开源流程模拟框架Dyssol的多维分布颗粒材料建模与模拟方法（2020）

软件X 12（2020）100572原始软件出版物Dyssol-A开源流程模拟框架的颗粒材料Vasyl Skorych，Maksym Dosta，Stefan Heinrich固体过程工程和颗粒技术研究所，汉堡理工大学，Denickestrasse 15，21073 Hamburg，Germanyar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2020年2020年7月16日收到修订版2020年7月16日接受保留字：流程模拟动态建模多维分布参数颗粒材料固体方法a b st ra ctDyssol是一个用于颗粒材料处理过程动态流程模拟的建模框架。该软件的主要特点是多维分布的颗粒材料的全面描述，转换矩阵的应用和使用序贯模块化模拟方法。这个跨平台系统可以很容易地扩展新的模型，应用于大型数据集的计算和耦合到外部程序包。©2020作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v0.10.0.2此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2020_208代码海洋计算胶囊-法律代码许可证BSD-3-条款使用git的代码版本控制系统软件代码语言，工具和服务使用C++，Qt，HDF5，zlib，SUNDIALS，KISS FFT，Inno Setup。编译要求，操作环境&依赖Windows，Visual Studio 14 2015，Qt 5.11.3 msvc 2015/ Qt 5. 11.3 msvc2015_64，Qt Visual Studio Tools for Visual Studio 2015，Git如果有开发人员文档/手册链接https://github.com/FlowsheetSimulation/Dyssol-open/tree/master/Documentation问题支持电子邮件vasyl. tuhh.de软件元数据当前软件版本v0.10.0.2此版本可执行文件的永久链接https://github.com/FlowsheetSimulation/Dyssol-open/releases/latest法律软件许可证BSD-3条款计算平台/操作系统Microsoft Windows安装要求依赖关系Visual C++ Redistributable for Visual Studio 2015如果可用，链接到用户https://github.com/FlowsheetSimulation/Dyssol-open/tree/master/Documentation问题支持电子邮件vasyl. tuhh.de*通讯作者。电子邮件地址：vasyl. tuhh.de（V. Skorych）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.1005721. 动机和意义复杂的生产过程用于中间处理或用于众多产品2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2诉Skorych，M.Dosta和S.Heinrich/SoftwareX 12（2020）100572从铁矿石的加工到药物化合物的生产。它们通常由发生在不同设备中的几个转化步骤组成，这些步骤通过物质或能量流连接成单个链。这些复杂的结构被称为流程图。流程图模拟框架可以有效地用于描述这些过程的行为，优化它们，开发控制策略或设计新产品。在流程图模拟中，使用通过材料流连接的单独单元来描述每个装置或转化步骤，由此一个单元的输出可以连接到另一个单元的输入。从计算的角度来看，物质流是一种描述质量、能量或信息流的一般构造，并用于在单元之间转移它们。根据输入流和单元的当前状态，计算单元中发生的变换，这导致输出流的变化这种灵活和可扩展的方法使得它很容易定义各种工艺配置，修改工艺参数，并数值研究其行为。有许多商业流程图模拟工具，如AspenPlus [1]、gPROMSFormulated Products [2]、ChemCad [3]等。然而，这些程序中的大多数程序都是通过简化固相描述而重点关注因此，在它们中不能有效地执行颗粒材料的全面数值描述。由于各方面的原因，如通过相互依赖的多维分布参数描述固相，固体过程的建模需要特殊处理[4在这方面的贡献，我们提出了一个新的开源模拟框架Dyssol，它已经特别开发了一个专注于建模固体过程。这个框架是基于我们以前的研究[7DynSimFP项目[10]是德国研究基金会（DFG）从2013年到2020年资助的优先研究计划。