python 气体扩散,在 Python中用数值模拟研究气体扩散

news2024/11/16 17:57:08

在 Python 中,可以使用数值模拟来研究气体扩散。
模拟气体扩散需要解决两个问题:流体动力学方程(如 Navier-Stokes 方程)和扩散方程。

文章目录

    • Python 代码模拟气体扩散
    • 计算并显示气体浓度的均值和标准差
    • 研究气体扩展的高级方法

Python 代码模拟气体扩散

在进行模拟时,可以使用预定义的数学模型和算法,或者使用框架,如 FEniCS,FiPy 等。

以下是一个简单的 Python 代码演示如何使用数值模拟研究气体扩散:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

Nx = 100
Ny = 100
Lx = 1
Ly = 1
dx = Lx / Nx
dy = Ly / Ny

x = np.linspace(0, Lx, Nx)
y = np.linspace(0, Ly, Ny)
X, Y = np.meshgrid(x, y)

# 初始条件
C = np.zeros((Nx, Ny))
C[Nx // 2, Ny // 2] = 1

# 时间步长和时间步长数
dt = 0.00001
Nt = 10000

# 扩散系数
D = 0.1

# 求解扩散方程
for n in range(Nt):
    Cn = C.copy()
    C[1:-1, 1:-1] = Cn[1:-1, 1:-1] + D * dt / dx**2 * (Cn[2:, 1:-1] - 2 * Cn[1:-1, 1:-1] + Cn[:-2, 1:-1]) + \
                    D * dt / dy**2 * (Cn[1:-1, 2:] - 2 * Cn[1:-1, 1:-1] + Cn[1:-1, :-2])

plt.imshow(C, extent=[0, Lx, 0, Ly], origin='lower', cmap='hot')
plt.colorbar()
plt.show()

运行代码得到下述绘图。

python 气体扩散,在 Python中用数值模拟研究气体扩散
上面的代码演示了如何模拟气体扩散的简单示例。

  • 先定义网格和初始条件
  • 然后迭代地解决扩散方程
  • 最后,使用 Matplotlib 显示气体扩散的分布情况。

计算并显示气体浓度的均值和标准差

可以扩展上面的代码以实现更多功能。例如,可以计算并显示气体浓度的均值和标准差,以了解气体扩散的情况。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

Nx = 100
Ny = 100
Lx = 1
Ly = 1
dx = Lx / Nx
dy = Ly / Ny

x = np.linspace(0, Lx, Nx)
y = np.linspace(0, Ly, Ny)
X, Y = np.meshgrid(x, y)

# Initial conditions
C = np.zeros((Nx, Ny))
C[Nx // 2, Ny // 2] = 1

dt = 0.00001
Nt = 10000

D = 0.1

for n in range(Nt):
    Cn = C.copy()
    C[1:-1, 1:-1] = Cn[1:-1, 1:-1] + D * dt / dx ** 2 * (Cn[2:, 1:-1] - 2 * Cn[1:-1, 1:-1] + Cn[:-2, 1:-1]) + \
                    D * dt / dy ** 2 * (Cn[1:-1, 2:] - 2 * Cn[1:-1, 1:-1] + Cn[1:-1, :-2])

mean = np.mean(C)
std = np.std(C)

print("Mean:", mean)
print("Standard deviation:", std)

plt.imshow(C, extent=[0, Lx, 0, Ly], origin='lower', cmap='hot')
plt.colorbar()
plt.show()

运行代码效果图如下所示:
python 气体扩散,在 Python中用数值模拟研究气体扩散

研究气体扩展的高级方法

对于模拟气体扩散,一种常用的更高级方法是使用有限差分方法。

有限差分方法是一种数值模拟方法,用于通过在网格上插值,并使用已知的数值来求解微分方程。

  • 常用的有限差分方法包括:
    • 差分:一种最简单的有限差分方法,用于模拟气体扩散。
    • 积分差分:用于模拟非线性的气体扩散问题。
    • 正解差分:用于模拟复杂的气体扩散问题,并且需要更多的计算时间和计算资源。

在 Python 中,可以使用 Scipy 库中的 scipy.sparsescipy.sparse.linalg 模块来实现有限差分方法。

下面是一个使用正解差分模拟气体扩散的示例代码:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# Parameters
nx = 51
ny = 51
nt = 50
dx = 2 / (nx - 1)
dy = 2 / (ny - 1)
sigma = .2
dt = sigma * dx

x = np.linspace(0, 2, nx)
y = np.linspace(0, 2, ny)

u = np.ones((ny, nx))
v = np.ones((ny, nx))

