一种基于CFD的艾烟真空回收系统的仿真方法

一种基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法
技术领域
1.本发明公开涉及烟气真空回收仿真的技术领域，尤其涉及一种基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法。


背景技术：

2.艾烟的成分具有极强的吸附性，可以附着在居室墙表面，渗入到衣物之中，乃至漫延漂浮在室内空气中，经久不散，对人体和家具都有害，因此，艾烟的回收成为艾灸机器人推广的重要难点。然而，有关艾烟真空回收系统内部流场的运动十分复杂，其中涉及到了热源热量的传递，导致内部空气的受热不均影响流场的变化，还涉及到真空压力导致流场的剧烈运动，这两者的复合作用加大了流场的复杂性。
3.这样复杂流场的模拟对于需采用多大压力对艾烟进行回收处理以及挑选怎样的结构来说非常重要，在实际试验中，采用局部测量的方法不仅对于测量仪器精度要求高导致测量成本高，而且很难完整全面地了解系统内部的流体运动情况，导致无法精确对艾灸烟气回收系统进行选型和设计，也无法找到最为合适的真空压力。
4.然而，基于cfd的艾烟回收模拟是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，通过偏微分方程组得到流场内各个位置上的物理量的分布，因此，cfd模拟对于真空回收烟气流场的完整呈现甚至是对艾灸机器人的开发具有非常重要的意义。但针对艾灸机器人复杂的流场模拟，如果不考虑热量传递或是对热量传递的设置不正确，采用常规cfd模拟方法的话，则无法模拟出艾灸烟气准确的流动状况，以致于对于出口处的真空压强与艾烟真空回收系统的匹配性无法准确确定，无法准确确定出艾烟真空回收系统中真空回收泵准确选型。
5.因此，是否可研究一种基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，以便进行艾灸机器人中回收系统的真空回收泵选型，成为人们亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.鉴于此，本发明提供了一种基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，以解决背景技术中所存在的问题。
7.本发明提供的技术方案，具体为，一种基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，该方法包括如下步骤：
8.s1：依据待仿真艾烟真空回收系统，建立计算域三维模型，并对所述计算域中热源固体区域与流体区域的交界面进行耦合处理，获得耦合处理后的计算域三维模型；
9.s2：采集待仿真艾烟真空回收系统的物理场数据，确定求解模型、定义发生源、定义热源区域条件、流体区域条件、边界条件以及定义计算域出口处的真空压强后，划分计算域三维模型网格，对网格进行无关性检验，检验为无关后，导入到ansys fluent软件中先在欧拉坐标系下进行连续相的cfd求解，再在拉格朗日坐标系下进行离散相的求解；
10.s3：基于cfd求解的结果，依据烟气回收率的表达式计算获得回收率，并依据回收
率确定待仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强是否匹配。
11.优选，步骤s1中，依据待仿真艾烟真空回收系统，建立计算域三维模型，具体为：
12.采集待仿真艾烟真空回收系统的结构数据，并依据所述结构数据建立三维模型；
13.将所述三维模型的内部填充流体并建立热源固体，形成建立的计算域三维模型；
14.其中，所述结构数据包括：艾烟回收系统中各个部件的几何尺寸及其位置关系，所述艾烟回收系统由烟气回收罩、烟气回收导管、艾条以及真空回收泵构成，所述烟气回收导管与烟气回收罩相连接，真空回收泵与烟气回收导管的末端相连接，艾条从烟气回收罩顶部开口竖直深入烟气回收罩中央位置。
15.进一步优选，步骤s1中，计算域中热源固体区域与流体区域的交界面的耦合处理具体为：采用ansys design modeler软件将固体热源区域与流体区域两部分构建为一个部件。
16.进一步优选，步骤s2中，所述待仿真艾烟真空回收系统的物理场数据包括：待仿真艾烟真空回收系统内部流体的平均流速、液体动力粘度、密度、流束的定型尺寸；艾条热源的厚度、温度、成分；艾灸条产生烟气的成分；烟气颗粒在系统内的体积分数、密度、导热系数、每秒钟产生的颗粒质量、颗粒粒径、颗粒进入流体域的初始速度；烟气回收罩材质及其密度、导热系数、温度；真空泵的压强大小。