2. 软件描述2.1. 方法序列模块化方法[11，12]用于在Dyssol中执行计算。与面向方程的（同时）方法相比，模块化模拟具有一系列优势，特别是对于固体过程的处理，这些优势起着决定性的最重要的是，每个单元可以使用自己的计算策略单独求解。这一特征在颗粒材料的情况下起着至关重要的作用，其中单个工艺步骤通常用复杂的非均质数学模型来描述。例如，将多维种群平衡模型（PBM）描述的几个单元耦合到一个方程组中已经可以使面向方程的方法的应用不可行。为了在单独的模型之间执行数据传输并达到收敛，应用波形松弛方法该方法可有效地用于模块化仿真在整个流程图的规模上和在单个工艺单元的规模上[13]。此外，为了提高整体效率，实施了几种收敛方法（直接替代，Weg- stein在Dyssol中，颗粒材料由离散化的多维相互依赖的分布参数描述每个尺寸对应于特定的颗粒性质（尺寸，形状，等等）。并根据离散化网格被划分为一组区间。材料被定义为一组值，其中每个值描述具有特定属性组合的颗粒的质量分数。这里的一个重要方面是正确和有效地处理这些大型数据集。在Dyssol中，所有材料流都使用基于分层树拓扑实现的稀疏数据格式进行描述[16]。这大大减少了存储数据的大小和计算量。为了描述粒子分布的变化，应用变换矩阵。它们允许避免有关二次分布的信息丢失，并显着扩展单位的适用性[9]。读者可以参考我们以前的工作，以获得有关模拟算法及其效率分析的更详细信息[8，16]，分布参数的重要性和处理[9]以及建模系统的验证[8]。2.2. 软件构架Dyssol框架是使用面向对象的方法开发的主要软件组件可以分为模块，如图所示。1.一、系统的核心是流程图和仿真器模块。第一部分描述了模拟过程的结构和所包含的模型的所有参数。后者负责主要计算算法的执行和单元之间的数据传输。流程图包含一组单元、物料流和有关模拟工艺拓扑结构的信息。所有单元都可以访问内置的方程求解器库。最重要的辅助模块如下。材料数据库，用于组织对材料及其属性的访问，并允许使用图形用户界面（GUI）对其进行操作。支持常数、温度和压力相关参数，以及描述两种不同材料相互作用的属性，如界面张力。更多详情，请参阅[16]。模型管理器模块充当仿真系统与来自外部库的单元和求解器之间的接口。最后，数据存储子系统组织在硬盘驱动器和运行时数据缓存上写入和读取数据。解算器和单元的模型被组织为共享库（*.dll或 *.so）。它们可以独立于Dyssol开发，并在运行时动态链接。为了简化新模型的创建，仿真系统配备了模型创建工具。它包括新模块的模板，它们的实现示例，并提供对开发全功能单元或求解器所需的编程接口（API）的访问。该软件提供了一个简化的图形用户界面，用于配置单元和流连接，并执行初始结果分析。此外，还有命令行界面，可用于在批处理模式下运行模拟。仿真系统的每个模块的更详细描述可以在[8]和[16]中找到。2.3. 执行方面Dyssol是用C++编程语言实现的，使用了几个外部库和工具。图形用户界面基于Qt库和Qt软件框架[17]。存储子系统使用分层数据格式HDF5和HDF5库[18]。这确保了模拟框架的可移植性，并允许使用外部包来分析和编辑Dyssol文件。内置的方程求解器是使用诉Skorych，M.Dosta和S.Heinrich/SoftwareX 12（2020）1005723Fig. 1. 仿真系统Dyssol的体系结构的简化表示。[19]和KINSOL [20]求解器从SUNDIALS [21]包。KISS FFT库[22]用于执行快速傅立叶变换，在某些单元和求解器中需要。用于Windows平台的Dyssol安装包是使用表1铣削过程主要模型参数入口1入口2质量流量0.1 kg/s，直至4小时：0 kg/s[23]第23话：你是谁？模型创建工具基于Visual Studio 2015的预配置解决方案，包括µsize200 mm34小时后：0.3 kg/s350毫米3项目所需的API库和模板的单位。该程序的主要版本是为Win-2000开发的，其中提供了图形和命令行版本的用户界面。使用Microsoft Visual C++ 14.0编译和构建Dyssol for Windows。对于Linux，只有命令行版本，它是使用g++-7编译器构建的。2.4. 软件功能σ尺寸20 mm330 mm3µ湿度0.20.4σ湿度0.040.02屏幕1屏幕2分离直径268.1毫米3143.8毫米分离锐度直到2小时：102小时后：3.5直到2小时：102小时后：3.5磨机1磨机2滞留质量200公斤100公斤3 3xlim520 mm 610 mmDysol允许研究复杂生产过程的动力学，应用多维分布参数的颗粒材料的扩展描述固相、液相和气相由一组总体（质量流量、温度、压力）、浓缩（相分数）和分布（化合物分数）参数描述。