一种基于流体仿真的除尘管网优化设计方法与流程

本发明涉及除尘管网流体仿真优化，具体为一种基于流体仿真的除尘管网优化设计方法。

背景技术：

1、除尘管网优化设计在现有技术中主要依据一维阻力计算、经验设计手册或单相气流数值模拟。一维阻力计算将管段、弯头、变径和汇流件等效为局部阻力元件，按设计风速确定管径，根据当量阻力法汇总管网压降并选择风机。经验设计手册通过最低携带风速和推荐弯头曲率半径控制颗粒沉降，但对管网内颗粒分布和壁面沉积状态缺乏定量描述。部分气固两相模拟方法能获得压力场、速度场和颗粒浓度场，但多用于对已设计管网进行校验，较少将模拟结果转化为管段级指标用于参数调整。现有技术方案存在以下缺陷：沉积风险评价停留在平均风速或总体浓度层面，不能根据壁面剪切、颗粒粒径分组和局部压降占比识别弯头、变径及汇流件附近的高沉积管段；管径、弯头曲率和汇流角度通常按经验独立调整，未将沉积敏感性和沿程能耗同时纳入联合寻优，调整后的管网容易出现局部阻力偏高、低流速管段沉积或风机能耗浪费；优化结果缺少气固两相仿真反馈，管径和弯头曲率变化后的颗粒沉积状态未被重新求解验证，设计参数与实际气固流动特性之间容易产生偏差。上述缺陷使除尘管网设计在沉积控制和能耗控制之间难以协调，局部管段容易成为沉积堵塞源头或阻力异常点。需要解决的是管段级沉积系数和沿程耗散系数缺失的问题，以及管径、弯头曲率和汇流角度在多约束条件下联合寻优并迭代验证的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中管段级沉积系数和沿程耗散系数缺失、管径弯头曲率和汇流角度无法联合寻优并迭代验证的问题，提供了一种基于流体仿真的除尘管网优化设计方法，利用带流向标识的管网拓扑数据集建立气固两相仿真域，求解逐管段压力场、速度场和颗粒浓度场，生成管段沉积系数和沿程耗散系数，将两者输入管径与弯头曲率联合寻优过程，在总压降约束和最低输送速度约束下输出管径调整量、弯头曲率调整量和汇流角度调整量，并通过更新拓扑数据集重复求解，得到与实际气固两相流动状态一致的管网设计参数集。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种基于流体仿真的除尘管网优化设计方法，包括：获取除尘管网几何参数与工况参数，按管段、节点、弯头、变径、汇流件和吸风罩生成带流向标识的管网拓扑数据集；根据所述带流向标识的管网拓扑数据集中的粉尘粒径分布与气相流量边界，建立气固两相仿真域，对所述气固两相仿真域求解压力场、速度场和颗粒浓度场，得到逐管段流场数据集；依据所述逐管段流场数据集中的壁面剪切数据、颗粒浓度数据和局部压降数据，生成管段沉积系数和沿程耗散系数；将所述管段沉积系数和所述沿程耗散系数输入管径与弯头曲率联合寻优过程，以总压降约束和最低输送速度约束筛选，输出管径调整量、弯头曲率调整量和汇流角度调整量；按照所述管径调整量、所述弯头曲率调整量和所述汇流角度调整量更新所述带流向标识的管网拓扑数据集并重复所述压力场、速度场和颗粒浓度场求解，得到管网设计参数集。

3、作为本发明的一个技术方案，生成带流向标识的管网拓扑数据集时，对所述除尘管网几何参数与工况参数中的管段中心线进行端点吸附，得到节点坐标集合；根据所述节点坐标集合中的连接顺序写入管段编号、上游节点编号和下游节点编号，得到有向连接表；将所述有向连接表中的弯头角度、变径截面比和汇流件入口夹角写入对应管段属性字段，得到管段属性表；对所述管段属性表执行连通性校验，将孤立管段编号和反向连接编号写入待修正拓扑队列；根据所述待修正拓扑队列更新所述有向连接表，生成所述带流向标识的管网拓扑数据集。通过端点吸附和连通性校验，减少拓扑数据中的孤立管段和反向连接，提升管网模型准确性。