17.进一步优选，所述求解模型包括：空气连续相湍流模型、能量方程和颗粒离散相的受力模型。
18.进一步优选，所述空气连续相湍流模型为k-epsilon湍流模型，其中，k为湍流动能；ε为湍流耗散率；μ湍流黏性系数，ρ为流体密度，σk、σ
ε
分别与湍流动能k和湍流耗散率ε对应的普朗特数；且k和ε的输运方程分别为：
[0019][0020][0021]
其中：
[0022][0023]
进一步优选，所述能量方程为：微元体中能量的增加率和回收系统中所有的力相等，包括体积力、表面力、流体的净质量对微元体所做的功，它的表达式为：
[0024]
[0025]
式中，t表示温度，k表示流体的传热系数，c
p
为比热容，四项分别代表温度的变化率、对流项、扩散项、源项，源项主要表示烟源放热
[0026]
进一步优选，所述颗粒离散相的受力模型为斯托克斯曳力模型，具体表达式如下：
[0027][0028]
式中，且λ为分子平均自由程；
[0029]
虚拟质量力为艾烟颗粒在真空回收过程中会受到空气流体的影响，空气加速运动时作用在颗粒上的附加力为虚质量力，其可表达为：
[0030][0031]
式中，为虚质量系数c
vm
为0.5；
[0032]
压力梯度力为空气压力梯度作用在颗粒上的附加力表示为：
[0033][0034]
热泳力作为附加力中加入对粒子的热泳效应，其表达式为：
[0035][0036]
式中，d
t,p
为热泳系数；
[0037]
离散相所对应的力平衡控制方程为：
[0038][0039]
式中，m
p
为颗粒的质量；为连续相的速度；为颗粒速度；ρ为连续相的密度；ρ
p
为颗粒的密度；为附加力；为颗粒曳力；τr为颗粒的弛豫时间。
[0040]
进一步优选，步骤s2中，所述定义发生源、定义热源区域条件、流体区域条件、边界条件，具体为：
[0041]
所述发生源包括：艾烟颗粒的喷射类型、喷射矢量速度、单位时间的喷射量、艾烟颗粒初始温度、粒径大小和材料；
[0042]
所述热源区域条件包括：材料和温度；
[0043]
所述流体区域条件为不可压缩的理想气体；
[0044]
所述边界条件包括：计算域的各个边界的温度和材料，其中，边界包括壁面和各相出入口。
[0045]
进一步优选，步骤s3中，基于cfd求解的结果，依据烟气回收率的表达式计算获得回收率，并依据回收率确定待仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强是否匹配，具体为：
[0046]
基于cfd求解的结果，通过流体速度矢量图或者速度流线图分析回收系统内气体在各个部位的速度变化，产出速度与位移间关系的离散拟合曲线；
[0047]
通过流体在壁面处的动压变化得出壁面处流体的动能变化；
[0048]
通过离散相的跟踪得到在各类边界处颗粒的数量，根据烟气回收率的表达式计算获得烟气颗粒回收率，若回收率大于等于阈值，则待仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强是否匹配，否则不匹配，需要重新设定计算域出口处的真空压强；
[0049]
其中，烟气回收率的表达式为：
[0050]
式中，η为艾烟颗粒的回收率；n
trap
为在回收系统真空泵处捕获的颗粒数量，由设置离散相在压力出口处的条件以及在其余出入口处的条件得到，具体地，离散相压力出口处的条件为捕获，其余出入口的条件为逃逸，fluent计算结束可以得到每一条件下追踪到的艾烟颗粒的数量；n
occur
为进入计算域的颗粒数量即发生源处设置的颗粒数量，由发生源面的涉及到的网格数量决定。
[0051]
本发明提供的基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，通过将待仿真艾烟真空回收系统中的计算域中流体区域与热源固体区域的交界面进行了耦合处理，实现准确模拟烟气的流动状态，并且确定了恰当的求解模型、边界条件等，而最终获得连续相的cfd求解，基于cfd求解的结果进行分析，最终获得回收率，以确定待仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强是否匹配，当出口处的真空压强匹配时，依据该真空压强进行烟气回收真空泵的选型即可。
[0052]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
[0053]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施方案，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0054]
