基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法及系统

本发明涉及气溶胶颗粒形态，尤其涉及基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法及系统。

背景技术：

1、气溶胶颗粒形成与预测技术在很多工程领域(碳烟污染物排放、纳米颗粒合成、医药领域等)具有广泛的应用。

2、气溶胶颗粒的形成与演化过程是决定颗粒特性的关键性因素，在其形成过程中，颗粒的形态决定了气溶胶的粒径分布特性、物理化学特性及光学特性等。为了更加准确地预测颗粒的浓度和粒径分布等，必须对颗粒的形态进行计算和模拟。

3、目前求解气溶胶动力学方程最常见的有三种数值模拟方法：矩方法，分区法和随机蒙特卡洛方法；其中矩方法和分区法计算效率比较高，但是无法获得颗粒的具体结构和形态信息；蒙特卡洛方法的优点是可以获得颗粒的多维度信息，缺点是通常需消耗较多计算资源。目前较为流行的蒙特卡洛方法是加权蒙特卡洛方法，可以大幅度提高其计算效率；但是缺少利用加权蒙特卡洛方法模拟气溶胶颗粒形态的相关研究。

技术实现思路

1、针对现有方法的不足，本发明解决现有方法无法同时兼顾模拟颗粒的形态以及计算效率的问题。

2、本发明所采用的技术方案是：基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法包括以下步骤：

3、步骤一、设置蒙特卡洛初始化条件、时间步长及模拟总时间；

4、步骤二、化学反应计算，获得颗粒的前驱体浓度；

5、步骤三、模拟颗粒的成核过程；

6、步骤四、利用随机方法模拟虚拟颗粒的凝并过程，对第二个虚拟颗粒旋转随机空间角度，对第一个虚拟颗粒选取一个随机空间角度，并通过面和线结合确定第一个虚拟颗粒的凝并点，并利用第一个虚拟颗粒的凝并点确定切面，并根据切面确定第二个虚拟颗粒的凝并点；并在两个凝并点处进行凝并；

7、作为本发明的一种优选实施方式，步骤四具体包括：

8、确定发生凝并的两个虚拟颗粒a、b，并确定虚拟颗粒a为主颗粒；

9、对虚拟颗粒b进行旋转随机空间角度；

10、以虚拟颗粒a的第一个原生粒子a0的球心为原点，选择随机空间角度，在虚拟颗粒a处确定一条直线，直线与虚拟颗粒a所含的原生粒子有多个交点，将与a0距离最远的交点选为虚拟颗粒a的凝并点；

11、以虚拟颗粒a的凝并点为切点，计算出虚拟颗粒a的凝并点的切面方程，并利用切线方程在虚拟颗粒b的所有原生粒子上得到一对平行切面和对应切点；

12、遍历虚拟颗粒b的所有原生粒子的切点，找到所有切点满足虚拟颗粒a与虚拟颗粒b凝并后无重叠，随机选取其中一个切点作为虚拟颗粒b的凝并点；

13、平移虚拟颗粒a和虚拟颗粒b使其在凝并点处进行凝并。

14、步骤五、虚拟颗粒的凝并过程发生后，进行虚拟颗粒权重值和原生粒子数更新；

15、作为本发明的一种优选实施方式，虚拟颗粒权重值更新包括：根据凝并前虚拟颗粒a的权重值和虚拟颗粒b的权重值是否相等，更新凝并后颗粒a和颗粒b的权重值和原生粒子数。

16、作为本发明的一种优选实施方式，当凝并前虚拟颗粒a的权重值和虚拟颗粒b的权重值相等时，更新凝并后颗粒a和颗粒b的权重值和原生粒子数的公式为：

17、

18、wa,wb和wa’,wb’分别表示凝并前和凝并后虚拟颗粒a和虚拟颗粒b的权重值；npa,npb和npa’,npb’分别表示凝并前和凝并后虚拟颗粒a和虚拟颗粒b所包含的原生粒子数。

19、作为本发明的一种优选实施方式，当凝并前虚拟颗粒a的权重值和虚拟颗粒b的权重值不相等时，更新凝并后颗粒a和颗粒b的权重值和原生粒子数的公式为：

20、

21、其中，wa,wb和wa’,wb’分别表示凝并前和凝并后虚拟颗粒a和虚拟颗粒b的权重值；npa,npb和npa’,npb’分别表示凝并前和凝并后虚拟颗粒a和虚拟颗粒b所包含的原生粒子数。

22、步骤六、模拟凝并后虚拟颗粒及虚拟颗粒内的原生粒子发生表面增长过程、表面反应过程和烧结过程；

23、作为本发明的一种优选实施方式，虚拟颗粒及虚拟颗粒内的原生粒子发生表面增长的条件为：在步长内有且只有一个虚拟颗粒发生表面增长，并且在该虚拟颗粒内，有且仅有一个原生粒子发生表面增长。

