热力学计算应用（精选12篇）
热力学计算应用 篇1
摘要：对RKS方程在计算制冷工质的热物理性质方面的应用进行了研究, 并用余函数法计算了焓和熵的值, 用VB语言编写了计算程序, 分别计算了R22和R134a的热力学数据。将所得的结果与某制冷剂物性计算软件的计算结果进行了比较, 误差在允许范围内。
关键词：RKS方程,余函数法,制冷工质,热力学性质
1 引言
在制冷循环中, 制冷剂的工作过程所经历的状态, 不能够用理想气体方程进行分析计算。制冷剂制冷性质的计算主要包括气液相平衡的计算, 实际气体焓、熵计算以及制冷循环的模拟计算。传统的算法有两种, 一种是查阅制冷性质图表, 利用图表进行工质焓、熵和制冷循环的计算, 这种方法会产生较大的计算误差, 而且制冷剂图表也不全;另一种方法是利用制冷剂状态方程和经验的密度、蒸汽压方程及热力公式进行计算, 这种算法需要大量的试验数据, 由这些数据提出的专用的状态方程, 试验工作量和计算量都较大, 需要精密的仪器和长时间的计算机计算, 这种算法虽然精度高, 但不宜用于预测新型的制冷剂[1]。
本文采用通用状态方程法, 只需要较少的实验数据, 如临界状态参数, 就可以方便的进行计算, 并对各种工质都适用, 其中RKS状态方程 (Redlich-Kwong-Soave状态方程) 以其较少的修正系数、较宽的适用范围和合理的准确度而颇受研究者的青睐。RKS方程是在RK方程 (Redlich-Kwong状态方程) 的基础上, 由Soave在1972年加以修正完善, 1980年Soave又进行了一次改进而得, 对于气-液相平衡与混合物的计算十分成功。
1 RKS方程的介绍
1.1 RKS方程的基本型式
式中, TC、PC分别表示临界温度和临界压力, R表示气体常数, P、v、T分别是压力、比容和温度, m、n两个随物质不同而不同的常数, P、v、T试验数据通过最小二乘法拟合求的, 可以在文献[2]中查得。
1.2 RKS-3次方程的解法介绍
2 制冷剂热力学性质的计算
2.1 压缩因子计算
用牛顿迭代法解出三次方程即方程 (2) 的根, 立方型方程可以得到三个实根, 其中最大的对应于汽相压缩因子, 最小的一个对应于液相压缩因子。
2.2 逸度计算
将上述计算的压缩因子应用到逸度系数计算函数, 分别计算气相逸度系数和液相逸度系数。气液平衡的条件之一是气相逸度系数与液相逸度系数相等, 将二者进行比较。
根据服从RKS方程的逸度表达式, 计算气液平衡:
式中, f为逸度, 为逸度系数
2.3 焓和熵的计算
计算实际气体的焓和熵
余函数法得出的通用方程为:
其中, h00———基准点的焓值
hr———余函数
其中, S00———基准点的熵值
以RKS方程为基础, 得出的余函数方程, 为
3 程序流程图
由饱和温度求饱和压力程序流程见图1, 由饱和压力求饱和温度的程序流程见图2, 求蒸汽的焓、熵的程序流程见图3
4 程序计算结果
4.1 饱和状态参数计算:已知P (表1)
4.2 饱和状态参数计算:已知T (表2)
4.3 过热蒸汽焓熵的计算, 已知P、T (表3)
5 结果分析
(1) 由表2可见, 本程序在已知饱和压力情况下, 计算饱和温度的最大相对误差仅为0.034%, 近似可以忽略, 计算饱和蒸汽焓的最大相对误差为2.4%, 计算饱和蒸汽熵的最大相对误差为3.3%, 都小于5%, 在可以接受的误差范围内。综上所述, 在已知饱和压力情况下, 本程序计算误差在可以接受的范围内, 程序可以使用。
(2) 由表3可见, 在已知饱和温度情况下, 饱和压力的最大相对误差为0.275%, 计算饱和蒸汽焓的最大相对误差为2%, 远小于5%, 在可接受的范围;计算的饱和蒸汽熵最大相对误差为2.93%, 都小于5%, 在可接受的范围;综上, 在已知饱和温度的情况下, 本程序计算误差在可以接受的范围内, 程序可以使用。
(3) 计算过热蒸汽的焓熵中, 焓的最大相对误差为2%, 熵的相对误差在P=200k Pa, T=-10℃时达到5.6%, 在其他情况下, 最大相对误差为4.7%, 可接受其计算误差。
综上所述, 本程序的计算结果可以接受。本文所述的方法对制冷剂及其混合物, 尤其是正在研究阶段的新型制冷工质和混合物的热力学性质的预测有着重要的应用价值。
参考文献
[1]高洪亮.绿色替代制冷剂制冷性质的计算及应用[M].河南郑州:黄河水利出版社, 2005
[2]Camporese R, B ics taro G and Rebellato L.Calculation of Themodynam ics of prop-erties of Refrigerants by the Redlich-Kwong-Soavee Equation of State Int J.of Refrig, 1985, 80:147-151
[3]刘志刚等.工质热物理性质计算程序的编制及应用[M].北京:科学出版社, 1992
[4]杨思文, 金六一等.高等工程热力学[M].北京:高等教育出版社, 1988
[5]童钧耕, 吴孟余等.高等工程热力学[M].北京:科学出版社, 2006
[6]高洪亮, 李光玲.改进的RKS方程在环丙烷-1-丁烯体系中的应用[J].齐鲁石油化工, 1997, 卷25 (2) :125-127.
热力学计算应用 篇2
摘要：量子力学一直以来都是高等物理教学的重点和难点。为了避免烦琐的数学推导，提高学生对量子力学的学习兴趣，应将数值计算作为一个虚拟实验平台引入到量子力学的教学中。
关键词：量子力学;数值计算;谐振子
一、引言
量子力学是研究微观粒子运动规律的物理学分支学科，与相对论一起构成了现代物理学的理论基础[1]。对于高等院校物理专业的学生，量子力学在基础课程中占有核心地位。通过学习量子力学，可进一步将学生对客观物质世界的感性认识提升到理性认识。因此，对于高校量子力学教师而言，形象、生动的课堂教学不仅能激发学生的学习兴趣，而且还能完善和拓展学生的物理专业知识，从而提高学生的思维水平和培养他们的科研能力。
对于大部分初学者，除了难以理解量子力学中一些与常理相悖的知识外，烦琐的数学推导使很多同学对量子力学望而生畏。如果高校教师继续沿用传统的解析推演、口述笔写的教学方式，将加大学生学习量子力学的难度。此外，量子力学的授课内容大部分属于理论知识，受条件的限制，许多高校无法为学生开设实验课程，这使得学生对抽象的量子力学现象缺乏客观认识。随着计算机的不断发展，很多教师将一些数值计算引入到了量子力学教学中，不仅有效地规避了烦琐的数学解析推演，而且也能作为量子力学授课的理想实验平台，为学生形象地展示量子力学中的一些抽象且难以理解的量子现象和概念[2，3]。因此，为了降低学生学习量子力学的难度，提高学生对量子力学的学习兴趣，应鼓励高校教师将计算机及数值计算搬进量子力学的教学课堂。本文将通过具体的一些量子力学实例来说明数值计算应用于量子力学教学过程中的优势。
二、数值计算在量子力学教学中的应用实例
我们将以一维势场中单个粒子的定态及含时演化为例来说明数值计算在量子力学教学中的应用。为了简单，我们以Matlab软件作为数值计算的平台。
例1：一维定态薛定谔方程的数值计算
在量子力学中，描述单个粒子在一维势场V(x)中运动的定态薛定谔方程如下：
- +Vxψx=Eψx (1)
这里我们假设m=?攸=1。原则上，通过从定态薛定谔方程中求解出波函数ψ(x)，我们可以知道该粒子在势场V(x)中运动的所有信息。然而，方程(1)是否存在解析解，在很大程度上依赖于势场V(x)的具体形式。对于较为简单的势场，例如大家熟知的无限深势阱及谐振子势阱，很容易解析求解方程(1)。相反，如果势场V(x)的形式比较复杂，如周期势或双势阱，则必须借助于数值计算。因此，当学生学会利用数值计算求解无限深势阱或谐振子势阱中的定态薛定谔方程时，则很容易举一反三的将其推广至较为复杂的势场，从而避免了烦琐的数学问题。