为了更清楚地说明本发明实施方案或现有技术中的技术方案，下面将对实施方案或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0055]
图1为本发明公开实施例提供的一种基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法的流程图；
[0056]
图2为本发明公开实施例提供的一种基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法中仿真参数设置构架图；
[0057]
图3为艾烟真空回收系统中两种方案结构的三维模型图；
[0058]
图4为步骤s1中计算域三维模型的示意图；
[0059]
图5为步骤s1中计算域三维模型的效果图；
[0060]
图6为cfd模拟的各个真空压强下回收率的曲线图；
[0061]
图7为艾烟真空回收系统内450pa真空压强下α截面处的流体速度矢量图；
[0062]
图8为后处理所得出的的离散拟合曲线图及对应图示，其中，(a)为四种真空度下的流体速度与位移的关系曲线，(b)为(a)对应的图示说明，(c)另四种真空度下的流体速度与位移的关系曲线，(d)为(c)对应的图示说明；
[0063]
图9为各真空压强下后处理所得出的壁面处流体的动压变化云图，其中，(a)为
330pa真空压强下壁面处流体的动压分布云图，(b)为450pa真空压强下壁面处流体的动压分布云图，(c)为560pa真空压强下壁面处流体的动压分布云图，(d)为660pa真空压强下壁面处流体的动压分布云图；
[0064]
图10为试验与cfd模拟分析的回收结果对比图，其中，(a)为自然对流下的烟雾回收试验，(b)为自然对流下的烟雾回收仿真模拟；(c)为450pa真空压强下的烟雾回收试验；(d)为450pa真空压强下的烟雾回收仿真模拟。
具体实施方式
[0065]
这里将详细地对示例性实施方案进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施方案中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的方法的例子。
[0066]
为了实现便于对艾烟真空回收系统中出口处的真空压强与艾烟真空回收系统的匹配性准确确定，便于艾烟真空回收系统中真空回收泵准确选型，本实施方案提供了一种基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，参见图1，该仿真方法包括如下步骤：
[0067]
s1：依据待仿真艾烟真空回收系统，建立计算域三维模型，并对所述计算域中热源固体区域与流体区域的交界面进行耦合处理，以准确模拟烟气的流动状态，获得耦合处理后的计算域三维模型；
[0068]
s2：采集待仿真艾烟真空回收系统的物理场数据，确定求解模型、定义发生源、定义热源区域条件、流体区域条件、边界条件以及定义计算域出口处的真空压强后，划分计算域三维模型网格，对网格进行无关性检验，检验为无关后，导入到ansys fluent软件中先在欧拉坐标系下进行连续相的cfd求解，再在拉格朗日坐标系下进行离散相的求解；
[0069]
s3：基于cfd求解的结果，依据烟气回收率的表达式计算获得回收率，并依据回收率确定待仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强是否匹配。
[0070]
其中，步骤s1中，依据待仿真艾烟真空回收系统，建立计算域三维模型，具体为：
[0071]
采集待仿真艾烟真空回收系统的结构数据，并依据结构数据建立三维模型；
[0072]
将三维模型的内部填充流体并建立热源固体，形成建立的计算域三维模型；
[0073]
其中，结构数据包括：艾烟回收系统中各个部件的几何尺寸及其位置关系，所述艾烟回收系统由烟气回收罩、烟气回收导管、艾条以及真空回收泵构成，所述烟气回收导管与烟气回收罩相连接，真空回收泵与烟气回收导管的末端相连接，艾条从烟气回收罩顶部开口竖直深入烟气回收罩中央位置。
[0074]
步骤s1中，计算域的流体区域由真空回收系统结构决定，将真空回收系统结构的内部空间填充得到流体区域，上述流体区域的出口依据真空泵所在导管位置而确定，出口面为导管处真空泵的抽吸面；计算域的热源固体区域的厚度依据艾条的燃烧区域厚度确定，并且其位置关系由真空回收系统中艾灸条热源的位置而决定，本实施方案中艾灸条热源的位置如图4、图5所示。本领域的技术人员可以根据具体的艾灸烟气回收系统结构、导管位置以及艾条热源相对于艾烟回收系统的空间位置建立对应的计算域，图3示出了不同艾灸烟气回收系统的两种结构，一种将导管置于空气入口同一面的位置，如图3(a)，而另一种置于其旁边一面的位置,如图3(b)。
