室内模型（共8篇）
室内模型 篇1
0 引言
随着城市化进程的不断加快,大型建筑物内部构造变得更加复杂,加重了人们的空间认知负担,使室内寻路变得更加困难。特别是在商场、机场、会展中心等大型公共场所,室内“迷路”的情况尤为突出,室内导航因此得到越来越多的关注[1]。近年来,对室内导航系统及关键技术的研究逐渐兴起。20世纪90年代,美国Arc Second公司开发完成了首套室内导航系统,称为室内GPS;2009 年,Google推出了一项新的Google地图,可为建筑物提供室内地图;2010年,诺基亚研发了高精度室内导航技术,通过蓝牙和Wi-Fi网络进行室内定位;2012 年,诺基亚、三星、索尼移动以及其它19家公司联合成立了“室内定位联盟”(In-Location Alliance)[2]。目前,室内导航技术更多地关注于室内定位技术的研究和实验,而对于完整室内导航系统所必需的室内导航模型(室内信息组织)的研究则相对薄弱。事实上,室内导航模型在室内导航系统的各种功能实现中起着重要作用,如最优路径规划离不开室内拓扑网络,路径三维表达离不开室内几何甚至纹理信息,而路径查询过程中的交互过程离不开室内语义信息。这些室内信息的有效组织和存储是保证系统导航功能实现的基础。因此,本文将对现有的典型室内导航模型及建立方法进行阐述,并重点对比分析其优缺点,从而为室内导航模型进一步研究提供借鉴[3,4]。
1 室内导航模型研究现状
室内导航模型是指为了实现室内导航系统,需要对室内各种空间要素和信息进行有效组织和存储,从而为室内定位、信息查询、路径分析、实时导航等各种室内导航功能实现提供数据和模型支持。随着人们在室内活动更加频繁和建筑物的室内结构越来越复杂,学者们对室内导航模型的研究也更加深入,室内导航模型由原来信息单一的简单模型逐渐发展为包含丰富信息的复杂模型。本文将根据时间先后对室内导航模型的发展过程和现状进行简单阐述。
早期常见的是符号模型[5]。其原理是将室内空间对象用带有特定ID标识的符号元素来表示,用于表达室内空间元素的相互关系。这类模型符合人的空间认知特性,但缺少对室内的几何描述,且只能给出粗略的相互关系描述。为了实现对室内几何和拓扑的统一描述,Lee[6,7]等利用对偶图理论将室内空间抽象表示为节点和边,并通过直中轴变换方式将二维通道转换为一维的线,构建了三维室内拓扑数据模型。
杜建庚[8,9]使用基于图像细化算法、特征点提取算法等建立单层楼的楼道路径,并将房间作为结点连接到楼道路径上,单独考虑房间内部结构,建立单层楼层的路径图,然后用楼梯结点和电梯结点把相邻的单层路径图连接起来,生成三维路径模型。该路径模型是由弧和结点结构组成的带权图结构,弧上可赋予不同的权值;Yuan[10]等提出“门-门”的建模方式,将门抽象表示为节点,门之间的连接表示为边,通过增加可视点的方式保证节点之间的通视性;赵新云[11]提出了一种基于概念格的室内导航模型,该模型基于位置—出口模式,引入锥形模型的方向关系和度量关系,建立用户本体和空间本体,使用本体来表示模型,并在其基础上进行推理,实现个性化的上下文导航服务。
温永宁、张红平、闾国年[12]等进行了楼宇三维寻径分析研究,选用房产空间管理数据作为数据源,将楼道多边形的边界当作离散的点,然后构建约束Delaunay三角网[13],以三角形边线的中点或三角形重心作为中轴线的结点,依次连接这些结点,得到楼道多边形的中轴线,最后得到拓扑路径网络;余文芳[14]在复杂室内环境下导航位置模型基本理论和方法研究的基础上,构建了一种室内应急疏散导航位置模型。利用传感器数据采集、建模等方式获取室内环境实时上下文数据,并利用室内空间数据模型、应急导航上下文数据模型对数据进行处理、存储,形成数据库,进行查询、分析处理,以提供导航、辅助决策等服务。
林雕[15]提出基于图论的建模方法,模型综合考虑几何、拓扑、语义三类信息的表达,利用图的建模方法建立室内导航概念模型,在房间内部增加内点来保证可视性,模型中节点和边与室内实体之间存在一一对应关系,可用于支持室内的导航推理;针对干预过多和效率较低等问题,牛磊[16]提出了一种自动化构建室内通行网络的方案,对CityGMLLOD4格式存储的建筑物通行数据存在的各类典型问题进行对应性的数据错误修正和补全,然后结合室内可通行空间的特点,引入正交多边形分割算法和邻近关系分析算法,完成室内通行网络的提取。
2 现有室内导航模型比较
为了对比和评价现有的室内导航模型,可以根据模型提供信息的丰富程度、模型构建的难易程度以及模型满足导航应用的适用程度等几方面考虑,具体如下:
(1)模型的适应性。适应性是指导航的行为应满足不同种类的用户需要,例如:人员疏散、救援、应急管理等。不同人员对室内导航有不同的认识方法、不同的时间要求,以及不同的导航方式[17]。
(2)模型信息的丰富度。模型中节点和边需包含相应的属性信息,以便于路径的连通性、路径计算和可视化。语义信息是实现室内导航的关键所在,需将节点所表示的空间类型、通道的方向性、门的开关时间、节点之间的权值等语义信息通过节点和边的属性信息来表示。
(3)模型构建的复杂度。数据的选择和三维路径的提取方法是构建模型复杂度的影响因素,数据包含的属性信息、精度、拓扑完备性和存储方式等不同,对模型构建具有不同要求,并产生不同程度的复杂度。选择满足室内导航的数据和更好更快地生成符合人们行走习惯的三维路径构建方法,是降低模型构建复杂度的关键所在。
基于上述指标,对现有的室内导航模型进行详细的对比分析,如表1所示。
3 室内导航模型分类
根据模型包含信息的类型和丰富程度,结合文献[18],对上述现有室内模型进行了归类,大致分为3类:
(1)语义模型。语义模型大都基于本体论,由空间本体表示实体间的关系。室内实体在拥有一个名称的同时,还具有其本身的属性信息以及与其它实体间的关系,通过空间实体和各类关系的语义特征,进行目标定位。前期的符号模型、赵新云提出的概念格模型和余文芳的上下文导航位置模型都属于语义模型。
(2)拓扑模型。拓扑模型是描述空间目标之间关系的数据模型,其中多边形被分割为节点和弧段。拓扑关系构建完毕后再加入结构化且丰富的数、质量信息。Lee的对偶图模型、杜建庚基于图像细化提出的模型、Yuan的“门-门”原理、温永宁的Delaunay三角网建立的模型与牛磊的基于CityGMLLOD4的室内通行网络构建的模型把空间抽象为点和边,对点和边赋予属性值来确立它们之间关系的拓扑模型。
(3)混合模型。混合模型融合几何、语义、拓扑信息,使室内导航模型能满足不同用户不同的导航需求。林雕的基于图论的建模即为结合了几何、语义、拓扑信息的混合模型[15]。
4 结语
许多应用领域如室内寻路、紧急救援和疏散、楼宇安全等需要室内导航模型的支持,对室内导航模型的研究已成为当今的热点。本文从室内导航模型的构建方法和原理出发,介绍了现有的几种典型室内导航模型,根据模型包含信息的类型和丰富程度对其进行了分类,并探讨了各种室内导航模型的优缺点。随着科技的发展,室内导航模型将在更多领域得到应用,人们对室内导航模型的要求也将更高。现有的室内导航模型尚存在一定问题,如模型包含的信息不足、提取路网的方法冗杂和提取的路径不符合人们行走习惯等。因此,发展集成几何、语义与拓扑信息的三维室内导航信息模型和更快速、有效提取路网的方法是下一步研究的课题。
