模拟与分析

模拟与分析（共12篇）

模拟与分析 篇1

0 引言

近年来, 由山体滑坡引起的灾害的数量呈增长趋势, 山体滑坡引发的次生灾害也愈加显著, 例如, 由汶川地震引发滑坡、崩塌等灾害多达15000处, 导致了大量的人员伤亡[1];目前国内的研究主要针对山体滑坡的监控、山体稳定性的分析以及预防山体滑坡等方面[2,3], 但对于发育着的有滑坡倾向的山体研究较少。本文主要研究坡体将要发生滑动时山体位移的变化。

1 模型的建立及基本的假定

从国内多处已经发生的山体滑坡的例子中可以看出, 滑裂面呈凹面, 可近似认为为平面, 因此在本文的计算中采用直线形滑裂面[4]。山体滑坡的示意图如图1所示, 山体滑坡的计算模型如图2所示, 图2中q1为自滑坡面顶端以上山体对以下山体的压应力, q2为滑裂面上的切应力与滑裂体自重沿滑裂面切向分力之和, q3为滑裂体自重沿垂直滑裂面方向的分力, α为滑裂面与竖直方向的夹角, 在本文的计算中采用极坐标系, 坐标轴如图2所示;在本模型中, 假定山体符合弹性理论中的各项假定[5], 即山体是各向同性的、连续的、完全弹性的, 同时, 由于滑坡体的尺度较大, 假定符合平面应变的要求。

2 弹性体在q1、q2和q3作用下位移的推导

在本模型中, 弹性体内一点的应力分量决定于以下分量[6]:α、q1 (或q2、q3) 、ρ和φ。根据量纲分析理论, 各应力分量的表达式只可能是f (α, φ) q的形式, 其中f (α, φ) 是由α和φ组成的量纲为一的数量, 在各应力表达式中ρ不可能出现。由应力函数与应力分量之间的关系得应力函数Φ应该是φ的某一函数f (φ) 乘以ρ2, 即

将式 (1) 代入平面极坐标下的相容方程

中, 得

由上式解得f (φ) 后, 代入式 (1) , 得

将式 (2) 代入平面极坐标下应力函数与应力分量之间的关系得各应力分量为

式中C1、C2、C3和C4为待定的常数, 由应力边界条件确定。

应力边界条件要求

把式 (3b) 和式 (3c) 代入式 (4) 得以C1、C2、C3和C4为未知量的四个线性方程组, 求解这个方程组解得

上式中A= (1+cos2α) 2- (2α+π+sin2α) sin2α

以下求位移解答。将应力表达式 (3a) 、式 (3b) 和式 (3c) 代入物理方程中求得应变分量分别为

再将上式代入几何方程中, 分别积分求位移分量。由几何方程第一式,

把式 (5a) 代入上式, 并对两边关于ρ积分, 得

由几何方程第二式,

将式 (5b) 和式 (6) 代入上式, 并对两边关于φ积分, 得

上式中f (φ) 、f (ρ) 分别为φ和ρ的函数。

将式 (5c) 、式 (6) 和式 (7) 代入几何方程第三式,

分开变量后, 两边分别是ρ和φ的函数, 各等于同一常数H, 即

于是得两个微分方程, 解得

将以上两式代入式 (6) 和式 (7) 得

上式中a、b和c为反映弹性体刚体位移的分量。

以下确定刚体位移的分量。在发生山体滑坡时, 靠近山体的Q1点可认为是固定不动的, 在滑坡面沿滑坡方向的底端Q2点认为没有沿滑坡方向的位移, 即

将上式位移边界条件代入位移表达式 (8) 和式 (9) 中, 解得a、b和c

上式中R为一常量。将a、b和c代入式 (8) 和式 (9) 中可以得到位移的完整的表达式。

3 结果验证和数值模拟

在以上的理论分析的基础上, 本文同时建立了ANSYS有限元模型[7];其各参数的取值如下[8]:q1=100k Pa, q2=140k Pa, q3=15k Pa, E=30MPa, μ=0.267, α=30°, R=60m;将这些参数代入式 (9) 中, 在φ=π/2的边上, 其竖向位移与距离ρ的变化关系如图3所示;由于建立在山顶上的建筑物或构筑物一般都不会处在山的边沿, 图3给出了在φ=π/2边上, ρ在10~40m之间变化时, 理论值与模拟值的大小, 理论值与模拟值之间的差别主要是由于两模型的位移约束条件不同造成的;图4给出了用ANSYS模拟的总位移等值线图。

4 结果分析及应用

图4表示的是山体中总位移等值线, 从图中可以看出, 距离滑坡面越近, 山体内一点的位移值越大, 根据此图, 可以对山体新的潜在的滑裂面作出预估, 位移值越大的地方越容易发生滑裂。

由式 (2.9) 和式 (2.10) 可以得到山体内任一点的位移值, 但最关注的是山顶面处的竖向位移, 正如图5所反映的竖向位移与到滑坡面距离ρ之间的关系, 从图中可以发现, 在距离滑坡面较近的地方, 山顶上的位移值比较大, 从图中可以看出, 在ρ小于10m的范围内, 山顶的竖向位移大于0.5m;而出现图中所示的位移值是由于假定土体是连续的, 但当土体的位移值较大时在靠近滑裂面的土体会发生崩塌, 因此在实际的情况下, 是不会出现土体发生较大位移而不破坏的;同时, 从图中也可以看出, 随着到滑坡面距离的增大, 位移值迅速减小, 最后趋于平缓, 在ρ接近60m时, 位移值逐渐接近0, 根据位移值的大小, 可以对修建于山顶上的水塔等可能发生的不均匀沉降进行预估。

5 结语

本文根据弹性理论, 建立山体发生滑坡时的计算模型, 并给出了山体内的应力解和位移解, 分析了山顶位移的变化趋势, 并对山体潜在的滑裂面根据总位移值的大小做了预估, 同时根据山顶的竖向位移对在山顶上的构筑物等的沉降作出评估, 从以上的分析中可以看出, 本文的理论具有实际的应用价值和理论参考价值。

参考文献

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[8]王靖泰, 李永进, 李保雄, 德比希尔.兰州黄土的物理特性[J].水文地质工程地质, 1994, (4) :13-15

模拟与分析 篇2

磁光调制的模拟与特性分析

目的 对正弦波、三角波、锯齿波和方波磁光调制的`调制特性进行分析.方法 结合利萨如图形法对磁光调制进行计算机模拟.结果 根据模拟得到的输出波形和利萨如图形,分析了这4种磁光调制的有关特性.结论 方波磁光调制具有较大的应用潜力.

作 者：李永安 李小俊 李书婷 李小牛 汪源源 白晋涛 LI Yong-an LI Xiao-jun LI Shu-ting LI Xiao-niu WANG Yuan-yuan BAI Jin-tao  作者单位：西北大学,光子学与光子技术研究所,陕西,西安,710069 刊 名：西北大学学报（自然科学版）  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF NORTHWEST UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 37(5) 分类号：O436.4 关键词：磁光调制   模拟   正弦波   三角波   锯齿波   方波  

模拟与分析 篇3

关键词：铁矿；数值模拟；围岩稳定性；流固耦合

1 引言

FLAC是目前国际岩土界应用非常广泛的一种软件，它吸取了有限单元法和离散单元法的优点并克服其缺点，并有强大的前后处理器。FLAC的基本原理同于离散单元法。它不仅能处理一般的大变形问题，而且能模拟的图形能直观的看出变形情况。

1.1 概况

本文研究对象为大贾庄矿段D38线以北、D46线以南矿体采用上向分层充填法。沿矿体走向划分盘区，盘区长度200m，宽为矿体厚度，高100m，盘区内沿走向每隔100m设4m厚间柱，间柱不回收。在盘区沿走向平均划分为4个采场，每个采场长48m。

目前关于耦合的研究较多，各有优势，本文根据流固耦合作用机制，采用FLAC3D 进行模拟与研究。

2 采矿设计

此次我们研究的地区是大贾庄矿区大贾庄矿段，它位于D46线以南、D38线以北的南北两端矿体，采用机械化盘区点柱式上向分层充填采矿方法。

阶段高度100m，在阶段内划分分段，分段高度自下而上依次为15m、20m、15m、15m、20m、15m，每个分段内划分为4～5个分层，每个分层高度4m，空顶距1.5m，采场净空高度5.5m。

3 模型的建立

利用ansys软件建立了模型，并划分了网格，按照不同的岩土力学参数，划分不同的岩土介质组，再导入三维有限差分数值模拟软件FLAC3D中进行计算，以下为相关的图件。

4 计算结果的分析

4.1 位移场特征

由图4可以看出，开挖中间对称处位移最大，为25cm，而里对称线越远，位移越小，且两边对称，地面沉降影响范围大致为开挖面中线左右一倍开挖面宽度。

4.2 应力场分布特征

图5、6、7、8是应力云图，由矿体开挖应力图（图5）可以看出，填充体底部周围出现了应力集中，z方向应力最大，为40MPa；安全顶板下的采场开挖附近z方向应力最大值为20.0MPa；其他部分由上至下应力越来越大，是由于垂直方向重力不断增大，z方向应力也越来越大，底部采场间柱z方向应力最大值为35MPa（见图8）。y方向、x方向应力图见图6、7。

4.3 塑性区分布特征

由塑性网格划分图（图9）可以看出，第四系，矿体开挖区以及附近的围岩都出现了一定的塑性区，需适当加强间柱尺寸。

4.4 渗流矢量分布特征

由渗流矢量分布图（图10）可以看出，开挖产生的扰动使孔隙水发生渗流，图中流体矢量可发现，由于强、弱风化层形成的隔水层有效的防止了孔隙水渗流的发生，但开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中，这个需要注意。

5 结论

（1）随着开挖位移的逐渐增大，矿体顶面位移最大，往两侧逐渐减少，开挖面宽度左右一倍以上位移基本衰减为零。

（2）填充体底部周围出现了应力集中，z方向应力最大。

（3）由于开挖扰动引起了孔隙水在地层内部的渗流流动，开挖扰动引起的裂隙使部分孔隙水从顶板中渗流到采场中。

参考文献

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[7] 李廷春，李术才，陈卫忠，等.厦门海底隧道的流固耦合分析[J].岩土工程学报，2004，26（3）：397- 401.

