一种改进剖分方式的铝水反应器制氢建模方法

摘要

本发明提供一种改进剖分方式的铝水反应器制氢建模方法，包括：读取铝水反应器的结构模型和传热模型；其中，铝水反应器模型整体为第一区域，铝水反应器内放置反应物的区域为第二区域；对第一区域进行有限元网格剖分；根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化；对优化后的第二区域的网格进行检查，若通过检查，则完成铝水反应器制氢的建模，否则重新优化第二区域。本发明解决了铝水反应器建模仿真过程中，网格剖分过密导致的计算速度较慢的问题，在准确描述温度的基础上，约束总网格数量，提高计算效率。

权利要求

1.一种改进剖分方式的铝水反应器制氢建模方法，包括：S1：读取铝水反应器的结构模型和传热模型；其中，铝水反应器模型整体为第一区域，铝水反应器内放置反应物的区域为第二区域，所述第一区域包括所述第二区域；

S2：对第一区域进行有限元网格剖分；

S3：根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化；

S4：对S3优化后的第二区域的网格进行检查，若通过检查，则完成铝水反应器制氢的建模，否则，进行S3；

所述第一约束条件为网格尺寸大小与网格距离水滴位置远近的函数；二维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响；三维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量及在z轴方向上的自变量的变化对网格尺寸大小的影响。

2.根据权利要求1所述的改进剖分方式的铝水反应器制氢建模方法，其特征在于，二维空间内，第一约束条件为：

；

其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，i,j为节点坐标，n为指数系数，a1、a2为匹配系数, 为范围系数。

3.根据权利要求1所述的改进剖分方式的铝水反应器制氢建模方法，其特征在于，三维空间内，第一约束条件为：

；

其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j,k)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，k0为水滴位置在z轴方向上的像素坐标值，i,j,k为节点坐标，n为指数系数，a1、a2、a3为匹配系数，为范围系数。

4.根据权利要求1所述的改进剖分方式的铝水反应器制氢建模方法，其特征在于，二维空间内，所述根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化包括：提取基于CAD软件构建的模型中第二区域的B‑Rep数据；

根据二维模型的第二约束函数计算第二区域内各位置的网格剖分尺寸；

对第二区域的边界曲线进行离散化；

对第二区域各位置的所有线进行网格剖分。

5.根据权利要求1所述的改进剖分方式的铝水反应器制氢建模方法，其特征在于，三维空间内，所述根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化包括：提取基于CAD软件构建的模型中第二区域的B‑Rep数据；

根据三维模型的第二约束函数计算第二区域内各位置的网格剖分尺寸范围；

对第二区域的边界曲面进行离散化；

对第二区域各位置的所有表面进行网格剖分；

生成三维模型的实体网格。

6.一种改进剖分方式的铝水反应器制氢建模系统，其特征在于，包括：数据获取模块，所述数据获取模块被配置为读取铝水反应器的结构模型和传热模型；

其中，铝水反应器模型整体为第一区域，铝水反应器内放置反应物的区域为第二区域，所述第一区域包括所述第二区域；

剖分模块，所述剖分模块被配置为对第一区域进行有限元网格剖分；

剖分优化模块，所述剖分优化模块被配置为根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化；

检查模块，所述检查模块被配置为对优化后的第二区域的网格进行检查，若通过检查，则完成铝水反应器制氢的建模，否则，根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化；

所述第一约束条件为网格尺寸大小与网格距离水滴位置远近的函数；二维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响；三维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量及在z轴方向上的自变量的变化对网格尺寸大小的影响。

7.根据权利要求6所述的改进剖分方式的铝水反应器制氢建模系统，其特征在于，二维空间内，所述剖分优化模块被配置执行的第一约束条件为：；

其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，i,j为节点坐标，n为指数系数，a1、a2为匹配系数, 为范围系数。

8.根据权利要求6所述的改进剖分方式的铝水反应器制氢建模系统，其特征在于，三维空间内，所述剖分优化模块被配置执行的第一约束条件为：；

其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j,k)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，k0为水滴位置在z轴方向上的像素坐标值，i,j,k为节点坐标，n为指数系数，a1、a2、a3为匹配系数，为范围系数。

9.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序被计算设备中的处理器执行时，使得计算设备执行如权利要求1‑5任一项所述的方法。