[0075]
上述对计算域中热源固体区域与流体区域的交界面进行耦合处理，具体包括：在ansys配套软件——design modeler中将流体区域与热源固体区域两部分构建为一个部件，即视两者为耦合关系，只有通过此耦合操作才能正确模拟热源固体内部热量的传出，从而准确模拟烟气的流动状态。
[0076]
步骤s2中，待仿真艾烟真空回收系统的物理场数据包括：待仿真艾烟真空回收系统内部流体的平均流速、液体动力粘度、密度、流束的定型尺寸；艾条热源的厚度、温度、成分；艾灸条产生烟气的成分；烟气颗粒在系统内的体积分数、密度、导热系数、每秒钟产生的颗粒质量、颗粒粒径、颗粒进入流体域的初始速度；烟气回收罩材质及其密度、导热系数、温度；真空泵的压强大小。
[0077]
上述物理场数据采集后进行了简化处理，具体为：近似将艾烟颗粒视为均匀进入系统内部空间；近似将艾烟颗粒的回收率视为烟气的回收率；近似将真空回收罩与回收导管之间视为无缝隙；近似将真空泵的实际压强视为真空回收系统真空泵所在截面的真空压强；近似将艾条固体热源的材质视为木材；近似将艾烟颗粒的材质视为木材。
[0078]
而解模型包括：空气连续相湍流模型、能量方程和颗粒离散相的受力模型。
[0079]
由于上述真空回收系统中所采用的真空压强值均在100pa以上，该压强下的流体流动为湍流状态，因此本实施方案的真空压强下的连续相湍流模型为可实现的k-epsilon湍流模型。上述模型的选择是根据具体的压强大小选择合适的湍流模型，例如：若想要模拟自然对流下流场运动情况进行对比试验，则选择层流模型进行模拟。由于本实施方案适用于流场域中艾烟颗粒的体积分数在12％以内的情况，因此本实施方案采用离散相模型进求解。
[0080]
发生源的相关条件包括：艾烟颗粒的喷射类型、喷射矢量速度、单位时间的喷射量、艾烟颗粒初始温度、粒径大小和材料，本领域的技术人员可根据不同的模拟实际情况，对以上相关参数进行对应的设置。本实施方案中，以面发生的形式从热源底面垂直向下0.1m/s的速度进入流体区域，颗粒物材质为木材，以每秒3.69e-6kg的质量进入流体域、粒径为0.0002mm、颗粒物初始温度为室温，所受到的力包括虚拟质量力、热泳力、压力梯度力、阻力方程为strokes曳力模型。
[0081]
热源区域条件包括：材料和温度，在实际中温度可根据艾条燃烧的实际情况设置的温度udf程序，使得更为贴近地模拟具有温度变化规律的燃烧热源，本实施方案中，热源区域条件中的材料设置为木材、温度设置为600℃的常数。
[0082]
流体区域的条件为不可压缩的理想气体。由于本实施方案中待分析的真空回收系统内部出入口的压力差小于20％，可近似的按照不可压缩流体计算，其误差在允许范围内。
[0083]
边界条件表示对计算域的各个边界的温度和材料进行设置，边界包括壁面和各相出入口。本实施方案中，连续相(空气)的边界条件：在系统入口处为标准大气压，与外界相通，在系统出口处为标准大气压与真空压强之差，即实际压强，温度均为常温；壁面的边界条件：回收罩壁面为木材，导管壁面为橡胶，温度均为常温，均无滑移；离散相(艾烟颗粒)的边界条件：在系统入口处为逃逸，在系统出口处为捕获，在壁面处为反射。
[0084]
图2示出了本实施方案艾烟真空回收系统的cfd仿真参数设置的具体构架。
[0085]
将计算域出口处的真空压强设置为330pa、450pa、560pa、660pa，分别对这些压强下的流场情况进行模拟，得到的结果如图8-9。
[0086]
划分计算域的网格之后进行求解，具体为：由于本实施方案采用离散相模型模拟内部烟雾的回收情况，并且根据烟雾的扩散规律，烟气是由空气受热上升裹挟烟雾颗粒运动，且艾烟颗粒离散相质量及体积都非常小，只需考虑空气连续相对其产生的影响，无需考虑艾烟颗粒离散相对空气连续相的影响，因此只需要单向耦合这两相进行计算，为了便于计算收敛，将连续相先在欧拉坐标系下进行计算，再将离散相在拉格朗日坐标系下进行计算。其中空气连续相所采用的湍流模型为realizable k-epsilon模型，模型对正应力进行约束，将湍流粘度中的系数c
μ
与应变率联系起来，不为常数。在可实现的k-epsilon模型中，k为湍流动能；ε为湍流耗散率；μ湍流黏性系数，ρ为流体密度，σk、σ
ε
分别与湍流动能k和湍流耗散率ε对应的普朗特数。其中，k和ε的输运方程分别为：