对于固相，可以用附加的相关分布参数（例如孔隙率、水分含量或形状因子）来扩展描述。用于实现新模型和求解器的可用标准化接口允许使用新模型扩展系统乌尔斯。当前安装包（版本v0.10）包括一组以下稳态和动态模型：凝聚器[24]、料仓、破碎机（例如[9，25]）、旋风分离器[26] 、 造 粒 机 [27] 、 热 交 换 器 、 混 合 器 、 筛 网 [28 除 了 来 自SUNDIALS软件包的求解器之外，Dys- sol还包含三个聚集种群平衡的求解器k9.5 5.5φ0.5 0.94.1 4.52.5 3.2-3. 说明性示例为了说明Dyssol在复杂过程中的使用，我们分析了筛磨机电路的动态特性。流程图结构如图所示。 2（左）和主要模型参数列于表1。根据Molerus和Hoffmann的稳态模型计算筛选[28]。Mills是在[9]中开发的动态单元，其应用Austin Luckie [34]选择S（ x）和Austin [35]断裂B（ x， y）函数，形式为（十）kxlim与其他市售产品相比，因此，在Dyssol的下一个版本中，将解决以下B（x，y）=φ·ψy（x）−2yϑ+（1−b1）·y·（x）−2y、（二）– 改进图形用户界面，实现流程图的可视化配置和扩展结果分析。– 通过连接到现有的数据库和纳入热力学计算工具来扩展材料数据库。– 添加处理多组分粒子的能力。– 用新的相关单位扩展模型库。– 用新模型简化系统扩展的方式其中x和y是粒子的体积，xlim是最大值颗粒尺寸，k、φ、φ和φ是模型参数。这两个单元都使用变换矩阵实现了该方法[9]。固体材料由两个相互依赖的分布描述：200类颗粒体积，范围从0到500 mm3，水分含量在0到50%的区间，分为50类。所有分布参数均用均值为μ、标准差为σ的高斯函数描述。第一入口在整个过程中连续供应小的干燥颗粒。第二个入口在启动后4小时打开方程：单元平均值[32]，固定枢轴[33]和基于FFT的[24]。值得一提的是，目前的版本有一些·S（ x、4诉Skorych，M.Dosta和S.Heinrich/SoftwareX 12（2020）100572×=图二. 研 磨 过程的流程图（左）以及入口和研磨机保 持 器 中 的 初 始 材 料 分 布 （ 右 ） 。模拟并将大的湿颗粒添加到系统中。两台磨机中的初始滞留物料分布与进口相同1.由于筛网操作模式的改变，在该过程中出现额外的动态，其中分离锐度在2小时的过程时间之后改变。在模拟过程中，假设颗粒之间没有干燥和水分交换图图3示出了工艺对工艺条件变化的动态响应。两小时后几乎达到稳定状态。在这个时间点，修改筛的参数，因此，材料质量流和颗粒尺寸迅速变化。然而，再过一个小时后，达到新的稳定状态。最后，在4h的时间点，第二入口开始向系统供应大颗粒。因此，材料的参数再次改变，并且该过程在下一个小时内稳定。粒子分布随时间的变化如图所示。四、粒度分布响应于工艺参数的变化，并且还由于磨机的操作而随时间变化。可以看到在时间点0、2 h和4 h的颗粒尺寸的大扰动，此时工艺参数同时，仅在时间点4 h时额外供应新材料才引起相关分布参数的变化在其余的时间里，水分含量保持不变。仿真结果表明，在Dyssol中实现的转换矩阵的方法，可以避免损失的信息没有明确包括在模型方程的二次分布参数。尽管筛网和研磨机的设计仅考虑了颗粒尺寸分布，但含水量隐含地正确处理和计算。该流程的计算采用二维材料参数分布（总计200 5010000个班级）直到第一稳态花费大约1146s。8个物料流共生成26011个时间点，对应44.1 ms/时间点。计算一个一维分布（200个类的大小）的情况，大约需要48秒.共生成8896个时间点，每个时间点5.4 ms。所有测量均在配备有CPU i7- 7700 K的计算机上进行。有关Dyssol性能和各种参数影响的更多信息，请参见[8]。4. 影响Dyssol框架的主要优势和显著特点是：– 复杂过程结构的动态模拟，包括互连的异构单元。– 应用顺序模块化方法，简化系统的扩展。– 用收敛和外推方法改进的波形松弛法对有循环流的过程结构进行– 用多维相关分布参数描述固相.– 使用变换矩阵法正确处理粒状材料– 由于动态数据缓存和特殊的数据格式，可以有效地处理具有精细网格和大量类的– 广泛适用于各种动态和稳态过程。– 标准化接口，用于使用新单元和求解器扩展系统。– 由于采用模块化结构，系统具有高度的模块化和可扩展性。– 开源BSD许可证。已经使用Dys-sol系统进行了几个研究项目它被应用于数值分析化学链燃烧的动力学[36，37]。