以下是基于Maltab软件并利用虚时演化方法所编写的计算定态薛定谔方程的程序：
clearall
N=100;x=linspace(-6，6，N+1);dx=x(2)-x(1);dt=0.001;dxdt=dt/dx^2;
V=0.5*x.^2;%谐振子势函数
temp=1+dxdt+dt*V;
psi=rand(1，N+1);%初始波函数
psi=psi/sqrt(sum(abs(psi).^2)*dx);%归一化波函数
psi1=psi;
for k=1：10000000
psi2=zeros(1，N+1);
for m=1：100000000
for j=2：N
psi2(j)=(psi(j)+0.5*dxdt*(psi1(j+1)+psi1(j-1)))/temp(j);
end
emax=max(abs(psi2-psi1));psi1=psi2;
ifemax<1e-8
break
end
end
psi1=psi1/sqrt(sum(abs(psi1).^2*dx));emax=max(abs(psi-psi1));psi=psi1;
ifemax<1e-6 %波函数收敛条件
break
end
end
作为例子，我们利用上述程序分别计算出谐振子和双势阱中的基态解。程图1(a)中展示了谐振子的基态解，从中可以看出，数值计算的结果和精确解一致。对于V (x)= x +ae 的双势阱(这里a为势垒高度，b为势垒宽度)，由于波函数满足相同的边界条件ψ(x→±∞)=0，则只需要将上述程序中的谐振子换成V (x)即可，其基态波函数展示在图1(b)中。从图1(b)中可以看出，随着势垒高度的增加，粒子穿过势垒的.几率越来越低。由此可见，利用数值计算能形象地描述粒子在双势阱中的势垒贯穿效应，这降低了学生对该现象的理解难度，同时提高了教师的授课效率。
例2：一维含时薛定谔方程的数值计算
在量子力学中，描述单个粒子在一维势场V(x)中运动的含时薛定谔方程如下：
i =- +V(x)ψ(x，t) (2)
该方程为二阶偏微分方程，对于一般形式的外势V(x)很难严格求解该方程。因此，我们借助时间劈裂傅立叶谱方法进行数值求解，其Matlab程序代码如下：
clearall
N=200;L=20;dx=L/N;x=(-N/2：N/2-1)*dx; K=2*pi/L;k=fftshift(-N/2：N/2-1)*K;
V=0.5*3*x.^2;
psi=exp(-(x-2).^2);psi=psi/sqrt(sum(abs(psi).^2)*dx);%归一化初始波函数
t=linspace(0，10，1001);dt=t(2)-t(1);F=exp(-i*0.5*dt*k.^2/2);
for j=1：length(t);
psi=ifft(F.*fft(psi));
psi=exp(-i*V*dt).*psi;
psi=ifft(F.*fft(psi));
U(j，：)=psi;
end
热力学计算应用 篇3
在玻璃产品中，最重要的就是就是浮法玻璃。浮法玻璃的产量很大，其整个工艺流程比较复杂，其中涉及到的因素也很多。本文就是简述通过热力学计算分析的方法来对浮法玻璃的生产过程的研究。
由于浮法玻璃的产量相当巨大，所以其严重影响到我国的经济和相关产业。浮法玻璃制造工艺一向被公认为是玻璃生产工艺里面的规模生产技术水平最高的，但是它也存在诸多的问题，比如：其溶制时间很长、其溶制的温度很高、其余热和废气度环境的危害很大、能源和原材料的消耗量也很大等等。除此以外，生产出来的玻璃产品还依赖高温、严格的气氛控制以及长时间保温等来确保锡槽和熔窑等生产设备的稳定。所以，对其的生产还需要做进一步研究，以促进发展的平衡。
化学热力学就是一个能到做到全方位分析和研究的工具，不需要太多的数据就可以研究材料生产制备的热加工过程和过程中材料的相结构以及其性能的嬗变规律。对于这一点，在钢铁材料的研究运用中最为显著。然而，大家也都清楚，玻璃是典型的非晶态无定型的物质，并且它的结构极为复杂，和相结构和相组成比较简单的金属材料是大有不同。因此，所采用的模型、计算方法还有对应的数据库以及其数据整理等都会不同，需要对此一一展开研究。本文是阐述通过尝试使用化学热力学方法来研究浮法玻璃的一些工作，希望可以启到一定的作用。
化学热力学计算的研究平台MTDATA
MTDATA是一整套电子计算机软件程序包和数据库技术，是用于多项复杂体系化学热力学、热过程计算分析。它的工作原理就是以热力学物理相平衡的原则。通过积累的简单系统的热力学数据和专门构建的数据库来作为基础，根据选择的或者设计的模型来展开计算分析工作。全过程通过相变热力学计算分析以及非平衡计算的模型方法和实际测量的数据，就可以气相在内的体系各相间的真实相互转变的关系，由此可以很清楚地知道材料的制备和加工的过程，从而找出可以提高产品质量的关键点和环保的途径，这样有助于可持续发展。针对平板玻璃而言，其结构的形成，产品性能的变化，玻璃气泡与玻璃产品性能，其熔化制备过程中的硅酸盐反应过程细节，气氛与澄清，气体成分分布以及熔窑侵蚀等对玻璃生产工艺过程很重要，可是传统的方法却很难深入到系统的研究，所以采用这种方法比较合适。
数据的采集和数据库
之前就有提到说浮法玻璃的组成是非常的复杂的，而且整体体系的化学热力学相变过程所涉及到的因素也很多。所以在这个计算处理的过程中，不能仅是简单的数据叠加，需要专门设计计算的流程和模型以及专业的数据库才可以满足。所以，NPL的方法是和皮尔金顿等企业合作建设MTOX数据库，并且不断地升级，可以涵盖研究中可以包含的所有的气体系统。其数据库的问题对于研究的结果是否具有准确性和实用性启着关键的作用。在研究中，发现了浮法玻璃在高温液态的时的气态的含量对玻璃液的澄清和产品的光学性能影响较大。所有计算体系中，对采用的数据和数据库需要进行部分实测和计算调整。因为一般的浮法玻璃都是氧化物体系，含氧类的气体为主，通过氧化物的气体传感器，利用电化学原理，形成系统的装置，实施实验室和生产在线测量，经过整理、对比以及计算分析，便可以推算出玻璃窑和玻璃液中气体的含量变化规律，以此作为化学热力学计算的基础数据之一。
玻璃形成的过程
普通硅酸盐玻璃成分结构很复杂，玻璃结构的形成过程对于玻璃的研究者和制造者来说，十分重要。如果可以掌握玻璃结构的形成规律以及与制备环境条件和原料的组成的关系，就可以很全面地控制玻璃的改性、玻璃的生产以及其加工，找到工艺制度需要改进的地方和可以采用环保的生产的措施等等。虽然热力学计算出的相比较复杂，但是它的结构变化是对应着普通平板玻璃液相形成的变化规律，这便可以结合现代的结构分析方法来分析总结出玻璃的结构和形成的特点。
玻璃生产中所用的澄清剂
玻璃澄清也就是将玻璃里面的气泡清除掉。现在采用热力学研究的方法就是，通过设计研制的探测器，定位安放和测量获得气体、气泡的信息。进行计算，做好化学组成、温度的研究，从而建立模型，掌握气泡的衍生和变化的规律。从而专门研发相关的澄清剂和专门的数据库，促进深入研究气泡的形成变化。
总结
总而言之，热力学计算的研究方法在浮法玻璃的生产工艺的研究中，起到了很大作用，得到了很应用。热力学计算对于玻璃的生产工艺、玻璃结构和以及其性能的关系、还有玻璃生产的技术的进步都是具有重要意义。
热力学计算应用 篇4
在化工领域中, 经常会因为受限于仪表精度, 得出的气体流量不准确、不可靠。通过化工热力学的基本知识, 结合实际案例, 给出一种气体流量校核手段, 以此抛砖引玉, 希望能够对大家的实际工作有所帮助。
1 案例介绍