[0087][0088][0089]
其中：
[0090][0091]
由于本实施方案涉及到热量交换，因此需要考虑运用能量方程，能量方程为微元体中能量的增加率和回收系统中所有的力相等，包括体积力、表面力、流体的净质量对微元体所做的功，它的表达式为：
[0092][0093]
式中，t表示温度，k表示流体的传热系数，c
p
为比热容，四项分别代表温度的变化率、对流项、扩散项、源项，源项主要表示烟源放热。回收系统中烟雾各分物理过程都能由源项体现出来，扩散项和对流项分别表示烟雾中物理量之间以导热和对流的方式传热。
[0094]
其中，艾烟颗粒离散相的计算模型为斯托克斯曳力模型。由于艾烟颗粒的直径属于亚微颗粒的直径范围，因此艾烟颗粒的受力模型为斯托克斯曳力模型，表达式如下：
[0095][0096]
式中，参数为stokes阻力公式的cunningham修正系数，其计算方法为：
[0097]
[0098]
其中，λ为分子平均自由程。
[0099]
所述虚拟质量力为艾烟颗粒在真空回收过程中会受到空气流体的影响，空气加速运动时作用在颗粒上的附加力为虚质量力(virtual force)，其可表达为：
[0100][0101]
式中，为虚质量系数c
vm
为0.5。
[0102]
所述压力梯度力(pressure gradient force)为空气压力梯度作用在颗粒上的附加力表示为：
[0103][0104]
所述热泳力的原因是在真空回收系统中空气存在温度梯度，在此空间内悬浮的小颗粒受到的力与温度梯度方向相反。这种现象被称为热泳。ansys fluent可以在附加力中加入对粒子的热泳效应，其表达式为：
[0105][0106]
式中，d
t,p
为热泳系数，可以将系数定义为常数、多项式或用户定义函数。
[0107]
离散相所对应的力平衡控制方程可以写成：
[0108][0109]
式中，m
p
为颗粒的质量；为连续相的速度；为颗粒速度；ρ为连续相的密度；ρ
p
为颗粒的密度；为附加力；为颗粒曳力；τr为颗粒的弛豫时间。
[0110]
步骤s3中，基于cfd求解的结果，依据烟气回收率的表达式计算获得回收率，并依据回收率确定待仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强是否匹配，具体为：基于cfd求解的结果，通过流体速度矢量图或者速度流线图分析回收系统内气体在各个部位的速度变化，产出速度与位移间关系的离散拟合曲线；
[0111]
通过流体在壁面处的动压变化得出壁面处流体的动能变化；
[0112]
通过离散相的跟踪得到在各类边界处颗粒的数量，根据烟气回收率的表达式计算获得烟气颗粒回收率，若回收率大于等于阈值，则待仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强是否匹配，否则不匹配，需要重新设定计算域出口处的真空压强；
[0113]
其中，通常阈值设定为98％，当回收率大于98％，则仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强，当回收率小于98％，则不匹配，可重新设定计算域出口处的真空压强，重复步骤s2进行计算，直到回收率达到98％。
[0114]
其中，对计算结果进行后处理分析为通过流体速度矢量图或者速度流线图分析回收系统内气体在各个部位的速度变化，产出速度与位移间关系的离散拟合曲线；通过流体在壁面处的动压变化得出壁面处流体的动能变化；通过离散相的跟踪得到在各类边界处颗粒的数量，从而得到烟气颗粒回收率。本实施方案所采用的330pa、450pa、560pa、660pa真空
压强的烟气回收率的数据详见图6。
[0115]
上述通过离散相的跟踪得到在各类边界处颗粒的数量，从而得到烟气颗粒回收率，具体地，首先需要建立烟雾颗粒真空回收系统内部颗粒回收率的评价指标，本实施方案将进入计算域中每一艾烟颗粒的大小和质量均看作一致，因此直接将颗粒数量作为衡量回收率中的数值进行计算，其表达式为：
[0116][0117]
式中，η为艾烟颗粒的回收率；n
trap
为在回收系统真空泵处捕获的颗粒数量，由设置离散相(艾烟颗粒)在压力出口处的条件以及在其余出入口处的条件得到，具体地，离散相压力出口处的条件为捕获，其余出入口的条件为逃逸，fluent计算结束可以得到每一条件下追踪到的艾烟颗粒的数量；n
occur
为进入计算域的颗粒数量即发生源处设置的颗粒数量，n
occur
的值由发生源面的涉及到的网格数量决定。
[0118]