建立了循环流化床、鼓泡流化床和虹吸管的动态模型以及稳态旋风分离器模型。在该项目中，使用Dyssol对该过程的瞬态行为进行了几次模拟研究。诉Skorych，M.Dosta和S.Heinrich/SoftwareX 12（2020）1005725图3.第三章。 铣削回路对工艺参数变化的响应。图四、模 拟 过 程 中 产 品 和 磨 机 滞 留 量 的 粒度（左）和含水量（右）的 动 态 变 化 。结果发现，所有开发的模型是普遍适用于在特定的参数范围。数值计算结果与实验数据吻合较好。Dysol还用于研究沉淀结晶过程中的颗粒形成过程[38]。将一种新提出的有限时间尺度方法与粒子数平衡求解器相结合，建立了受限冲击射流混合器模型。在由Dyssol、MATLAB和PHREEQC[39]组成的组合框架中研究了该模型，以研究过饱和和混合对沉淀过程的影响根据工作中获得的数据，更复杂的搅拌槽反应器模型的沉淀过程中开发和模拟Dyssol。在[24]中，提出并研究了一种求解团聚过程一维PBM的新方法。新方法假设使用团聚核的可分离近似利用Dyssol软件对该方法进行了研究，并与固定支点法进行了比较，分析了该方法在复杂结构连续凝聚过程动态建模中的适用性。仿真研究表明，如果满足一定的限制条件，新方法可以提供更有效的解决方案6诉Skorych，M.Dosta和S.Heinrich/SoftwareX 12（2020）100572在[40]中，开发并实施了一种用于可溶性盐Dysol与PHREEQC水化学软件耦合，用作模型开发环境和模拟工具。为了验证该模型，几种化合物的模拟和实验沉淀之间进行了比较实验和模型研究表明，简单的单向回路和复杂的计划与材料的再循环的结果之间有很好的一致性。文献[9]提出了从粒数平衡方程（PBE）中构造磨矿和团聚过程转换矩阵的新方法采用有限体积法进行空间离散，采用二阶来推导变换定律。应用所提出的方法，一个磨和凝聚机的动态单元开发。使用Dyssol，将所得模型应用于示例性生产过程进行数值几年来，Dyssol软件在汉堡理工大学的教育过程中得到了广泛的应用。它被应用于研究稳态和动态建模的基础知识，作为课程“粒子技术”和“颗粒材料的多尺度模拟”的一部分5. 结论介绍了一个用于复杂动态过程模拟的开源平台该软件的重要特点是系统的高度灵活性、可定制性和可扩展性，提供了最广泛的应用范围。由于使用多维分布参数对固相进行了先进的描述，以及提出了利用变换矩阵对其进行处理的方法，该系统为研究涉及颗粒材料的各种过程提供了充足的机会。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认这项工作得到了德国研究基金会（DFG）通过优先计划SPP1679“相互关联的固体过程的动态模拟”的支持引用[1]阿斯彭加。2020，http://www.aspentech.com/en/products/engineering/aspen-plus，[2020年4月16日访问]。[2]PSE产品- gPROMS配方产品。2020年，http：//psenterprise.com/products/gproms/formulatedproducts，[2020年4月16日访问]。[3]CHEMCAD -Chemstation的化学工程模拟软件。2020，www.chemstations.com/CHEMCAD/，[2020年4月16日[4]RossiterAP，Douglas JM.固体工艺的设计和优化部分1. 固体系统过程综合的递阶决策程序。化学工程研究，1986年;64：175-95。[5]刘晓庆，等.固体工艺的流程模拟.工业工程学报，2000，24（1）：117 - 119.24.第24章大结局http://dx.doi.org/10.14356/kona.2006017。[6] 放大图片Dosta M，Litster J，Heinrich S.固体过程的流程模拟：现状和未来趋势。AdvPowderTechnol2020;31（3）：947-53.http://dx.doi.org/10.1016/j.apt.2019.12.015网站。[7] 放大图片作者：J.流化床喷雾造粒：通过动态流程模拟分析系统行为粉末技术2010;204：71-82。http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2010.07.018网站。[8] 放 大 图 片 创 作 者 ： J.固 体 过 程 动 态 流 程 模 拟 的 新 系 统 。 粉 末 技 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