室内模型 篇2
室内空气污染及排放源的模拟模型
摘要：介绍了国外关于室内源排放率、室内污染物浓度、室内外污染物浓度比值(I/O)、室内外源贡献率及人体呼吸道受室内空气污染影响等方面模拟的.模型,分析了模型的理论基础、模型形式和参数确定,对国内开展相关的研究提供重要参考借鉴.作 者：黄虹 曾宝强 HUANG Hong ZENG Bao-qiang 作者单位：黄虹,HUANG Hong(南昌大学环境科学与工程学院,南昌,330031)曾宝强,ZENG Bao-qiang(香港教育学院,香港)
期 刊：江西科学 ISTIC Journal：JIANGXI SCIENCE 年，卷(期)：, 26(4) 分类号：X513 关键词：室内空气 空气污染 模型室内模型 篇3
一、目前室内分布系统中存在的问题
随着建筑物的密集化与高度化发展, 以及装修形式的封闭性, 使得室外无线信号受到了非常大的屏蔽和干扰, 通信质量严重下降, 突出体现在以下几个方面。
1.室内建筑环境复杂多样, 无线工程受条件所限;
2.建筑物墙体、门窗、屋内装饰家具等对信号的屏蔽和吸收, 使得无线电波衰耗严重, 容易造成室内死角, 形成了弱覆盖区域甚至盲区;
3.火车站、学校、大型商场购物城、大型会议中心影剧院等人员密集区域, 需求容量大, 用户话务集中, 再加上CDMA系统干扰形式主要是用户间的自干扰, 使得建筑物内网络性能下降, 不能满足指标要求, 通信信道发生拥塞导致部分用户信号质量下降甚至掉话等故障;
4.建筑物密集且楼层均较高情况下, 高层建筑物的空间狭小, 信号覆盖范围小, 容易出现很多个小区重叠, 造成了无线信道之间的干扰, 从而使得服务小区出现乒乓现象, 边缘用户信号不稳定, 话音质量下降甚至造成掉话。
设计较为完善的室内分布系统模型, 对室内环境进行建筑化结构分析, 长远考虑建筑物设计内外发展趋势, 将室内模型与实用建筑形式进行紧密结合, 依据不同的建筑结构, 采用不同的模型因子, 能够较为全面地改善建筑物内的信号覆盖, 提高用户服务质量, 同时也能够简化室内分布系统工程, 使得必要时室内系统还可以分担室外环境的话务需求, 扩大网络容量, 全面提高无线网络的服务水平。
二、室内分布系统指标要求
本方案的设计指标完全从实际工程角度出发, 按照经济实用、覆盖完善、发展灵活的需求进行设计, 在保证系统质量的前提下工程预算造价尽可能采用低成本方案;在设计中充分考虑了工程施工的简便易行, 尤其是敷设馈线问题;为了减少噪声, 设计中尽可能用较少的天线, 从而达到较低的天线输出功率, 形成均匀的信号场强覆盖;所用的器件如功分器、耦合器及天线等均采用宽频器件, 并设计了一定的功率裕量, 便于网络扩容需求。
1.覆盖指标。首先是根据用户需求确定室内无线的覆盖指标要求, 然后根据建筑物结构形式确定天线口的输出功率, 再结合室内结构及装饰家具等条件设计合适的传播模型, 最后进行实际测试修正模型, 得出天线的实际覆盖半径, 进行工程设计指导。室内的传播特点和用户需求不同, 可以将室内环境分为标准层、裙楼、电梯、地下层, 设计方案应该根据不同的情况进行覆盖设计。
①标准层空间分布比较规整, 常为住宅、办公大厦等, 信号在高层比较混乱, 纵深处无线网络覆盖差, 应该在室内设计主导信号源, 改善整体覆盖质量。
②裙楼一般在底层, 空间面积比较大, 空旷的房间较少有间隔, 在窗户边缘接收室外信号强, 但中间位置信号不理想, 应该着重给予覆盖并控制室内信号的外泄以及室内外无线信号小区的切换问题;
③电梯一般在建筑物的中部, 当电梯门关闭时形成封闭空间, 信号很难穿透, 极易造成瞬间掉话等故障的发生, 应该在电梯井内敷设八木天线等进行信号覆盖, 从而保持电梯内外信号的平滑过渡切换, 保证电梯内信号质量的同时保障网络的切换电话问题;
④地下层包括小区、商场等大型建筑物的地下停车场、地下室等区域, 地下结构复杂且狭窄, 基本是信号盲区, 应该在地下形成主导区域信号, 保障地上与地下直接的小区信号平滑切换。
2.CDMA室内分布系统的设计目标。根据国标《电磁辐射防护规定》, 室内天线口输出功率≤15 d Bm, 按照导频信号功率占天线总功率的10%计, 设计中采用天线口的导频信号功率应在5 d Bm左右。对于CDMA室内系统按以下标准设计:
①信号覆盖的导频功率, 在标准层、裙楼区域内95%以上位置, 前向信号的接收功率≥-80 d Bm, Ec/Io≥-12 d Bm;在电梯、地下层区域95%内以上位置, 前向信号的接收功率≥-85 d Bm, Ec/Io≥-10 d Bm。
②覆盖范围内的99%位置和99%的时间手机能够接入网络。
③忙时掉话率低于1%。
④室内外基站之间的切换成功率>96%。
⑤室内信号泄露到室外10 m处的强度≤-90 d Bm。
三、室内分布系统模型设计
1.室内环境的电磁波传播。经过试验研究表明, 能够影响室内传播的主要因素是建筑布局、建筑材料和建筑类型等。室内环境的电磁波传播具有两个显著的特点, 即室内能够覆盖的面积非常小和室内传播环境变化非常大。本文选的室内传播模型为实际应用中普遍选取的模型, 如下:
Ploss=Plosslm+20log (d) +FAF+8 (dB)
其中:
Ploss:路径损耗 (dB) ;
Plosslm:距天线1米处的路径衰减 (dB) , 参考值为38 dB;
d:距离 (m) ;
FAF:环境损耗附加值 (dB) 。
此公式只是说明了空中损坏的计算方法, 实际中的链路计算分为两个部分, 第一部分为空中损耗, 另外一个部分为室内信号源到天线输出端口的损耗, 即链路预算。在网络采用无源设备时链路预算只要计算下行链路即可, 网络采用有源设备时要考虑干放的上下行平衡以及上行噪声系数。实际中只要根据到达天线口的功率, 逐步上推, 确定根节点需要输入的功率。基本的预算方法如下:
天线口输入功率=信源输出功率-∑接头损耗-∑耦合器损耗-∑馈线损耗-∑功分器损耗-∑其余器件损耗
2.场强计算及模型设计。结合上述应用分析, 进行了如下模型设计, 可以对空中损耗和链路预算进行简便计算。对室内覆盖系统, 在波自由空间传播产生的损耗, 结合障碍物产生的阻挡, 其自由空间传播损耗计算可用公式写为:
式中:d为传输距离, 单位为m;f为电波频率, 单位为Hz;c为光速。用对数表示为:
上式中:
Ls:电磁波在自由空间传播时的传输损耗;
f:所选取频率;
c:3×108m/s。
在实际的室内环境下, 墙体、人体、室内设备等都会影响电磁波的传输损耗, 各种材料的建筑物及建筑物的不同结构都会影响电磁波的损耗, 只要对应引入各种损耗因子即可, 即:室内接收点功率=天线口发功率+天线增益-遮挡损耗-自由空间损耗。
四、结语
通过多年的工程验证, 此模型能够很好地对室内进行覆盖并大大降低了工程成本, 并具有较高的拓展空间。在实际的室内分布系统工作中, 掌握链路预算与空间损耗的计算方法往往只解决理论层面问题, 只有通过不断总结C网室内覆盖经验, 灵活运用室内覆盖设计模型, 对不同建筑环境进行不同的设计思路, 才能够有效地提升室内信号质量, 提高室内通信系统的总体性能。
参考文献
[1]GB/T 21195-2007.移动通信室内信号分布系统天线技术条件[S].
