶排出。除速度入口和压力出口外，其他所有边界条件均设为“壁面”。对于反应器壁和骨架表面定义为无滑移边界条件。多孔介质区域内气体速度范围为0.001-0.003m/s，流体流动为层流。
依据经典的Ergun方程，多孔介质区域的压降和流速、颗粒大小和床层孔隙率有关。对于层流流动，压降计算公式如下：
方程(1)中，ΔP是压降，L是管长，v是流体速度，dp是颗粒粒径，
是形状因子，ε是床层空隙率。这里以空隙率和孔径来表征三维随机孔结构，考察了流速(0.001m/s、0.0015m/s、0.002m/s、0.0025m/s、0.003m/s)、床层空隙度(50％、60％、70％、80％)和孔径(2mm、3mm、4mm、5mm)对压降特性的影响。
不同孔径条件下进气速度对压降的影响如图4所示：(A)d＝2mm；(B)d＝3mm；(C)d＝4mm；(D)d＝5mm。
不同孔径条件下空隙率函数
对压降的影响如图5所示：(A)d＝2mm；(B)d＝3mm；(C)d＝4mm；(D)d＝5mm。
压降随进气速度和床层空隙率的变化趋势符合经典的Ergun方程(R2>0.99)，表明了该模型的准确性。
本发明的三维随机孔结构模型的物理建模方法、***和设备由骨架和随机分布的空隙组成，建立的三维随机孔结构模型内部除了少数孤立的空隙，大部分的空隙是相互连通的，如实反映了三维多孔介质内部的真实结构特征，解决了物理建模难以描述多孔介质区域的多孔性特征的难题，基于空隙率和平均孔径参数进行网格建模，可以得到不同内部结构特征的多孔介质区域，同时还可以通过网格修复手段去除孤立的空隙，进而可为多孔介质区域的计算流体力学模拟提供网格模型。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种三维随机孔结构模型的物理建模方法，其特征在于，包括：
步骤1，建立三维多孔介质区域物理模型，利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，输出包含节点位置信息和元素与节点对应关系的第一网格文件；
步骤2，所述三维多孔介质区域由骨架和空隙组成，所述空隙的位置是随机的，去除代表骨架的网格元素，保留代表空隙的网格元素，重构包含空隙率和孔径大小信息的第二网格文件；
步骤3，将所述第二网络文件导入到ANSYS ICEM软件中，采用Flood-fill/Make_consistent一致性函数来识别并移除孤立的网格，利用网格检查函数生成表面网格，确保最外层的体积元素被曲面网格覆盖。
2.根据权利要求1所述的三维随机孔结构模型的物理建模方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，网格尺寸表示孔径的大小，利用Abaqus软件建模可以输出的包含节点位置信息的网格文件，每个网格单元由一个元素和八个节点组成，输出的网格文件中元素的总数目为Nt，元素代表空隙的位置。
3.根据权利要求2所述的三维随机孔结构模型的物理建模方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
代表空隙的元素数量等于床层空隙率和元素总数的乘积，其中，所述空隙的位置是随机的，用一预设范围内的非重复随机数来描述；
检索并保留网格文件中代表空隙位置的元素及其节点位置信息，通过合并空隙元素文件和节点文件获得重构的网格文件。
4.一种三维随机孔结构模型的物理建模***，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立三维多孔介质区域物理模型，利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，输出包含节点位置信息和元素与节点对应关系的第一网格文件；所述三维多孔介质区域由骨架和空隙组成，所述空隙的位置是随机的；
重构模块，用于去除代表骨架的网格元素，保留代表空隙的网格元素，重构包含空隙率和孔径大小信息的第二网格文件；
网格生成模块，用于将所述第二网络文件导入到ANSYS ICEM软件中，采用Flood-fill/Make_consistent一致性函数来识别并移除孤立的网格，利用网格检查函数生成表面网格，确保最外层的体积元素被曲面网格覆盖。
5.根据权利要求4所述的三维随机孔结构模型的物理建模***，其特征在于，所述模型建立模块具体用于利用结构化六面体网格对所述三维多孔介质区域物理模型进行网格划分，网格尺寸表示孔径的大小，利用Abaqus软件建模可以输出的包含节点位置信息的网格文件，每个网格单元由一个元素和八个节点组成，输出的网格文件中元素的总数目为Nt，元素代表空隙的位置。
6.根据权利要求5所述的三维随机孔结构模型的物理建模***，其特征在于，所述重构模块包括：
检索模块，用于检索并保留网格文件中代表空隙位置的元素及其节点位置信息，通过合并空隙元素文件和节点文件获得重构的网格文件。
7.一种三维随机孔结构模型的物理建模设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述的三维随机孔结构模型的物理建模方法的步骤。
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