本实施方案针对需要得到的结果进行可视化调整后得到图7-图9。其中，图7为系统内450pa真空压强下α截面处的流体速度矢量图，这张图可以准确得知流场中流体的流动方向及速度变化，相对于传统的测量方式来说更为全面直观。图8为计算得出的两组关键数据经过后处理所得出的离散拟合曲线图以及它们的图示说明。第一组数据为系统内部从艾灸执行端艾条底部水平面处竖直向上到部出口的8个等分位移上流体的运动速度；第二组数据为艾灸执行端处艾烟颗粒从艾条底部回收进入吸气管中的位移路径上9个点的运动速度。图9为本实施方案计算得出的壁面处流体的动压变化云图，得到流体动能最强部分所在的位置，从而作为优化结构的一部分依据。由云图可知，在导管距离烟气回收罩出口附近的一块蓝色区域属于烟气动能较弱的一个区域，通过这一块区域之后流体动能急速加剧。从这两张图可以看出空泵处所给真空压强越大，流体的动能越大，真空泵处所给真空压强越大，流体的流速越大。
[0119]
图10(a)与图10(b)为自然对流状态下，烟气流动试验与cfd模拟回收结果的对比图，可以发现对计算域三维模型进行流固耦合设置，可以正确模拟出烟气的走向——沿着艾条竖直向上逃出回收罩，并且烟气逃逸量也与实验几乎一致，以此证明流固耦合的设置可以准确模拟出拥有热源情况下烟气的流动状态。图10(c)与图10(d)为450pa真空压强下，烟气流动试验与cfd模拟回收结果的对比图，可以发现两者的烟气逃逸量几乎一致。
[0120]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施方案仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0121]
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

技术特征：
1.一种基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：依据待仿真艾烟真空回收系统，建立计算域三维模型，并对所述计算域中热源固体区域与流体区域的交界面进行耦合处理，获得耦合处理后的计算域三维模型；s2：采集待仿真艾烟真空回收系统的物理场数据，确定求解模型、定义发生源、定义热源区域条件、流体区域条件、边界条件以及定义计算域出口处的真空压强后，划分计算域三维模型网格，对网格进行无关性检验，检验为无关后，导入到ansys fluent软件中先在欧拉坐标系下进行连续相的cfd求解，再在拉格朗日坐标系下进行离散相的求解；s3：基于求解的结果，依据烟气回收率的表达式计算获得回收率，并依据回收率确定待仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强是否匹配。2.根据权利要求1所述基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，其特征在于，步骤s1中，依据待仿真艾烟真空回收系统，建立计算域三维模型，具体为：采集待仿真艾烟真空回收系统的结构数据，并依据所述结构数据建立三维模型；将所述三维模型的内部填充流体并建立热源固体，形成建立的计算域三维模型；其中，所述结构数据包括：艾烟回收系统中各个部件的几何尺寸及其位置关系，所述艾烟回收系统由烟气回收罩、烟气回收导管、艾条以及真空回收泵构成，所述烟气回收导管与烟气回收罩相连接，真空回收泵与烟气回收导管的末端相连接，艾条从烟气回收罩顶部开口竖直深入烟气回收罩中央位置。3.根据权利要求1所述基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，其特征在于，步骤s1中，计算域中热源固体区域与流体区域的交界面的耦合处理具体为：采用ansys design modeler软件将固体热源区域与流体区域两部分构建为一个部件。4.根据权利要求1所述基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，其特征在于，步骤s2中，所述待仿真艾烟真空回收系统的物理场数据包括：待仿真艾烟真空回收系统内部流体的平均流速、液体动力粘度、密度、流束的定型尺寸；艾条热源的厚度、温度、成分；艾灸条产生烟气的成分；烟气颗粒在系统内的体积分数、密度、导热系数、每秒钟产生的颗粒质量、颗粒粒径、颗粒进入流体域的初始速度；烟气回收罩材质及其密度、导热系数、温度；真空泵的压强大小。5.根据权利要求1所述基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，其特征在于，所述求解模型包括：空气连续相湍流模型、能量方程和颗粒离散相的受力模型。6.根据权利要求5所述基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，其特征在于，所述空气连续相湍流模型为k-epsilon湍流模型，其中，k为湍流动能；ε为湍流耗散率；μ湍流黏性系数，ρ为流体密度，σ