[2]吴为.无线室内分布系统实战必读[M].北京:机械工业出版社, 2012.
[3]李军.移动通信室内分布系统规划、优化与实践[M].北京:机械工业出版社, 2014.
室内模型 篇4
在通信经历窄带、宽带以后到超宽带,系统传输速率越来越高,通信系统也出现了一些新的特点,如用冲击脉冲形式传输信号,而无需传统的载波传输。UWB信道也出现了一些新的特点,如信号传输基于成簇方式的多径到达,频域上可达到GHz的范围,频率选择性衰落更加严重。为使UWB通信技术早日形成标准,需要根据其具体应用环境建立准确信道模型,因而研究UWB信道特性,对于UWB通信技术至关重要。
1 UWB脉冲室内环境传播特性
UWB通信技术主要应用于室内环境,例如家庭多媒体系统,其特点是传输距离短,约4 m以内,结构分为视距和非视距两种情况。一般室内均为非视距结构,有沙发、桌椅、墙壁、门窗等室内物品的存在,对电磁波的传播会产生阻碍作用,通常会发生直射、反射、散射、透射、衍射等。UWB室内传播的主要特点[6,7]是:发射机接收机之间存在经过反射、衍射和透射等方式的多条传播路径,发射信号传播后会会经历不同的时延和衰减,接收信号是许多多径能量的叠加。目前普遍认可的是多径成簇到达[8]方式,即多径信号是以簇的形式传播,到达时间服从泊松分布,平均功率呈指数衰减。
2 UWB室内信道模型仿真分析
若考虑信道中传播信号的所有多径,信道模型难以用简单模型表达,考虑到时变性、空间相关性等情况会变得复杂。2003年7月,IEEE802.15.3a信道模型研究小组结合了多种实验测量和理论研究的信道模型,考虑到实际应用环境和距离,发布了UWB室内4种实测信道模型的最终报告,即:CM1,LOS(0~4 m);CM2,NLOS(0~4 m);CM3,NLOS(4~10 m);CM4,NLOS(4~10 m,极端NLOS环境),用这一模型评估各物理层的性能。
UWB通信应用于室内环境典型特点是短距离和非视距结构。图1和图2是在NLOS(3 m)信道下冲击响应和功率延迟分布(PDP)仿真图。从图中可看出,离散时间多径冲击响应是由多个族依次到来并有相互叠加成分,从图2的功率延迟分布PDP中表现的非常明显,簇的功率呈指数衰减,强径周围有诸多弱径,可能是传播机理不同而导致的,如反射的衰减比透射小。仿真较好地体现了多径成簇到达特性,但未能体现出NLOS情况下即信号传播遇到障碍物的典型结果,即最强多径不是出现在第一条路径上,而是出现在第一条路径后的多径,因为最强多径应该是通过反射或衍射等衰减小的方式到达接收机,其路径比透射方式的长所以经历时间长,显而易见第一个多径是通过障碍物透射到达接收机的,一般穿透障碍物的衰减大于反射或衍射的衰减。
3 室内NLOS信道模型简单修正
理论分析表明,NLOS环境下典型特点透射信号衰减大于反射或衍射的信号衰减,文献[9,10,11,12]的相关测量实验验证了这一特点。文献[10]在一个钢架砖墙建筑物内实际测量了室内信道。图3是在NLOS(非视距)环境下接收到的多径分量。
室内短距离NLOS信道模型与实际测量模型不能很好地拟合,也与理论研究并不相符。多径成簇到达要求,簇和径要呈双指数衰减,最先到达的透射信号衰减大不是最强径,后续到达的反射或衍射信号衰减相对小才是最强多径。根据文献[9,10,11,12],对室内短距离NLOS信道模型进行修正。
图4是修正后NLOS信道模型信道冲击响应,图5是修正后NLOS信道模型PDP。图1和图4与实测图3相比,修正后NLOS信道冲击响应更接近实际测量结果,更能反映非视距信道特点。如图5所示,多径信号明显分为多径成簇到达,簇与簇内多径呈现双指数衰减,簇与簇之间区分的并不明显,前面先到达的多径是透射方式传播衰减相对大而不是最强的径,后面到达是反射等方式传播衰减相对小的才是最强多径,文献[9~10,12]分别在信道测量实验中,对这方面进行了详细的描述。在室内NLOS环境下,图5比图2更符合实际信道测量和信号传播方式的理论分析。
4 结束语
UWB通信作为短距离高速率的主要备选方案,适用于家庭多媒体系统,如电脑、电视、音响、手机、Wi Fi之间的通信。通过室内典型环境信道特点及信号传播理论分析,对室内短距离NLOS信道模型进行简单修正。仿真结果表明,修正后模型对UWB通信在室内环境下建立准确信道模型具有较大的参考价值,也为UWB通信方案中接收机的设计提供了理论参考。
摘要：通过对超宽带信号传播特性和信道特点研究,建立了非视距环境下相对精确信道模型。分析了超宽带信号室内传播规律,在仿真分析NLOS信道模型的基础上,发现其不能较好地体现出信道典型特点,因此对NLOS信道模型进行修正。仿真结果表明,修正后NLOS信道模型能更好地拟合实测数据,并能更好地体现信道特点和多径分量成簇到达特性。
室内模型 篇5
抛物线方程(PE)法是在利用波动方程的抛物线近似形式的基础上发展出来的一种电磁计算方面的新方法。在计算目标的电磁散射特性时,该方法首先将散射目标等效为一系列的面元或线元,然后通过边界条件和场的迭代递推方法求解抛物线形式的波动方程,进而获得这些面元在抛物线方向某一截面上的散射场,最后通过近场远场变换技术得到远区的散射场。在计算电波传播问题时,该方法只考虑电波的前向传播,而忽略电波的后向传播,二阶椭圆形波动方程就可以简化成关于传播方向为一阶导数的抛物线形方程,然后根据初始条件与边界条件进行求解运算[1]。
PE法被大量运用于不规则地表和大气波导的研究,Levy最早基于二维PE的有限差分[2](Finite difference,FD)解法计算了城镇建筑顶部的场强分布。从2000年开始,PE法开始运用于室内电波传播的研究,2006年,Magno、Valente运用抛物 线方程的有限差分解法求解了室内电波的传播特性,但其采用的是窄角PE,最大计算仰角只能达到为15°,当发射源位于室内时,PE法的计算范围显得较小;2009年,SouzaKC则采用宽角抛物线方程的分步傅里叶解法求解了室内的场分布,该宽角抛物线方程的最大计算仰角可达到30°,PE法的计算范围有所增加。应用PE法预测复杂环境的电波传播特性时,因SSFT算法是步进算法,需要知道电磁场的初始值。Dockery与Barrios等人提出 利用发射 天线方向图与天线口径场分布成傅里叶变换关系来求解电磁场初始值的方法[3,4]。此种方法可以将发射天线方向图、主波束角以及发射天线架设高度等影响电波传播的因素考虑在内。然而这种方法在电波传播仰角较小时才具有较高的精度,当传播仰角较大时则不够准确,给以后步进场的计算引入较大误差。因此,Levy、胡绘斌等 人提出了 求解抛物 线方程初始值的Green函数法[5,6]。此种求解初始值的方法可以应用在宽角抛物线方程模型中,在保持较高计算精度的同时,计算仰角也大于Dockery与Barrios等人提出的方法。