作者简介：

第一作者：汪辉，男，（1990.10.15—），中国地质大学（武汉）

甲醇双塔精馏流程的模拟与分析 篇4

本文采用ASPEN PLUS化工流程模拟计算软件,对甲醇双塔精馏流程进行了模拟计算与分析,分析了双塔流程的可行性,确定了工艺优化控制的有效措施和适宜的操作条件,同时还降低装置的能耗,对扩大甲醇的应用领域、提高甲醇行业经济效益有着重要的作用。

1 甲醇双塔精馏工艺流程

甲醇双塔精馏工艺流程主要有预精馏塔和主精馏塔组成,精馏过程分为两个阶段,先在预塔中脱除轻馏份,主要是不凝气和二甲醚;预精馏塔底甲醇及高沸点组份再送入重馏份塔-主塔,进一步把高沸点的重馏份杂质分离,从而可得到高纯度的精甲醇。甲醇双塔精馏工艺流程如图1。

1粗甲醇进料物流;2预精馏塔塔顶馏份;3预精馏塔塔底馏份;4主精馏塔塔顶馏份5主精馏塔塔底馏份;B 1预精馏塔;B 2-主精馏塔

2 原料基础数据

模拟计算原料粗甲醇的基础数据见表1。

从表1中可以看出,除了甲醇和水外,粗甲醇中还含有较多的乙醇、二甲醚和二氧化碳,其中二甲醚的沸点为-24. 84℃,介于不凝气和各种醇类沸点之间,可作为预精馏塔和主精馏塔的分界点,及要求在预精馏塔中脱除二甲醚,而其它不凝气的沸点远低于二甲醚,很容易被分离,因此,预精馏塔中的主要分离目标物是二甲醚。甲醇、乙醇和异丁醇主要在主精馏塔中分离,其中乙醇沸点与甲醇相近,并且含量远高于异丁醇,因此,主精馏塔中的主要分离目标物是乙醇。

3 热力学模型

选择的数学模型将直接影响计算的物理性能的准确程度[4],并影响计算结果的精确度。由于本计算体系中的含有极性化合物,可选用NRTL、UNIFAC和PR模型。这些模型能准确模拟非理想溶液的VL E 和LL E 性质[5]。本文选用了ASPEN PLUS 的RADFRAC 模块对甲醇双塔精馏过程进行模拟,RADFRAC 是一个严格模型,可用于模拟所有类型的多级气、液分离操作, 如普通精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取、萃取蒸馏和共沸蒸馏等。适用体系包括气、液两相传质体系,气、液、液三相传质体系,窄沸程和宽沸程传质体系等。对气、液两相存在强非理想物系和理想物系都有良好的模拟效果。

4 灵敏度分析

使用ASPEN 中的灵敏度分析工具可以方便地确定过程对关键操作变量和设计变量的响应,即一个或多个流程变量变化对其他流程变量造成的影响,这是一种“如果…就”形式的研究工具[6]。由于在甲醇双塔精馏过程中,主精馏塔是操作和节能的主要环节,因此本文针对甲醇精馏主塔模拟过程使用了灵敏度分析工具,进行了不同工艺参数条件下的对象特性的研究,从而得出最佳的操作参数。

4. 1 进料位置分析

通过初步模拟结果得出适合的回流比为3.668,采出量为8030 kg·h-1。在保证精甲醇质量浓度大于99.999%的条件下,还需要对精馏塔的能耗进行优化。在甲醇双塔精馏过程中,主精馏塔B2由于回流比和流出量较大,是节能的主要环节。保证回流比与采出量不变的情况下,影响主精馏塔能耗的最主要因素是物流的进料位置,通过对主精馏塔B2进料位置对能耗的影响进行灵敏度分析,可以选取最合适的进料位置,模拟结果如图2。

从图2可以看出,冷凝器和再沸器的总热负荷随进料板位置的增加而减小。当进料板位置大于20时,冷凝器和再沸器的总热负荷随着进料板位置的增加变化趋势减缓;当进料板位置大于40时,冷凝器和再沸器的总热负荷几乎不随进料板位置的增加而变化,而镏出物精甲醇产品的出口纯度会随着进料板位置的增加而降低,因此在保证塔顶出料纯度的前提下,为尽量降低主精馏塔B2的操作费用,可选择在第40块塔板进料。

4. 2 回流比分析

主塔的操作回流比是影响产品精甲醇纯度的最主要因素之一。通过进料位置灵敏度分析可知在主精馏塔B2在第40号板进料最为节能,选定主精馏塔B2在第40 块塔板进料,保证采出量为8030 kg·h-1,对主精馏塔B2回流比进行灵敏度分析,探讨主塔的操作回流比与产品精甲醇纯度的关系,模拟结果如图3。

从图3 可以看出,在主精馏塔B2中随着回流比的增大,甲醇质量纯度逐渐增高。当操作回流比达到3.668时,出口精甲醇质量纯度可达99.9990%以上;从图3还可以看出,当主精馏塔B2中回流比达到3.5时,精甲醇的纯度增加值随操作回流比的最大而显著变缓,而随着回流比的增大,操作费用会大幅度增加。因此,在保证甲醇纯度与采出量的前提下,主精馏塔B2的操作回流比选定为3.668。

4.3 馏出量分析

在保证合适的操作费用和产品纯度的条件下,应尽可能提高精甲醇产品镏出量。选定主精馏塔B2回流比为3.668,在第40 块塔板进料,对主精馏塔B2塔顶镏出量与产品甲醇纯度进行灵敏度分析,结果如图4。

从图4可以看出,甲醇的纯度随主精馏塔B2塔顶镏出量的增加而降低。当镏出量为8040 kg/h时,甲醇的纯度为99.9990%,进一步增大精馏塔B2塔顶镏出量,甲醇的纯度会显著降低,因此,主精馏塔B2塔顶镏出量最大值为8040 kg/h;为了保证产品精甲醇的纯度,模拟过程中保留一定的操作裕度,实际镏出量选定为8030 kg/h。

5 模拟结果

通过对主精馏塔进料位置、操作回流比、产品馏出量及冷凝器的热负荷进行综合灵敏度分析,得出最佳的甲醇双塔精馏操作参数和产品。模拟结果如表2。

从表2可以看出,预精馏塔的回流比、再沸器和冷凝器热负荷及塔顶物流量均小于主精馏塔,因此操作成本主要来源于主精馏塔,对主精馏塔进行模拟优化可以最大程度降低操作成本。

从表2可以看出,粗甲醇中99.01%的甲醇被回收,产品精甲醇质量浓度为99.9990%,远高于AA级精甲醇标准。

6 结 论

(1) 对于甲醇双塔精馏系统的模拟, 选用NRTL、UNIFAC和PR模型计算其气液相行为,可以得到较好的模拟效果。

(2) 甲醇双塔精馏系统中,操作成本主要来源于主精馏塔,对主精馏塔进行模拟优化可以最大程度降低操作成本。

(3) 通过ASPEN PLUS 对甲醇双塔精馏系统模拟计算,并对主塔进料位置、回流比和镏出量进行灵敏度分析从而优化分离过程,实现了粗甲醇双塔精馏生产高纯度甲醇的工艺参数,计算结果可用于指导工业生产,也为甲醇双塔精馏系统的进一步优化提供了有效可靠的依据。

摘要：应用ASPEN PLUS化工模拟系统中的RADFRAC塔精馏模块对甲醇双塔精馏过程进行模拟。分别讨论了操作回流比、进料位置、塔顶馏出量等参数对甲醇精馏过程的影响,获得了对高纯度甲醇精馏具有指导意义的相关工艺数据。模拟结果表明,该双塔流程生产出的精甲醇产品纯度高、水含量和乙醇含量低,并且该双塔模型能耗低,操作稳定、灵活。

关键词：甲醇,ASPENPLUS,精馏,四塔流程,模拟分析

参考文献

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模拟与分析 篇5

在三峡工程二期下游围堰拆除爆破中,其难点问题为混凝土防渗墙的一次性爆破拆除成功.由于混凝土防渗墙内有预埋的灌浆钢管及固定钢管的保持架,这种结构在以往的.围堰水下防渗墙爆破拆除工程中是没有先例的.如果混凝土防渗墙爆破拆除仅仅只将混凝土爆碎,而钢管不炸断、保持架不松散则会使爆渣的水下开挖无法进行,因此将混凝土预埋灌浆钢管炸断及保持架炸散是关系到二期下游围堰拆除爆破成败的关键问题.针对这一问题,利用ANSYS/LS-DYNA计算软件和现场试验,研究了不同装药结构、药包直径等因素对钢管爆炸破坏效果的影响,讨论了钢管爆炸炸断破坏形态与装药结构之间的关系,在此基础上确定钢管爆炸炸断破坏的合理爆破参数及装药结构形式.二期围堰爆破拆除结果表明研究成果是可靠的.

