面向Fluent的PABR反應(yīng)器三維模型分割方法

孫浩鵬

摘 要：在污水處理過程中PABR是非常重要的一種反應(yīng)器，尤其在醫(yī)藥廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。對(duì)Fluent模擬來說，三維模型的建立是個(gè)不可缺少的過程。為了保證三維模型可以快速服務(wù)于Fluent，將PABR反應(yīng)器的三維模型進(jìn)行分割，直接將分割后的各部分設(shè)置為元素體，通過參數(shù)的調(diào)節(jié)直接生成新的三維模型，分割后的模型既能減少水利工程師針對(duì)PABR反應(yīng)器的建模工作量和復(fù)雜性，又最大限度保留PABR的模型細(xì)節(jié)，保證了Fluent模擬過程的三維模型快速生成。

關(guān)鍵詞：PABR；三維模型；網(wǎng)格分割

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）27-0004-02

引言

PABR是非常重要的污水處理反應(yīng)器，它實(shí)質(zhì)是ABR反應(yīng)器的圓柱形版本，ABR[1]是厭氧折流反應(yīng)器（anaerobic baffled reactor），一般是幾個(gè)方形的盒子狀反應(yīng)室串聯(lián)，每個(gè)反應(yīng)室內(nèi)有折流板，折流板均為豎向，同時(shí)各個(gè)反應(yīng)室之間有分隔板，將反應(yīng)室分隔成獨(dú)立反應(yīng)室。PABR[2]相當(dāng)于將ABR反應(yīng)器內(nèi)彎成圓柱形，每個(gè)反應(yīng)器都是扇形結(jié)構(gòu)，具有占地小，比平推流式明顯流速強(qiáng)的特點(diǎn)?，F(xiàn)有的PABR反應(yīng)器一般是4個(gè)反應(yīng)室結(jié)合在一起，這種反應(yīng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，無分離器等優(yōu)點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)PABR反應(yīng)器過程中要考慮的主要是水力停留時(shí)間、固體濃度和回流比等，由于設(shè)計(jì)的測(cè)試反應(yīng)器的水流狀況只有在設(shè)備制作完成后用示蹤方法才能測(cè)定，導(dǎo)致時(shí)間和成本高居不下。為解決這種情況運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件（CFD）對(duì)設(shè)計(jì)的反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬研究其內(nèi)部的水流及死區(qū)等，是目前研究方法中最常用手段。Fluent的基本思想是利用流體的方程組，通過用戶輸入的速度、溫度、 壓力等初始值并依據(jù)容器模型進(jìn)行計(jì)算，得出某個(gè)區(qū)域內(nèi)流體的離散分布和矢量運(yùn)行結(jié)果，不僅可以對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行定性分析，還可以模擬反應(yīng)器對(duì)流體的流動(dòng)狀況影響。

1 模型分割需求

容器模型的每一次細(xì)微變化，都會(huì)影響到模擬結(jié)果。反應(yīng)器一般要設(shè)計(jì)的內(nèi)容為單一反應(yīng)室的體積比、折流板最下部和容器底部的距離、折流板的導(dǎo)流角度、進(jìn)水口流速和高度、出水口流速和高度等。這些內(nèi)容的變化在傳統(tǒng)手段上，都依靠Gambit來手工建模。利用分割手段的需求如下：（1）折流板的下部彎曲部分應(yīng)該分離出來，利用參數(shù)可以自動(dòng)修改下部與底部距離及導(dǎo)流角度。（2）進(jìn)水口與出水口管道應(yīng)該分離出來，通過調(diào)整參數(shù)可以自動(dòng)修正其高度和孔徑大小。（3）反應(yīng)器的分隔板應(yīng)該分離出來，這樣可以通過參數(shù)調(diào)整反應(yīng)室的上下流室的體積比。