k
、σ
ε
分别与湍流动能k和湍流耗散率ε对应的普朗特数；且k和ε的输运方程分别为：方程分别为：其中：
7.根据权利要求5所述基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，其特征在于，所述能量方程为：微元体中能量的增加率和回收系统中所有的力相等，包括体积力、表面力、流体的净质量对微元体所做的功，它的表达式为：式中，t表示温度，k表示流体的传热系数，c
p
为比热容，四项分别代表温度的变化率、对流项、扩散项、源项，源项主要表示烟源放热。8.根据权利要求5所述基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，其特征在于，所述颗粒离散相的受力模型为斯托克斯曳力模型，具体表达式如下：式中，且λ为分子平均自由程；虚拟质量力为艾烟颗粒在真空回收过程中会受到空气流体的影响，空气加速运动时作用在颗粒上的附加力为虚质量力，其可表达为：式中，为虚质量系数c
vm
为0.5；压力梯度力为空气压力梯度作用在颗粒上的附加力表示为：热泳力作为附加力中加入对粒子的热泳效应，其表达式为：式中，d
t,p
为热泳系数；离散相所对应的力平衡控制方程为：式中，m
p
为颗粒的质量；为连续相的速度；为颗粒速度；ρ为连续相的密度；ρ
p
为颗粒
的密度；为附加力；为颗粒曳力；τ
r
为颗粒的弛豫时间。9.根据权利要求1所述基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，其特征在于，步骤s2中，所述定义发生源、定义热源区域条件、流体区域条件、边界条件，具体为：所述发生源包括：艾烟颗粒的喷射类型、喷射矢量速度、单位时间的喷射量、艾烟颗粒初始温度、粒径大小和材料；所述热源区域条件包括：材料和温度；所述流体区域条件为不可压缩的理想气体；所述边界条件包括：计算域的各个边界的温度和材料，其中，边界包括壁面和各相出入口。10.根据权利要求1所述基于cfd的艾烟真空回收系统的仿真方法，其特征在于，步骤s3中，基于求解的结果，依据烟气回收率的表达式计算获得回收率，并依据回收率确定待仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强是否匹配，具体为：基于求解的结果，通过流体速度矢量图或者速度流线图分析回收系统内气体在各个部位的速度变化，产出速度与位移间关系的离散拟合曲线；通过流体在壁面处的动压变化得出壁面处流体的动能变化；通过离散相的跟踪得到在各类边界处颗粒的数量，根据烟气回收率的表达式计算获得烟气颗粒回收率，若回收率大于等于阈值，则待仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强是否匹配，否则不匹配，需要重新设定计算域出口处的真空压强；其中，烟气回收率的表达式为：式中，η为艾烟颗粒的回收率；n
trap
为在回收系统真空泵处捕获的颗粒数量，由设置离散相在压力出口处的条件以及在其余出入口处的条件得到，具体地，离散相压力出口处的条件为捕获，其余出入口的条件为逃逸，fluent计算结束可以得到每一条件下追踪到的艾烟颗粒的数量；n
occur
为进入计算域的颗粒数量即发生源处设置的颗粒数量，由发生源面的涉及到的网格数量决定。

技术总结
本发明公开了一种基于CFD的艾烟真空回收系统的仿真方法，依据待仿真艾烟真空回收系统，建立计算域三维模型，并对计算域中热源固体区域与流体区域的交界面进行耦合处理，获得耦合处理后的计算域三维模型；采集待仿真艾烟真空回收系统的物理场数据，确定求解模型、定义发生源、定义热源区域条件、流体区域条件、边界条件以及定义计算域出口处的真空压强后，划分计算域三维模型网格，导入到ANSYS Fluent软件中进行连续相的CFD求解；基于CFD求解的结果，依据烟气回收率的表达式计算获得回收率，并依据回收率确定待仿真艾烟真空回收系统与定义的计算域出口处的真空压强是否匹配，以便进行烟气回收真空泵的选型。进行烟气回收真空泵的选型。进行烟气回收真空泵的选型。


技术研发人员：衣正尧 张梦 弥思瑶 冯炳星 曹杰 李昊鸣
受保护的技术使用者：大连海洋大学
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/7/21