作 者：李新平代翼飞 刘金焕 曾明 刘立胜 张开广 作者单位：李新平,代翼飞,刘立胜(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,武汉,430070)

刘金焕(大渡河流域水电开发有限公司,成都,610016)

曾明,张开广(葛洲坝集团公司三峡工程施工指挥部,宜昌,443134)

模拟与分析 篇6

关键词： 应用光学； 太阳模拟器； 均匀照明； 准直

引言太阳模拟器在太阳能光伏行业领域内是一种十分重要的光学检测设备，能对电池片、组件以及系统进行室内在线检测，在室外进行测试也不需要依赖天气。同时，太阳模拟器的稳定性高于随时间变化的实际太阳，它不仅能大大提高生产效率，也更加科学的对系统性能进行了标定。太阳能光伏从第一代晶体硅发展到现今第三代聚光光伏（CPV），其对太阳模拟器的性能要求也随之变化。对于传统的光伏（PV）组件，太阳光直接照射电池片。太阳模拟器只需在电池片上提供与实际太阳相近的辐射光谱、强度以及均匀度，并无对照射角度有要求。而对于CPV，太阳光并不直接照射电池片，而是经光学系统聚焦后被电池片接收，太阳模拟器必须提供与实际太阳相近的准直照射，才能确保聚光镜的正确聚焦，从而对组件进行有效测试。目前在《中华人民共和国国家标准太阳模拟器通用规范》GB/T 12637-90中[1]，对太阳模拟器进行了如表1的等级的划分，其中并无照射角度的指标，并不能完全满足CPV的需求。因此，应用于CPV的太阳模拟器具有更高的技术要求，而其实现也更具有难度。

本文从理论角度分析了实现辐照度均匀且同时具有小角度准直的太阳模拟器的设计难点，提出了一种可使辐射角度减小的系统结构，该结构还可以采用拼接的方法增大辐照面积。文章将该方案通过软件仿真进行了分析，并计算了其辐照不均匀度与准直角度。

1太阳模拟器光学系统主要组成部分及其作用太阳模拟器的光学系统主要由光源、匀光系统和准直系统三大部分组成。目前，国内外主要太阳模拟器的光源采用氙灯或与其他卤素灯的组合光源，氙灯因其光谱接近太阳光谱，通过适当的滤光片即可得到AM1.5的光谱分布[23]，同样也可以利用各单波长LED的组合配比成接近AM1.5的太阳光谱[45]。对于匀光系统，主要采用复眼透镜积分器或积分光棒[68]。用于将光源发出的不均匀光变为均匀光束。准直系统用于将太阳模拟器的光束投射出去，获得所需的照射面积和照射角度，准直系统可以分为折射式和反射式。前者适用于辐照面较小的太阳模拟器，而后者适合大面积照射的太阳模拟器[9]。2影响辐照均匀度及准直角度的因素

2.1均匀度分析复眼透镜是一种用于匀光的光学器件，当不均匀的光照射在复眼透镜上时，阵列透镜把光束分割成多个单元，每个单元局部可认为是均匀光束，通过后续透镜的作用将阵列透镜的每一单元成像，并在照射面上进行叠加，从而实现照射面的均匀。由于阵列透镜按空间排列分布，将它们成像并叠加在同一面积上时，光束将来自不同的角度，因此不易获得准直照射。导光管也是一种匀光器件，它将入射在入口一端的不均匀光斑经过其内部的多次反射，在出射端形成均匀光斑，但柱状的导光管不改变入射光线的角度，因此也不能获得准直照射。均匀发光的理想点光源置于透镜的焦点处，一般来说，可以获得准直的光束，但是点光源的准直光是否均匀？根据光的可逆原理，将一均匀的平行光束，经透镜聚焦，设透镜为理想透镜，以横坐标表示光源发光角度，纵坐标表示光源辐射强度，如图2所示，在焦点处考察点光源的强度分布。图2（b）所示的结果表明，点光源均匀发光并不能获得均匀的准直光，这是由于照度与距离的平方成反比。由于边缘光的距离长，因此点光源发出的大角度光束边缘角度必须比中间的近轴光有更高的光强，才能获得准直的均匀光束。

2.2准直度分析理想的点光源位于透镜的焦点，可以获得准直的平行光出射。一般来说，光源尺寸越小，光学系统准直起来越容易。若尺寸为A的光源位于孔径为D的透镜的焦平面处，其出射角度与A和f相关，如图3所示综上所述，若对单光源而言，既做到准直出射又要辐照均匀，需要满足两点：（1）光源尺寸与准直透镜焦距比例越小，准直性越高；（2）光源强度分布，随角度增大而变大。准直光束的获得还可以通过采用扩束系统，太阳模拟器属于照明系统，符合扩展度守恒，在扩展度一定时，角度与辐照度互相制约，角度越小，辐照面积变大，扩束系统将小面积的光束扩束为大面积的光束，在扩大面积的同时也就实现了准直。同时根据能量守恒定律，随面积增大，辐照度值也将变小。3太阳模拟器光学系统的方案本文提出了一种太阳模拟器结构，如图4所示。它对均匀度和准直度进行了综合考虑。本文采用氙灯作为太阳模拟器的主要光源，其光谱分布接近太阳光谱[10]，球形氙灯的光强分布见图4。为了提高光能利用率，氙灯将配合椭球反射面使用，把有一定体积的氙灯放置在椭球面反射镜的第一焦点处，在椭球反射面的第二焦点处形成一会聚光斑。光束的会聚角度主要由反射镜的两焦距f反1、f反2及其孔径D决定[11]，其焦斑处的强度分布随角度的增大而减小；本文采用的匀光器件为导光管积分棒，其入口在椭球反射镜的第二光斑处，端面大小为光斑的外接正方形，导光管对光斑进行多次反射，设计其长度使得在出射面形成均匀的辐照面；本文采用的准直系统为倒置的望远系统，距导光管出射端距离为其前会聚透镜的焦距f1，后准直透镜与前会聚透镜的距离为两焦距值之和，组成一倒置望远系统。设导光管出射端面面积为A1，辐照出射面积为A2，导光管出射光半角度为θ1，准直透镜出射光半角度为θ2，由于扩展度守恒，n1A1sin2θ1=n2A2sin2θ2，其中n1为入射进会聚透镜空间折射率， n2为准直透镜出射方空间折射率。通过选用不同焦距f1、f2的透镜对光束进行不同比例A2/A1的扩束，同时使其出射准直角度θ2改变。系统结构如图5所示：

4.3.2准直度状况准直度与入射角有关，首先需选择合理的入射角。假设在1 000 W光源出射后，经过全部理想透镜的情况下，接受面的能量为610 W，其光学利用率为60%，主要的能量损失是一部分光并没有入射进导光管。对于同一孔径D和f反1的反光碗，f反2越大，其汇聚的角度也就越小（即矩形导光管的出射角），然而θ1太小的话，为了保证反射次数以满足均匀性要求，其导光管的长度势必增长，不利于结构的紧凑性。因此，合理权衡选择θ1的最小值，可以得到具有更好准直性的出射光，也将缩小后续光学系统的结构尺寸。这里，选择的入射角为18°。在软件的仿真结果中，通过辐射强度图得到了探测器接受到的光强随角度变化的曲线。透镜的焦距比f2/f1=4，入射角18°，因而理论角度为4.5°，从图9（a）中得到体现。图9（b）中，80%的光能辐射在接收器内角度小于4°，最大的角度为6°。比理论的4.5°大些，这是由实际透镜的球差、准直透镜前焦平面的轴外像差以及系统瞳窗尺寸未匹配等因素导致。

5结论本文首先从太阳模拟器光学性能指标的理论分析着手，找到设计其光学系统的重点与难点，并以此为理论依据，用导光管对光源进行匀光处理，用扩束系统将光束进行准直。通过选配不同大小焦距与孔径的透镜使辐照面面积可调，均匀度高，出射角度小。由于受扩展度守恒的制约，准直性越高，其辐照度值越低。所以，这种透射式结构的太阳模拟器其整体光学结构横截面尺寸小于出射辐照面尺寸，它不仅能对单个小面积的CPV聚光系统中的单个电池片或聚光透镜进行检测，也可以通过排列组合的方式拓宽其辐照面。结合以上两种方法，可获取任意大小面积及满足辐照度大小的太阳模拟器，且其准直角度小，适合于CPV领域内对多种不同场合下的检测。

参考文献：

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氨燃料燃烧性能数值模拟与分析 篇7

长期以来, 氢被视为最有前景的可再生车用燃料, 但储运等若干关键技术的瓶颈使氢虽理想但难以应用。氨分子中含有三个氢原子, 因而通常被用作携氢载体, 实际上氨具有常用燃料所需的各种优点, 如便于储运、低污染、高热值、高辛烷值等, 其性能特点见表1。与氢相比, 氨燃料的最大优点是能量密度大、易液化、便于存储及携带;与汽油相比, 虽然其热值稍低, 但其辛烷值远高于汽油, 因而可增大压缩比以提高内燃机的热效率。氨分子中不含碳, 其完全燃烧的产物是氮和水, 不含温室气体和其他碳类有害污染物。

