(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810184170.8
(22)申请日 2018.03.06
(71)申请人 哈尔滨理工大学
地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区学
府路52号哈尔滨理工大学
(72)发明人 蒋永清 迟长宇
(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
(54)发明名称一种基于fluent的粉尘爆炸模拟方法(57)摘要本发明涉及一种基于fluent的粉尘爆炸模拟方法。尽管数值模拟己成为一种日趋流行的研究工具，但缺少描述相间及粒子与粒子之间相互作用的良好模型。本发明将二维区域中气体通用形式的气相守恒方程，采用离散化方法中的有限容积法计算流体力学软件FIUENT，在积分过程中对界面上被求函数本身对流通量及其一阶导数扩散通量的构成方式作出假设，形成了不同的离散格式，只有用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性只要界面上的插值方法对位于界面两侧的控制容积是一样的。本发明计算简单，当颗粒有较复杂的变化经历时能较好的追踪 颗粒的运动数值计算时也不会产生伪扩散。权利要求书2页 说明书4页CN 108446468 A 2018.08.24
C N 108446468
A
1.一种基于fluent的粉尘爆炸模拟方法，其特征是：
步骤一、将二维区域中气体通用形式的气相守恒方程：
在柱坐标系下进行二维展开，得到二维柱坐标系下的形式为：
式中，φ是速度、温度、组分浓度广义变量；二维区域包括爆炸容器和管道均为圆柱形；
步骤二、采用离散化方法中的有限容积法计算流体力学软件FIUENT，在积分过程中对界面上被求函数本身对流通量及其一阶导数扩散通量的构成方式作出假设，形成了不同的离散格式，只有用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性只要界面上的插值方法对位于界面两侧的控制容积是一样的，
具体为应用控制容积积分法导出离散方程：第1、将守恒型的控制方程在任一控制容积内及时间间隔内对空间与时间作积分；
第2、选定未知函数及其导数对时间及空间的局部分布曲线，即型线，也就是如何从相邻节点的函数值来确定控制容积界面上被求函数的插值方式；
第3、对各个项按选定的型线作出积分，并整理成关于节点上未知值的代数方程。
2.根据权利要求1所述的基于fluent的粉尘爆炸模拟方法，其特征是：
采用有限容积法要对通用的守恒方程
进行离散从而
求解，将偏微分方程在控制容积内积分转化为各变量的离散代数方程，对代数方程线性化求解，方程中对流项的离散采用一阶迎风格式，扩散项的离散采用中自差分格式，时间离散采用Guass-Seidel一阶隐式格式，二维离散方程的线化方程为：
a PφP＝a WφW+a EφE+a SφS+a NφN+b；
式中，系数a W，a E，a S，a N取决于在对流项中引入的特定离散格式，采用的一阶迎风格式有，a W＝D w+max(0,F w)，a E＝D e+max(0,-F e)，a S＝D s+max(0,F s)，a N＝D n+max(0,F n)，
3.根据权利要求2所述的基于fluent的粉尘爆炸模拟方法，其特征是：写出所有控制体
积的中心网格节点上具有式
的其它离散方程，从而组成一个线性代数方程组，方程组中的未知量就是各节点上的φ值，求解这个方程组，就可以得到未知量φ在空间的分布；利用稳态流的算法其计算步骤描述如下：
第1、假定一个速度分布u0，v0，w0以此计算动量离散方程中的系数及常数项；
第2、假定一个压力场p*；
第3、依次求解三个动量方程，得到各个速度分量u*，v*，w*；
第4、求解压力修正方程，得到p′；
第5、根据p′改进速度值；
第6、利用改进后的速度场求解那些通过源项物性等与速度场祸合的φ变量；
第7、利用改进后的速度场重新计算动量离散方程的系数，并用改进后的压力场作为下一层次迭代计算的初值，重复上述步骤，直到获得收敛的解。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于fluent的粉尘爆炸模拟方法，其特征是：
所述的对离散相的求解包括计算颗粒的轨迹和计算颗粒沿其轨迹运动时的颗粒与连续相之间的热量和质量传递，其中，
颗粒轨迹的计算通过对描述其运动的方程和
进行时间积分来实现；
通用形式为a包含除拖曳
力以外所有其它的力造成的加速度；
采用F L U E N T的梯形离散格式对微分方程求解为
一种基于fluent的粉尘爆炸模拟方法
技术领域：
[0001]本发明涉及一种基于fluent的粉尘爆炸模拟方法。
背景技术：