图1为一套以干空气为原料的气体分离设备流程简图。大气中的含湿空气经过滤器AF去除固体杂质, 进入透平压缩机TC中进行压缩, 压缩后的压力空气经过空气冷却塔AT与水进行直接接触式换热, 降低温度, 并除去空气中的部分水分, 冷却后的空气经过干燥系统MS1201, 除去水、CO2等有害组分, 进入ASP气体分离系统, 经过ASP的分离, 获得所需要的产品气如氧气、氮气及氩等产品, 剩余的废气放空到大气中去。图中FI-3为孔板流量计, 用以测量原料干空气的流量, FI-1、FI-2为电磁流量计, 分别测量冷冻水、冷却水的流量。
根据设计要求, ASP系统正常生产时所需要的原料空气流量为15 500Nm3/h, 透平压缩机TC相应的功率消耗为W0。而实际的调试结果是TC消耗的功率比W0超出20%, 而此时孔板流量计FI-3所指示的空气流量约为15 500Nm3/h。按照空气压缩机厂家提供的数据, 比对该能耗下的空气量, 此时的原料空气流量应该较FI-3的指示值多20%左右。因此, 有必要采用另外的途径来确认空气流量。
2 AT的热力学分析
图1中, 各点的压力和温度都可通过直接测量获得, 因此数据可信度最高;FI-1, FI-2为电磁流量计, 其所测水的流量可以通过水泵的水力学曲线进行验证, 也可以通过空气冷却塔AT底部的计量功能进行校验, 因此, 可信度也可以得到保证;各物料组分的分析值, 也可以对分析仪进行直接校验, 因此, 精度也是可以保障的;而FI-3为孔板流量计, 由于其所测介质为气体, 现场没有合适的方法进行直接校验, 因此, 其指示值大部分时间用于参考, 可信度相对较差。综上所述, 要确认空气的真实流量, 显然不能仅仅依靠FI-3的指示数据进行判断, 必须寻找更合适的途径。
由图1可知, 进出空气冷却塔AT的各物料的压力、温度都是可以直接测量获得, 而且, 物料冷冻水3和冷却水4的流量可以通过电磁流量计进行准确测量, 只有空气物料1和2的流量不能直接测量。显然, 以AT为参考, 通过比较精确的测量数据, 来判断空气的流量是非常有效的。表1为进出空气冷却塔各物料的实际运行数据:
在空气冷却塔AT内部, 由底部进入的热空气物料1和由顶部进入的冷冻水物料3, 以及由AT中部进入的冷却水直接接触换热, 被冷却降温后由顶部物料2送出, 释放的热量则由底部的回水物料5带出。根据物料平衡和能量平衡原则, 可以列出AT的质能平衡方程:
m1×1.1%+m3+m4=m2×0.09%+m5 (1)
m1× (1-x1) =m2× (1-x2) (2)
m1×h1+m3×h3+m4×h4=m2×h2+m5×h5 (3)
mi (i=1～5) -物料1～5质量流量kg/h
hi (i=1～5) -物料1～5的比焓KCal/kg
式1为水的质量平衡方程, 式2为干燥空气的质量平衡方程, 式3为空气冷却塔AT的能量平衡方程。在以上方程中, h1～5则由各点的组分、温度、压力等状态参数来定, 只有m1、m2、m5是未知量, 解方程1～3, 即可求出m1。则原料空气的质量流量m即可求出, 如下式:
m=m1× (1-x1) (4)
3 计算结果及解释
由于供货厂家有自己的相关物性软件, 因此, 进行上述计算可以通过电子计算机进行计算, 计算方法如图2。经过计算, 物料1的流量为m1=22845 kg/h, 根据式4, 则原料空气, 即干燥空气的流量为m=22845× (1-1.1%) =22593.7 kg/h。折合成标态流量为17485 Nm3/h, 同流量计FI-3的指示值相比多了约13%, 而空气压缩机厂家提供的数据多了约20%。
考虑到空气冷却塔AT散热效应的影响, 实际经过的空气流量要比热力学分析的结果更多。因此, 可以判断, 流经FI-3的原料空气的实际流量, 更接近于空气压缩机厂家提供的数据。
参考文献
[1]宋雪岩.photoshop 7.0入门与提高[M].北京:人民邮电出版社, 2002.
[2]王吉庆.信息技术课程与教学论[M].杭州:浙江教育出版社, 2003.
中考物理力学计算分析 篇5
廊坊五中
孙丽艳
本人有幸参加了今年的中考物理分析会，收获颇丰，体会多多，针对本次考试暴露出来的问题，依据中学物理课程标准和中考命题改革的总体趋势，充分发挥期中考试的诊断性的作用，提高今后教学的针对性和有效性。1．注重基础知识、基本技能的教学
针对考试暴露出来的基础知识掌握不到位的情况，要加强基本概念、基本化学用语、基本计算能力、基本实验技能的复习，在双基过关的前提下，能力的提升才有可能。如卷面上最简单且基本的题目，但还是有一半的学生做错，说明“双基”不过关。
2．培养学生科学严谨的学习态度，提高学生的基本答题能力
考试也反应出部分学生在阅读理解能力、分析能力、灵活应用能力、规范答题能力上仍有较大差距。教师在复习阶段，要不断地用新信息充实教学内容。教师应有计划、有组织、有目的引导学生进行阅读理解，训练题要有针对性，在教学中注重学生的语言表达能力的训练，同时教会学生怎样看更清晰、理解更透彻、记忆更清楚、运用更灵活，不断提高学生的自学能力，使学生真正做到会学习，会分析，会应用。
3．教学中要重视实验、探究等活动的开展
活动与探究类型的题型是近年来各地中考新题型的一个亮点，也是课程改革中的一项重点内容。本次考试也暴露出实验教学仍是薄弱环节，学生在实验细节的掌握、实验方案的设计等方面普遍失分。为此，我们要转变观念，突出学科特点，在复习中切实加强实验教学，将实验作为提高学生学习兴趣、培养学生能力的突破口。加强与实验有关的综合性练习的训练。
岑松用计算力学优化工程结构 篇6
记者：首先，请您介绍一下什么是结构力学。
岑松：举一个最简单的例子，以人体骨架为例，人体活动受到外力，体内的每一块骨头要各司其职承担人体的自重，并传递力的作用使运动自如。结构力学主要研究工程结构在外载负荷作用下的应力、应变和位移等规律，分析不同的形式和材料的工程结构，为工程设计提供分析方法和计算公式：确定工程结构承受和传递外力的能力：研究和发展新型工程结构。
记者：结构工程为什么需要计算力学?
岑松：现在，我们所处理的都是一些十分复杂的结构体系，并且处于运动中，如汽车碰撞、手机摔落等。对于这些复杂问题很难获得解析，若采用实体检验，则耗费的时间和成本过大；用数值方法求解，计算工作量则过于庞大，这就必需通过力学、数学与计算机的结合来进行结构设计与评估。
记者：当前，计算力学中应用最广的方法是什么?
岑松：计算力学有很多种方法，如有限元法、有限差分法、无网格法，等等。其中最成熟、应用最广的是有限元法。简单地讲，有限元法就是把一个连续的物体划分为1维或多维的有限个单元的集合，并在每一个单元上建立一个函数，这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数，再通过对有限个单元场函数求解整体的力学问题的一种数值方法。这种方法的离散化概念具有非常直观的意义，很容易被设计者接受，又具有便于计算机处理的计算格式，因而得到广泛应用。
记者：请您简单地介绍一下广义协调元法。
岑松：每一种方法都有自身的局限性，有限元法也不例外。如计算精度问题，网格增加可以提高计算精度，但计算量则要以几何基数递增，这对计算机的硬件要求很高。因此，除提高计算机硬件水平外，我们还通过在数学上进行特殊处理，使其收敛性能够在相对较少的计算量下提高精度水平，这就是广义协调元法，它是有限元法中的一种。
记者：那么，什么是无网格法?
岑松：无网格法目前的研究更多是在理论层面上。不言而喻，无网格就是只需在物体上布置一些点，通过对这些点的建模，计算整个物体的力学问题。这样，无网格法即简化了有网格法前期处理工作量大的问题，又避免了物体因变形后网格随之变形导致精度下降问题。对无网格法研究，我们也只是停留在理论层面上。
记者：在广义协调元法的研究过程中，您取得了哪些研究成果?
