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Open-source modelling of aerosol dynamics and computational fluid dynamics: Nodal method for nucleation, coagulation, and surface growth
Computer Physics Communications ( IF 6.3 ) Pub Date : 2021-04-01 , DOI: 10.1016/j.cpc.2020.107765 Mino Woo , Robert T. Nishida , Mario A. Schriefl , Marc E.J. Stettler , Adam M. Boies
Computer Physics Communications ( IF 6.3 ) Pub Date : 2021-04-01 , DOI: 10.1016/j.cpc.2020.107765 Mino Woo , Robert T. Nishida , Mario A. Schriefl , Marc E.J. Stettler , Adam M. Boies
Abstract Understanding formation, growth and transport of aerosols is critical to processes ranging from cloud formation to disease transmission. In this work, a numerical algorithm of aerosol dynamics including nucleation, coagulation, and surface growth was coupled with flow and heat transfer equations enabling the solution of three-dimensional multi-physics aerosol processes in an open-source platform. The general dynamic equation was solved by a nodal method where the particle size distribution was represented by a finite number of nodes. The models were verified by comparing four test cases, (1) pure coagulation, (2) nucleation and coagulation, (3) pure surface growth, and (4) a general dynamic equation that includes the three mechanisms provided in literature. A high temperature aerosol flow in a cooled pipe is chosen as a tutorial case of coupled computational aerosol and fluid dynamics. The aerosolGDEFoam code is available at https://openaerosol.sourceforge.io and can be further modified under GNU general public license. Program summary Program title: aerosolGDEFoam CPC Library link to program files: http://dx.doi.org/10.17632/3s368jpdx2.1 Developer’s repository link: https://openaerosol.sourceforge.io/ Licensing provisions: GNU General Public License 3 Programming language: C++ Nature of problem: aerosolGDEFoam solves the general dynamics equations coupled with flow and heat transfer equations enabling the solution of three-dimensional multi-physics aerosol processes using the open-source computational platform, OpenFOAM [1]. The general dynamics equations describe changes in aerosols due to e.g. nucleation, coagulation and evaporation/condensation, processes which depend on local conditions such as temperatures and humidities. Zero-dimensional general dynamics from Prakash et al. [2] equations have been implemented and verified with previously published examples. Solution method: aerosolGDEFoam employs an explicit time-stepping for the time-dependent source terms for aerosol dynamics. The solution methods and schemes provided by OpenFOAM 6 are used for spatial derivatives. References: [1] OpenFOAM6, OpenFOAM v6, in The OpenFOAM Foundation, https://openfoam.org/ , [2] Prakash, A., A.P. Bapat, and M.R. Zachariah, A Simple Numerical Algorithm and Software for Solution of Nucleation, Surface Growth, and Coagulation Problems. Aerosol Science and Technology, 2003. 37(11): p. 892-898.
中文翻译：
气溶胶动力学和计算流体动力学的开源建模：成核、凝结和表面生长的节点方法