氨可人工合成, 氨的工业化生产有近90年历史。随着科技进步, 氨的生产成本不断降低, 文献[1]使用一种钼催化剂成功避开了高耗能的高温高压过程改进了氨的合成工艺, 大幅度降低了合成氨的成本[1]。氨被广泛应用于化工和农业等各领域, 因用量大及用途广, 使得氨在生产、储运、供给等各方面都积累了成熟的经验并已成体系, 因而具有良好的推广应用基础。这一系列特点, 激起了研究者们对车用氨燃料研究的极大兴趣。

文献[2]首次提议使用氨作为内燃机燃料, 并将氨成功应用到了从轻型到重型的各种车辆上, 研究发现在汽油机的压缩比下使用氨燃料应采用增压和废气燃料重整, 原因是相比其他燃料氨不易燃;文献[3]试验发现, 由于氨具有较高的辛烷值, 与汽油相比, 使用氨燃料能采用较大压缩比而获得更高的热效率;文献[4]调查了氨和汽油双燃料的燃烧和排放性能, 研究发现由于抗爆性强氨尤其适合于低转速高负荷工况;文献[5]在压燃发动机上演示了氨混合柴油/生物柴油的可行性, 试验显示对于相同的发动机性能, 氨的能量替代率能达到95%以上。上述研究均表明氨确实是一种可行的内燃机燃料, 但由于长期以来氨一直被用作氢燃料电池的携氢载体而忽视了其直接作为内燃机燃料的潜质。随着能源环境形势恶化, 氨燃料逐渐进入人们的视线, 文献[5-6]开始了氨燃料的相关研究, 但国内还鲜有车用氨燃料研究方面的报道。目前, 对氨燃料的研究还处于初级阶段, 研究内容也都集中在用试验去寻找氨燃料的应用方案, 试验的局限性在于只能反映特定条件下的现象, 要揭示其本质必须从理论上总结出一般性的规律。

本文中拟以化学动力学理论为基础, 运用化学动力学软件, 耦合氨燃料燃烧的氧化反应机理与内燃机燃烧模型, 分析压缩比、进气温度、过量空气系数等因素对氨燃料燃烧性能的影响, 并用正庚烷作为引燃燃料, 分析不同摩尔百分比的正庚烷对氨燃料燃烧的提升作用。

1 模型描述

1.1 氨燃烧氧化反应机理

氨燃烧化学反应机理的研究始于60年代早期对其自由传播火焰结构的分析, 文献[7]在大气压下通过测量氨浓混合气火焰中NH3、NH2、NH和OH的浓度证实了氨燃烧的第一步反应是NH3+OH/H生成NH2/NH;文献[8]通过稀混合气火焰分类出氨燃烧过程中N的几个主要转化路径。

随着检测反应过渡态中间体技术的提高, 氨燃烧氧化路径中的基元反应逐渐被试验证实, 文献[9]用激光光谱技术调查了氨燃烧过程中NH2+O的反应;文献[10]用激光磁共振证实了氨燃烧过程中NH2+NH2/NH/O的反应;文献[11]使用动力学统计方法通过计算NH+NO/O2反应的势能面决定了氨燃烧过程中NH+NO→N2+OH或N2O+H分支反应的份数和NH+O2→HNO+O或NO+OH两个通道的反应速率常数。这一系列的研究使得氨燃烧化学反应机理不断完善。

总结前人的研究成果, 文献[12]提出一个简单的反应机理去证实氨燃烧过程中NHi (i=0~3) 相互转化的机制, 该机理仅包括12种组分和26个基元反应;文献[11]也提出一个氨燃烧的氧化反应机理去解释氮氧化物的形成机理;文献[13]建立了一个包含22种组分和95个基元反应的机理去分析氨的层流预混火焰结构。以上机理都是基于具体的应用而设计的, 具有各自的局限性。

文献[14]提议的氨氧化反应机理 (Konnov机理) 最具特点, 其基元反应和热力学参数来自于内燃机低碳烃燃料的反应机理, 因此该机理最符合内燃机缸内高温高压工况, 原始的Konnov机理包含31种组分和245个基元反应。文献[6]采用分子束采样质谱仪验证了Konnov机理的有效性, 并对其进行合理简化。本文中选用经简化后的Konnov氨氧化反应机理, 该机理包含19种化学组分和80个基元反应。

1.2 内燃机燃烧模型

采用一个中等排量的单缸研究型发动机作为建模对象, 其结构参数见表2。以建模对象发动机气缸参数为基础, 用氨燃烧的化学反应机理在CHEMKIN软件包中构建含化学反应机理的单区燃烧模型。

CHEMKIN只考虑对流损失而忽略传热损失, 因而要增加传热模型。本文中选取Woschni半经验传热公式[15], 该公式以指数律为基础得出:

式中, Nu为无量纲准则努塞尔数;Re为雷诺数。

将特征速度v表征为

式中, p0为发动机反拖时的压力, MPa;Vs为气缸工作容积, m3;T1、p1和V1分别为进气阀关闭后至燃烧始点前工质在任一时刻的温度、压力和体积;vm为活塞平均速度, m/s;p为缸内气体压力, MPa。计算不考虑内燃机湍流的影响, 仅分析压缩和膨胀过程, 所以取C1=2.28, C2=3.24×10-3。

2 压缩比等参数对氨燃烧性能的影响

2.1 压缩比对氨燃烧性能的影响

图1和图2分别为当发动机转速为1400r/min、进气压力为一个大气压、过量空气系数为1、进气温度为800K时, 改变压缩比得到的缸内温度和缸内压力随曲轴转角的变化曲线。随着压缩比的提高, 着火时刻提前, 其效果等同于提高进气温度或进气压力。比较两图可以看出, 随着压缩比的增加, 缸内最高温度变化较小, 而缸内最高压力变化较大, 说明压缩比对缸内压力的影响较大。当压缩比为14时缸内温度曲线变化平缓, 表明燃烧没有启动;当压缩比达到16时燃烧才开始启动, 但着火延迟比较明显, 表明选定合适的压缩比对保证着火时刻在上止点附近起着重要作用。

2.2 进气温度对氨燃烧性能的影响

图3和图4分别为设置压缩比为18、过量空气系数为1, 改变进气温度时缸内温度和缸内压力随曲轴转角的变化曲线。在进气温度为750K时, 缸内温度和压力变化不大, 表明燃料没有被压燃;在进气温度为800K时才发生着火现象, 原因是氨的自燃温度较高, 只有在进气温度较高时才能被压燃。从图中还可以看出, 随着进气温度的增加, 着火时刻大幅提前并远离上止点, 当进气温度由800K增至1000K时, 点火提前了近20°CA。由图4可知, 当进气温度大于800K时, 着火时刻远离上止点, 导致缸内最大压力随着进气温度升高而减小。

2.3 过量空气系数对氨燃烧性能的影响

图5和图6分别为设置压缩比为18、进气温度为450K, 改变过量空气系数时发动机缸内温度和缸内压力随曲轴转角的变化曲线。从图5可以看出, 过量空气系数为0.4时, 缸内温度曲线变化平缓, 原因是混合气浓度过高, 导致火焰无法传播而失火;过量空气系数为1时, 缸内最高温度和压力达到最大值;随着过量空气系数进一步增加, 缸内最高温度和压力略有下降;而当过量空气系数为2时, 缸内最高温度和压力仍然较高。由此可见, 氨可以实现在稀薄条件下的压燃, 同时由于进气温度高达800K, 所以燃料在上止点之前就能实现完全燃烧使得缸内的最高温度值出现在上止点之前。

3 正庚烷对氨燃料的引燃作用

通过上节的模拟和分析可知, 氨燃料只有在较高的压缩比或进气温度条件下才能被压燃。为了降低氨燃料压燃对压缩比和进气温度的要求需要采取相应措施, 如在燃料中加入燃点较低的引燃燃料[15]。正庚烷压燃特性与柴油类似, 在氨中加入正庚烷做引燃燃料类似于实际中的氨与柴油掺混燃烧。本文中采用Patel等的正庚烷简化反应机理[16]与氨的氧化反应机理组合成二元混合燃料研究不同摩尔百分比的正庚烷对氨燃料的引燃作用, 混合燃料的反应机理含41种组分和138个基元反应。

3.1 进气温度的变化

由上节的模拟分析可知, 当压缩比为18、纯氨燃料在进气温度为800K时才能被压燃。图7和图8分别为压缩比为18、过量空气系数为1时, 在氨燃料中加入5%、10%、20%和30%正庚烷的混合燃料在不同进气温度下缸内温度随曲轴转角的变化关系。

在加入5%、10%、20%和30%的正庚烷时混合燃料启动燃烧所需的进气温度分别为605K、415K、365K和345K, 表明当加入的正庚烷摩尔百分比从0%增至30%时对进气温度的要求可从800K降至345K左右, 较大地降低了燃烧启动对进气温度的要求。由图8还可以清楚地看出, 加入正庚烷的混合燃料在燃烧启动时具有两次温度急剧上升的现象, 第一次为引燃燃料的燃烧, 该燃烧使缸内温度迅速升高从而使氨燃料被引燃。

3.2 压缩比的变化

由上节的模拟分析可知, 对于纯氨燃料, 在进气温度为450K时, 压缩比增至120仍不能被压燃。图9和图10分别为进气温度为450K、过量空气系数为1时, 加入5%、10%、20%和30%正庚烷的混合燃料在不同压缩比下, 缸内温度随曲轴转角的变化关系。当加入的正庚烷的摩尔百分比为5%、10%、20%和30%时, 压燃所需的最小压缩比分别降至26、17、12和10左右。由此可见, 一定进气温度下, 在氨燃料中加入正庚烷作为引燃燃料能够较大地降低压燃对压缩比的要求。