说明书

一种改进剖分方式的铝水反应器制氢建模方法

技术领域

[0001] 本发明涉及数值分析领域，具体涉及一种改进剖分方式的铝水反应器制氢建模方法。

背景技术

[0002] 基于研究观察，一定时长的铝水反应后，反应器靠上部与靠下部的产物存在较大的外观形貌差异。靠上部的产物表面光滑性较差且具有微孔，靠下部的产物表面为较为光
滑平坦。由于晶状和微孔结构增加了金属与水之间的接触面积，从而促进了反应的充分进
行，导致光滑性较差且具有微孔的区域反应更充分且相对光滑区域更快。基于上述特点，现
有的通用剖分方法无法有效的针对上述反应器产物的分布特点，准确高效地对反应器内温
度进行准确描述。

发明内容

[0003] 为解决铝水反应器建模仿真过程中，网格剖分过密导致的计算速度较慢的问题，在准确描述温度的基础上，约束总网格数量，提高计算效率，本发明提供一种改进剖分方式
的铝水反应器制氢建模方法，包括:

[0004] S1：读取铝水反应器的结构模型和传热模型；其中，铝水反应器模型整体为第一区域，铝水反应器内放置反应物的区域为第二区域，所述第一区域包括所述第二区域；

[0005] S2：对第一区域进行有限元网格剖分；

[0006] S3：根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化；

[0007] S4：对S3优化后的第二区域的网格进行检查，若通过检查，则完成铝水反应器制氢的建模，否则，进行S3；

[0008] 所述第一约束条件为网格尺寸大小与网格距离水滴位置远近的函数；二维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量
变化对网格尺寸大小的影响；三维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸
大小的影响大于在x轴方向上的自变量及在z轴方向上的自变量的变化对网格尺寸大小的
影响。

[0009] 优选的，二维空间内，第一约束条件为：

[0010] ；

[0011] 其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，i,j
为节点坐标，n为指数系数，a1、a2为匹配系数, 为范围系数。

[0012] 优选的，三维空间内，第一约束条件为：

[0013] ；

[0014] 其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j,k)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，k0
为水滴位置在z轴方向上的像素坐标值，i,j,k为节点坐标，n为指数系数，a1、a2、a3为匹配系
数， 为范围系数。

[0015] 优选的，所述对S3优化后的第二区域的网格进行检查为检查剖分后的网格是否满足第二约束条件；针对二维网格的第二约束条件为：网格边长比、Jocabian比率、多边形单
元扭曲角度及翘曲角度，三者均在范围内；针对三维网格的第二约束条件为：网格边长比、
Jocabian比率、多面体单元体积的扭曲值、多面体单元坍塌值，四者均在范围内。

[0016] 优选的，二维空间内，所述根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化包括：

[0017] 提取基于CAD软件构建的模型中第二区域的B‑Rep数据；

[0018] 根据二维模型的第二约束函数计算第二区域内各位置的网格剖分尺寸；

[0019] 对第二区域的边界曲线进行离散化；

[0020] 对第二区域各位置的所有线进行网格剖分。

[0021] 优选的，三维空间内，所述根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化包括：

[0022] 提取基于CAD软件构建的模型中第二区域的B‑Rep数据；

[0023] 根据三维模型的第二约束函数计算第二区域内各位置的网格剖分尺寸范围；

[0024] 对第二区域的边界曲面进行离散化；

[0025] 对第二区域各位置的所有表面进行网格剖分；

[0026] 生成三维模型的实体网格。

[0027] 一种改进剖分方式的铝水反应器制氢建模系统，包括：

[0028] 数据获取模块，所述数据获取模块被配置为读取铝水反应器的结构模型和传热模型；其中，铝水反应器模型整体为第一区域，铝水反应器内放置反应物的区域为第二区域，
所述第一区域包括所述第二区域；

[0029] 剖分模块，所述剖分模块被配置为对第一区域进行有限元网格剖分；

[0030] 剖分优化模块，所述剖分优化模块被配置为根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化；

[0031] 检查模块，所述检查模块被配置为对S3优化后的第二区域的网格进行检查，若通过检查，则完成铝水反应器制氢的建模，否则，进行S3；

[0032] 所述第一约束条件为网格尺寸大小与网格距离水滴位置远近的函数；二维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量
变化对网格尺寸大小的影响；三维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸
大小的影响大于在x轴方向上的自变量及在z轴方向上的自变量的变化对网格尺寸大小的
影响。

[0033] 优选的，二维空间内，所述剖分优化模块被配置执行的第一约束条件为：

[0034] ;其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方
向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，i,j为节点坐标，n为指数系
数，a1、a2为匹配系数, 为范围系数。