4、优选的，对管段中心线进行端点吸附时，提取管段中心线的首端点和末端点，并按照坐标容差生成端点聚类编号；将属于同一端点聚类编号的首端点和末端点合并为公共节点，得到公共节点坐标；对公共节点坐标中的分支节点写入吸风罩标识和阀门标识，得到节点属性表；根据节点属性表和管段中心线生成节点坐标集合。这样可以在拓扑生成阶段考虑吸风罩和阀门信息，提高管网模型与实际系统的对应程度。

5、建立气固两相仿真域并进行求解时，从所述带流向标识的管网拓扑数据集中提取管段长度、管径、弯头曲率和节点高程，形成流体域网格控制参数；将所述粉尘粒径分布映射为入口颗粒相分组，将所述气相流量边界映射为入口速度边界和出口压力边界；按照所述流体域网格控制参数生成管段网格与局部加密网格，并将所述入口颗粒相分组、所述入口速度边界和所述出口压力边界写入所述管段网格；在所述管段网格上交替求解气相压力速度耦合场与颗粒相浓度输运场，得到节点压力数据、管段速度数据和颗粒沉积通量数据；将所述节点压力数据、所述管段速度数据和所述颗粒沉积通量数据按管段编号封装，得到所述逐管段流场数据集。

6、优选的，在管段网格上交替求解气相压力速度耦合场与颗粒相浓度输运场时，以压力隐式格式求解气相动量方程，得到初始速度数据和初始压力数据；将初始速度数据代入颗粒相输运过程，更新颗粒浓度数据；根据颗粒浓度数据修正气相动量方程中的源项，得到修正压力数据；将修正压力数据与初始速度数据交替更新，得到收敛节点压力数据和收敛管段速度数据；根据收敛节点压力数据和收敛管段速度数据得到壁面沉积通量，生成颗粒沉积通量数据。交替求解方式能够体现颗粒相对气相流场的反向影响，使压力场和速度场更贴近实际除尘管网运行状态。

7、生成管段沉积系数和沿程耗散系数时，将所述逐管段流场数据集中的壁面剪切数据按管段周向位置划分剪切区间，得到低位剪切区段集合；将所述颗粒浓度数据中的颗粒粒径分组与所述低位剪切区段集合叠加，得到分组沉积权重；根据所述局部压降数据中的弯头压降和变径压降，得到局部压降占比；将所述分组沉积权重和所述局部压降占比按管段编号融合，生成所述管段沉积系数；将所述逐管段流场数据集中的沿程压降与管段长度、管径及速度数据关联，生成所述沿程耗散系数。

8、优选的，将分组沉积权重和局部压降占比按管段编号融合生成管段沉积系数时，按照管段编号提取分组沉积权重中的最大粒径组权重和最小粒径组权重；将最大粒径组权重、最小粒径组权重与局部压降占比写入同一管段记录；对同一管段记录执行权重排序，得到沉积敏感排序值；将沉积敏感排序值按管段编号拼接，生成管段沉积系数。该方式能够突出不同粒径颗粒在低剪切区域沉积风险，并结合局部压降占比识别易沉积管段。

9、将管段沉积系数和沿程耗散系数输入管径与弯头曲率联合寻优过程时，按照管段沉积系数对管段编号进行排序，得到沉积高风险管段序列；从沉积高风险管段序列中选取管段，建立管径候选值、弯头曲率候选值和汇流角度候选值的离散组合集；将沿程耗散系数写入离散组合集中的每个组合，得到组合能耗数据；对组合能耗数据执行总压降汇总和最低输送速度校核，保留满足总压降约束和最低输送速度约束的组合；从保留的组合中选取总压降最小且沉积高风险管段序列覆盖数最大的组合，输出管径调整量、弯头曲率调整量和汇流角度调整量。