文章将PE方法应用 于室内电 波传播模 型。选取有限差分分 步步进法,该方法的 数值稳定 性更好,且它的网格 步长可取 的较大、计算 时间短、速度快。在室内电波 传播的研 究中与射 线追踪法相比较,抛物线方程法大大提 升了运算 的速度,节约了时间。因为抛物线方 程具有轴 向的小角 度传播的特性,对于三维 大角度的 实际运用 还需要改进。
1抛物线方程室内模型的原理
1.1抛物线方程
为了得到PE,首先建立室内二维空间坐标系,设z轴为轴向高度,x轴是电波水平传输方向。空间的底端为地面,顶端为天花板位置,整个室内空间视作一个闭合的区域。
用β表示室内的电波空间场,根据电磁场理论列出β的电波标量方程:
式中,k是真空中的波数,n是折射率。处理上述方程时,为了排除水平相移对电波传输的影响,可将相位偏移因子剥离出来,用不含相位信息的u(x,z)代替β(x,z)来描述场量:
式(1)可写为:
由式(3)可以得出:
式(4)表示向前发射的天线散射场强方程。
式(5)表示向后发射的天线散射场强方程。在发射角很小时,如果排除向后发射的能量,方法仍能够精确描述空间场的参数。
采用近似法,可得:
代入式(4)可得:
PE是对波动方程二级 近似得到 的,方程是关于z的二阶导,关于x的一阶导,仅与环境 分布情况相关,式 (7)即是本文 要求解的 宽角抛物 线方程。
1.2有限差分算法
假设二维坐标系(x,z)中网格划分如图1所示。
其中,zj=jΔz,j=0,1,…,N;xm=mΔx,m=0,1,…,n。为了用xm -1点的场表 示xm点的场,考虑两点的中点:
微分近似用中心差分来表示:
由于Padé型的宽角抛物线方程目前还无法用傅里叶分布步进的算法求解,它主要是通过中心有限差分的算法来 求解。采用Padé近似,由此得到Padé型抛物线方程为:
Padé型抛物线方程的最大计算仰角可以达到45°,有效地增加了PE的计算范围。为此,本文只推导了前向抛物线方程的有限差分解形式以及其相应的边界条件。
对点(ξm,zj)进行Crank-Nicolson型离散差分可得前向PE的有限差分解形式为:
式中,zj为垂直方向的网格节点的坐标,考虑ξm为xm-1和xm的中点。
取点(ξm,zj )处的场值为前后2整格点场的平均值,由此对式(15)进一步化简并整理得:
式中:
由式(16)可知,抛物线方程的有限差分解法是一个步进求解的过程,由前一个面上的场就可以求得下一步进上的场分布。
定义传播因子F为实际场强和自由空间场强之比,F和u之间的关系为:
则路径的传播损耗L可以表示为:
根据PE的推导公式,讨论接收场相位的求解方法。波函数β(x,z)和电场、磁场 之间有如 下关系:在水平极化时,只有Ey为非零的电场分量,波函数β(x,z)=Ey(x,z);在垂直极化时,只有Hy为非零的磁场分量,β(x,z)=Hy(x,z)。所以考虑取波函数β(x,z)的相位为接收场的相位,而β(x,z)可以表示为:
即接收场的相位 可以用PE方法计算 的时域场u获得。
对室内电波传输特性进行分析。由于多径效应造成不同射线到达接收点的时间间隔不一样,有必要定义均方根时延扩展τrms:
式中,是所有路径的传播时间,Pi是每条路径的接收功率,PR是所有路径的功率之和,N是电磁波的到达路径总数。
相关带宽是对于信道来说的,如果移动无线信道带宽Bc大于传输信号的带宽Bs,且在带宽内具有恒定增益及线性相位,那么接收信号将经历平衰落。在平衰落信道中,传输信号的带宽倒数Ts远大于信道的时延扩展τrms。
1.3室内 PE法的边界条件处理
对于Padé近似的PE法计算建筑物内部场时,涉及上边界和下边界的处理,为此本文将对上下边界处场满足的离散差分格式进行推导。
1)下边界
有限阻抗的表面边界通常采用以下的阻抗边界(Leontovich边界)条件来描述:
式中β反映了边界面上的阻抗特性,对点(ξm,z1/2)进行前向差分可得:
再对进行中心差分,即:
将阻抗边界 条件式 (22)和式 (24)同时代入式(23)可得:
将式(25)代入前向抛物线方程并对点(ξm,z0)进行离散差分可得上边界处场满足的差分格式为:
式中a,b,c的计算见式(17)。
2)上边界
上边界的阻抗边界形式为:
与下边界场离散形式的推导过程类似,可以得到上边界场满足的有限差分格式为:
采用Padé型抛物线方程并结合上下阻抗边界就可以对建筑物内部场的分布特性进行求解。
2计算与仿真结果
将PE法运用在室内传播模型之前,需要进行一个对比实验,来验证PE法的正确性。选取测试环境为电气工程和计算实验室(LEEC),文献[7]中有实际测量的值,用本文的PE法与其进行对比。该实验室是一个2层楼的建筑,没有人居住,只需考虑建筑中使用的材料,如铁门、玻璃、铝合金窗和砖墙;不同的材料和几何结构对电波的传播影响很大。垂直极化的平面波,频率为2.4GHz,一楼的路径损耗测量值和PE法的值比较如图2所示。
由图2可以看出PE法与理论结果基本一致,验证了PE法模型的准确性。
建立一个简单 的室内房 间模型:在一个5×4m2的房间,高度为3m,天线高度设为1.5m,为房间高度的一半(内外墙壁 的厚度都 为20cm,墙壁的相对介电常数 取2.4,磁导率10-4s/m)。k=2π/λ,f=1GHz,将发射天 线放在靠 墙处,对一个平面波信号的强度进 行测量分 析。f=1GHz时,室内电波的场强分布图如图3所示。
从图3中可以清 晰地看出,在频率为1 GHz时,仿真与理论验证相符合,具有近轴传播的特性,即沿传播方向,偏离主轴 小角度传 播。f=1GHz时,电波沿着主轴(x轴)方向水平传播的路径损耗图如图4所示;f=1GHz时沿主轴方向的时延扩展图如图5所示;f=1GHz时,室内电波的三维分布图形如图6所示。
仿真结果表明,频率为1GHz时效果明显,与理论结果符合。
3结束语
室内模型 篇6
神光Ⅲ装置靶场室内环境属于洁净室环境,具有严格的洁净度、温度及风速等控制要求。为了获得足够的打靶精度,空气环境温度瞬变给靶球结构带来的偏移和流场带来的振动都需满足响应的稳定性设计指标[1],因此整个靶场气流的温度均匀性和稳定性、风速大小及稳定性都有很高的控制要求,对神光Ⅲ装置靶场室内流场进行预测研究对装置靶球稳定性分析评估具有重要的意义。