[0002]工业粉尘爆炸涉及各个行业和部门，像粮食加工、煤炭开采、纺织、冶金、化工这些行业随处可见粉尘，而随着时代的进步，科技的成熟和生产规模的扩大，工业粉尘爆炸事故也越容易发生。自从1785年意大利Durin面粉厂的发生的第一次粉尘爆炸事故以来，世界上已经发生了很多严重的粉尘爆炸事故，因此也造成了大量人员伤亡和巨大的经济损失。尽管各国的科研工作者在100多年间对粉尘爆炸的预防和防护工作进行了大量的探讨和研究，但迄今为止，粉尘爆炸仍然是威胁现代加工、运输、储藏等过程工业安全生产的重要危险源之一。
[0003]国内外一些研究者利用FLUENT对燃烧和爆炸问题进行了研究。Krause和Kasch利用 FLUENT研究了粉尘浓度和流速对层流和湍流火焰传播的影响作用，并对一个真实谷物筒仓中的粒子分布和流动结构进行了数值模拟，对发生粉尘爆炸时可能造成的影响作用进行了研究。王志强采用FLUENT对中二次风水平摆角对炉内气固流场的影响进行了数值模拟研究。王志荣构建了气体爆炸的数学模型并利用对不同几何结构中的气体爆炸进行了数值模拟，研究了受限空间的气体爆炸传播及其动力学过程。
[0004]尽管数值模拟己成为一种日趋流行的研究工具，但仍有一些问题有待解决，如描述化学反应的良好模型，描述湍流和粒子间相互作用的良好模型，描述相间及粒子与粒子之间相互作用的良好模型。
发明内容：
[0005]本发明的目的是为了提供一种基于fluent的粉尘爆炸模拟方法。
[0006]上述的目的通过以下的技术方案实现：
[0007]一种基于fluent的粉尘爆炸模拟方法，
[0008]步骤一、将二维区域中气体通用形式的气相守恒方程：
在柱坐标系下进行二维展开，得到二维柱坐标系下的形式为：
[0009]
[0010]式中，φ是速度、温度、组分浓度广义变量；二维区域包括爆炸容器和管道均为圆柱形；
[0011]步骤二、采用离散化方法中的有限容积法计算流体力学软件FIUENT，在积分过程中对界面上被求函数本身对流通量及其一阶导数扩散通量的构成方式作出假设，形成了不
同的离散格式，只有用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性只要界面上的插值方法对位于界面两侧的控制容积是一样的，具体为应用控制容积积分法导出离散方程：[0012]第1、将守恒型的控制方程在任一控制容积内及时间间隔内对空间与时间作积分；[0013]第2、选定未知函数及其导数对时间及空间的局部分布曲线，即型线，也就是如何从相邻节点的函数值来确定控制容积界面上被求函数的插值方式；
[0014]第3、对各个项按选定的型线作出积分，并整理成关于节点上未知值的代数方程。[0015]有益效果：
[0016]有限容积法从描写流动与传热问题的守恒型控制方程出发，对其在控制容积上作积分, 在积分过程中需要对界面上被求函数本身对流通量及其一阶导数扩散通量的构成方式作出假设，这就形成了不同的离散格式。由于扩散项多是采用相当于二阶精度的线性插值，因而离散格式的区别主要表现在对流项上。用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性只要界面上的插值方法对位于界面两侧的控制容积是一样的即可，其区域形状和适应性也比有限差分法要好，因此该方法是目前应用最普遍的一种数值离散方法。控制容积积分法是有限容积法中建立离散方程的主要方法。
[0017]由于粉尘爆炸是一个瞬态的物理化学过程，因此需要对其进行非稳态求解。本文采用瞬态流的算法进行求解。该算法在每一个时间步上都利用稳态的算法对所有方程进行迭代求解，直到满足收敛标准，才转向下一个时间步的求解，因此通常在每一个时间步上都需要进行多次外迭代。此种算法考虑了单个方程的非线性和方程间的耦合，消除了分离误差。
[0018]计算简单，当颗粒有较复杂的变化经历时能较好的追踪颗粒的运动数值计算时也不会产生伪扩散，还考虑了流体湍流脉动对颗粒的影响。
具体实施方式：
[0020]具体实施方式一：
[0021]本实施方式的一种基于fluent的粉尘爆炸模拟方法，
[0022]步骤一、将二维区域中气体通用形式的气相守恒方程：
在柱坐标系下进行二维展开，得到二维柱坐标系下的形式为：
[0023]
[0024]式中，φ是速度、温度、组分浓度广义变量；二维区域包括爆炸容器和管道均为圆柱形；
[0025]步骤二、采用离散化方法中的有限容积法计算流体力学软件FIUENT，在积分过程中对界面上被求函数本身对流通量及其一阶导数扩散通量的构成方式作出假设，形成了不同的离散格式，只有用有
限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性只要界面上的插值方法对位于界面两侧的控制容积是一样的，具体为应用控制容积积分法导出离散方程：[0026]第1、将守恒型的控制方程在任一控制容积内及时间间隔内对空间与时间作积分；
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