10、优选的，从保留的组合中选取总压降最小且沉积高风险管段序列覆盖数最大的组合时，读取保留的组合中每个组合对应的总压降数据和沉积高风险管段序列覆盖数；将沉积高风险管段序列覆盖数按保留的组合生成覆盖数量；按照总压降数据升序和覆盖数量降序排列保留的组合，得到组合排序表；从组合排序表中选取首位组合，将首位组合中的管径候选值、弯头曲率候选值和汇流角度候选值分别作为管径调整量、弯头曲率调整量和汇流角度调整量。通过该寻优过程，能够在满足压力损失和最低输送速度的前提下，优先覆盖沉积高风险管段，降低管网堵塞风险并控制能耗。

11、得到管网设计参数集时，将管径调整量写入带流向标识的管网拓扑数据集的管段直径字段，将弯头曲率调整量写入弯头曲率字段，将汇流角度调整量写入汇流件入口夹角字段，得到更新拓扑数据集；对更新拓扑数据集重新生成流体域网格控制参数，并对重新生成的流体域网格控制参数执行压力场、速度场和颗粒浓度场求解，得到更新流场数据集；比较更新流场数据集与逐管段流场数据集中的对应管段数据，得到未收敛管段编号；根据未收敛管段编号回写管径调整量、弯头曲率调整量和汇流角度调整量，形成迭代调整记录；当迭代调整记录中的未收敛管段编号为空时，将更新拓扑数据集与更新流场数据集合并，得到管网设计参数集。通过迭代更新和收敛判断，使设计结果逐步逼近最优管网参数，避免单次寻优结果偏离实际运行工况。

12、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

13、依据逐管段流场数据集中的壁面剪切数据、颗粒浓度数据和局部压降数据生成管段沉积系数与沿程耗散系数。壁面剪切数据按管段周向位置划分剪切区间，形成低位剪切区段集合，颗粒浓度数据中的颗粒粒径分组与该低位剪切区段集合叠加，得到分组沉积权重，弯头压降和变径压降形成局部压降占比，分组沉积权重和局部压降占比按管段编号融合生成管段沉积系数；沿程压降与管段长度、管径及速度数据关联生成沿程耗散系数。沉积风险由管网总体平均风速评价细化到每一管段，管段沉积系数可反映不同粒径颗粒在壁面低剪切区域聚集的敏感程度及弯头、变径局部阻力对沉积的贡献，沿程耗散系数可表征各管段输送过程的能量损失差异。与常规按全管网统一增大风速或放大管径相比，调整对象可集中于沉积系数高和耗散系数高的管段，低风险管段无需承担额外阻力增量或风量变化，减少无效改动和输送能耗。将管段沉积系数和沿程耗散系数输入管径与弯头曲率联合寻优过程，并按沉积系数排序得到沉积高风险管段序列，建立管径候选值、弯头曲率候选值和汇流角度候选值的离散组合集，对每个组合写入沿程耗散系数得到组合能耗数据，执行总压降汇总和最低输送速度校核后保留满足总压降约束和最低输送速度约束的组合，从保留组合中选取总压降最小且沉积高风险管段序列覆盖数最大的组合，输出管径调整量、弯头曲率调整量和汇流角度调整量。管径、弯头曲率和汇流角度不再分别按经验取值，而是在同一离散组合空间内考虑三者对压降、携带速度和沉积分布的耦合影响。更新带流向标识的管网拓扑数据集后重新生成流体域网格控制参数并重复气固两相求解，比较更新流场数据集与上一轮逐管段流场数据集，对未收敛管段编号回写调整量，形成迭代调整记录，当未收敛管段编号为空时输出管网设计参数集。每一轮调整都经过重新求解验证，管径和弯头曲率变化引起的颗粒沉积变化可被捕捉，未收敛管段继续参与下一轮调整，避免单次计算输出导致设计参数偏离实际气固两相流动状态，获得满足总压降限制和最低输送速度要求且沉积风险分布合理的除尘管网参数。