神光Ⅲ装置靶场室内空调环境空气流动满足质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。空气流动的湍流特性采用适当的湍流模型来描述,湍流模型选取的不同会导致模拟结果的差异甚至是获得错误的结果。目前,在工程上处理暖通空调(HVAC)工程领域空气流动的湍流数值数值计算问题中应用最广泛的是雷诺平均N-S方程(RANS)方法。其基本思想是:将湍流瞬时运动分解为平均运动和脉动运动, 把脉动运动部分对平均运动的贡献通过雷诺应力项进行模型化, 也就是通过湍流模型来封闭雷诺平均N-S方程使之可以求解[2]。
使用基于非结构化网格的有限体积法对三维神光Ⅲ装置靶场中间层的空调通风流动进行建模,在介绍了三种适用于暖通空调空气回流区及绕流区的高雷诺数(Re)模型:标准k-ε模型、重整化群k-ε模型(RNG k-ε模型)和剪切应力输运模型(SST k-ω模型)的基础上,应用这三种模型对靶场中间层流场进行了求解,并将结果进行了比较分析,以帮助在预测同类室内气流组织时更好地选择湍流模型。
1 模型建立与计算方法
根据神光Ⅲ高功率固体激光装置靶场中靶球主体部位所在的中间层区域的实际尺寸,对其进行一定简化。以靶球球心为坐标原点,流场模型尺寸位置为X(-18.45 m,16.05 m)、Y(-12.025 m,12.115 m)、Z(-1.2 m,3.4 m),靶场内除靶球外,还有九根支撑柱、两个仪器柜、两台电脑、两张电脑桌、一个安装操作间及八盏照明灯,靶球顶部有ϕ4.5 m通风孔,联通上层空间。将流体域分区进行非结构化网格划分,在靶球附近区域进行局部细化,得到如图1所示的计算模型。
假设靶场中间层空气流动为稳态湍流,文中涉及的湍流模型和描述空气流动的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程都可以写成以下通用形式[3]:
div(ρuϕ)=div(Γgradϕ)+Sϕ (1)
式(1)中:ϕ—通用因变量,代表(u,v,w,T,k,ε,1);
u—速度矢量;
Γ—广义扩散系数;
S—广义源项。
以式(1)为基础,采用控制容积法进行离散,离散后的方程可写成如式(2)的通用形式。
式(2)中,ap,anb—离散系数;
b—广义源项,b=SϕΔV;
p—下标,代表当前网格;
nb—下标,代表相邻网格。
方程由对流项、扩散项和源项组成,除了边界条件和初始条件外,不同求解变量之间的区别就在于扩散系数Γϕ和源项Sϕ的表达式不同。
2 三种湍流模型描述
2.1 标准k-ε模型
标准k-ε模型是由Launder和Spalding在1974年提出[4],它是基于湍动能k和耗散率ε二阶相关量的输运方程的半经验模型,控制方程为:
式(3)、式(4)中,Gk代表由于平均速度梯度引起的湍动能生成项,μt=cμρk2/ε,其余控制方程中的经验常数见文献[4]。
标准k-ε模型基本形式比较简单,适用范围广、经济、有合理的精度,在室内空气流动,结构绕流等流场数值模拟中应用广泛。但遇到强流线弯曲、漩涡、旋转流和逆压梯度较大的工程流体问题时所得到的计算结果精度较低。
2.2 重整化群k-ε模型(RNGk-ε模型)
Yakhot和Orszag根据重整化群(RNG)理论对k-ε模型进行了扩展[5],将非稳态N-S方程对一个平衡态作Gauss统计展开,并用对脉动频谱的波数段作滤波的方法,从理论上导出了高雷诺数k-ε模型模型,所得出的k-ε模型形式上同标准k-ε模型完全一致,不同之处在于:(a)模型中的系数不是根据试验数据而是由理论分析得出,如表1所示;(b)耗散率ε的输运方程增加了一项附加源项Sε,其表达式为:
式(5)中
2.3 剪切应力输运模型(SSTk-ω模型)
Meanter[6]提出的SST k-ω模型有效综合了k-ω模型在近壁面区域的鲁棒性、精确性和k-ε模型在远场自由流动的无依赖性。该模型在近壁面处采用Wilcox[7]的标准k-ω模型,在边界层边缘和自由剪切层中使用k-ε模型,其间通过一个混合函数来过渡。为了有效结合k-ε模型和k-ω模型,
式中,Gk代表由速度梯度引起的湍动能生成项,Gω代表ω的生成项,Γk和Γω代表k和ω的对流项,Yk和Yω代表由于湍流引起的k和ω的有效扩散项,剪切应力输运SST k-ω模型与标准k-ε模型相比,多了一个交叉对流项Dω。模型经验常数见文献[6]。
从后两个模型可以看出,RNG k-ε模型在ε的输运方程中附加了一个源项,其目的是减小高剪切力的湍流黏性μt。对于近壁面附近回流或绕流区域的湍流模拟,由于分子黏性μ的阻尼作用使得湍流脉动逐渐削弱,此时必须考虑分子黏性的影响。而标准k-ε模型仅适用于离开壁面一定距离的湍流区域,RNG k-ε模型中的附加源项使得它对该区域流动的模拟结果优于标准k-ε模型[3]。SST k-ω模型在近壁面附近区域的混合功能设计,消掉了来源于ω方程中的交叉对流项Dω且考虑了湍流粘度中湍流剪切力的传播,使得SST k-ω模型在近壁面附近区域的结果优于标准k-ε模型。
3 三种模型的结果比较
计算中采用的边界条件如下:送风速度0.5 m/s,送风温度为22 ℃,水平入流;出口压强为0,顶部通风口压强为0;电脑、仪器柜、操作间及照明灯设为热流边界,分别为电脑热流量150 W,仪器柜热流量1 000 W,操作间热流量210 W,每盏灯热流量45 W,其余物体边界为绝热边界。
图2(a)、(b)和(c)分别为标准k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ω模型模拟所得的截面z=1 m上速度矢量和流线图,图3(a)和(b)分别是采用三种模型模拟得到的z=1截面和y=-5.08截面交线上压力和速度分布的对比图。从图上可以看出以下几点:
1)采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ω模型预测得到的靶场气流组织基本相似,均在-x和+y方向形成的房间外延区域产生明显的空气回流,并在回流区中存在着明显的空气涡旋,在仪器操作间后面产生一个小旋涡,靶球及支撑柱附近形成明显绕流;
2)在房间外延回流区域空气涡旋预测上,标准k-ε模型得到较为规则的旋涡,而RNG k-ε模型和SST k-ω模型得到的涡旋显得紊乱,根据文献[7]中郭胜江等对标准k-ε模型和RNG k-ε模型对室内空气流动回流区域预测结果与试验数据的比较研究结果,RNG k-ε模型对回流区域空气涡旋的预测结果优于标准k-ε模型;
