基于计算流体力学的病原空气传播实验多功能应用系统的制作方法

本发明涉及病原空气传播实验及计算流体力学，具体为基于计算流体力学的病原空气传播实验多功能应用系统。

背景技术：

1、病原空气传播模拟中，常通过计算流体力学方法获取实验舱内气流组织，再对病原体粒子进行运动轨迹模拟。现有技术方案在实验舱几何模型上划分网格，求解纳维-斯托克斯方程得到流场，按预先设定的释放源参数进行拉格朗日粒子追踪，获得病原体浓度分布。释放源设定依赖实验方案或假设，正向模拟输出的是从已知源向周围传播的浓度场结果。当实际释放源位置未知或仅有监测点浓度数据时，该正向过程不能从监测数据反推可能的来源范围，流场数据中蕴含的粒子反向传播信息未被利用，溯源分析需要依赖额外的假定或人工推断。监测点浓度数据与来源之间缺少自动关联机制，导致在实验评估中难以直接判断哪些区域的污染物对监测点贡献最大。同时，正向模拟得到的浓度场只表达病原体扩散后的空间浓度，而来源可能性分布由逆向分析获得，二者通常被分别处理和展示。由于缺少在统一网格坐标系下对浓度值与来源概率值的联合空间关联，评估报告无法直接区分出同时具有高浓度和高来源概率的区域，难以对病原体传播实验中的重点暴露区域进行定位和排序。上述缺陷限制了病原空气传播实验评估在来源未知场景下的分析能力。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中病原空气传播实验在释放源未知场景下无法从监测数据反推来源、且难以联合浓度分布定位重点暴露区域的问题，本发明提供一种基于计算流体力学的病原空气传播实验多功能应用系统，通过几何构建模块生成包含内部障碍物的计算域模型，通过流场模拟模块获取流场结果，通过释放源设定模块配置病原体释放源参数，通过正向传播模拟模块获得浓度场结果，通过逆向溯源模块从监测点浓度数据反推病原体来源概率分布，并通过实验评估模块将浓度场结果与来源概率分布进行空间关联，生成病原体传播实验的评估报告。

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计算流体力学的病原空气传播实验多功能应用系统，包括几何构建模块、流场模拟模块、释放源设定模块、正向传播模拟模块、逆向溯源模块和实验评估模块。几何构建模块用于获取实验舱的三维几何信息，生成包含内部障碍物的计算域模型。流场模拟模块用于基于所述计算域模型，采用有限体积法求解空气流动的纳维-斯托克斯方程，得到流场结果。释放源设定模块用于根据实验方案在所述计算域模型内布置病原体释放源，并生成释放源参数。正向传播模拟模块用于基于所述流场结果和所述释放源参数，采用拉格朗日粒子追踪法模拟病原体粒子在所述流场中的运动，得到浓度场结果。逆向溯源模块用于从预设的监测点浓度数据出发，基于所述流场结果进行逆向粒子追踪，得到病原体来源概率分布。实验评估模块用于将所述浓度场结果与所述来源概率分布进行空间关联，生成病原体传播实验的评估报告。各模块协同工作，形成从几何建模、流场计算、正向传播模拟到逆向溯源和评估分析的完整流程。

3、作为本发明的一个技术方案，所述几何构建模块生成计算域模型时，将实验舱的三维几何信息导入预设的网格生成器，在空间上采用八叉树方法递归细分包围盒，并根据内部障碍物表面的曲率半径对邻近单元进行局部加密，为壁面单元添加多层边界层网格，将全部网格单元编号并存储为计算域模型。该模块通过局部加密和边界层网格设置，能够准确刻画障碍物附近的流动边界，有利于提高后续流场模拟的精度。

4、作为本发明的一个技术方案，所述流场模拟模块求解空气流动的纳维-斯托克斯方程时，在所述计算域模型的每个网格单元上建立压力、速度、湍流动能和湍流耗散率的守恒离散方程，采用simplec算法进行压力-速度耦合迭代，并使用k-ωsst湍流模型计算湍流黏性系数，迭代至全局残差随迭代次数呈持续下降趋势时停止，输出流场结果。该模块兼顾计算稳定性和湍流模拟精度，能够为病原体粒子传播模拟提供可靠的背景流场。

5、作为本发明的一个技术方案，所述正向传播模拟模块模拟病原体粒子的运动时，从所述释放源设定模块所设定的位置按照粒径分布生成多个粒子，在时间推进的每一步中，读取当前粒子所在单元的流体速度和湍流动能，利用概率分布函数生成湍流脉动速度，将所述流体速度和所述湍流脉动速度之和代入粒子运动方程，更新粒子的位置和速度，并记录粒子途经的单元编号，统计每个单元内的粒子驻留时间以得到浓度场结果。该方案通过引入湍流随机扰动，能够反映病原体粒子在空气中的随机扩散特征，使浓度场结果更接近真实实验过程。