[0035] 优选的，三维空间内，所述剖分优化模块被配置执行的第一约束条件为：

[0036]；其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j,k)为面积约束公式，i0为
水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，k0为水滴位
置在z轴方向上的像素坐标值，i,j,k为节点坐标，n为指数系数，a1、a2、a3为匹配系数， 为
范围系数。

[0037] 一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，当所述计算机程序被计算设备中的处理器执行时，使得计算设备执行上述任一项所述的方法。

具体实施方式

[0038] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实
施例中的特征可以相互组合。

[0039] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具
体实施例的限制。

[0040] 实施例一

[0041] 本实施例提供一种改进剖分方式的铝水反应器制氢建模方法。

[0042] 对铝水反应器的结构进行二维或三维造型，造型基于的CAD软件为可提供基于ACIS或Parasolid等开发的公共几何模块，且包含B‑Rep的CAD软件。读取铝水反应器的结构
模型和传热模型；其中，铝水反应器模型整体为第一区域，铝水反应器内放置反应物的区域
为第二区域，所述第一区域包括所述第二区域。

[0043] 对第一区域进行有限元网格剖分。基于CAD软件提供几何信息和拓扑信息进行体网格有限元网格剖分。首先建立空间的背景网格，通过特征扫描获得几何信息的几何特征
及几何特征的尺寸，将上述几何特征、几何尺寸添加至背景网格。在铝水反应器二维结构的
网格生成中，可采用三角形或四边形，在铝水反应器三维体空间结构的网格生成中，可用采
用四面体单元或六面体单元。针对铝水反应器整体空间的网格生成，优选采用结构化网络。
对于常规的简单的铝水反应器，其单连通的结构特点可直接采用算法简单、速度快、密度可
控制的映射方式直接生成。对于改进型复杂的多连通铝水反应器，首先人工将其划分为多
个可映射的区域，然后在每个区域内，采用结构化网格对其进行剖分。

[0044] 根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化。针对反应物区域的剖分方式采用非结构化网格，以便于每个节点上可分布任意数量的单元。非结构化网格一般应
用于复杂的几何结构的剖分，虽然本本实施例，或一般铝水反应器内反应物区域的几何结
构并不复杂，但为便于后续递进式网格剖分方式的约束，结构化网格难以很好得满足约束
要求，故而在此结合控制方法，采用非结构化的方式进行剖分，并在二维网格剖分情况下采
用三角形或四边形，在三维空间网格剖分情况下采用四面体或六面体。针对三维空间的网
格剖分，优选的，采用具有良好适应性性的四面体单元进行剖分，或至少部分采用四面体单
元进行剖分，避免曲面三维区域全六面体网格自动生成时出现的困难。

[0045] 反应物区域的剖分在选择生成节点的同时生成单元，在生成节点时控制节点的位置，以实现对生成的单元形状、体积、密度的有效控制，满足反应物区域不同位置对剖分密
度的不同较优要求。所述第一约束条件为网格尺寸大小与网格距离水滴位置远近的函数；
二维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上
的自变量变化对网格尺寸大小的影响；三维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对
网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量及在z轴方向上的自变量的变化对网格尺
寸大小的影响。

[0046] 针对二维模型的反应物区域的剖分方法包括：

[0047] 提取基于CAD软件构建的模型中反应物区域的B‑Rep数据；

[0048] 根据二维模型的第二约束函数计算反应物区域内各位置的网格剖分尺寸；

[0049] 对反应物区域的边界曲线进行离散化；

[0050] 对反应物区域的所有位置进行网格剖分。

[0051] 其中，计算网格剖分尺寸为自适应尺寸控制，通过多个尺寸的控制源，以较优的不同位置不同密度的网格划分方式，适应反应物不同位置的差异化反应效率；对反应物区域
的边界曲线进行离散化、对反应物区域的所有位置进行网格剖分采用本领域成熟的实现方
式，不影响本发明技术效果的实现。

[0052] 指定剖分尺寸的约束条件为：

[0053] ；

[0054] 其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，i,j
为节点坐标，n为指数系数，a1、a2为匹配系数, 为范围系数。

[0055] 针对三维模型的反应物区域的剖分方法包括：

[0056] 提取基于CAD软件构建的模型中反应物区域的B‑Rep数据；

[0057] 根据三维模型的第二约束函数计算反应物区域内各位置的网格剖分体积；

[0058] 根据各位置的网格剖分体积对反应物区域的边界曲线进行离散化。三维模型的离散化基于黎曼度量实现，离散化完成后，将离散点投影至三维模型的参数空间，形成各个曲
面的网格，并将各个曲面的网格合并形成反应器反应物区域整体区域的表面网格。

