专利名称：一种快速获取固相颗粒所处非结构气相网格信息的方法
技术领域：
本发明属于气固两相流动计算机数值模拟领域，具体涉及一种快速获取气固两相数值模拟中固相颗粒所处非结构气相网格信息的方法。
背景技术：
气固两相流动广泛存在于能源、化工、环保等领域，随着计算机速度的大幅提高， 气固两相流动的计算机数值模拟技术也随之快速发展，并在生产实际中发挥出越来越重要的作用。在气固两相流动计算机数值模拟中，一种行之有效的措施是将气相场和固相颗粒场分开处理，分别采用欧拉方法和拉格朗日方法进行数值模拟，这样可以充分提高计算效率和增加数值模拟的准确性。在计算离散颗粒所受的气体曳力以及颗粒对气相流场反作用的求解过程中，必须获得颗粒所处当地气相网格的信息，如当地气体流速等。对于复杂外形几何体的非结构网格，如何准确、快速判断颗粒所处的当前网格，是一个难题。如果采用对多个非结构气相网格进行数据平均的方法加以解决，则该过程将不可避免地牺牲大量气相场信息，从而降低了计算精度；然而采取在每个时间步长中都求解颗粒到计算区域内所有非结构气相网格中心点之间距离，来获得颗粒所处的当前非结构气相网格的方法，又会带来极其巨大的计算量，从而大大降低了计算速度。若能找到一种快速确定固相颗粒所在非结构气相网格的方法，则可使气固两相数值模拟的效率大大提高。
发明内容
发明目的针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种快速获取气固两相数值模拟中固相颗粒所处非结构气相网格信息的方法，该方法除去了传统方法中因搜索颗粒所处非结构气相网格而带来的巨大计算量，从而大大提高了气固两相数值计算的速度和精度。技术方案为了实现上述发明目的，本发明采用快速获取固相颗粒所处非结构气相网格信息的方法的技术方案如下
步骤1)在气相计算所划分的非结构网格中，分别建立大型、小型两套结构网格对整个计算区域加以覆盖；其中，大型结构网格尺度大于非结构气相网格尺度，小型结构网格尺度小于非结构气相网格尺度；
步骤2)扫描计算区域内的所有非结构气相网格，将每个大型结构网格所覆盖的非结构气相网格的序号进行统计注册，建立数组以备后继计算使用；
步骤3)确定每个小型结构网格所在的大型结构网格，根据步骤2)中建立的数组，求解小型结构网格的中心点与其所处的大型结构网格内所有非结构气相网格中心点的距离，其中最小距离者即为该小型结构网格所处的非结构气相网格，之后对每个小型结构网格所属的非结构气相网格序号进行统计注册，建立数组以备后继计算使用；
步骤4)在每个时间步长的计算中，根据颗粒位置确定其所处的小型结构网格，由步骤
33)中建立的数组从而得到该颗粒所处的非结构气相网格信息。在步骤1)中，大型结构网格尺度要大于非结构气相网格尺度，其尺度越大，则建立的大型结构网格个数越少，单个大型结构网格所含的非结构气相网格个数越多，因而步骤 3)中求解小型结构网格的中心点与其所处的大型结构网格内所有非结构气相网格中心点距离的次数就越多，在数值计算中，大型结构网格尺度应根据以上所述原则和计算机软、硬件条件来设定。在步骤1)中，小型结构网格尺度要小于非结构气相网格尺度，其尺度越小，则建立的小型结构网格个数越多，单个非结构气相网格所含的小型结构网格的个数越多，因而步骤4)中获取颗粒所处的非结构气相网格信息越精确，步骤3)中求解小型结构网格的中心点与其所处的大型结构网格内所有非结构气相网格中心点距离的次数就越多，在数值计算中，小型结构网格尺度根据以上所述原则和计算机软、硬件条件来设定。在步骤3)中，当小型结构网格位于大型结构网格边沿附近时，对于二维计算，求解小型结构网格与非结构气相网格中心点距离的范围扩大到该小型结构网格所处的大型结构网格相邻的8个大型结构网格。在步骤3)中，当小型结构网格位于大型结构网格边沿附近时，对于三维计算，求解小型结构网格与非结构气相网格中心点距离的范围扩大到该小型结构网格所处的大型结构网格相邻的沈个大型结构网格。有益效果本发明的快速确定固相颗粒所在气相非结构网格的方法，对非结构网格无需进行平均处理，而是首先通过分割计算区域、邻域搜索以及计算小型结构网格-非结构气相网格中心点最小距离法确定小型结构网格所处的非结构气相网格，之后在迭代计算中通过固相颗粒所处小型结构网格来直接获取该颗粒所处的非结构气相网格信息，因而增强了数值模拟的准确性；除此之外，本发明无需求解颗粒到计算区域内非结构气相网格中心点之间距离，因此除去了因搜索颗粒所处非结构气相网格而带来的计算量，从而又大大提高了计算的速度。
