一种基于欧拉-拉氏点框架的模拟激波卷扬粉尘的方法与流程

本发明涉及工业安全，尤其是涉及一种基于欧拉-拉氏点框架的模拟激波卷扬粉尘的方法。

背景技术：

1、在工业生产和处理过程中，可燃性粉尘的存在是一项潜在的危险因素。特别是在煤矿开采、食品加工、金属制造等工业环境中，可燃粉尘云的形成和爆炸威胁着工作场所的安全性。

2、粉尘云的形成和爆炸是工业安全领域的关键挑战之一。通常情况下，初始爆炸由设备摩擦生热或其他因素诱导，引发激波。激波作用下，地面或设备表面的沉积粉尘颗粒被扬起并分散到周围的空气中，形成粉尘云。当粉尘云被激波加热气体点燃时，释放的热能导致前导冲击波的增强，继而促使更多颗粒从粉尘层中扬起。这种扬尘和能量释放的正反馈效应最终可能引发二次气体粉尘爆炸，造成严重的损害和危险。

3、为了有效预防和缓解粉尘爆炸事件，必须深入理解激波作用下颗粒扬起的机制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于欧拉-拉氏点框架的模拟激波卷扬粉尘的方法，能够精确模拟粉尘云的形成过程，预测可能的爆炸风险，并为多个领域带来安全性、效率和可持续性的提高，减少粉尘爆炸带来的危险。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于欧拉-拉氏点框架的模拟激波卷扬粉尘的方法，包括以下步骤：

3、s1、设置模拟的初始和几何边界条件；

4、s2、建立数值模拟方法；

5、s3、将步骤s2的数值模拟方法应用于步骤s1的球形颗粒运动以及激波传播模拟。

6、优选的，在步骤s2中，具体包括以下步骤：

7、s21、控制方程建立；

8、s211、颗粒相控制方程与颗粒受力模型建立；

9、s212、气相控制方程建立；

10、s22、数值求解算法建立。

11、优选的，在步骤s211中，具体包括以下内容：

12、对单个颗粒运动应用牛顿第二定律，建立的颗粒相控制方程

13、

14、式中，表示单个颗粒的速度矢量，表示单个颗粒的位置矢量，dt表示位置随时间的变化率；

15、

16、式中，ρp表示单个颗粒的质量密度，表示颗粒的加速度；

17、对于激波扬尘问题，颗粒的受力模型仍是一个开放性问题，本方法全面地考虑了作用在颗粒上的七种力。

18、优选的，在步骤s211中，作用在颗粒上的七种力包括：

19、(1)自然存在的重力效应

20、

21、式中，表示重力加速度，大小等于9.8m/s2；

22、(2)激波存在的曳力

23、由气体-颗粒相对运动产生：

24、

25、式中，κp，i表示曳力系数，vp，i表示颗粒的体积，表示网格单元中平均气体速度矢量；

26、(3)激波存在的压力梯度力

27、由气体压力梯度产生：

28、

29、式中，表示气体压力场的梯度；

30、(4)稠密或者过渡态气固两相流碰撞力

31、由颗粒-颗粒或颗粒-壁面碰撞产生：

32、其中

33、

34、

35、

36、式中，表示碰撞项，mp表示颗粒的质量，表示使用离散元方法dem计算得到的碰撞力，kn，pc表示颗粒碰撞刚度系数，δn表示颗粒碰撞过程中的重叠宽度，表示单位法向矢量，γn，pc表示颗粒碰撞阻尼系数，表示相对速度矢量，epc表示颗粒碰撞恢复系数，mpc表示颗粒的质量；

37、(5)magnus力

38、由气流旋转产生：

39、

40、式中，cmag表示与magnus力系数，ρf表示气体的密度，表示气体速度的旋度；

41、(6)saffman力

42、由气体剪切产生：

43、

44、式中，表示气体流动速度在x方向上的梯度，csaf表示与saffman力系数，dp表示颗粒的直径，表示气体在x方向上的速度，vpx表示颗粒在x方向上的速度，μf表示气体的动力粘度，表示saffman力方向矢量；

45、(7)考虑到可压缩流体和粉尘颗粒的加速度很大，本方法也评估了虚拟质量力的影响

46、由气体-颗粒相对加速运动产生：

47、

48、cvm表示虚拟质量力系数，表示气体速度矢量，表示颗粒速度矢量；

49、需要特别注意的是，本方法聚焦于扬尘的初始阶段，即激波经过后几百微秒的时间尺度，此时流场仍是层流，因此湍流的影响暂时不考虑。

50、优选的，在步骤s212中，具体包括以下内容：

51、对于气相，粘性效应包含在曳力模型中，气相和颗粒相的双向耦合表现在气相动量方程和能量方程的源项，简化的气相控制方程为

52、

53、

54、

55、其中，表示偏导数操作符，αf，αp，ef和vcell分别表示气相和颗粒的体积分数，气相速度矢量，单个网格内颗粒相的平均速度矢量，气相总能量，欧拉控制单元的体积，是稠密可压缩气体-颗粒流中的一个特殊项，称为nozzling项，由颗粒运动导致控制体颗粒相体积分数变化引起，nozzling项经常出现在双流体模型中，也代表了基于气相相对于固体颗粒更高压缩性的气固界面特性，气相和颗粒相的体积分数之和等于1，即αf+αp＝1。

56、优选的，在步骤s22中，具体包括以下内容：

57、为了数值求解步骤s21中的控制方程，采用如下数值算法：

58、对于气相，采用三阶runge-kutta格式进行时间推进，通过tvd格式对原始流动变量进行重构，使用hll发展的黎曼求解器获取网格界面上的通量；

59、对于颗粒相，采用snider类似的模型来求解颗粒的速度和位置；

60、在每次时间推进计算中，气相和颗粒相采用相同的时间步长δt，时间步长由cfl条件控制，通过

61、

62、

63、

64、计算得到，其中δtfluid为气相的时间步长，ufx，uf,y为气体在x和y方向上的速度分量，cf为气相中的声速，cp表示稠密颗粒相中扰动传播速度，δx为空间网格中的x方向网格间距，δy为空间网格中的y方向网格间距，δtparticle为颗粒相的时间步长，此外，为了降低计算量采用了粗粒度的dem方法，即若干个真实颗粒打包为一个颗粒包。

65、因此，本发明采用上述一种基于欧拉-拉氏点框架的模拟激波卷扬粉尘的方法，其技术效果如下：

66、(1)本方法通过考虑多种力的影响，能够高度精确地模拟激波作用下的粉尘扬起现象。这意味着数值模拟可以准确地捕捉到颗粒在扬起过程中的运动轨迹、高度变化以及相互作用力的影响。

67、(2)模拟结果的准确性和可靠性使得这项研究在多个应用领域具有广泛的潜在用途，如在工业过程中，使用数值模拟来模拟激波作用下粉尘扬起过程，以评估粉尘爆炸的潜在风险，这有助于确定哪些区域存在爆炸危险，并采取适当的措施来降低风险。工程师和研究人员可以借助这个模拟方法更好地理解和控制激波作用下的粉尘扬起过程，从而改善工作环境、提高生产效率。

68、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。