岑松：在广义协调元法的研究中，我们提出了新型座标法。该方法解决了网格变形后，精确度不受影响的问题，这一成果得到了国际上的认可，如葡萄牙、美国的研究人员在此基础上对金属成形和锻炼过程中的结构变化进行分析。
热力学计算应用 篇7
随着我国经济的快速发展, 低碳经济已经成为我国经济社会发展的必然要求, 能源问题因此得到越来越到的关注。能源是人类社会发展的基础性资源, 能源短缺导致的可持续发展问题是人类社会的重大研究课题, 目前, 使用计算机技术深入分析能源利用的全过程, 在用能监测方面已经得到广泛运用。用能工程项目完成后, 可以利用计算机技术能源利用状况过程进行监测, 这种监测技术可以避免传统监测过程得到的记录时间与记录数据不准确等缺点。为了更好发挥计算机技术在热力监测中的作用, 下面对此进行了分析和探讨。
1 计算机技术在热能监测中的功能
在利用计算机技术进行热能项目监测时, 可以根据项目报批时的可行性研究报告要求为依据进行, 通过计算机技术收集、评估、模拟与分析得到的基础数据, 评价能源加工转换、输送分配和最终使用过程中的利用水平。然后根据数据进行规划与决策, 这样就可以利用计算机技术对热力监测得到的数据, 进一步的进行评价、预测和规划, 这是计算机技术构成热能监测信息系统的主要功能。
1.1 计算机在热能项目中的监测内容
计算机在热力项目中的监测, 主要依据国家标准《热力输送系统热能监测方法》和国标《设备及管道保温效果的监测与评价》等。应用计算机技术进行收集、整理热力基础数据, 其检查的项目包括:热力管道及阀门等附件是否有漏气或漏水现象;要对输送热力管道的外表面温度≥50℃的管段及公称直径Dg≥80mm的阀门、法兰等附件应进行保温;要利用计算机技术对其监测, 并同时对周围可能影响热能的干扰进行监测, 要检测热力管道的保温结构, 不能有可以引起热损失的严重破损、脱落等缺陷;对那些运行较长的热力管线要进行重点测量, 并在信息数据库中全面的查询和检索各种热能信息, 然后形成巨大的热能信息数据库, 对于选用的保温材料应符合GB 4272规定;室外热力管道保温必须有防雨、防湿及不易燃烧的保护层。
1.2 计算机分析系统的参数测量
评估、模拟与分析系统是利用计算机技术进行的, 它是利用统计学分析方法, 利用计算机软件的模拟技术, 它可以对热能数据进行处理, 包括各种情景的模拟与预测。例如对表面散热损失的测定, 对于这种参数的测定, 主要是采用热流计法, 这是利用计算机的控制程序, 将传感器贴敷在保温结构外表面, 就可以由显示器直接得到表面温度的测量结果。对于利用计算机, 采用测温仪器测试传递热能管道的热损失, 就可以从管道表面温度和测点周围的环境温度测得的数据, 经过计算机软件计算处理后求得, 两者的差值即表面温升, 这样就计算机就可以根据管道的保温外表面温度和环境温度, 按传热学理论计算给出散热损失的数值。这样就可以参照计算机得到的具体数值, 进一步来分析判热能的损失情况, 为下一步工作打好了基础。
2 计算机技术热能监测系统软件的设计和组成
2.1 计算机软件体系设计
计算机的管理系统软件可采用面向热力监测的范畴设计, 根据对热力监测的功能要求, 可以划分不同的“服务对象”。为了满足服务对象的需求, 要搭建一个数据基础框架, 然后再将不同的“服务对象”加载到这个框架中。计算机利用这个框架的功能, 就可以随着热能技术和热能服务需求的要求, 利用计算机这个热能管理平台, 可以随时更新“框架”上的数据。通过软件得到所需要的数据。在操作中, 要注意计算机自动监测设备输出信号问题, 这是由于在对热能的监测过程, 就一定需要将监测中心的信号接入设备, 而且对不同的热损失的控制也要接入设备中。显然, 应用计算机技术监测热能的过程, 要保证自动监测设备的输出信号传输到监控中心。
2.2 计算机热能监测应用软件的组成
计算机热能监测应用软件有以下几种。第一种是热能数据采集通信服务系统, 它是利用Socket通信协议接收智能热能网关的数据包, 在对热能检测的过程中, 可以将数据包存储到数据库中, 由于Socket是应用层与TCP/IP协议族通信中间软件抽象层, 可以把它作为一组接口。这样, 在热能监测的设计模型中, 对于Socket其实就是一个门面模式, 利用它可以把复杂的TCP/IP协议簇隐藏在Socket接口后面, 这样就可以把原本复杂的数据模型变得简单, 这对热能测试用户来说, 就可以利用一组简单的接口得到热能测试的结果, 让Socket去组织数据, 以符合指定的协议。第二种是利用计算机热能数据采集数据解析服务软件。这是为了利用计算机技术对热能监测的数据处理上, 它主要是负责读取数据采集通信服务存储到数据库里的数据包来进行处理, 这种计算机软件可以将数据包解析成结构化的记录, 最后存储到数据库里已备选取应用。第三种是利用计算机热能数据采集数据处理服务软件, 它主要是负责读取解析服务存储到数据库里的数据, 可以保证计算得出热能数量的结算记录和分项能耗数量的具体数据。第四种是利用计算机热能分项能耗结算服务软件。这是读取数据采集数据处理服务输出的分项热能的用量, 通过这个软件可以通过计算得出分项热能的日志记录。
3 热能监测的作用和目标
利用计算机技术对热能监测是低碳经济发展的需要, 尤其在东北地区, 冬季的时间长, 室内外的温差大, 利用计算机技术进行热能监测可以及时发现问题, 这种监测手段, 也是政府推动节能管理工作的一项重要手段, 因此, 利用计算机技术对热力项目进行的热能监测, 是通过对计算机控制的热能设备的测试, 利用热能检验的技术手段, 得到在热力输送过程中的各种运行数据, 提高热能的利用效率, 减少热能损失, 降低成本, 增加效益。
4 结语
利用计算机技术和热能信息系统相结合, 通过自动监测的各项数据, 提供给热能的供应企业作为依据, 就可以充分利用热能的监测数据, 实现数据共享, 为热能供应企业提供原始的数据。热能监测计算机系统可以通过检测结果, 向热源管理企业全方位的反映计算机监测热能的数据情况, 并通过对数据的分析和挖掘为热能治理提供决策方面的支持。热能监测计算机系统和视频系统相结合, 可以全天候监测热能使用全过程的变化情况, 并通过对软件数据的调整, 实现对热能利用过程中的设备进行实时控制。
参考文献
[1]刘娟.计算机技术在环境监测中的应用实践[J].科技创新导报, 2011年第10期
热力学计算应用 篇8
《计算流体动力学及其应用》是能源动力方向硕士和博士研究生的一门学科基础课程。自上世纪90年代开设以来, 前后经历了三次大的变革。在1995—2000年期间, 课程名为《叶轮机械的数值模拟计算》, 只针对能源动力学院流体机械专业方向的研究生开设;自2001年起, 课程改名为《计算流体动力学及其应用》, 面向能源动力一级学科及其下属各二级学科的研究生, 并成为能源动力学科方向研究生的一门基础课程;2006年以前, 课程授课内容以计算流体动力学方面的原理和方法为主, 选课学生主要为能源动力学科方向的研究生;从2006年开始, 为适应广大研究生的选课需要, 我们对教学内容进行了适当调整, 辅以CFD商用软件的实例和应用, 以期实现理论性与实践性并重的教学理念, 并将课程面向全校研究生开放。随着计算机技术的飞速发展, 计算流体动力学的应用日益广泛。众所周知, 计算机硬件水平的提升, 将相应地促进CFD商用软件功能更加强大, 应用更加广泛, 最终使得CFD商用软件得到了前所未有的发展。同时, 随着研究生招生规模的扩大, 使得选修《计算流体动力学及其应用》课程的研究生人数大增, 从上个世纪90年代的十几个学生, 到现在的一百多个学生, 而且涉及众多学科, 比如船海、化工、建筑、电气、交通、材料、光电等。《计算流体动力学及其应用》课程的历史与现状在一定程度上给我们将要进行的教学改革提出了新的要求, 同时也为我们指明了课程建设的新方向, 值得我们深入思考, 并付之于实践。
二、课程定位
《计算流体动力学及其应用》作为一门研究生的学科基础课程, 我们在进行改革之前, 应该首先考虑它的定位。华中科技大学作为一所教育部的“985”和“211”的高校, 一直以“研究型”大学著称。学校对于研究生的培养非常重视, 导师为每一位研究生制定了详细的培养计划, 课程的选修均有所考量。基于选修《计算流体动力学及其应用》课程的研究生人数众多, 涉及的院系广泛, 经任课教师讨论, 申请学校研究生院同意, 决定将该课程定位为高水平研究生课程。所谓高水平研究生课程, 初步确立的含义为, 高水平的学者, 采用高水平的教材, 以先进灵活的形式教授课程, 旨在培养学生坚实宽广的理论基础和系统深入的专门知识。高水平课程在内容上应该具有基础性、专业性和前沿性, 前沿性可以体现在任课教师结合自己的科研实践, 在讲授中融入一些与课程相关的前沿内容。