24、作为本发明的一种优选实施方式，虚拟颗粒及虚拟颗粒内的原生粒子发生表面氧化的条件为：在步长内有且只有一个虚拟颗粒发生表面氧化，并且在该虚拟颗粒内，有且仅有一个原生粒子发生表面氧化。

25、作为本发明的一种优选实施方式，虚拟颗粒及虚拟颗粒内的原生粒子发生烧结的条件为：在步长内有且只有一个虚拟颗粒发生烧结，并且在该虚拟颗粒内，有且仅有一对相邻的原生粒子发生烧结。

26、步骤七、缩减虚拟颗粒数；

27、步骤八、更新虚拟颗粒信息；

28、步骤九、满足模拟时间终止条件时停止迭代。

29、作为本发明的一种优选实施方式，基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测系统，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法。

30、作为本发明的一种优选实施方式，存储有计算机程序代码的计算机可读介质，计算机程序代码在由处理器执行时实现基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法。

31、本发明的有益效果：

32、1、本发明模拟条件及参数在实际应用中容易获得，且适用于不同的应用背景，具有一定的应用价值；

33、2、相比于传统的数值模拟方法，显著提高模拟效率，可以获得颗粒的化学组成、多分散特性和聚集体形态；

34、3、相比于传统的数值模拟方法，在处理颗粒的动力学过程时，采用随机概率方法，更加符合实际情况，减小模拟的误差，并且节省了模拟时间。

技术特征：

1.基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法，其特征在于，步骤四具体包括：

3.根据权利要求1所述的基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法，其特征在于，步骤五中虚拟颗粒权重值和原生粒子数更新包括：根据凝并前虚拟颗粒a的权重值和虚拟颗粒b的权重值是否相等，更新凝并后颗粒a和颗粒b的权重值和原生粒子数。

4.根据权利要求3所述的基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法，其特征在于，当凝并前虚拟颗粒a的权重值和虚拟颗粒b的权重值相等时，更新凝并后颗粒a和颗粒b的权重值和原生粒子数的公式为：

5.根据权利要求3所述的基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法，其特征在于，当凝并前虚拟颗粒a的权重值和虚拟颗粒b的权重值不相等时，更新凝并后颗粒a和颗粒b的权重值的公式为：

6.根据权利要求1所述的基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法，其特征在于，步骤六中虚拟颗粒及虚拟颗粒内的原生粒子发生表面增长的条件为：在步长内有且只有一个虚拟颗粒发生表面增长，并且在该虚拟颗粒内，有且仅有一个原生粒子发生表面增长。

7.根据权利要求1所述的基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法，其特征在于，步骤六中虚拟颗粒及虚拟颗粒内的原生粒子发生表面氧化的条件为：在步长内有且只有一个虚拟颗粒发生表面氧化，并且在该虚拟颗粒内，有且仅有一个原生粒子发生表面氧化。

8.根据权利要求1所述的基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法，其特征在于，步骤六中虚拟颗粒及虚拟颗粒内的原生粒子发生烧结的条件为：在步长内有且只有一个虚拟颗粒发生烧结，并且在该虚拟颗粒内，有且仅有一对相邻的原生粒子发生烧结。

9.基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测系统，其特征在于，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现如权利要求1-8任一项所述的基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法。

10.存储有计算机程序代码的计算机可读介质，其特征在于，计算机程序代码在由处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法。

技术总结
本发明涉及气溶胶颗粒形态技术领域，尤其涉及基于异权值蒙特卡洛的气溶胶颗粒形态预测方法及系统，包括设置蒙特卡洛初始化条件；获得前驱体浓度；模拟颗粒的成核过程；利用随机方法模拟一对颗粒的凝并过程：首先对虚拟颗粒B旋转随机空间角度，然后对虚拟颗粒A选取一个随机空间角度，并通过面和线结合确定虚拟颗粒A的凝并点，并利用虚拟颗粒A的凝并点确定其切面，并根据切面确定虚拟颗粒B的凝并点；平移虚拟颗粒并使两个虚拟颗粒在其凝并点处相连接实现凝并过程；虚拟颗粒权重值和原生粒子信息更新；模拟增长过程、表面反应过程和烧结过程；缩减虚拟颗粒数；更新虚拟颗粒信息。本发明解决现有方法无法兼顾模拟颗粒的形态以及计算效率的问题。

技术研发人员：刘红梅,张晴,蒋潇,陈沐,刘雪东,刘文明,陶平,张大尉,汪健强,潘安霞
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17