3)在靶球附近区域绕流预测上,采用RNG k-ε模型和SST k-ω模型预测到的靶球附近绕流区域压力和风速基本一致,与标准k-ε模型有明显差异。根据文献[8]中金新阳等对标准k-ε模型和RNG k-ε模型对钝体绕流流场模拟的研究结果以及RNG k-ε模型和SST k-ω模型在近壁面区域的改进,RNG k-ε模型和SST k-ω模型对靶球附近区域绕流的预测结果优于标准k-ε模型。
4 结论
应用CFD技术对神光Ⅲ装置靶场中间层室内空气流动进行了预测,对比分析了标准k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ω模型三种高雷诺数模型的预测结果,结果表明:
1)由标准k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ω模型计算获得的靶场空气流场均能预测回流、绕流和空气涡旋的发生,预测得到的靶场气流组织基本相似,均能满足工程计算精度的要求;
2)对房间外延的空气回流区域的空气涡旋,选择RNG k-ε模型和SST k-ω模型模拟得到的空气涡旋显得紊乱,更接近于真实,对靶场低速流场中靶球附近区域的绕流流动,选择RNG k-ε模型和SST k-ω模型能够获得基本一致且更为准确的预测结果。
参考文献
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[5] Yakhot,Orszag S A.Renormalization group analysis of turbulent.JSci Comput,1986,1:3—9
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[7]郭胜江,吴广庆,陈国邦.适用于回流区流体力学模拟计算的三种高雷诺数湍流模型的比较.制冷学报,2005;26(3):26—29
室内模型 篇7
国内的疏散研究取得了大量的研究成果,如杨立中等建立了参考社会力模型和基于总危险度的人员疏散微观离散模型;宋卫国等在Helbing工作的基础上,利用社会力模型进一步研究了建筑结构,包括门的宽度与墙的厚度等对人员疏散的影响;翁文国等建立了基于移动机器人行为的人员疏散元胞自动机模型等。上述研究工作成功地将元胞自动机从交通流模型应用到行人流模型,但行人比车辆运动更加复杂,在紧急情况下的人员疏散应注重人的个体行为研究。从这些研究中可以看出,未来的疏散模型将包含更多的行为细节。
笔者在经典元胞自动机理论中加入吸引力、摩擦力和排斥力的规则和参数,并且在考虑人与人之间相互作用的基础上,引入人与环境(如建筑)之间的相互作用力,并将疏散人员的心理因素和火灾的影响纳入考虑范围,构造出一个新的元胞自动机模型,该模型既拥有社会力连续模型可以较好描述人员疏散中出现的各种现象的特点,又具有元胞自动机模型较高的计算效率。利用该模型对一个拥有三个子房间和一条走廊的建筑结构进行模拟,同时与社会力模型和经典元胞自动机模型进行对比,仿真结果表明了新模型的优越性。
1 仿真模型建立
1.1 元胞自动机模型
采用二维元胞自动机模型模拟疏散过程。其优点在于省去了用微分方程作为过渡而直接通过制定规则来模拟非线性物理现象。模型的基本框架是将建筑物平面进行均匀的网格划分,每一网格有几种可能的状态:为障碍物(起火点)占据,或者为空,或者为一人占据,三种状态必居其一。模型中每个元胞对应0.4m×0.4m(按人员肩宽为0.40m考虑)的空间,每个疏散人员占据一个格点(元胞)。行人在一般情况下的行走速度为1.00 m/s左右,则单个时间步为0.4/1.00=0.4s。每个时间步人员只能移动一格,所有人员可以根据自身和邻域的状态以一定的概率向上、下、左、右、左上、左下、右上、右下8个方向中的一个移动,或原地不动。模型中网格状态的更新是并行的,每个时间步更新一次元胞的状态,仿真便往前递进一步。
1.2 人员行走算法
模型中人员的运动遵循一定的行走规则,其行为会随周围环境的变化相应调整。模型局部的运动规则在每个时间步有两个基本问题需要解决,包括路线的选择问题(吸引强度设计)以及如何解决多于一人同时竞争一个空格点时产生的冲突问题(冲突避让原则)。在分析人员选择路线时,引入元胞吸引强度的概念,并假设所有人员选择周围某一元胞作为运动方向的概率同该元胞的吸引强度成正比。新模型认为出口位置的吸引力,人与人(或障碍物)之间的排斥力、摩擦力,从众吸引力,起火点排斥力五种因素共同作用影响人员的路线选择,通过对五种因素的量化加权求取某元胞的吸引强度。
紧急情况下人员疏散的运动目标为安全出口,在没有障碍物阻挡时疏散人员会选择离出口最近的疏散路线,以最快的速度撤离。因此,离出口越近的元胞吸引强度越大,元胞(i,j)出口位置的吸引强度pdecide根据人员对所处建筑物安全出口的选择来确定,则出口位置的吸引强度如式(1)所示。
式中:(a2+b2)1/2为元胞空间对角线长度;(iminexit,jminexit)为距离最近的出口坐标。
在人员疏散过程中,排斥力体现在人们总是尽可能避免与周围的人员或墙壁等障碍物过于接近,因为这样会使运动速度下降,甚至导致碰撞受伤。令pr表示排斥力产生的吸引强度,反映人员试图避免由于冲突而导致的潜在伤害。Song等人已经提出一种计算冲突各方均静止不动的概率的计算方法,本模型借鉴该方法,如式(2)所示。
式中:ζ∈[0,∝]为排斥的硬度,疏散人员密度越大,对碰撞的恐惧越大,则排斥的硬度越大;v为人员运动速率。
摩擦力产生于运动的人和静止的人之间以及运动的人与墙壁等障碍物之间。由排斥力引起的伤害总是要大于摩擦作用导致的伤害,所以由摩擦力产生的吸引强度pf如式(3)所示。
除了以上三种社会力对人员选择路线起到了影响外,从众心理、起火点的位置也会影响人员对路线的选择判断。pfollow为从众吸引强度,与各区域的人员密度成正比。pfire为元胞火灾排斥力,模拟时先确定火灾最危险的区域,并认为离该位置越近的地方火灾引起的排斥力越大,如式(4)所示。
式中:(ifire,jfire)为起火点处的中心坐标;(imaxfire,jmaxfire)为建筑室内离起火点最远的位置坐标。
基于以上五种因素,元胞的吸引强度pi,j可以通过式(5)计算得出。
式中:k1、k2、k3、k4、k5分别为各个因素的影响系数。其中k1、k2≥0;k3、k4、k5≤0。各影响系数的大小是决定在疏散过程中哪些作用力占主导地位的关键,不同疏散场景影响系数的大小也不同。