2 分割方法原理

根據(jù)需求，對(duì)PABR容器的三維模型的分割[3]可以按以下幾個(gè)方面來考慮：

（1）在邊界問題上，目前一般有基于特征檢測(cè)的網(wǎng)格分割和區(qū)域生長網(wǎng)格分割，基于特征檢測(cè)是按照人的視覺原理得到網(wǎng)格上的特征邊界，然后按邊界分割。區(qū)域生長是根據(jù)簡單集合體如圓柱或球等的逼近程度來分割。（2）對(duì)分割后的物體是否有物理意義而言，一般分為面片和部件。面片分割指的是將物體標(biāo)明有明顯幾何意義的區(qū)域分割開，比較適合紋理映射等。部件分割則要求分割后的物體應(yīng)該是具有明顯含義的某個(gè)零件或者部件。對(duì)PABR反應(yīng)器來說，分割后的物體應(yīng)該是折流板、進(jìn)水口、出水口、分隔器等，其中只有折流板下端是不規(guī)則體，其他物體都是有明顯幾何意義的，所以采用面片分割可以很快完成內(nèi)部元素的分離，折流板部分由于上部都是垂直方體，只要將上部按四邊形分割后剩下的就是折流板的曲線部分了。（3）分割后的多個(gè)子物體邊界是否清晰則要求采用何種曲率算法來進(jìn)行分割。一般來說目前已知的算法有曲面擬合、曲線擬合、離散曲率、歐式曲率等。在計(jì)算過程中針對(duì)PABR的進(jìn)水口和出水口與反應(yīng)器的接口部分要求特別高，這就要求利用特別準(zhǔn)確但是計(jì)算量較大的曲面擬合，可以完整的體現(xiàn)轉(zhuǎn)角曲面。

3 分割算法的選擇

目前的分割算法有很多種，僅討論使用到的層次分解、迭代、區(qū)域生長這三種算法[4]。

層次分解算法是直接對(duì)三維物體進(jìn)行從上至下的讀取，然后按照模型不同分段進(jìn)行分割，并將每一個(gè)分段密度存儲(chǔ)與二叉樹內(nèi)，比較典型的有HFC（Hierarchical face clustering），它簡單效率高，特別適合網(wǎng)格簡化、碰撞檢測(cè)類。原理是假定有一個(gè)平面，該平面有單位法向量N和數(shù)值D就可以表示，那么任意一個(gè)點(diǎn)i到這個(gè)平面的距離就是NT v+D，對(duì)三維模型分割過程的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)最小二乘平面（N，D），這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)到擬合平面的平均距離就可以稱之為平坦性指標(biāo)。只要不停的計(jì)算平坦性，就可以將相同平坦性的物體一起作為一個(gè)區(qū)域分割，最后就會(huì)得到不同層次的分割結(jié)果。

迭代是指迭代聚類，主要是根據(jù)某種相似性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，通過生成的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代將所有同一類型的曲率三維網(wǎng)格歸納為一個(gè)物體。尤其是針對(duì)某些根據(jù)平坦性指標(biāo)分割得到的特別細(xì)小量大的物體進(jìn)行的改進(jìn)算法，比較經(jīng)典的有K-means、Mean Shift等。以K-means為例，原理為首先根據(jù)當(dāng)前聚類對(duì)模型分割，然后將每個(gè)分割的聚類重新擬合一個(gè)模型，分割采用的是三角形面片，聚類的模型就是三角形。