# Initial Conditions
u[int(.5 / dy):int(1 / dy + 1),int(.5 / dx):int(1 / dx + 1)] = 2
v[int(.5 / dy):int(1 / dy + 1),int(.5 / dx):int(1 / dx + 1)] = 2

for n in range(nt + 1):
    un = u.copy()
    vn = v.copy()
    u[1:, 1:] = (un[1:, 1:] - (un[1:, 1:] * dt / dx * (un[1:, 1:] - un[1:, :-1])) -
                 vn[1:, 1:] * dt / dy * (un[1:, 1:] - un[:-1, 1:]))
    v[1:, 1:] = (vn[1:, 1:] - (un[1:, 1:] * dt / dx * (vn[1:, 1:] - vn[1:, :-1])) -
                 vn[1:, 1:] * dt / dy * (vn[1:, 1:] - vn[:-1, 1:]))
    u[0, :] = 1
    u[-1, :] = 1
    u[:, 0] = 1
    u[:, -1] = 1
    v[0, :] = 1
    v[-1, :] = 1
    v[:, 0] = 1
    v[:, -1] = 1

fig = plt.figure(figsize=(11, 7), dpi=100)
ax = fig.gca(projection='3d')
X, Y = np.meshgrid(x, y)
ax.plot_surface(X, Y, u, cmap='viridis')
ax.set_xlabel('X')
ax.set_ylabel('Y')
ax.set_zlabel('Z')
plt.show()

这段代码是使用 Python 来模拟气体扩散的例子。代码使用了 NumPy 和 Matplotlib 库:

  • NumPy:提供了处理多维数组的工具,本代码中用于创建网格数组并进行数值计算。
  • Matplotlib:提供了绘图功能,用于可视化模拟的结果。

代码中首先设置了一些模拟参数,如网格点数、模拟步数、步长和时间步长等。然后使用 linspace() 函数创建网格点的横纵坐标。接着,通过对模拟初始条件的设置,创建了模拟的初始速度场和密度场。最后,代码实现了一个循环,使用正解差分来模拟气体扩散的过程,并使用 Matplotlib 可视化模拟的结果。
python 气体扩散,在 Python中用数值模拟研究气体扩散

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.coloradmin.cn/o/187066.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

相关文章

Word控件Spire.Doc 【Table】教程(7): 如何在C#中用表格替换word文档中的文本

Spire.Doc for .NET 是一款专门对 Word 文档进行操作的 .NET 类库。在于帮助开发人员无需安装 Microsoft Word情况下,轻松快捷高效地创建、编辑、转换和打印 Microsoft Word 文档。拥有近10年专业开发经验Spire系列办公文档开发工具,专注于创建、编辑、转…

【金三银四系列】之Java基础面试(2023版)

Java基础面试题 一: Java基础 1: 简单说说Java中对象如何拷贝? 一、浅拷贝clone()如果对象中的所有数据域都是数值或者基本类型,使用clone()即可满足需求,如:Person p new Person();Person…

30天自制操作系统(Mac版)读书笔记(day9)

day7和day8都是鼠标和32位的操作,看起来都是理论,先略过。 检测内存块数量 使用中断去检测内存,把这个当成一个函数调用吧。这里面di寄存器给的地址就是结果存在的内存位置。 ComputeMemory:mov ebx, 0mov di, MemChkBuf .loop:mov e…

linux安装vnc服务

1、 如操作系统是最小化安装,那么需要安装GNOME桌面,安装参考:https://blog.csdn.net/carefree2005/article/details/119417234 2、 安装vnc-server yum -y install tigervnc-server3、 复制配置文件模板,将无关的内容清除 cat…

图灵 | 计算机器与智能

【“计算机器与智能”选自《Mind》,no.2236(1950.10),P433-460。牛津大学出版社允许重印。刘西瑞、王汉琦 翻译】1. 模仿游戏我建议来考虑这个问题 :“机器能够思维吗?” 这可以从定义 “机 器” 和 “思维…

Docker数据目录迁移

背景在CentOS中安装了Docker,默认Docker Root目录是/var/lib/docker。但是该目录磁盘空间很有限,后期很容易导致系统盘满了,所以考虑迁移到更大磁盘目录下,比如下面的/fsc目录下。解决在Docker官方文档https://docs.docker.com/co…

excel查找定位:INDEX函数——精确制导导弹

一、认识INDEX函数Index函数:在给定的单元格区域中,返回特定行列交叉处单元格的值或引用。函数结构:index(单元格区域,行号,列号)区域,行号,列号,很像通过坐标瞄准打靶呀。就像下面动…

高阶数据结构之AVL树

文章目录回顾二叉搜索树AVL树在AVL树中插入新节点AVL树中的各种旋转右单旋左单旋左右双旋右左双旋验证是否是AVL树验证是否是二叉搜索树验证是否是平衡树总结AVL树回顾二叉搜索树 二叉搜索树的一些特点回顾: (1)每一个节点左树上所有节点的值都是…

vue多实例的骚操作,主要用于解决组件全局弹窗面板的问题。。。

1.问题背景 主要是自己写了一个组件库&#xff0c;其中涉及到弹出面板的组件遇到兼容性问题。 举个例子&#xff0c; 日期选择组件例如 DaterPicker组件 大概的代码如下&#xff08;省略了细节实现&#xff09; <template> <label>日期</label> <input …