三、教改实践
基于高水平研究生课程这样一个定位, 我们开始着手进行课程的教学改革, 具体内容包括:组建教学团队、改革教学内容、建设实践教学平台。首先, 组建一支高水平、高素质的教学团队。教学团队由三位教师组成, 他们均具有博士学位, 高级职称。其中, 课程负责人张师帅副教授, 长期从事计算流体动力学及其应用方面的教学及研究工作, 自2006年起, 一直担任该课程的主讲教师;任课教师郭照立教授, 是目前国内计算流体动力学方面的顶尖学者, 国家杰出青年基金获得者, 并具有较高的国际知名度。郭教授团队在国内外权威学术刊物和会议上发表科学论文100余篇, SCI收录90余篇, SCI引用1200余次;任课教师陈胜副教授是一位青年学者, 在格子Boltzmann算法研究方面颇有建树。将《计算流体动力学及其应用》课程建设成一门高水平研究生课程, 得到了教学团队中每一位教师的支持, 大家一致赞同经常开展教学交流, 学习先进的教学方法和教学手段, 进一步提高教学效果。其次, 我们对教学内容进行了改革。教学团队根据选课研究生人数众多, 涉及的学科方向广泛, 重新制定了《计算流体动力学及其应用》课程的教学大纲, 确保讲授内容的基础性、专业性和前沿性。课程主要内容包括:控制方程的离散化方法、流场的求解计算方法、湍流模型及其应用、网格生成与计算技术、复杂流动的介观模型和数值方法、格子Boltzmann算法及其应用、经典CFD软件的基本用法等。而对于控制方程的离散化方法, 将重点介绍有限差分法和有限体积法;对于流场的求解计算方法, 将重点介绍SIMPLE及其系列算法;对于湍流模型及其应用, 将重点介绍k-ε模型及其应用;对于网格生成与计算技术, 将重点介绍结构网格和非结构网格的生成方法以及并行计算方法。同时, 还将邀请国内外计算流体动力学方面的专家学者前来开展专题讲座。对《计算流体动力学及其应用》课程进行教学改革是全体任课教师的共同愿望, 大家积极讨论, 并提出在现有教材的基础上, 编写具有自己特色的教材等建议。在改革教学内容的同时, 教学团队还利用学院现有的条件, 建立“计算流体动力学”软件平台, 该平台拥有高性能的计算工作站, 可以开展并行计算、直接数值模拟等大型计算研究, 为研究生开展离散方法、网格生成方法、计算方法以及复杂流动模型等研究工作创造了良好条件, 同时也为对计算流体动力学方面的前沿研究课题感兴趣的大学本科生开展创新性研究工作提供了良好条件。与此同时, 该平台还拥有多种商用CFD软件, 比如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等, 成为广大研究生开展自主学习、自主实践、相互交流的优良场所。还可以根据研究生的需求, 安排任课教师不定期地通过软件平台为学生解惑答疑, 引导研究生探索创新, 提高学术水平。
众所周知, 研究生学术水平的高低是一所大学学术水平的反映, 更是一个国家科技创新能力的反映。研究生不仅需要扎实掌握专业基础知识, 更需要具有较强的创新意识和创新能力。目前, 高等学校在培养研究生创新能力、提高研究生学术水平方面还有待加强。为此, 本文提出了通过对《计算流体动力学及其应用》课程进行教学改革, 并将之建设成具有基础性、专业性和前沿性的高水平课程, 进一步培养研究生的创新能力, 提高研究生的学术水平。同时, 本文对实践过程中的一些具体措施和经验进行了探讨。
参考文献
[1]吴新颖.论研究生教育的课程设置[J].科技导报, 2004, (2) :40-42.
[2]李学艺, 钟佩思.机械类全日制专业学位研究生教育探索[J].中国电力教育, 2013, (1) :22-23.
[3]李静波, 柴育玲.研究生教育创新模式研究[J].教育理论与实践, 2010, (5) :10-11.
[4]别敦荣, 万卫.学术性学位与专业学位研究生培养模式的特性比较[J].研究生教育研究, 2011, (4) :77-80.
热力学计算应用 篇9
计算流体力学属于一门交叉学科，涉及的领域比较广。主要包括计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析，演变出了当前的计算流体力学，为相关理论及其原理奠定了基础。随着计算机不断的发展，流体力学存在着非常好的硬件环境，促进了流体力学的发展，进而加强了我国科学技术的进步。
2 在航空飞行器问题上的应用
(1）飞行器操作中，关于流体的计算，应严格按照飞行器设计的要求。计算数值中，合理利用物理模型，使模型的精确度以及准确度可以获取一个较好的效果。比如在针对大攻角的问题上，用Euler和N一S方程计算相关案例。确认N一S模型优于Euler模型，在粘性修正的问题当中，在某些方面存在经验者的加入，但是按照这样的方法能够将流体学的两个常用的程序进行相应的计算并得出其计算结果，同时也能够设计出完美的模块。这要在相关飞行器的要求下进行，不同的飞行器对相应的解决办法也有不同。所以，要随着有关物体力学对计算程序进行相应的改善并发展，在计算物体力学的过程当中需要随时关注其发展状态。
(2）有关大攻角的问题，是长期以来最为关注的热点问题，始终围绕着飞行器的动力来进行相应的计算过程，当攻角显示比较大的情况下，有可能会产生旋涡以及机头向下，严重时导致不对称。当这一现象不能够得到相应的抑制，那么其主要会产生一些问题：横向力以及偏航力的现象，旋涡及其相互作用发生在尾翼之间，这一现状是最为容易出现故障的。经过一系列的实践表示，如果这种不对称的问题扰乱自由流时，就会对几何的问题产生影响，同时，也会影响到整个机头的形状，以及触及到雷诺数的敏感方面。当发生严重涡旋时的情况下，有可能产生完全湍流以及非对称载荷出现在边界层的状况。通过采用N一S方程与Hummel的计算结果进行对比分析，进而获取实验数据结果，其结果表明，完全相同的几条线发生了分离，一共利用了545,025个网格点（129个点是其周向，65个点是其垂直方向，65个点是其长度方向）。通过采用网络密度对大攻角的相关流动进行数字运算，可知按照相关要求，其中必须要确保其网络密度在发展的过程当中不会出现缺少的现象，因此，这一方法能够模拟出的数据问题较为准确。
(3）对比分析有关层流和转抉区的相关测验结果，其中，其压力的分布以及测试的结果主要是按照相应的计算结果得知。并且，对于类似的方法可知，对其影响明显的原因主要在于对计算结果的分布，X/L大于0.7的位置上具有相关的压力表明，这种方法主要是按照层流来分析，其中，计算结果呈现明显偏高的趋势，将其应用到大攻角的相关计算当中，有其模型及其模型的应用，可以得到更为准确的计算结果。因此，在其离位置在X/L的流层表面可知，相当于位置距离为0.5。所以在发展的过程当中，经常发生向前发展的趋势，并且根据相应的调查研究发展，这样的研究结果和观察的结果比较类似。NASA的Ames和Langley研究中心研究发现，促进其良好的发展，并且保证其能够对模拟计算的F一18大攻角与N一S方程进行相应的计算程序。
目前，总结归纳出以下知识点。Ames研究中心按照有关计算来得到有些数据信息，并以此得到了大攻角下机头，从而产生的漩涡，以及有关移动特点和特征，并测试其侧滑效应。因为实际上的计算比实际撒谎那个的操作观察后，所得的数据靠后，这有可能是由于网格的尺度到目前为止还不够精细。F/A一18压力系数以及相关的计算结果得知，和飞行试验的结果相比，能够得出其和计算的方法还缺乏进一步的研究确认，当前Ames和Langley研究中，仍然在继续研究当前的计算方法，期望能够有效地改进并完善，将其发展到适应计算机的发展，包括飞行器部件之间的相互影响，因此，能够将其有效的应用到实际的飞行器操作当中。这是个能够达到的基本目标，并为其努力奋斗着的。
3 结束语
当前主要是以N一S的计算方式进行相关的程序计算，按照其配合子的相关方式，对运算模式进行相应的计算，来达到其更广泛的优势，受到人们的关注。因此，这种模式将会被应用到各个领域，根据当前的新型号的开发进程者来判断。可以选取当前能够促进国外商业软件发展的软件，并且按照自己的需求进行相关的选择，相关人员必须配有相应的软件开发经验，以及基本的知识。开发相关属于自己的计算流体力学平台，具有更好地便捷性。从某个方面来说，这在技术上对其商业软件的发展就有有利作用。
参考文献
[1]刘绪,刘伟,柴振霞,等.飞行器动态稳定性参数计算方法研究进展[J].航空学报.2016,(8).