图1是气相计算所划分的非结构网格和及其所覆盖的大型结构网格示意图。图2是气相计算所划分的非结构网格和及其所覆盖的小型结构网格示意图。图3是迭代计算前搜索各个小型结构网格所处的非结构气相网格示意图。图4是数值计算中由离散颗粒所处的小型结构网格来确定该颗粒所处非结构气相网格示意图。
具体实施例方式本发明的快速获取气固两相数值模拟中固相颗粒所处非结构气相网格信息的方法，包括以下步骤
(1)在气相计算所划分的非结构网格中，分别建立大型、小型两套结构网格对整个计算区域加以覆盖。其中，大型结构网格尺度大于非结构气相网格尺度，其尺度越大，则建立的大型结构网格个数越少，单个大型结构网格所含的非结构气相网格个数越多，因而下文步骤(3)中求解小型结构网格的中心点与其所处的大型结构网格内所有非结构气相网格中心点距离的次数就越多。另外，小型结构网格尺度要小于非结构气相网格尺度，其尺度越小， 则建立的小型结构网格个数越多，单个非结构气相网格所含的小型结构网格的个数越多， 因而下文步骤(4)获取颗粒所处的非结构气相网格信息越精确，但是下文步骤(3)中求解小型结构网格的中心点与其所处的大型结构网格内所有非结构气相网格中心点距离的次数就越多；
(2)扫描计算区域内的所有非结构气相网格，将每个大型结构网格所覆盖的非结构气相网格的序号进行统计注册，建立数组以备后继计算使用；
(3)确定每个小型结构网格所在的大型结构网格，根据步骤(2)中建立的数组，求解小型结构网格的中心点与其所处的大型结构网格内所有非结构气相网格中心点的距离，其中最小距离者即为该小型结构网格所处的非结构气相网格，对每个小型结构网格所属的非结构气相网格序号进行统计注册，建立数组以备后继计算使用。当小型结构网格位于大型结构网格边沿附近时，对于二维计算，求解小型结构网格与非结构气相网格中心点距离的范围扩大到该小型结构网格所处的大型结构网格相邻的8个大型结构网格。而对于三维计算，则应扩大到该小型结构网格所处的大型结构网格相邻的26个大型结构网格。(4)在每个时间步长的计算中，根据颗粒位置确定其所处的小型结构网格，由步骤(3)中建立的数组从而得到该颗粒所处的非结构气相网格信息。下面结合具体实施例对本发明做进一步的解释。实施例1气相流场的数值模拟通常采用二维或三维进行，现以二维情形进行叙述，三维情形可依此类推
(1)对于气相计算所划分的非结构网格，首先分别建立大型、小型两套结构网格对整个计算区域加以覆盖。其中，大型结构网格尺度大于非结构气相网格尺度，小型结构网格尺度小于非结构气相网格尺度，如图1、2所示。椭圆区域为气相计算所划分的非结构网格求解区域，大、小两种正方形为所建立的两套结构网格覆盖区域；(2)扫描计算区域内的所有非结构网格，将每个大型结构网格所覆盖的非结构气相网格的序号进行统计注册，建立数组以备后继计算使用；(3)确定每个小型结构网格所在的大型结构网格，根据步骤(2)中建立的数组，求解小型结构网格的中心点与其所处的大型结构网格内所有非结构网格中心点的距离，其中最小距离者即为该小型结构网格所处的非结构网格，对每个小型结构网格所属的非结构气相网格序号进行统计注册，建立数组以备后继计算使用；(4)考虑当小型结构网格位于大型结构网格边沿附近时，其所处的非结构气相网格有可能在大型结构网格的相邻网格内产生，如图3所示，小型结构网格a所处非结构气相网格I的中心点位于该小型结构网格所处大型结构网格A的相邻大型结构网格B中。因此，需将上述(3)中所需求解颗粒与非结构气相网格中心点距离的范围扩大到该结构网格相邻的8个大型结构网格(对于三维计算，扩大到相邻的26个大型结构网格区域)；(5)在每个时间步长的计算中，根据颗粒位置确定其所处的小型结构网格，由步骤(3)中建立的数组从而得到该颗粒所处的非结构气相网格信息。如图4所示，颗粒1位于小型结构网格a中，而小型结构网格a又位于非结构气相网格I中，从而可以确定颗粒1位于非结构气相网格I中。本发明的方法利用所建立的大型结构网格，来快速确定小型结构网格所处的空间位置，并使得对非结构气相网格的搜索范围大大缩小。以200，000个非结构气相网格计算空间为例，如果采用的大型结构网格数为2，000个，平均而言，每个大型结构网格覆盖100个非结构气相网格，则计算每个小型结构网格到非结构网格中心点距离的次数可从 200, 000次减少到900次(三维的情况下减少到2，700次)。更为重要的是，在判断颗粒所处的非结构气相网格时，可以根据该颗粒所处的小型结构网格来直接确定。也就是说，当采用传统方法，仅仅是在单个时间步长中、1个颗粒需要搜索所处非结构气相网格的次数就达到了 200，000次。而采用本发明的方法，这一极其巨大的计算量将可以省去，从而大大提高了计算效率。