一文详解PHP用流方式实现下载文件(附代码示例)

一淘模板给大家带来了关于PHP的相关知识&#xff0c;其中主要介绍了在PHP中怎么使用流方式来实现下载文件的&#xff0c;下面一起来看一下&#xff0c;希望对大家有帮助。 PHP 中使用流方式下载文件 在 PHP 中&#xff0c;可以使用 fopen() 函数打开一个远程文件&#xff0c;并…

Unity使用本地UPM包的实现方式

实现1&#xff1a;项目根路径实现优点&#xff1a;1.不必有额外操作2.本地包随项目版控&#xff0c;不会丢失包产生错误3.按需升级包缺点&#xff1a;1.包的修改随项目版控&#xff0c;增加日志冗余2.不利于包全局管理建议使用场景多人合作&#xff0c;开发底子较弱的团队。实现…

今年春节,全国物流很稳!

我叫张雄伟&#xff0c;是腾讯安全的一位交付工程师。我和团队的主要工作&#xff0c;是物流行业重点客户的安全防御项目管理工作。近两年&#xff0c;我们开始向顺丰、极兔等多家大型物流公司提供安全产品与服务。在双十一、618等全民购物节、春节等电商旺季&#xff0c;我们和…

百华鞋业开工大吉|起航新征程,扬帆再出发

爆竹声声迎鸿运&#xff0c;开工大吉启新程。2023年农历正月初六&#xff0c;山东百华鞋业有限公司迎来节后开工吉日。百华的家人们迅速集结工作岗位&#xff0c;以饱满的精神状态&#xff0c;按下工作复位键&#xff0c;俯身蹬地冲起跑&#xff0c;努力奋斗再出发&#xff01;…

史上最全测试开发工具推荐(含自动化、性能、稳定性、抓包)

一、UI自动化测试工具 1. uiautomator2 介绍: openatx开源的ui自动化工具&#xff0c;支持android和ios。主要面向的编程语言是python&#xff0c;api设计简洁易用&#xff0c;在开源社区也是很受欢迎。 原理图&#xff1a; 安装&#xff1a; pip install --upgrade --pre…

【C语言】-扫雷-简单版

前言&#xff1a;感谢各位朋友的捧场&#xff0c;这里给大家分享的是扫雷游戏的简单实现 &#xff08;PS&#xff1a;这里简单是指只实现了游戏的基础功能和主要流程&#xff0c;由于当前本人技术知识尚薄弱&#xff0c;相关的优化会通过后续的学习进行更新&#xff09; 《扫雷…

session,cookie和token的区别

session&#xff0c;cookie和token究竟是什么简述cookie&#xff0c;session&#xff0c;token作为面试必问题&#xff0c;很多同学能答个大概&#xff0c;但是又迷糊不清&#xff0c;希望本篇文章对大家有所帮助http是一个无状态协议什么是无状态呢&#xff1f;就是说这一次请…

【Java Swing】Java组件及事件处理

图形用户接口1、Swing概述2、Swing顶级容器3、布局管理器4、事件处理5、Swing常用组件1、Swing概述 Swing是一种轻量级的组件&#xff0c;它由Java语言开发&#xff0c;可以通过使用简洁的代码、灵活的功能和模块化的组件来创建优雅的用户界面Swing组建的继承关系 2、Swing顶…

企业为何都用电子招投标 现代电子招投标系统介绍

在以前的传统招投标工作中&#xff0c;主要采用人工、书面文件的模式操作&#xff0c;往往产品没有得到很好地分类&#xff0c;导致整个招投标流程变得漫长且复杂。在传统招投标过程中通常需要三个月或更长时间&#xff0c;这对于买方或供应商企业而言是非常浪费时间的。如果还…

LIO-SAM代码解析——imageProjection.cpp

目录imageProjection.cpp1. ImageProjection类1.1. imuHandler1.2. odometryHandler1.3. cloudHandler⭐1.3.1. cachePointCloud&#xff1a; 点云消息缓存与检查1.3.2. deskewInfo() &#xff1a; 获得运动补偿信息1.3.2.1. imuDeskewInfo() &#xff1a; imu的补偿信息1.3.2.…

TOOM系统加强网络舆情监控的建议,如何加强网络舆情的引导和管控

网络舆情监控是指在互联网上通过技术手段&#xff0c;对网络上的舆情信息进行收集、整理、分析、评估和处理&#xff0c;以有效地识别、预测、处理网络舆情问题。网络舆情监控工作的目的是促进舆情健康&#xff0c;防止舆情危机。接下来简单了解TOOM系统加强网络舆情监控的建议…