[0059] 对反应物区域各位置的所有表面进行网格剖分；

[0060] 生成三维模型的实体网格。

[0061] 其中，计算网格剖分尺寸为自适应体积控制，通过体积控制源与其他控制源的结合，以较优的不同位置不同密度的网格划分方式，适应反应物不同位置的差异化反应效率；
对反应物区域各位置的所有表面进行网格剖分、生成三维模型的实体网格采用本领域成熟
的实现方式，不影响本发明技术效果的实现。

[0062] 指定剖分体积的约束条件为：

[0063] ；其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j,k)为面积约束公式，i0为
水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，k0为水滴位
置在z轴方向上的像素坐标值，i,j,k为节点坐标，n为指数系数，a1、a2、a3为匹配系数， 为
范围系数。

[0064] 对上述方法优化后的反应区域的网格进行检查，若反应区域的网格符合条件，则完成铝水反应器制氢的建模，否则，重新进行反应物区域的网格剖分。

[0065] 针对二维的网格约束条件包括：网格边长比、Jocabian比率、多边形单元扭曲角度及翘曲角度，三者均在设定范围内。

[0066] 针对三维的网格约束条件包括：网格边长比、Jocabian比率、多面体单元体积的扭曲值、多面体单元坍塌值，四者均在设定范围内。

[0067] 一种改进剖分方式的铝水反应器制氢建模系统，包括：

[0068] 数据获取模块，所述数据获取模块被配置为读取铝水反应器的结构模型和传热模型；其中，铝水反应器模型整体为第一区域，铝水反应器内放置反应物的区域为第二区域，
所述第一区域包括所述第二区域；

[0069] 剖分模块，所述剖分模块被配置为对第一区域进行有限元网格剖分；

[0070] 剖分优化模块，所述剖分优化模块被配置为根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化；

[0071] 检查模块，所述检查模块被配置为对S3优化后的第二区域的网格进行检查，若通过检查，则完成铝水反应器制氢的建模，否则，进行S3；

[0072] 所述第一约束条件为网格尺寸大小与网格距离水滴位置远近的函数；二维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量
变化对网格尺寸大小的影响；三维空间内，所述函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸
大小的影响大于在x轴方向上的自变量及在z轴方向上的自变量的变化对网格尺寸大小的
影响。

[0073] 优选的，二维空间内，所述剖分优化模块被配置执行的第一约束条件为：

[0074] ；

[0075] 其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，i,j
为节点坐标，n为指数系数，a1、a2为匹配系数, 为范围系数。

[0076] 优选的，三维空间内，所述剖分优化模块被配置执行的第一约束条件为：

[0077] ；其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j,k)为面积约束公式，i0为
水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，k0为水滴位
置在z轴方向上的像素坐标值，i,j,k为节点坐标，n为指数系数，a1、a2、a3为匹配系数， 为
范围系数。

[0078] 本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序；当所述计算机程序被计算设备中的处理器执行时，使得计算设备执行如上述任一项所述的方法。

[0079] 本发明通过优化铝水反应器内反应物区域的网格划分，在充分分析反应物反应在多个轴向上的反应特点的基础上，建立网格面积的约束函数，以更佳的网格数量匹配反应
物区域：在距离水滴位置较近处网格剖分密集，在距离水滴位置较远处网格剖分松散。本发
明以更为合理分配的网格剖分数量，解决了铝水反应器建模仿真过程中网格剖分过密导致
的计算速度较慢、过疏导致的计算不准确的问题，约束总网格数量总数量，有效分布网格，
提高计算效率。

[0080] 为了说明的目的，前述描述使用具体命名以提供对所述实施方案的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，不需要具体细节即可实践所述实施方案。
因此，出于例示和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。这些描述并
非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而
言将显而易见的是，鉴于上面的教导内容，许多修改和变型是可行的。另外，当在本文中用
于指部件的位置时，上文和下文的术语或它们的同义词不一定指相对于外部参照的绝对位
置。

[0081] 此外，前述描述包括许多概念和特征，其可以多种方式组合以实现多种有益效果和优点。因此，可组合来自各种不同的特征，部件，元件和/或概念，以产生未必在本说明书
中示出或描述的实施方案或实施方式。此外，在任何特定实施方案和/或实施方式中，不一
定需要说明中所示的所有特征，部件，元件和/或概念。应当理解，此类实施方案和/或实施
方式落入本说明书的范围。