區(qū)域生長是根據(jù)曲率計(jì)算而來，先計(jì)算頂點(diǎn)曲率然后給出一個(gè)曲率閥值，將大于這個(gè)閥值的點(diǎn)標(biāo)記為邊界點(diǎn)，其他點(diǎn)都標(biāo)記為非邊界點(diǎn)，然后依次比較，最后得到一個(gè)小于閥值的邊界并按此進(jìn)行分割。這種方法不適合邊界凸凹較多的情況，對(duì)于邊界有凸凹變化的物體分割，就要在曲率分析基礎(chǔ)上添加一個(gè)頂點(diǎn)凸凹量的計(jì)算，將物體的頂點(diǎn)分為4類，即凸點(diǎn)、凹點(diǎn)、平坦點(diǎn)、特征點(diǎn)這4類，當(dāng)確定了種子區(qū)域后先從平坦點(diǎn)開始進(jìn)行平坦區(qū)域生長，再從凸點(diǎn)和凹點(diǎn)開始進(jìn)行凹凸區(qū)域生長，當(dāng)凹凸信號(hào)完結(jié)，也就是接觸到了平坦點(diǎn)后，分割完畢。這樣就能將有凹凸的物體面直接分離出來。

在PABR反應(yīng)器中，根據(jù)分割需求得知至少要得到四類物體，其中分割后的進(jìn)出水口各一個(gè)，分隔板4個(gè)，折流板4個(gè)，每個(gè)折流板又分為垂直端和彎曲端。所以對(duì)PABR反應(yīng)器來說要進(jìn)行多次分割計(jì)算。分隔板由于沒有曲率，正適合HFC算法。折流板的下部彎曲部分是漸進(jìn)彎曲，所有彎曲的四邊面都有一個(gè)相同的漸進(jìn)角度，可以采用迭代聚類法進(jìn)行分割。進(jìn)水口和出水口在和反應(yīng)器結(jié)合的部分角度接近90度，可以將這個(gè)角度作為閥值用區(qū)域生長方法進(jìn)行分割。經(jīng)過HFC算法分割后的物體在反應(yīng)器外壁上得到的都是垂直的條狀物體，分隔板部分正確，所以修改HFC算法，修正部分添加凡是有曲率的部分全部刪除從而得到分隔板4個(gè)、折流板的垂直部分4個(gè)。迭代聚類將曲率閥[5]值設(shè)定在50度以上，經(jīng)過分割看明確得到進(jìn)水口和出水口與反應(yīng)器的接口部分，此部分邊界經(jīng)過修正可以保留。區(qū)域生長法將曲率閥值取消，直接判斷曲率的變化，當(dāng)曲率變化超過10%時(shí)，證明物體有大的變形，凡是變形小于10%的都分割成一個(gè)物體，這樣將折流板的下端彎曲部分分離出來，進(jìn)水口和出水口還有反應(yīng)器的內(nèi)外壁由于曲率一致也成功分割出來。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)PABR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)過程中三維模型的分割算法進(jìn)行了分析，提出了多種混合分割方法的綜合應(yīng)用。在其他三維模型分割過程中發(fā)現(xiàn)不同的算法有多種結(jié)合方式，每種結(jié)合方式也有不同的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)缺點(diǎn)，目前沒有發(fā)現(xiàn)某個(gè)算法適應(yīng)于所有場(chǎng)合。

在未來還有很多需要解決的問題，當(dāng)模型的復(fù)雜度增加后，如何設(shè)計(jì)更好的網(wǎng)絡(luò)分割方法，并利用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)是目前各國科學(xué)家都在研究的熱點(diǎn)問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]Lars Jürgensen，Jens Born，Ehiaze Augustine Ehimen，Jens Bo Holm-Nielsen. A combination anaerobic digestion scheme for biogas production from dairy efFluent-CSTR and ABR， and biogas upgrading[J]. Biomass and Bioenergy，2017.

[2]張紅，葉飛，王雨，等.低溫下PABR反應(yīng)器處理生活污水的中試研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2014（02）：138-142+154.

[3]孫殿柱，朱昌志，李延瑞，等.三角網(wǎng)格模型的自動(dòng)分割算法[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（11）：1447-1450.

[4]董洪偉.三角網(wǎng)格分割綜述[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2010（02）：181-193.

[5]鐘昌康，成宇珊，李智超，等.基于曲率的三角網(wǎng)格模型分割算法[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（11）：12-13.endprint