[發明專利]一種基于隨機方法的粘性泥沙絮凝群體平衡數值模擬方法

在審

• 申請號: 202210395190.6
• 申請日: 2022-04-15
• 公開（公告）號: CN114647955A
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 沈驍騰;林明澤;邵宇陽;諸裕良;種浩宇;姜學偉
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 劉紅陽

1.一種基于隨機方法的粘性泥沙絮凝群體平衡數值模擬方法，其特征在于，所述數值模擬方法包括以下步驟：

(1)生成擬隨機數序列；

(2)根據水體環境條件、粘性泥沙性質和生物顆粒性質計算顆粒聚并概率與破碎概率；

(3)根據過大絮團數進行聚并事件與破碎事件的選擇；

(4a)若步驟(3)中選擇了聚并事件，隨機選絮團顆粒i和j，對其聚并概率采用接受-拒絕法檢驗，若檢驗通過則兩顆粒發生聚并，若未通過則重新隨機選擇，直至聚并事件成功發生；

(4b)若步驟(3)中選擇了破碎事件，隨機選絮團顆粒i，對其破碎概率采用接受-拒絕法檢驗，若檢驗通過則該顆粒發生破碎，若未通過則重新隨機選擇，直至破碎事件成功發生；

(5)在步驟(4a)或(4b)后計算更新絮團顆粒性質，包括粒徑、分形維數、聚并概率、破碎概率；

(6)計算推進模擬時間，模擬將重復步驟(3)～(6)直到完成計算時段；

(7)模擬在模擬時間滿足計算時段后，計算包括顆粒粒徑分布、特征粒徑、生物組分的絮團性質。

2.根據權利要求1所述的基于隨機方法的粘性泥沙絮凝群體平衡數值模擬方法，其特征在于，所述步驟(2)～(5)基于雙變量群體平衡方程，雙變量群體平衡方程為：

式中：V和V_b分別為絮團體積和生物組分體積，n(V,V_b,t)為擁有體積(V,V_b)的絮團在t時刻的數量濃度；β(V,V_b；V′,V′_b)和α(V,V_b；V′,V′_b)分別表示體積分別為(V,V_b)和(V′,V′_b)的兩絮團的碰撞頻率和聚并效率函數；a(V,V_b)為體積為(V,V_b)的絮團破碎概率函數；b(V,V_b|V′,V′_b)為體積為(V′,V′_b)的絮團破碎成體積為(V,V_b)絮團的分布函數。

3.根據權利要求1所述的基于隨機方法的粘性泥沙絮凝群體平衡數值模擬方法，其特征在于，所述步驟(2)中，水體環境條件包括紊動剪切率、水體密度、水體動力粘度、溫度；粘性泥沙性質和生物顆粒性質包括初始粒徑分布、顆粒密度。

4.根據權利要求1所述的基于隨機方法的粘性泥沙絮凝群體平衡數值模擬方法，其特征在于，所述步驟(2)中，聚并概率為碰撞頻率與聚并效率的乘積，碰撞頻率考慮布朗運動、不等速沉降、湍流剪切作用以及生物粘性作用。

5.根據權利要求4所述的碰撞頻率基于隨機方法的粘性泥沙絮凝群體平衡數值模擬方法，其特征在于，碰撞頻率計算公式為：

式中：β_ij為絮團碰撞頻率，β₁和β₂分別為粒徑相關碰撞頻率和生物組分相關碰撞頻率，D_i和D_j分別為絮團i和j的粒徑，K為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，μ為水體動力粘度，G為紊動剪切率，g為重力加速度，ω_i和ω_j分別為顆粒i和j的沉速，和分別為絮團i和j的生物體積組分，η_MB為礦物-生物組分對碰撞頻率的影響參數。

6.根據權利要求1所述的基于隨機方法的粘性泥沙絮凝群體平衡數值模擬方法，其特征在于，所述步驟(3)中，設定過大絮團粒徑與柯爾莫哥洛夫微尺度成正比，考慮生物粘性對絮團最大粒徑的增長影響；破碎事件發生概率為：

式中：n_b為過大絮團的數目；當P_frag大于所生成擬隨機數，選擇破碎事件發生，反之則選擇聚并事件。