摘要 了解气溶胶的形成、生长和传输对于从云形成到疾病传播的过程至关重要。在这项工作中，包括成核、凝结和表面生长在内的气溶胶动力学数值算法与流动和传热方程相结合，能够在开源平台中解决三维多物理场气溶胶过程。通用动力学方程通过节点法求解，其中粒度分布由有限数量的节点表示。通过比较四个测试案例来验证模型，(1) 纯凝固，(2) 成核和凝固，(3) 纯表面生长，以及 (4) 包括文献中提供的三种机制的一般动态方程。选择冷却管道中的高温气溶胶流作为耦合计算气溶胶和流体动力学的教学案例。aerosolGDEFoam 代码可在 https://openaerosol.sourceforge.io 获得，并且可以在 GNU 通用公共许可证下进一步修改。程序摘要 程序名称：aerosolGDEFoam CPC 库程序文件链接：http://dx.doi.org/10.17632/3s368jpdx2.1 开发者存储库链接：https://openaerosol.sourceforge.io/ 许可条款：GNU 通用公共许可证 3编程语言：C++ 问题性质：aerosolGDEFoam 求解一般动力学方程以及流动和传热方程，从而能够使用开源计算平台 OpenFOAM [1] 解决三维多物理场气溶胶过程。一般动力学方程描述了气溶胶的变化，例如 成核、凝结和蒸发/冷凝，这些过程取决于温度和湿度等当地条件。Prakash 等人的零维一般动力学。[2] 方程已经实施并用以前发表的例子进行了验证。求解方法：aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于成核解决方案的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。过程取决于当地条件，例如温度和湿度。Prakash 等人的零维一般动力学。[2] 方程已经实施并通过之前发布的例子进行了验证。求解方法：aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于成核解决方案的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。过程取决于当地条件，例如温度和湿度。Prakash 等人的零维一般动力学。[2] 方程已经实施并通过之前发布的例子进行了验证。求解方法：aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于成核解决方案的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。Prakash 等人的零维一般动力学。[2] 方程已经实施并通过之前发布的例子进行了验证。求解方法：aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于解决成核问题的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。Prakash 等人的零维一般动力学。[2] 方程已经实施并通过之前发布的例子进行了验证。求解方法：aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于解决成核问题的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于成核解决方案的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于成核解决方案的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。和凝血问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。和凝血问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。
更新日期：2021-04-01
中文翻译：
气溶胶动力学和计算流体动力学的开源建模：成核、凝结和表面生长的节点方法
摘要 了解气溶胶的形成、生长和传输对于从云形成到疾病传播的过程至关重要。在这项工作中，包括成核、凝结和表面生长在内的气溶胶动力学数值算法与流动和传热方程相结合，能够在开源平台中解决三维多物理场气溶胶过程。通用动力学方程通过节点法求解，其中粒度分布由有限数量的节点表示。通过比较四个测试案例来验证模型，(1) 纯凝固，(2) 成核和凝固，(3) 纯表面生长，以及 (4) 包括文献中提供的三种机制的一般动态方程。选择冷却管道中的高温气溶胶流作为耦合计算气溶胶和流体动力学的教学案例。aerosolGDEFoam 代码可在 https://openaerosol.sourceforge.io 获得，并且可以在 GNU 通用公共许可证下进一步修改。程序摘要 程序名称：aerosolGDEFoam CPC 库程序文件链接：http://dx.doi.org/10.17632/3s368jpdx2.1 开发者存储库链接：https://openaerosol.sourceforge.io/ 许可条款：GNU 通用公共许可证 3编程语言：C++ 问题性质：aerosolGDEFoam 求解一般动力学方程以及流动和传热方程，从而能够使用开源计算平台 OpenFOAM [1] 解决三维多物理场气溶胶过程。一般动力学方程描述了气溶胶的变化，例如 成核、凝结和蒸发/冷凝，这些过程取决于温度和湿度等当地条件。Prakash 等人的零维一般动力学。[2] 方程已经实施并用以前发表的例子进行了验证。求解方法：aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于成核解决方案的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。过程取决于当地条件，例如温度和湿度。Prakash 等人的零维一般动力学。[2] 方程已经实施并通过之前发布的例子进行了验证。求解方法：aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于成核解决方案的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。过程取决于当地条件，例如温度和湿度。Prakash 等人的零维一般动力学。[2] 方程已经实施并通过之前发布的例子进行了验证。求解方法：aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于成核解决方案的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。Prakash 等人的零维一般动力学。[2] 方程已经实施并通过之前发布的例子进行了验证。求解方法：aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于解决成核问题的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。Prakash 等人的零维一般动力学。[2] 方程已经实施并通过之前发布的例子进行了验证。求解方法：aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于解决成核问题的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于成核解决方案的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。aerosolGDEFoam 对气溶胶动力学的时间相关源项采用显式时间步长。OpenFOAM 6 提供的求解方法和方案用于空间导数。参考文献：[1] OpenFOAM6、OpenFOAM v6，在 OpenFOAM 基金会，https://openfoam.org/，[2] Prakash, A.、AP Bapat 和 MR Zachariah，一种用于成核解决方案的简单数值算法和软件，表面生长和凝结问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。和凝血问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。和凝血问题。气溶胶科学与技术，2003 年。37(11)：p。892-898。
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