热力学计算应用 篇10
AUTO CAD (以下简称CAD) 是当今最为流行的绘图软件之一, 具有强大的绘图功能, 也是工程人员必修的课程之一。在工程施工中, 施工人员经常遇到力学计算问题, 往往需要应用力学计算公式, 有些公式甚至比较复杂, 需要对力学重新分析, 这给力学计算工作带来了麻烦, 如能采用CAD形象化简单化的计算, 并满足规范要求, 将大大提高力学计算效率。目前在交汇力系、材料截面特性的计算中采用CAD计算的研究较多[1,2,3,4,5], 但对超静定结构、求位移等方面采用CAD的计算鲜有报道, 尤其在悬挑脚手架的计算中从未报道。本文主要对CAD求解建筑力学中几个参数进行了总结, 并以悬挑脚手架为例, 应用CAD进行了力学分析。
2 CAD求解建筑力学中几个参数的方法
2.1 运用CAD图解法求未知力[1]
力是一种矢量, 几何意义是带有方向的线段。在平面汇交力系中, 利用力的多边形必须闭合的原则, 运用CAD进行图解, 能迅速准确地求解某个节点上的未知力。运用CAD按比例绘出节点受力图 (见图1) , 采用复制、平移、剪切等命令可以绘出首尾相接的闭合的矢量图形。那这个矢量的长度就是要求的力的大小, 方向就是力的方向。
2.2 运用CAD求未知弯矩
弯矩是受力构件截面上的内力矩的一种, 实际上是力矩的另一种解释说法, 就是弯曲所需要的力矩。它的几何意义就是带有方向的线段和力臂线段所组成的矩形的面积 (见图2) 。
A的矩形面积就是力N1对O点的力矩。可规定顺时针为正, 那N1对O点的力矩为负。
2.3 用CAD求面积、形心、惯性矩、回转半径[2]
CAD提供了massprop命令可以求出面域的面积、质心、惯性矩、旋转半径。值得注意的第一次求得的质心坐标不一定在原点。我们可以用UCS命令将坐标原点移到质心上。再次利用massprop命令我们可以看到求得的质心为X=0.000 0, Y=0.000 0, 这时我们所求的面积、质心、惯性矩、旋转半径等才是我们需要的值 (注:面域中质心和形心其实是同一点, 旋转半径等同于回转半径) 。
16号工字钢和预埋件的焊接的焊缝 (见图3) , 采用剖口满焊, 焊缝高6 mm, 考虑施工难度, 仰焊的焊缝不参与计算。根据焊缝的有效高度0.7×6=4.2 mm, 按比例绘出CAD图。采用massprop命令计算出面积A, 惯性矩I。
以上除弯矩对应形心距离y要从图中量出外, 其他数据可以用massprop命令直接读出 (见表1) 。要注意以上单位都以mm为基准单位, 在材料力学中, 以上单位一般以cm为基准单位, 在力学计算时要注意换算。由上可得:A=18.72 cm2, y=7.937 cm, i=5.624 cm, I=592.03 cm4。
2.4 运用CAD结合图乘法求位移[6]
图乘法的几何意义就是在以下3个条件下:
1) E×I=常数C;2) 杆轴为直线;3) 影响线弯矩图或实际荷载弯矩图中有一个为直线图形。
位移δ= (弯矩图面积ω×对应形心标距yc) /EI。
其中, ω为一个弯矩图的面积;yc为上一个弯矩图的面积形心对应的竖标;E为杆轴的弹性模量;I为杆轴的惯性矩。
3 CAD在悬挑脚手架工程实例应用
某工程结构形式为框剪结构, 层高3.6 m, 建筑总高度105.6 m。外脚手架从五层开始全部用型钢梁挑脚手。悬挑脚手架总高度h=83.6 m, 每次悬挑脚手架高度为14.4 m, 挑五次, 最后一次11.6 m。选最不利第五挑为验算单元, 风压高度变化系数取在94 m。脚手架尺寸内侧距外墙面350, 连墙件布置2步3跨, 连墙件形式:均为刚性构造。连接悬挑钢梁采用Ⅰ16型钢, 每根钢梁的悬挑段长度约占该梁长度的1∶3.6。钢丝绳作为卸载, 组成悬挑斜拉式脚手架。
3.1 材料截面特征
16号工字钢, 截面面积为A=26.131 cm2, 理论重量为G=20.513 kg/m, Wx=141 cm3, Ix=1 127 cm4, ix=6.58 cm。
钢丝绳选用:采用φ15, 6×37, 抗拉强度167 N/mm2, 破坏拉力137.4 k N。
脚手架钢管直径48, 壁厚2.8。i=1.601 cm, I=10.19 cm4。
3.2 脚手架几何尺寸
跨距La=1.5 m;步距H=1.8 m;横距Lb=900;外侧立杆距外墙面距离a=1.25 m。
3.3 钢丝绳与墙面夹角
钢丝绳与墙面夹角为:tgα=2.88, α=70.85°。
3.4 荷载
1) 立杆静荷载标准值:
2) 立杆活荷载标准值:
3) 立杆荷载设计值:
钢管组合受力分析略。
3.5 钢梁计算
根据脚手架规范, 钢丝绳作为悬挑钢梁的力学储备, 暂不参与力学计算, 仅计算没有钢丝绳时的工字钢。
如图4所示为计算简图。
在CAD图中对钢梁进行受力分析并按比例绘出, 将比例的大小分别写在图左边和上面, 防止计算时忘记。
将均布荷载进行平移, 见图5。
以C点为支点, 在CAD图中绘出各力对C点的力矩并在图上标出。由图6可知, C左弯矩C点左下矩形面积之和, 方向逆时针。根据力矩平衡可知, C点右上的矩形面积和应等于C点左下矩形面积和, 且C右的弯矩等于C左为17.07 k N·m, 方向顺时针。经过简单的计算, 可求出N2=5.285 k N。再将N2产生的力矩按比例调准。可以看出, N3可以直接在C点的竖线上量出, N3=27.307。
工字钢最大应力:
3.6 图乘法位移计算钢梁位移
如图7所示, 取工字钢AC段, 将受力进行分解。
如图8所示, 分别计算各力对C点的弯矩, 并按比例在CAD图上绘出。采用BO命令建立面域, 并用massprop求出各面域对应的面积和形心, 在图上标出。
如图9所示, 在工字钢AC段A点增加单位力1, 并在CAD图中按比例绘出相应弯矩。启用正交捕捉, 将图8和图9纵向一一对应。从图8的形心向下绘制直线至图9。采用剪切命令, 可以得出与图8弯矩对应的竖标yc, 采用Di命令量出, 并在图9上标出。
进行图上计算:
总位移:
3.7 钢丝绳受力计算及选用
同理可以求出钢丝绳拉力对应的竖向位移 (见图10) 。
由几何关系:
根据胡克定律:
解得钢丝绳承受的拉力T=12.48 k N。
钢丝绳取安全系数K=8, 换算系数α=0.85, 则:
137.4/8×0.85=14.6 k N>12.48 k N。
故可满足要求。
3.8 预埋件及焊缝计算
根据施工方案, 电梯、楼梯间采用滑模, 考虑预埋件后与工字钢焊接。受力预埋件的锚板拟采用10厚Q235钢板210×280, 钢筋拟采用HRB335级612钢筋开孔焊接, 锚固长度36d。考虑各种工况, 当脚手架荷载全加上后, 因钢丝绳松弛, 所有荷载全由钢梁承受时, 钢梁、埋件、焊缝所受的应力最大。
根据图11的计算法, 梁受的弯矩和剪力, M=17.07 k N·m, V=21.4 k N。
3.8.1 预埋件计算
根据图12上关系, 可以得出:
组合下应力计算:
满足要求。
3.8.2 焊缝的计算
埋件塞焊受力:焊缝厚度按6 mm计算:
满足要求。
工字钢焊缝应力:
合格。
4 结语
1) 总结了CAD在建筑力学计算中的应用, 包括求未知力、求未知弯矩、求截面特性、位移等方面。
2) 悬挑脚手架的力学计算实例, 说明CAD能准确、直观、快捷的计算各种力学参数。
3) CAD计算建筑力学在其他领域中的应用有待研究。
参考文献
[1]李兰英, 刘跃华.运用AUTO CAD求解桁架内力[J].盐城工学院学报, 1998, 11 (2) :48-50.