6、作为本发明的一个技术方案，所述逆向溯源模块进行逆向粒子追踪时，在所述监测点位置生成多个逆向粒子，将逆向粒子的初始速度设为所述流场在该点速度的负方向，在时间步进过程中，将逆向粒子当前所在单元的流体速度取反后作为平均运动速度，并叠加与湍流动能相关的随机扩散位移，更新逆向粒子的位置，同时累积每个逆向粒子在各网格单元内的驻留时间，所有逆向粒子驻留时间归一化后作为来源概率分布。该模块利用与正向传播一致的流场信息进行逆向分析，使来源概率分布与病原体实际扩散路径之间具有较好的关联性。

7、作为本发明的一个技术方案，所述实验评估模块进行空间关联时，将所述浓度场结果和所述来源概率分布插值到统一的网格坐标系中，逐网格单元计算浓度值与来源概率值的乘积，并将乘积结果按照从大到小排序，取排序后前若干位对应的网格单元作为重点暴露区域，生成评估报告。该模块将正向传播信息与逆向溯源信息进行空间融合，能够有效识别病原体传播风险相对集中的区域。

8、作为本发明的一个技术方案，所述流场模拟模块求解空气流动的纳维-斯托克斯方程时，在所述计算域模型中建立能量守恒离散方程，并根据实验舱内的热源位置和热源强度设置边界热通量，在每次压力-速度耦合迭代后，计算各单元的温度值，根据所述温度值计算空气的浮力项，将所述浮力项加入动量方程的源项中，迭代至温度场和流场同时收敛，输出包含温度场的流场结果。该方案使流场模拟能够考虑实验舱内温差引起的自然对流，提升室内空气流动模拟的真实性和完整性。

9、作为本发明的一个技术方案，所述正向传播模拟模块在更新粒子的位置和速度时，判断粒子的新位置是否超出所述计算域模型的边界或与障碍物的壁面相交，若超出或相交，则根据壁面的粗糙度参数和粒子的粒径确定沉积概率，利用随机数发生器判断该粒子是否沉积，若沉积则将该粒子从模拟中删除，若未沉积则将其反弹回计算域内并更新速度方向。通过引入粒子沉积和反弹机制，能够区分病原体粒子在壁面附近的沉积损失和未沉积反弹情况，提高浓度场结果的合理性。

10、优选的，所述沉积概率根据壁面的粗糙度参数和粒子的粒径通过查找预设沉积概率表确定，所述预设沉积概率表存储有不同壁面粗糙度区间和不同粒径区间对应的沉积概率值。该方式使壁面沉积概率的确定更加符合实际物理条件，降低简化处理对粒子沉积行为模拟的影响。

11、优选的，所述几何构建模块在采用八叉树方法递归细分包围盒时，当当前单元尺寸小于等于目标网格尺寸时停止细分，所述目标网格尺寸根据内部障碍物表面的曲率半径和预设的最小网格层数确定。该方式能够在局部几何分辨率和整体网格规模之间取得平衡，保证计算效率的同时提高网格对复杂障碍物的适应能力。

12、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

13、逆向溯源模块在监测点位置生成多个逆向粒子，将逆向粒子的初始速度设为流场在该点速度的负方向；时间步进过程中，将逆向粒子当前所在单元的流体速度取反后作为平均运动速度，并叠加与湍流动能相关的随机扩散位移更新逆向粒子位置；累积每个逆向粒子在各网格单元内的驻留时间，所有逆向粒子驻留时间归一化后作为来源概率分布。逆向粒子运动路径受流场平均输运和湍流随机扩散共同作用，与正向粒子追踪使用同一套流场结果，溯源时无需额外构建反向流场。来源概率分布直接由监测点出发的逆向粒子群驻留时间形成，能够给出可能来源区域的空间范围和相对高低，避免预先指定释放源位置或释放强度对结果造成的人为限制。相比仅从浓度梯度或单一气象数据进行推测，该来源概率分布体现病原体粒子沿实际模拟流场从候选来源到达监测点的路径难易程度，使来源概率结果与实验舱内部障碍物和气流组织保持空间一致。

14、实验评估模块将浓度场结果和来源概率分布插值到统一网格坐标系中，逐网格单元计算浓度值与来源概率值的乘积，将乘积结果按从大到小排序，取排序后前若干位对应的网格单元作为重点暴露区域。浓度值与来源概率值的乘积形成联合指标，只有浓度值高且来源概率高的单元才能获得较大乘积，单独高浓度或单独高来源概率的单元排序相对靠后。排序结果在评估报告中作为重点暴露区域，使区域标注直接对应病原体扩散与反向来源推断共同指向的空间位置。相对于分开显示浓度云图和来源概率云图并由人工叠加判断，联合空间关联后的排序结果减少了两个指标之间取舍的不确定性，增强了评估报告在来源未知场景下的空间定位针对性。