1.3 冲突避让原则
在同一时间步一个元胞最多只能由一个人员占据,当两个或更多的人员试图移动到同一个目标元胞时,冲突就发生了。只能有一个人员留下,其他人员将选择其他元胞作为移动目标,模型中每个人员的机会是均等的。
1.4 火灾对人员疏散的影响
火灾主要影响人员的行进速度和可视范围,造成人员的心理恐慌以及影响人员对疏散路线的选择等。其影响范围根据火灾的位置和蔓延的情况来确定。通常火灾发展和蔓延符合一定的扩散和衰减规律,如式(6)所示。
式中:E为所考察格点受火灾影响的程度;α为扩散系数;β为衰减系数;ΔE为所考察格点与周围格点受火灾影响程度之差。可以通过人员所处的格点受火灾影响程度来判断人员的速度、可视范围以及心理状况等是否受火灾的影响以及可能的影响程度。
1.5 更新流程
在每个时间步的元胞更新流程,如图1所示。每一次移动,对所有人员都需进行一次判断。模拟时,在每个时间步,所有人员按以下规则进行同步更新:
(1)获取模拟地图,计算建筑面积及待疏散人数;
(2)确定每个人员所有邻居元胞的吸引强度大小,根据计算结果选择相应的元胞作为下一个时间步的目标格点,当元胞的吸引强度相当时,以均等概率选择目标;
(3)当超过1人选择同一目标时,根据冲突避让规则解决;
(4)更新每个人员的状态,重算元胞的吸引强度;
(5)回到第二步直到所有人员都疏散出建筑物为止。
2 算例分析
2.1 模拟算例
如图2所示,对一个拥有3个子房间和一条走廊的建筑结构进行火灾时的人员疏散模拟。每个网格大小为0.4m×0.4m,建筑物的建筑面积为10m×12m,则该房间的几何尺寸为25×30(格点);出口A、B、C宽度为1.2m,即3个格点,出口D宽度为1.6m,即4个格点。初始模拟状态随机分布150人,平均密度为0.8m2/人。人员移动速度为1.0m/s,时间步为0.4s,即每0.4s人员可以移动一个格点。在模拟初始时刻,火灾发生于格点(18,2)处(左上角为格点(0,0))。假设火灾房间中的燃料为木材,可查其燃烧热释放速度为500kW/m2。通过10次模拟计算,得到的期望疏散时间为152时间步,即60.8s。
2.2 分析结果
第40时步、90时步、130时步末的人员疏散分布情况,如图3~图5所示。由于初始状态人员分布较均匀,空位多,故大部分人员都能自由移动找到自己的最近目标网格。疏散时间取决于房间门口和走廊处的排队等待时间以及疏散路径上的行走时间。所以,疏散初期影响疏散时间的主因是疏散路径上的行走时间。图3为第40时间步时刻的人员实时分布情况,可以观察到疏散中典型的门口集结现象,各房间出口和走廊处人员局部密度较大,出口B处达到人员最大滞留。在图上起火点附近留下大片空白,体现了火灾发生处的排斥力。图中显示起火点位于图中安全出口上方,所以正对出口的中间两排人员由于近距离疏散路线只能是正下方,故人员互相阻挡,停留时间长,人员密集,人员之间空隙很少。
从第40时步末到第90时步末,如图4所示。当疏散人数较多,走廊较长,但其宽度不够大时,开始发生堵塞的地方不在出口处,而在走廊中间。由于人员密度的增加、近距离目标格受阻,人员基本停滞不前。人员疏散分布图形状规则,变化缓慢,尖端突显。第130时步末如图5所示,较多人员在门口集结,并成拱形分布。且只有出口附近的人员能先出去,尖端处人员处于长期停留状态。但总体上,人员疏散的发展趋势是向出口中心聚集,这是由于出口吸引强度作用的结果,模型充分体现了这种吸引力的特点。随着火势的蔓延,人员会变换疏散路径,放弃最短疏散路线,相应的出口利用率降低,而这一过程会使疏散时间大大延长。导致疏散过程中在房间门口和走廊处的人员集结和堵塞现象越来越严重,疏散时间受排队等候的影响更加明显。
新模型较好地描述了发生火灾时人员疏散中的典型现象:在门口处的集结、在走廊中间的堵塞、在门口处出现的拱形排队结构等,与Helbing等提出的社会力模型的模拟结果一致。表1为社会力模型、经典元胞自动机模型和新模型的运算速度的对比情况,其中的运算速度是三种模型在同样计算机硬件条件,同样的建筑结构(10m见方的房间、一个疏散出口)和人员密度(0.5m2/人)的条件下比较得到的。结果表明,新模型不仅具有与社会力模型同等的描述人员疏散的能力,解决了经典元胞自动机只能模拟简单拥挤现象的问题,而且具有较高的运算效率。其运算速度远远低于社会力模型,与经典元胞自动机模型速度相近。
3 总结
结合物理学中的粒子场概念,社会力模型中的力本质,群体流动的整体特征和个体行为特点,提出了一种基于元胞自动机原理,不仅考虑人与人之间相互作用,而且考虑人与环境(火灾场景和建筑)之间相互作用的人员疏散模型。该模型比较全面地考虑了紧急情况对人产生的影响,将人与人、人与建筑之间的摩擦力与排斥力,出口位置的吸引力,从众的吸引力,起火点排斥力分别加以分析量化。模型模拟情况与实际情况相符,可以作为发生火灾时对人员疏散预测的一个有效工具。
新模型能够较好地模拟发生火灾时的人员疏散现象,不仅具有与社会力模型同等的描述人员疏散的能力,解决了经典元胞自动机模型只能模拟简单拥挤现象的问题,而且具有较高的运算效率。其运算速度远远低于社会力模型,与经典元胞自动机速度相近。
摘要：基于元胞自动机理论,量化确定了吸引力、摩擦力和排斥力的运算规则,且将疏散人员的心理因素和火灾的影响纳入考虑范围,提出了一种新的室内建筑火灾人员疏散模型,并编制了相应的数值仿真计算程序。模拟结果表明,该模型能够较好地模拟发生火灾时的人员疏散现象,并可以找到不利于人员疏散的瓶颈位置。
室内模型 篇8
在油田注水开发过程中, 层内及层间非均质性对注水开发效果的影响非常突出, 因此, 研究储层非均质性对驱油效率的影响有重要的意义[1]。注入方式的不同造成驱替压力的不同, 会导致驱油效率的差异[2,3], 本文利用非均质模型, 采用不同段塞组合方式, 进行驱油效率室内试验研究, 确定储层非均质性及不同注入方式对驱油效率的影响。
1 实验设计
1.1 实验条件
实验温度为地层温度, 实验用水为地层水, 实验用油为地层模拟油。
1.2 实验内容
选择非均质长岩芯模型先分别进行抽空, 饱和水, 然后进行水驱油试验, 试验后采用不同段塞组合方式进行水驱油试验。由于水驱油过程中, 压力不断变化, 因此不同段塞组合对驱油效率影响很大, 同时其驱油效率的变化也在一定程度上反映了非均质性对注水开发的影响。
1.3 实验方案
方案一
方案二
方案三
方案四
方案五
注:上述表中P6聚合物分子量3000万, P4聚合物分子量2500万.