4 结论

(1) 由于氨的自燃温度较高, 作为压燃内燃机的燃料, 必须采用较大的压缩比和进气温度。模拟显示当压缩比为16时, 进气温度必须达到800K才能将其压燃。

(2) 氨燃料的压燃着火时刻随着压缩比和进气温度的提高而提前。当进气温度为800K时, 压缩比从14变化至22, 着火时刻提前约10°CA;当压缩比为18时, 进气温度从800K增至1000K, 着火时刻提前约20°CA。

(3) 氨在内燃机缸内的可压燃范围较宽, 在一定的条件下, 当过量空气系数为2时氨燃料仍然能被压燃。由此可见, 氨燃料可实现在稀薄条件下的压燃燃烧。

(4) 模拟显示加入正庚烷作为引燃燃料可降低氨的压燃对压缩比和进气温度的要求。压缩比为18时, 当加入正庚烷的摩尔百分比从0%增至30%时, 氨的压燃所需最低进气温度可从800K降至345K。进气温度为450K时, 当加入正庚烷摩尔百分比从0%增至30%时, 氨的压燃所需最小压缩比可从大于120降至10。这表明在实际使用中, 将氨燃料与柴油/生物柴油在压燃发动机中进行掺烧应该是较好的使用途径和方法。

摘要：研究了氨燃料在内燃机缸内的燃烧性能和正庚烷对氨燃料燃烧性能的提升作用。首先, 将氨燃烧的化学反应机理与内燃机单区燃烧模型相耦合, 分析压缩比、进气温度、过量空气系数等对氨燃料燃烧性能的影响, 结果显示由于氨的燃点较高, 压缩比为16时进气温度必须达到800K氨燃料才能被压燃;同时发现在此条件下氨燃料能在稀薄条件下 (α=2) 燃烧。其次, 将简化的正庚烷氧化反应机理与氨燃烧氧化反应机理相结合, 研究不同摩尔百分比的正庚烷对氨燃料的引燃作用, 结果显示随着正庚烷含量的增加, 当压缩比为18时氨的压燃对进气温度的要求可从800K降至360K;当进气温度为450K时, 压缩比可从大于120降至10。研究表明使用引燃燃料可以显著降低氨燃料压燃对进气温度和压缩比的要求。

模拟与分析 篇8

关键词：报废设备,估价,模拟竞价,分析

0 前言

估价是资产重组、资产盘盈和资产处置时的必要环节, 报废设备作为固定资产的重要组成部分, 在处置前也要做好估价工作。首先从市场比较法分析入手, 然后使用该方法对两个实例进行计算评估并组织开展模拟竞价, 最后用实践数据对理论方法进行验证和分析。

1 估价方法

对报废机器设备进行估价, 目前主要采用市场比较法、收益法和成本重置法3 种评估方法。其中市场比较法也称为现行市价法, 是一种简单有效的方法。随着我国市场经济的建立和完善, 其重要性逐步凸显。在运用市场比较法对报废设备的变现价值或残余价值进行估算时, 按照评估对象的现状具体可分为整体变现和拆零变现两种情况。

1.1 整体变现估价

整体变现估价的前提条件是待评估的报废设备能被拆迁安装, 且经过维修后能够恢复功能继续使用。方法是根据市场上相似参照物的市场价格, 通过比较它们在效用、能力、质量和新旧程度等方面的差异, 按照一定方法做出调整, 从而确定评估对象的价值, 该方法的关键是参照物的选择。

整体变现估价计算公式为:评估值=A× (1-B) ×C (1)

式 (1) 中A为全新参照物市场价, B为评估对象已用年限/预计寿命, C为调整系数。其中调整系数C可结合市场需求、使用状态和性能质量等实际情况进行探讨后再定。

1.2 拆零变现估价

拆零变现估价的前提条件是待评估的报废设备已完全丧失使用功能且无法被修复, 可按可拆零变现材料现行市场价进行评估, 计算被估对象清理变卖后的净收益额时, 通常认为该报废设备是按可拆零变现材料的价值减去清理费用来计算评估值。

拆零变现估价计算公式为:评估值=ΣE× (1-F) (2)

其中ΣE=E1+E2+…= (C1×D1) + (C2×D2) +…

C1、C2表示材料收购单价, 是指评估基准日废品站实际发生的可拆零变现材料收购价。

D1、D2表示材料重量, 即报废设备中可分解的某材质的重量, 如含废钢量、废铝量、废铜量等。对于大型报废设备, 可通过查阅该设备原始报价单、订货合同或相关技术文档、设备铭牌、台账和专业预算手册等资料获得该数据。对于难查资料的小型设备, 亦可采用现场称量或直观估测的方法测其重量。

F为清理费用率, 即拆除费、运杂费等在清理过程中发生的合理支出, 以及设备在报废后的耗损缺失与理论重量的差异等, 按一定比例折算成清理费用率。E1、E2表示市场回收价格。

2 估价实例

2.1 运用市场比较法做整体变现估价

例如, 1 台线切割机的型号为DK7725g, 工作台规格250×400 mm, 苏州三光机床厂生产, 出厂时间为1994 年1 月, 资产原值为10.6 万元。已使用年限20 年, 预计寿命30 年。由于使用率高, 时常处于连续运转的状态, 故已用年限/预计寿命的取值应该比20/30 更大, 建议取值为0.8。由于当前市场对此类设备需求量不大, 且该设备现状较差, 故调整系数C建议取值0.7。市场上同规格的新设备价格约为6 万元, 按照式 (1) 计算得到评估值为8400 元。

2.2 运用市场比较法做拆零变现估价

例如, 1 台热处理炉, 型号规格为 Φ1.5×2 m, 原北京昌平建兴电炉厂生产, 出厂日期1997 年11 月, 设备原值约28 万元, 包括炉体、支撑钢架、水槽、液压系统和配套电柜等。因炉体漏温严重、温度均匀性差, 且各部件已出现故障多和老化严重等问题, 已无修复和使用价值。设备主要材料为碳钢, 以及少量的不锈钢、铜、铝、炉砖、保温棉等。

当报废设备含有多种材料时, 可用两种方法进行计算。一是当某种材料占该设备主材的绝对多数时, 便可视为主材计算, 同时考虑其他材料含量多少及价值高低, 用清理费用率加以调节, 从而使变现值更接近合理。虽然该方式简洁易用, 但运用时往往受到条件制约。二是调查报废设备的材料组成, 然后检测或估算各种材料所占比重, 按含量比重及价值高低分别计算, 加和后得出该项整体评估值。该方式较为繁琐, 所需采集的数据信息多, 但计算结果更加精确, 而且运用范围广。

按方法1 计算。经查询当时市场价格, 废钢回收价C为1500 元/吨, 热处理炉的总重量D约为20 t, 因结构复杂和拆除难度大, 故清理费用率F可在常用值10%~15%中的最大值来取, 依据式 (2) 计算的评估值为25 500 元。

按方法2 计算。方法2 在计算前, 需要收集很多的数据和参数, 但计算结果更为精确。计算结果如表1。

经过比较2 次的计算结果, 发现二者相差1360 元, 差价约为第2 次评估值的5%, 可以认为两个计算结果较为接近。由此也验证了方法1 中当某种材料占该设备主材的绝对多数时, 便可视为主材计算的说法。并且经过多次计算与验证后发现, 当主材料占设备材料构成的百分比 (记为m) 越大, 两次的计算结果越接近, 差价与估值的百分比 (记为n) 越小。当m的取值范围为 (0.6, 1) 时, n的取值范围为 (1, 0) 。且二者对应关系与正态分布概率密度函数相符。

3 模拟竞价

模拟竞价结果虽与最终成交价不尽相同, 但二者的参考对象和竞价方法都一样, 故通过模拟竞价可以衡量出报废设备的真实市场价值。在模拟竞价开始前, 为规避相关风险和经济纠纷, 组织方应提前将双方的责任、权利及义务告知各参与者, 并签署告知书。模拟竞价结果见表2。

4 对比分析

对于第1 个实例线切割机设备, 模拟竞价的均价为8600元, 与用市场比较法的整体变现估价8400 元非常接近。可以认为该估价是科学合理的。

对于第2 个实例热处理炉来说, 模拟竞价的均价为31 875元, 而与用市场比较法做拆零变现估价的估值26 860 元相差较大。这里不排除某些厂家给出的收购价过高, 不符合市场规律。但是即使去掉一个不合理高价38 000 元后, 再计算出的均价仍然与估价结果有一定差距。

经过分析发现造成热处理炉的估价比市场预期低的原因是, 在做拆零变现估价时还应注意区分设备整机报废和局部 (部分) 报废两种情况, 二者估价方式不同, 最主要的区别是对于设备局部 (部分) 报废中尚可利用部件不能简单的用拆零变现方法去计算。报废设备中某附机或某部件尚可使用的, 其主机部分可按市场比较法做拆零变现估价, 其附属的通用配机与备件则应参照尚可利用价值进行评估, 即对其按照整体变现方法来估价, 最后再进行加和计算便可得出总估价。

对于上例中的热处理炉, 经调查发现其液压系统相对于其他部件状况更好, 尚能独立稳定运行且功能正常。因此对液压系统应按照整体变现方法来估价, 计算时首先对全新参照物市场价进行询价, 市场上同规格的全新液压系统价格约为3 万元, 估算B (已用年限/预计寿命) 为0.7, 由于该液压系统目前状况良好, 且市场需求大, 故除去拆运费等折损, 调整系数C可取值为0.9, 按照式 (1) 计算得到结果为8100 元。对于液压系统之外的设备部分估算总重量为18 t, 再依据式 (2) 计算评估值为22950 元。二者加和后得出的总估值为31 050 元。这个结果与模拟竞价结果接近, 与市场规律相符合, 也是科学合理的。

5 结语

综上所述, 依据市场比较法对报废设备做出的估价是科学合理的, 该估价结果可以用作资产盘点清算、资产强制变现或竞价拍卖处置的底价。在运用市场比较法做拆零变现估价时, 还应注意区分设备整机报废和局部 (部分) 报废两种情况, 局部报废时设备主机部分可做拆零变现估价, 其附属的通用配机、备件等则应按照整体变现方法估价, 最后对它们进行加和计算便可得出总估价值来。

参考文献

[1]孙颖.浅谈报废设备的评估计算方法及注意事项[J].中国科技纵横, 2011.