[2]荚春龙, 张菊华, 王书.阀门支架截面力学特性探讨及CAD应用[J].阀门, 2010 (2) :29-30, 45.
[3]崔淑杰, 李书亭.用投影变换法图解力矩[J].黑龙江工程学院学报, 2003, 17 (2) :59-60.
[4]熊瑞生, 冯波.利用Auto CAD精确图解静定桁架的内力及支座反力[J].信阳师范学院学报 (自然科学版) , 2009, 22 (4) :603-606.
[5]林大钧.图解工程静力学研究[J].图学学报, 2013, 34 (5) :132-137.
热力学计算应用 篇11
【摘要】计算结构力学是在结构力学基础上为研究生开设的一门重要基础课程, 将为一系列后续课程的学习打下重要基础。本文从建立立体式课程教学体系、创新教学内容、创新教学方法、以科研促进教学等措施方面进行了教学改革尝试。
【关键词】研究生教学;教学改革;高等教育
【中图分类号】G420 【文献标识码】A 【文章编号】1001-4128(2009)10-0061-03
根据培养跨世纪人才的需要,高校的课程教学必须同时代的发展与科技的进步相适应,在内容、体系及观念上有所更新和突破[1-2]。目前,研究生课堂教学面临着众多的困难与挑战。从1999年持续至今的研究生扩招的背景下,研究生的招生规模和人数成倍增长,这给研究生的课堂教学提出了更严峻的考验。研究生教学所处的困境,以及由此所带来的研究生教学中存在的问题,一方面受传统研究生办学模式的影响,另一方面也由研究生教育发展过程中产生的诸多问题所致。改善研究生课堂教学是提高研究生培养质量的必然,也体现出研究生教学改革的紧迫性[3-4]。计算结构力学属于一门用于工程结构计算的技术基础课,是联系基础理论和专业知识的桥梁,在有关工程专业中占有重要地位。课程的这一性质决定了它具有理论性与实践性的特点,其教学不应只注重理论,偏离实践,而应二者兼顾。传统的计算结构力学课程有失偏颇,只侧重基本理论及其解题方法、技巧,比较忽视基本理论在工程实际中的应用,因而存在不完整性和缺乏先进性的问题,不利于学生能力的培养和提高,也不符合现代教育的要求。为此,根据当前形势发展的需要, 为了提高教学效果、教学水平,加快该课程的改革和建设步伐, 我们从2005年开始着手改革计算结构力学课程,借鉴了相关力学课程的改革经验,积极探索新方式,在计算结构力学的教学体系完善、教学模式、师资队伍建设等都尝试一些创新的方法,并取得了较好的效果。
1紧密结合专业建设,建设立体式课程教学体系
工程技术系统日趋增加的复杂性,更需要多学科的技术支撑,为此建立协调完善、融会贯通的课程体系十分必要。我们根据结构力学,计算数学,计算机应用学科在计算结构力学主要环节的内容交叉情况,从加强基础的角度,设置课程模块并进行程序设计,较好的促进了学科内容的相互融合渗透,知识结构系统完整,模块化教学循序渐进,建立了一个完整协调的立体化课程教学新体系[5]。计算结构力学立体化教学系统主要由三个模块组成,包括传统的纸质课本教材,一个教学系统和一个学习系统(见图1),它们分别对应的是客体,环境和主体三个教学要素。教学系统主要是教师授课时使用的多媒体教学课件模块,学习系统主要是用于学生课后复习以及网上提交作业的课件模块。三个模块之间协同作用,互相补充,共同完成教学任务,其中,纸质教材采用自主编写的面向船舶与海洋工程专业研究生教学的新教材。教学系统和学习系统又可相应分为几个子系统,各子系统包括若干功能模块,见图2。该课程体系还较好的体现了学科内容与交叉。近几年的教学实践表明,这一新的教学体系不仅精炼了教学内容,更可通过系统知识的模块化程序设计充分激发学生的主动进取精神和创新意识。极大的提高了学生的实践能力和计算机应用能力。
2创新教学内容,反映国际前沿学术动态
面对科学技术的飞速发展,现有的教学内容要不断更新,才能紧跟时代的前进步伐,使我们所传授的知识具有新鲜性。因此为了在教学中引进反映与计算结构力学相关领域的科技成果的新内容、新理论和新技术,提高教学内容的起点,我们在计算结构力学整个授课过程中开设两次反映当前与该领域相关的最新学术进展的科技讲座。讲座的内容是根据相关领域的国内、国际权威会议上的最新交流成果摘集而成。这些讲座不仅给学生开阔了视野,而且对其今后的研究方向也有着重要的影响,对培养高水平、高素质的人才有重要意义。
3创新教学方法、教学模式,提高对学生综合能力的培养
在体系改革的同时,教学方法的改革也要跟上去,这两者是相辅相成的。教为主导,学为主体是教学的原则与规律,但教师教什么,让学生学什么却必须认真研究。我们在计算结构力学课程的教学过程中本着使学生获得必要的知识的基础上,更注重使学生获得汲取知识的能力,发现问题、解决问题的能力以及独立思维和自我判断的能力的培养,因此我们在教学方法、教学模式上作了以下创新尝试:
3.1注重教师的主导作用,培养学生科学的思维方法
在讲课过程中注意围绕重点、难点精讲多练,对讲授内容注重讲概念,讲思路,讲方法,讲关键。例如在讲解平面问题和空间问题的有限元法中给学生理清有限元方法解决问题的基本思路,即结构离散化、形成结构刚度矩阵、计算等效节点荷载、列方程、解方程这一条主线。使学生在学习本课程的其他内容时,清楚这些内容具体是为了解决上述那一部分问题,从而培养学生科学的思维方法,系统的学习方法。
3.2引用多媒体、数值仿真实验室的动态教学方法,提高学生的理论联系实际能力
为了使学生适应新的需求,在不影响基本理论学习的情况下,更新计算手段,引用多媒体教学之后,可以适当延伸一些课程内容,通过直观、动态的多媒体课件,使学生有着很好的感性认识,之后具体讲解这些过程是应用了那些基本原理、基本方法得到的,调动同学的学习热情。此外,在结构运动学和动力学部分、结构的非线性部分、结构稳定性问题、断裂力学问题、流固耦合问题等章节中根据理论联系实际的原则,分别采用典型工程结构问题建立了数值仿真实验室系统,该系统主要包括典型薄板弯曲变形数值仿真、船舶结构强度分析数值仿真、冲击荷载作用下船舶动响应仿真、波浪荷载作用下海洋平台动响应仿真。
3.3采用双语教学模式,锻炼学生的外语使用能力
以教材内容为依据,制作适用于双语教学的多媒体课件。在实际授课过程中,设置模拟环境,按照一定的方式来进行的一种互动式授课及实训,使学生在亲自参与的过程中,提高对专业知识理解,并锻炼学生对语言的恰当使用的能力。这种互动式授课可以增强学生灵活运用英语的能力, 同时也加深了对专业知识的理解和感悟。
3.4建设网络教学系统,加强教师和学生信息交流
网络教学由于覆盖面广,可以实现更大范围的信息资源共享。因此,为了迎合现代教育观念的先进的教学和学习方式、增强学生与学生之间,教师与学生之间的协作交流,我们建设了计算结构力学教学网站。该网站以沟通、交流为宗旨,设有教学区和学习区。计算结构力学网站的建立极大的激发了同学对该课程的学习热情,根据反馈信息,采用网络这一新颖的辅助教学措施,不仅可以促进学生之间的协作交流,使学生对学习的内容会理解得更深刻,学习思路更开阔,而且可以使教师通过学习者提出的问题和要求中产生一些新的教学思路,并反馈到教学设计当中。
4结束语
学生在校期间获取一定量的知识是非常重要的,知识是一个人素质的一部份。但教师不应只满足于教学生会做几道题,尤其对于研究生而言,更应注重教学生学会学习,学会科学的思维。素质教育应着眼于学生的主动性,独立性,创造性的发展与提高。在研究生阶段,教师应多给学生提供参与活动,表现自我的机会,使学生在成功的体验中不断进取、开拓、创新,同时提高学生的自我意识,自身调控能力,鼓励学生大胆创新,求异思维,标新立异。以上是四年来对我们对计算结构力学课程进行改革的一些尝试。提供一些看法和做法与同行们交流探讨,以不断推动教学改革,完善计算结构力学研究生教学。
参考文献
1张爱华,高等教学质量观及高教改革论 [J]. 辽宁师专学报,2004(4):111-112.