2 实验结果分析
2.1 方案一试验结果分析
注入倍数为2.33PV时, 转前置段塞, 压力差由0.03急剧上升到0.338, 含水率由98%降到95.7%, 采收率由40.04%提高到40.50%;转主段塞1时, 压力升到0.545, 含水率降到79.32%, 采收率提高到44.78%;转主段塞2时, 压力升到0.588, 含水率降到34.13%, 采收率提高到56.56%;转副段塞1时, 压力下降为0.397, 含水率回升到69.79%, 采收率提高到60.60%;转副段塞2时, 压力下降为0.348, 含水率回升到95.42%, 采收率提高到61.21%;转保护段塞时, 压力下降为0.288, 含水率为94.28%, 采收率提高到61.97%;转水驱后, 压力回降为0.043, 含水率达到100%, 最终采收率为62.07%。
2.2 方案二试验结果分析
注入倍数为2.65PV时, 转前置段塞, 压力差由0.052急剧上升到0.055, 含水率由98%降到97%, 采收率由43.78%提高到44.20%;转主段塞时, 压力升到0.256, 含水率降到96.97%, 采收率提高到44.68%;转副段塞时, 压力上升到为0.484, 含水率降到到46.72%, 采收率提高到55.82%;转保护段塞时, 压力下降为0.268, 含水率为84.26%, 采收率提高到60.87%;转水驱后, 压力回降为0.045, 含水率达到100%, 最终采收率为62.28%。
2.3 方案三试验结果分析
注入倍数为2.61PV时, 转前置段塞, 压力差由0.035急剧上升到0.292, 含水率由98.26%降到98.18%, 采收率由39.25%提高到39.81%;转主段塞时, 压力升到0.339, 含水率降到25.40%, 采收率提高到40.44%;转副段塞时, 压力上升为0.442, 含水率回升到72.60%, 采收率提高到63.22%;转保护段塞时, 压力下降为0.390, 含水率为81.39%, 采收率提高到68.07%;转水驱后, 压力回降为0.033, 含水率达到100%, 最终采收率为68.93%。
2.4 方案四试验结果分析
注入倍数为2.85PV时, 转前置段塞, 压力差由0.03急剧上升到0.076, 含水率由98.00%降到97.80%, 采收率由39.28%提高到39.96%;转主段塞时, 压力升到0.685, 含水率降到97.01%, 采收率提高到40.12%;转副段塞时, 压力上升到0.918, 含水率降到71.74%, 采收率提高到52.50%;转保护段塞时, 压力下降为0.031, 含水率为99.40%, 采收率提高到52.66%;转水驱后, 压力回降为0.031, 含水率达到100%, 最终采收率为52.98%。
2.5 方案五试验结果分析
注入倍数为2.55PV时, 转前置段塞, 压力差由0.037急剧上升到0.220, 含水率由98%降到97.85%, 采收率由40.24%提高到41.79%;转主段塞时, 压力升到0.524, 含水率降到91.46%, 采收率提高到43.35%;转主段塞2时, 压力升到0.588, 含水率降到34.13%, 采收率提高到56.56%;转调剖段塞时, 压力下降为0.450, 含水率降到9.33%, 采收率提高到60.57%;转副段塞时, 压力下降为0.395, 含水率回升到79.12%, 采收率提高到63.27%;转保护段塞时, 压力下降为0.218, 含水率为94.29%, 采收率提高到64.01%;转水驱后, 压力回降为0.015, 含水率达到100%, 最终采收率为64.29%。
3 结论
3.1 与方案三相比, 方案一、五减少表活剂注入体积;方案二、四降低表活剂浓度, 试验结果表明, 降低表活剂浓度、注入体积, 均使驱油效果变差, 表活剂浓度对驱油效率的影响更为明显。
3.2 提高前置段塞粘度, 提高前置段塞聚合物分子量、浓度, 驱油效果更好, 经济指标较优。
3.3 前置段塞提高聚合物分子量由2500万提高至3000万, 浓度由0.2%提高至0.25%, 体系粘度由141.6 m Pa.s提高至318.6 m Pa.s, 注入体积0.04PV。
3.4 主、副段塞二元体系采用2500万分子量聚合物, 浓度0.16%, 体系粘度122.3m Pa.s。
3.5 表活剂浓度、用量变化对驱油效果影响较大, 确定二元主、副段塞为, 主:0.25%1#+0.16%P, 0.35PV;副:0.15%1#+0.16%P, 0.2PV。
摘要：由于长期注水开发的区块普遍存在着储层物性差别大、层内及层间非均质性对注水开发效果的影响非常突出的特点, 因此采用非均质岩芯模型进行室内驱油试验具有极其重要的意义。本试验利用非均质岩芯模型, 对段塞组合方式进行优化, 研究复合驱配方体系对驱油效率的影响。以此制定科学合理的配方体系, 充分发挥化学驱的作用来提高开发效果, 实现增储稳产目标。研究内容: (1) 采用长岩心非均质模型进行实验, 研究并取得储层平面非均质性对驱油效率影响的规律性认识; (2) 采用不同段塞组合方式, 研究段塞组合对驱油效率影响的规律性认识。从而指导注入方案的开发调整和剩余油的挖潜。
关键词：非均质模型,段塞组合,驱油效率
参考文献
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