模拟与分析 篇9

随着现代篮球技术的发展, 越来越多的年轻人加入了这个行列。定点投篮是现代篮球技术的基础。篮球投篮命中率与投篮的初速度和角度有着直接的关系, 文献[1-10]从不同角度讨论了最佳出手角度的问题。

最佳投篮角度一直是篮球理论的研究热点。对于理想的篮球轨迹模型, 高秀明[9]等用变分法研究了投篮最佳出手角的问题。他们从抗角度偏差最佳角、抗速度误差最佳角和出手最省力三个角度详细地讨论了投篮出手角的问题, 并得出符合实际的精确定量结果。冯大志[10]等根据理想的投篮轨迹模型, 详细研究了投篮最高点的最佳位置, 并进一步给出在目测情况下, 篮球投篮训练的双1/3法, 提高投篮的命中率。

铅球和篮球一样, 其轨迹也是类似抛物线。以什么角度进行投掷, 铅球能投得最远, 一直是研究热点。蔡志东[11]等考虑了两种情况。一是假设空气阻力与速度平方成正比, 给出了铅球运动需满足的微分方程以及相应的近似解;二是假设空气阻力与速度成正比, 给出了铅球最佳投掷角的实用方程。根据理想的铅球轨迹模型, 龚劲涛[12]等详细讨论了运动员身高、推力、角度衰减系数、铅球质量与最佳出手角之间的关系。

对于无阻力的投篮轨迹模型, 虽然用复杂的变分法[9]可以分析出最佳出手角度, 但原理复杂, 过程繁琐, 并且其几何意义是角平分线, 不利于指导实际投篮。

根据估计投篮最高点的最佳位置[10]也可以估计最佳出手角度, 若没有直接给出最佳出手角度, 同样不利于指导实际投篮。对于有阻力的抛物轨迹模型, 虽然根据抛物原理可以得出铅球最佳投掷角的实用方程[11], 但它并不是篮球的最佳投掷角, 而且其过程与结果相当复杂。

本文对于无阻力的投篮轨迹模型, 运用二次方程的判别式, 简单明了地导出最佳出手角度, 其几何意义是两点之间的直线, 有利于指导实际投篮。对于有阻力的投篮轨迹模型, 根据泰勒展开, 将有阻力的投篮轨迹模型与无阻力的投篮轨迹模型完美统一。在无阻力最佳出手角度的基础上, 进一步得出有阻力最佳出手角度和无阻力的最佳出手角度完全一样, 出手速度是无阻力出手速度的倍数。

1 有阻力时投篮轨迹方程

假设篮球是一个质点, 且忽略空气阻力, 可以得出篮球运动方程及曲线为[9]:

其中θ是投篮出手角度, v是投篮出手初速度, g是重力加速度, t是篮球运行时间, 由式 (1) 消去时间参数t得:

为了求出抗角度偏差最佳角[9], 先固定y, v, 求偏导:

进而得出抗角度偏差最佳角[9]为:

但实际上, 空气阻力是不可避免的。假设空气阻力f与速度v成正比, 即f=kv。

由牛顿第二定律可求出篮球位置与时间参数t的关系[11]:

将式 (5) 直接消去t得:

此式过于复杂, 不利于分析抗角度偏差最佳角等性质。

文献[11]中为了求出抛掷铅球最远时的出手角度, 对上式进行了简化近似。

利用级数展开e-kt/m, 则式 (5) 简化为[11]:

式中x, y均由t的二次函数表示, 如果直接消去t, 那么x与y的表达式仍然很复杂, 同样不利于进一步分析抗角度偏差最佳角等性质。

本文给出了一种新的近似方法, 使x与y的表达式较简单, 有利于进一步分析抗角度偏差最佳角等性质。

由文献[9]可知, 一般来说, 为一小量。利用级数展开如果展开时仅仅保留前二项, 则:

这与没有考虑空气阻力时, x与y之间的关系完全一样, 从另一个方面也说明了有无空气阻力时, 抛物线位置关系的一致性。因此, 本文考虑展开时保留前三项, 则:

也就是说, 有空气阻力时, 仅仅在没有考虑空气阻力的基础上, 添加一些项即可。如果展开时用无穷级数表示, 则式 (9) 中从第三项开始都含有阻力系数k。因此当不考虑阻力, 即阻力系数k=0, 代入上式即得到与不考虑阻力时, x与y之间的关系完全一致。

2 无阻力时最省力的投篮出手角度

对于忽略阻力投篮轨迹模型为[9]:

其中H1为出手的位置离地面的距离。

本文根据二次方程的判别式, 求出无阻力时最省力的投篮出手角度, 其具体方法如下。

假设篮筐离地面的距离为H2, 篮筐离出手的水平距离为S, 则:

消去时间参数t得:

要想此方程有解, 将tanθ看成一个整体, 则其判别式:

所以

即初速度的平方最小为:

将此时的初速度代入式 (13) 即可求出:

此角度即为最省力的出手角度。

这个角度的几何意义如下:

如图1所示, O是投篮出手点, P是篮筐中心, PM⊥OM,

下面证明, 此角度与文献[9]中的角度完全一致。

文献[9]中的几何意义, 如图2所示。可知:

则由万能公式知:

则即:

两种方法最后得出的结果完全一样。文献[9]中用复杂的变分法求出, 而本文仅仅用简单的二次方程的判别式即可。另外, 文献[9]中的几何意义是角平分线, 不利于指导实际投篮, 而本文几何意思是一条直线, 利于实际投篮瞄准。

3有阻力时最省力的投篮出手角度

对于有阻力的轨迹模拟方程, 由式 (9) 知:

将篮筐的位置 (S, H2) , 代入式 (17) :

由于此式非常复杂, 直接求最省力的出手角度较困难, 因此, 本文对此式进行近似简化, 将无阻力时最省力的出手角度和出手速度代入vcosα, 其余保持不变。

令则此式简化为:

按照无阻力时的情况, 将tanα看成一个整体, 则判别式:

即初速度的平方最小为:

将此时的初速度代入有阻力轨迹模型即可求出:

此角度即为最省力的出手角度。

从结果可以看出, 有阻力时, 其最省力的出手角度与无阻力时完全一样。而其出手速度是无阻力时出手速度的倍数, 如图3所示。

4 基于增强现实的投篮轨迹模拟

虽然运动员在篮球场上训练投篮可以增加投篮感觉, 但不能看见篮球运动的轨迹, 没有直观的认识。为了让运动员能实时看见自己投篮的轨迹, 本文开发了一个基于增强现实的投篮轨迹模拟系统。系统软件结构图如图4所示, 系统工作示意图如图5所示。

系统前模块, 主要目的是获取投篮出手速度和投篮出手角度。获取的方式, 是根据磁力跟踪器和数据手套实时记录手的位置, 按照一定的算法, 拟合出轨迹曲线, 最终得出出手速度和出手角度。

系统中模块, 首先根据系统前获取的出手速度和出手角度, 对虚拟篮球的轨迹按照前面抛物线的模型进行渲染, 然后判断虚拟篮球是否落入虚拟篮筐。

系统后模块, 主要目的是根据前面虚拟篮球运动轨迹以及是否落入虚拟篮筐, 对运动员给出指导性的建议、出手速度快慢问题和出手角度大小问题。

5 结语

投篮轨迹近似可以看成一条抛物线, 本文首先通过理论分析给出了最省力的出手角度。对于有阻力时, 通过泰勒展开式将复杂的投篮轨迹进行简化, 证明了当空气阻力趋于0时, 与没有考虑空气阻力的投篮轨迹完全一致。其次, 通过二次方程的判别式给出了在没有考虑空气阻力时, 最省力投篮角度的获取, 并给出了其几何意义。相对于文献[9]复杂的变分法, 本文方法简单明了。另外, 文献[9]给出的几何意义与角平分线相关, 不利于实际投篮的判断。而本文给出的投篮角度几何意义是两点之间的直线, 非常利于实际投篮的指导。然后, 本文进一步分析了在有空气阻力时最省力的投篮角度。如果直接仿照没有空气阻力时求最省力的投篮角度方法, 结果将非常复杂。本文巧妙地将某些变量用没有空气阻力的结果代替, 大大简化了求最省力的投篮角度方法。结果表明, 有空气阻力时的投篮角度与没有空气阻力时的投篮角度完全一致, 只是其速度是没有空气阻力时投篮速度的某个倍数。最后, 本文设计了一个增强现实系统, 让运动员实时看见虚拟篮球的运动轨迹和虚拟的篮筐, 有效地指导运动员实时改变自己的投篮速度和投篮角度。

参考文献

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[7]陈斌, 任晋.投篮瞄准点的力学分析[J].太原理工大学学报, 2006, 37 (1) :29-30.