2姚秋杰,关于高教改革的若干思考[J].北华大学学报,2004(2):2-5.
3张林,杨心德.浅析当前研究生教学存在的问题与对策[J]. 科技信息,2008(4):17-18.
4陶玉萍,纪军, 研究生教学模式探究[J]. 高层次人才培养技术与创新管理, 2007(3):64-66.
热力学计算应用 篇12
关键词：计算流体力学,优化清水池水力,方法应用
一、引言
随着我国城市化不断的发展与进步, 人们对城市用水质量的要求也越来越高, 为此国家颁布了城市用水的新标准与施工规范, 对城市净水工艺提出了更加高的要求。净水体系的关键环节之一就是清水池的净水过程, 清水池的水力效率直接影响着消毒的效果, 优化水力能够有效地减少毒副产物的生成和提高消毒的效果。如何通过优化清水池水力提高净水效果是提高城市净水工艺研究中的重要课题。传统的方案是采用中试示踪法, 来确定清水池水力效率与池内结构的关系。但是以此方法确定的清水池水力分布函数既费时又费力, 并且在某些特定的环境中还无法监测。随着计算流体力学和计算机软件技术的发展, 我们就可以通过计算流体力学模型来模拟复杂的清水池水力环境, 再通过计算机软件来绘制出各种水力变化函数, 判断影响清水池水力效率的因素, 并针对这些因素制定相应的优化方案。
二、计算流体力学概述
计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 是利用电子计算机和离散化数值法来计算和分析流体力学的一个分支领域, 就是利用计算机来求解流体流动的各种守恒偏微分方程组, 使用计算机图形处理技术将其以图形化的方式呈现出来。
掌握计算流体力学的原理和分析流程是分析清水池水力变化的基础, 计算流体力学检测清水池水力效率变化的流程可分为建立数学模型、迭代求解、数据采集与处理和检验模型准确度这四个步骤。
(一) 建立数学模型。
首先, 确定物质的流体流动模型和颗粒输送模型, 用数学方式描述出来, 列出相应的偏微分方程组。其次, 根据粘性流体的Navier-Stokes方程, 结合实际模型情况确定流体的守恒方程组、颗粒的输送方程等。再次, 通过有限体积法将流场区域划分为众多网格, 利用求解器对部分数值进行求解, 其中网格的密度和质量的确定需要根据实际的精度要求, 选择最优化的网格结构, 既能提高模型的准确度又避免了网格过于复杂带来的计算不便。最后, 根据入口流速、投加物质数量、投加物质位置和速度等参数数值, 正确设置边界和初始条件, 以保证计算获得准确的稳态解。
(二) 迭代求解。
使用连续相 (水相) 紊流模型和分散相 (示踪剂) 水力输送模型对方程进行求解计算, 其中颗粒对连续相的影响可忽略不计, 这是由于颗粒的相浓度相对很小, 可以忽略颗粒对水流的作用。
(三) 数据采集与处理。
经过迭代求解, 可以得出每个网格内各项属性的具体数据, 包括流体的流速和压强、颗粒的流速和运行轨迹等等。根据所得数据就可以绘制出时间停留密度曲线和累计液龄分布曲线。
(四) 检验模型准确度。
通过流场的模拟和示踪剂的模拟, 利用软件模拟出单个颗粒在拐角处遇到短路流并循环流动的情况, 并将利用计算流体力学模型计算出来的结果与中试示踪试验的结果进行比较, 观察两种模型绘出的各分布曲线是否一致, 如分布曲线大体一致且误差在可接受范围内, 即可验证计算流体力学模型的准确度。
笔者分别采用计算流体力学模型和物理模型对某水厂清水池水力的进行了实地检测, 得出了一些水力效率评价参数的对比值, 如表1所示。
t10 / T值作为衡量清水池设计优劣的重要参数, t10 / T值的准确测量能够帮助施工人员制定具体的优化清水池水力方案, 提高清水池t10 / T值能够降低消毒剂的投入量, 从而大大降低了水中毒副作用产物的产生, 提高了水质, 由此可见t10 / T值准确测量的意义。如表1所示, 清晰可见t10 / T值的相对误差在可接受的范围之内, 故计算流体力学模型在实地测量中能够正确反映清水池水力的情况。
三、清水池水力的影响因素
详细了解影响清水池水力效率的因素, 才能针对这些影响因素制定相应的优化设计方案, 笔者将这些影响因素总结为以下三点。
(一) 挡板。
挡板的长度与数量是影响水力效率的重要因素。一是挡板过长会导致拐角处的过流断面过窄, 这样就会造成流体的流速增加, 且不利于颗粒在流场内的输送。如挡板过短, 则会在拐角处造成短路流, 使得部分颗粒会在其中循环流动, 导致测量颗粒的水力停留时间增大, 颗粒呈现出较大的离散度, t10/T值下降较大, 严重影响清水池水力效率。二是美国学者Gil F.Crozes的研究试验表明t10/T值与L/W值呈对数关系, 在工程上, 只要提高L/W的值就能够相应提高t10/T的值。在挡板较长的情况下, 增加挡板的数量能够提高L/W值, 也就是能够在一定程度上提高清水池水力效率;而在挡板较短的情况下, 增加挡板的数量对水力效率的提高微乎其微, 需要优化挡板长度才能提升水力效率。
(二) 导流墙。
除了优化挡板的长度可避免短路流的形成, 控制导流墙的形状也能够在一定程度上抵消短路流的影响。通过实验表明, 将拐角处的墙体形状设置成流线形后, t10/T值很明显提高了将近20%, 基本抵消了短路流对颗粒的水力停留时间的影响, 有效地降低了在短路流中循环流动的颗粒的离散程度。
(三) 穿孔板。
穿孔板的设置也能够在一定程度上减少短路流的影响。流体在经过拐角处后水力断面变小, 使得流速和紊乱程度都相应增加。通过试验比较设置穿孔板前后的矢量图可知, 设置穿孔板后将t10/T值提高了10%左右, 有效地弥补了短路流造成的水力效率下降, 也在一定程度上降低了颗粒的离散度。
四、清水池水力优化设计方案
结合上述计算流体力学的原理和影响清水池水力效率因素的分析, 笔者采用计算流体力学数学模型建立了以下两个清水池优化模型。
(一) 四挡板流场优化模型。
该模型除了对上述影响清水池水力效率因素的优化外, 还将在出入口出设置发散墙并将挡板的数量设置为四个。当挡板有一定长度时, 挡板数量设置为四个, 使得优化水力效率的幅度达到最大。在出入口处设置发散墙, 也有利于消弱紊流程度。
(二) 七挡板流场优化模型。
当挡板长度设置较短时, 增加挡板的数量已经对t10/T值影响较小, 但是如果通过再次优化使得增加数量还能够增加水力效率, 那么该方法就应该值得被应用在实际净水之中。据试验速度矢量图显示, 当优化模型的挡板数量在七个的时候, 拐角处的短路流的面积再度减小, 整个流场也变的较为均匀, t10/T值从原先的0.8增加到了0.87, 证明七挡板流场优化模型也是切实有效的。
综上所述, 可以普通应用的优化清水池水力方法有三种, 分别是增设导流墙、增设穿孔板和合理确定挡板的长度和数量。它们都能够在一定程度上增加t10/T值、消弱紊流程度、降低短路流的影响。
五、结语
清水池作为整个净水工艺的重要单元, 优化清水池水力能够有效地提高水质、减少毒副作用产物的产生、提高消毒的效果, 在保证水质安全的环节上有着至关重要的作用。本文首先通过对计算流体力学研究清水池水力效率的可行性进行分析, 确定计算流体力学模型应用在优化清水池水力上是省时省力且切实可靠的, 保证了所提出优化方案的有效性。然后通过计算流体力学模拟试验, 验证了挡板、导流墙以及穿孔板的优化设置对清水池水力效率的影响。最后提出了四挡板和七挡板的优化模型。本文对计算流体力学在优化清水池水力中应用的研究, 在加深笔者对计算流体力学的了解外, 更加希望帮助水力公司提高运用计算流体力学检测清水池水力效率的精度, 并制定出更加优化的净水方案。
参考文献
[1].刘文君, 张金松, 刘丽君等.清水池改进原理与应用[J].给水排水, 2004
[2].柳清, 刘文君, 高京伟, 张素霞.中试清水池水力条件对氯消毒效率的影响[J].环境科学, 2009