权利要求
1.一种快速获取固相颗粒所处非结构气相网格信息的方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤1)在气相计算所划分的非结构网格中，分别建立大型、小型两套结构网格对整个计算区域加以覆盖；其中，大型结构网格尺度大于非结构气相网格尺度，小型结构网格尺度小于非结构气相网格尺度；步骤2)扫描计算区域内的所有非结构气相网格，将每个大型结构网格所覆盖的非结构气相网格的序号进行统计注册，建立数组以备后继计算使用； 步骤3)确定每个小型结构网格所在的大型结构网格，根据步骤2)中建立的数组，求解小型结构网格的中心点与其所处的大型结构网格内所有非结构气相网格中心点的距离，其中最小距离者即为该小型结构网格所处的非结构气相网格，之后对每个小型结构网格所属的非结构气相网格序号进行统计注册，建立数组以备后继计算使用；步骤4)在每个时间步长的计算中，根据颗粒位置确定其所处的小型结构网格，由步骤3)中建立的数组从而得到该颗粒所处的非结构气相网格信息。
2.根据权利要求1所述的快速获取固相颗粒所处非结构气相网格信息的方法，其特征在于步骤1)中，大型结构网格尺度要大于非结构气相网格尺度，其尺度越大，则建立的大型结构网格个数越少，单个大型结构网格所含的非结构气相网格个数越多，因而步骤3)中求解小型结构网格的中心点与其所处的大型结构网格内所有非结构气相网格中心点距离的次数就越多，在数值计算中，大型结构网格尺度应根据以上所述原则和计算机软、硬件条件来设定。
3.根据权利要求1所述的快速获取固相颗粒所处非结构气相网格信息的方法，其特征在于步骤1)中，小型结构网格尺度要小于非结构气相网格尺度，其尺度越小，则建立的小型结构网格个数越多，单个非结构气相网格所含的小型结构网格的个数越多，因而步骤4) 中获取颗粒所处的非结构气相网格信息越精确，步骤3)中求解小型结构网格的中心点与其所处的大型结构网格内所有非结构气相网格中心点距离的次数就越多，在数值计算中，小型结构网格尺度根据以上所述原则和计算机软、硬件条件来设定。
4.根据权利要求1所述的快速获取固相颗粒所处非结构气相网格信息的方法，其特征在于步骤3)中，当小型结构网格位于大型结构网格边沿附近时，对于二维计算，求解小型结构网格与非结构气相网格中心点距离的范围扩大到该小型结构网格所处的大型结构网格相邻的8个大型结构网格。
5.根据权利要求1所述的快速获取固相颗粒所处非结构气相网格信息的方法，其特征在于步骤3)中，当小型结构网格位于大型结构网格边沿附近时，对于三维计算，求解小型结构网格与非结构气相网格中心点距离的范围扩大到该小型结构网格所处的大型结构网格相邻的26个大型结构网格。
全文摘要
本发明公开了一种快速获取固相颗粒所处非结构气相网格信息的方法。该方法包括(1)建立大型和小型两套结构网格对非结构气相网格加以覆盖；(2)扫描气相网格，将各个大型结构网格所覆盖的气相网格进行统计注册；(3)当计算小型结构网格与其所处大型结构网格内的气相网格之间距离取得最小值时，即为该小型结构网格所处的气相网格，并将它们之间的关系建立数组；(4) 后续计算中，根据颗粒位置确定其所处的小型结构网格，由步骤(3)中建立的数组来获取该颗粒所处非结构气相网格的信息。本发明的方法，在保证气固两相数值模拟准确性的同时，除去了传统方法中因搜索颗粒所处气相网格而带来的巨大计算量，从而大大提高了数值计算效率。
文档编号G06F19/00GK102156806SQ20111006886
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者朱立平, 袁竹林 申请人:东南大学