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[10]冯大志.篮球的最佳投篮路径[J].山西财经大学学报, 2011, 33 (2) :85-86.

[11]蔡志东, 陆建隆.考虑空气阻力时铅球最佳投掷角的参数方程和实用方程[J].大学物理, 2006, 25 (10) :16-22.

模拟与分析 篇10

目前,随着城市公共建筑面积不断增大,其能耗状况日益严峻,在建筑节能逐渐占据重要位置。商场建筑属于典型的公共建筑类型,且由原来单一的购物场所,发展至如今集购物、餐饮、休闲、娱乐等功能为一体的综合商业体。由于商场建筑体量庞大、人流量及用电设备多等特点,其绿色化改造成为“十二五”期间建筑节能的研究重点之一[1]。

针对不同气候区域商场建筑能耗已开展了一系列研究工作。薛志峰[2]等对北京市大型商场类建筑能耗进行了实地调研。结果表明: 单位面积耗电量为210 ~ 370k Wh /( m2·a) 。郭佳[3]等开展了北京市25 栋大型公共建筑能耗现场调研。结果表明,公共建筑中酒店和商场的建筑耗能最高,办公建筑次之,其中商场建筑电耗平均值为144. 75k Wh / ( m2·a) 。吕健[4]等对天津市某商场建筑耗能情况进行了分析,其中空调和照明系统能耗占建筑总能耗比例超过73% 。杨璐[5]等对重庆市商场建筑能耗进行了调查。结果表明: 大中型商场建筑单位面积耗电量变化范围为220 ~500k Wh / ( m2·a) ,其中夏季空调能耗占总能耗比例较大,约50% ~ 70% ,而其他季节占总能耗比例为30% ~ 50% 。陈伟青[6]等对广州市某综合性商业建筑能耗进行了调查,其单位面积耗电量为323. 01k Wh / ( m2·a) ,其中空调系统耗电量所占比例为48. 1% ,空调和灯光耗电量占比例达到80% ,这显然与区域气候条件有很大关系。

基于上述背景,文中以寒冷地区某典型商场建筑为例,开展空调系统全年逐时能耗模拟,分析其能耗构成特点与规律,以便寻求可能的节能途径与方法,为进一步指导商业建筑绿色化升级改造提供有益的参考依据。

1 建筑模型

1. 1 建筑概况

以唐山市某典型商场建筑为例,共计3 层,其中地下1 层为超市,地上2 层主要为大空间商业和各类小型店铺,总建筑面积为33649m2,体型系数为0. 1。总窗墙比为0. 11,其中东、西向窗墙比分别为0. 15 和0. 12。文中首先采用Sketchup软件建立了建筑几何模型( 见图1) ,进行热区划分设定,然后将建筑模型导入Energy Plus软件,在此基础上输入围护结构、内扰、空调系统搭建等各项信息。表1 给出了该建筑主要围护结构的基本做法信息。

1. 2 空调系统

该商场建筑空调系统如下: 大空间商业区域采用全空气定风量系统,均安装热回收装置,而小商铺区域为风机盘管加新风系统。夏季冷源采用2台离心式制冷机组,其中制冷机组的额定功率为2236. 6k W,机组COP为6. 41。冷冻水泵设2 台,额定流量和功率分别为606m3/ h和62. 3k W。冷却水泵设2 台,额定流量和功率分别为818m3/ h和67. 9k W。采用1 台冷却塔,额定容量为3778k W,风机功率39k W。全空气系统中空气处理机组风机采用定流量风机。冬季热源采用城市热网供给的95 /70℃的高温水,再由板式换热器交换成60 /50℃ 热水后供空调采暖系统。其他相关参数可参见文献[7],此处不再赘述。

对于商业建筑,内部发热量大,内热源主要包括人员、照明、设备等。文中按照《公共建筑节能设计标准》( GB50189 - 2005) 中的相关数据进行内扰参数设定。表2 给出了建筑内扰设定值一览表。图2 ~ 图4 分别给出了人员在室率、灯光以及设备的使用率情况。

1. 3 室内外参数

室外气象参数采用《中国建筑热环境分析专业气象数据库》提供的唐山市典型年气象参数,全年共计8760h。模拟用全年室外干球温度的逐时变化曲线如图5 所示。由于商场建筑基本全年无节假日,空调系统运行规律相对稳定。文中设定空调系统开机时间为8: 00,关机时间为19: 00,空调运行时间为每天13h。模拟过程中夏季室内温度设定为25℃,冬季设定为20℃,供冷日期为5 月15日~ 9 月30 日,采暖日期为11 月15 日~ 次年3 月5 日。

2 模拟结果与分析

2. 1 整体能耗状况

模拟条件下,该建筑全年耗电量为5248297. 8k Wh,单位面积耗电量为155. 97k Wh /( m2·a) ,这与孟芳园[8]等对唐山市7 栋商场建筑的平均能耗统计结果接近,即140. 3k Wh /( m2·a) 。建筑冬季供暖耗热量为2567. 5GJ,单位面积耗热量为0. 08GJ/m2。若将热量等价折算为电量,总耗能量为5961492. 2 k Wh,其中耗电量占88% ,这表明耗电量在大型商场建筑中所占份额最大,是整个空调系统节能的核心部分。

建筑各月耗电量的变化曲线如图6 所示。与2013 年的实测结果进行了对比,可以看出,二者整体变化趋势基本一致,其中6 ~ 9 月( 空调期) 建筑耗电量较大,而过渡季制冷机组停止运行,且利用室外新风对建筑内部进行降温,耗电量持续降低。与实际平均耗电量170. 28k Wh /( m2·a) 相比,模拟值偏低约8. 4% 。因此,文中的建筑模型较为可靠,其模拟结果具有一定普遍性和代表性。

2. 2 分项能耗组成

全年耗电量的分项组成情况如表3 所示。可以看出,空调系统耗电量最大,其次为灯光照明,电梯居第三,所占比例分别为41. 7% 、28. 9% 和29. 4% 。

图7 进一步汇总了空调系统耗电量的组成比例。可以看出: 风机耗电量占比最大,达到66. 7% ,其次为制冷机组,约24. 5% ,而水泵耗电占7. 2% 。空调和照明合计所占比例约为70% ,与吕健[4]等对天津市商场建筑的能耗统计结果( 73% ) 接近,这也是大型商业建筑空调系统能耗的基本特点之一。商业建筑由于存在空间大、人流量多等特点,其空调往往采用全空气定风量系统,因而使得风机耗电量较普通办公建筑有明显增加。根据薛志峰[2]等对北京市某大型商场建筑进行能耗统计的结果,空调箱风机和制冷机组能耗所占比重分别达到65. 4% 和23. 0% ,与文中结果大致接近。由此可见,就大型商场建筑而言,对风机和制冷机组进行节能改造是实现整体降耗的关键环节。

此外,商业建筑为了营建较好的购物环境,在灯光照明配置上会明显高于普通办公建筑标准,从而使得该项耗电量明显偏大。因此,大型商场建筑应在不明显影响购物环境和消费者心理的条件下,尽可能采用一些低能耗照明器具,以便降低照明耗电量。例如,当条件允许时,可以考虑采用自然照明方式,如设置中庭采光、光导照明等。

2. 3 夏季空调期间能耗变化

夏季空调期间的能耗变化曲线如图8 所示。结果表明,整个空调期间( 5 月15 日~ 9 月30日) ,系统耗电量为1324051k Wh,占全年总耗电量的25. 2% 。其中,空调系统、灯光照明、电梯设备耗电量分别占50. 8% 、24. 8% 和24. 4% 。在夏季空调期间,空调系统能耗随月份波动较为明显,而相比之下,电梯设备和灯光照明耗电量较平稳,基本不随月份变化。

夏季空调期间空调系统的分项能耗组成情况如图9 所示。可以看出,由于空调系统采用的是定风量系统,末端风机的耗电量较稳定基本不随月份变化,而制冷机组随月份的变化较为明显。因此,提高制冷机组能效比、优化风机性能对于商场建筑空调系统节能是至关重要的。

空调系统在设计日的逐时耗电量变化曲线如图10 所示。可以看出,空调系统耗电量整体上与室外气温波动并不是呈正相关,其中9: 00 ~ 11: 00期间室外空气温度逐渐升高,而空调系统能耗却是逐渐降低的,原因在于空调系统刚开始启动需要除去前一晚积蓄的热量导致空调系统耗电量较大;11: 00 之后受室内热扰以及空气温度升高的影响空调系统能耗逐渐上升,到17: 00 达到最大值,而室外气温在15: 00 已经达到最高值,体现出了建筑围护结构对冷负荷的延迟性,延迟时间为2h。随着围护结构热工性能的提升,上述延迟性将会更加明显; 17: 00 之后空调系统耗电量呈逐渐下降趋势,主要由于傍晚建筑受太阳辐射的影响逐渐减小,空调系统的能耗进一步降低。因此,对于大型商场建筑,若能够有效地利用夜间自然通风,降低建筑内部积蓄的热量对于实现运行节能具有一定的积极作用。

3 结语

采用Energy Plus软件对寒冷气候地区某典型商场建筑进行了能耗模拟与分析,得到以下结论:

1) 该建筑全年耗电量为5248297. 8k Wh,单位面积耗电量为155. 97k Wh/( m2·a) ,而建筑冬季供暖耗热量为2567. 5GJ,单位面积耗热量为0. 08GJ/m2。在总能耗中,耗电量所占比例达88% ,是大型商场建筑能耗组成中的最主要部分。

2) 在分项能耗组成中,空调系统耗电量最大,其次为灯光照明和电梯,所占比例分别为41. 7% 、28. 9% 和29. 4% 。在空调系统耗电量中,风机耗电量占比最大,达到66. 7% ,其次为制冷机组,约24. 5% ,而水泵耗电仅占7. 2% 。

3) 在夏季使用空调期间,空调系统能耗随月份波动较为明显,而电梯设备和灯光照明耗电量较平稳,基本不随月份变化。在空调系统中,末端风机的耗电量较稳定基本不随月份变化,而制冷机组随月份的变化较为明显。

参考文献

[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[2]薛志峰,江亿.北京市大型公共建筑用能现状与节能潜力分析[J].暖通空调,2004,34(9):8-10

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[6]陈伟青,周孝清,刘芳,等.广州某商场空调系统能耗状况与节能性分析[J].广州大学学报(自然科学版),2008,7(4):91-94.

[7]牛东杨.唐山市商场类建筑能耗统计与节能改造分析[D].天津:河北工业大学,2015.

模拟与分析 篇11

摘 要：针对目前陆军信息系统装备综合集成建设中，部队急需形成装备体系运用能力的迫切要求，提出了信息系统装备运用训练的基本概念，区分了装备使用、装备运用、作战运用三者的关系，探索了信息系统装备运用模拟训练的特点规律，确立了“三类受训对象”的能力需求，理清了信息系统装备运用模拟训练的研究思路。研究成果对于推动陆军部队开展信息系统装备集成训练具有较高的理论价值和指导意义。

关键词：装备运用；模拟训练；需求；信息系统装备

中图分类号：E251 文献标识码：A

随着大量信息系统装备不断列装部队，部队信息系统装备综合集成建设全面提速，有力推动了部队战争形态和作战方式的转变。战争形态决定训练形态，作战方式决定训练模式。信息系统装备是陆军信息系统装备综合集成建设的重点，是支撑体系作战的物质基础。与传统的作战平台相比，信息系统装备构件精密、体系复杂、造价昂贵，这就使得能够规避训练风险，减少实装消耗，提高训练效益的模拟训练成为信息系统装备运用训练的重要方式。与机械化条件下训练相比，信息系统装备运用模拟训练的内容、方法和手段都显著不同，如何深化认识，积极探索信息系统装备运用模拟训练的概念、特点及要求，理清信息系统装备运用模拟训练体系构建的基本需求，成为推动军事装备训练基础理论研究与创新发展，把综合集成建设不断引向深入的重要课题。

一、信息系统装备运用模拟训练相关概念

（一）信息系统装备

信息系统装备是构成军事信息系统的电子信息装备的统称，包括指挥控制、预警探测、侦察情报、军事通信、导航定位、信息对抗和信息安全等装备。陆军信息系统装备与主战装备、保障装备构成了陆军装备体系，是信息化条件下陆军作战的神经中枢，是支撑体系作战能力生成的物质基础。通过信息系统装备的链接，作战体系中侦察情报、指挥控制、火力打击、通信保障、综合保障等作战要素融合一体，使信息力、打击力、机动力、保障力高度聚合和精确释放，实现体系作战效能最大化。

（二）装备运用

装备运用一词目前尚没有权威的规范的解释。《辞海》中对运用的解释是灵活使用。《军语》中有“火力运用”“军兵种运用”等词条，例如火力运用是对各种火力的组织和使用。因此，借鉴运用的概念，可以给出装备运用的定义。装备运用是根据装备特性，为发挥其最大效能而进行的有目的的装备使用，是装备交付部队之后人装结合生成战斗力过程中的一个重要环节。其实质是：各级指挥员在基本的作战任务和战场环境中，紧紧围绕所属部（分）队装备的战术技术性能，对装备战斗编配、战斗任务、战斗使用及战斗行动等进行的计划、指挥、协调与控制活动。

提到装备运用，不可避免地涉及到另外两个词，即装备使用和作战运用。装备使用是指按照编配用途、技术规程和安全规定操作装备的活动。作战运用是按其战术性能和编配用途，通过合理的编组、部署和控制，完成既定的作战任务。要实施装备运用必须首先掌握装备的功能操作，装备运用是在掌握装备操作技能的基础上进行的。而装备作战运用通常是将人和装备实力放在特定作战背景及战场环境中进行的。从表面上看，虽然装备运用与作战运用都需要研究战斗部署、指挥与协同等问题，但两者有本质差别。装备运用所研究的战斗部署，主要是基本条件下依据装备特性和效能分析得出的基本战斗编组样式、基本配置样式；而作战运用所研究的战斗部署，主要是实装、实情、实地的战斗编组和阵地配置，是指挥员根据作战环境和条件，依据基本战斗编组样式、基本配置样式等采用的具体编组方式和配置方法，是指挥员指挥艺术的重要体现。

装备运用与装备使用、作战运用的关系应该是：装备使用是基础，侧重于单装的功能操作，是装备特性和效能发挥的基本保证；装备运用是桥梁，侧重于基本条件下对装备的编组控制，所形成的装备运用基本规律和基本方法是实施作战运用的根本依据；作战运用是装备使用、装备运用原则与方法、指挥艺术的集大成，侧重于具体任务条件下对装备的编组控制和灵活运用。三者关系如图1所示。

（三）信息系统装备运用

既然装备运用是为了发挥特性和效能，那么信息系统装备运用是指根据信息系统装备的特性，将部队各作战要素、作战单元有机融合，实施整体联动，发挥装备体系的最大作战效能。

与以往装备运用相比，信息系统装备运用不以作战平台数量的简单累加来提升作战能力，而是以信息系统装备为物质依托，通过发挥信息技术和信息力的主导作用，形成以信息系统装备为核心的网络化体系结构，最大限度地凝聚所有作战能量，并根据作战需要做到精确、高效、协调、有序释放于战场。因此，对于信息系统装备运用来说，其突出的特点表现在：物理构成上互联组网；业务处理上信息共享；决策控制上分布指挥；行动样式上要素联动；作用效果上快速精确。

（四）信息系统装备运用模拟训练

信息系统装备运用模拟训练是指为熟练掌握信息系统装备的操作使用和体系运用，充分发挥信息系统装备的作战效能，依托模拟训练环境而开展的训练活动。

信息系统装备运用模拟训练的实质是以模拟环境为平台，以网络化的信息系统装备为“血脉”，通过数据的广泛融合和信息的快速流动，把各类作战力量、系统、资源聚合成一个整体；其作用机理是发挥信息流对物质流、能量流的主导作用，达成从信息优势到决策优势，并转化为行动优势。因此，理清信息系统装备运用模拟训练需求，构建信息系统装备运用模拟训练体系，加强信息系统装备运用训练，是推进作战单元合成、作战要素集成、作战体系融合，形成基于信息系统的体系作战能力的重要途径。

二、信息系统装备运用模拟训练特点

（一）训练对象从基层主体向多元主体转变

信息系统装备在体系作战中的广泛运用，促进了部队指挥方式与手段的变化，对信息系统装备运用模拟训练来说，其受训对象从传统的以基层官兵为主体，转为包括首长机关在内的指挥、保障、操作人员为主体。可以说，信息系统装备运用模拟训练的对象，从首长机关到分队军官，从作战人员到保障人员，大大拓展了传统的受训范围。从与信息系统装备的作用关系看，可分为信息系统装备指挥人员、保障人员和操作人员；从受训对象层次看，可分为首长机关、分队军官和士兵。

（二）训练内容从单装操作向体系运用转变

信息系统装备的运用促使了部队从只要熟练掌握单个平台即可发挥装备作战效能，转为必须熟练掌握装备的整体系统才能发挥作战效能，要素联动已成为信息系统装备运用的典型特征之一。因此信息系统装备运用模拟训练的内容须按照相互关联、逐级递进的要求进行设置，可分为操作技能训练、分系统训练和全系统训练。在操作技能训练的基础上，增强分系统要素联动训练，突出全系统融合训练。

（三）训练手段从平台依托向网络支撑转变

信息系统装备运用的互联组网特征，要求信息系统装备运用模拟训练必须从以单个装备平台为依托，转向以互联互通的网络为支撑。一方面，信息系统装备运用本身以网络平台为基础，模拟训练环境需建设模拟通信网络，模拟部队实际通信条件，联接不同信息系统装备模拟平台，构成一个相互联系、相互支持的网络体系，满足联动模拟训练需要。另一方面，依托模拟训练网络环境，能够使训练形式不受时间与空间的制约，实现施训人员与受训人员的双向互访，实现训练资源实时共享、训练保障集约高效。

（四）训练考核从经验判断向标准量化转变

训练考核标准化是实现科学训练评估的重要标志，也是提高信息系统装备训练效果的重要保证。在信息系统装备运用模拟环境建设中，须同步配套信息采集与考核系统，为训练考核提供手段支撑，以确保在信息系统装备运用模拟训练中可实施细化、量化的考核，全面、准确、客观评定训练成绩，促进训练考核从经验判断为主，转向以标准化、定量化为主。同时，通过训练考核系统也可对训练结果进行分析，查找存在问题，制定改进措施，促进信息系统装备运用模拟训练方法更加科学，训练效果不断提高。

三、信息系统装备运用模拟训练总体要求

（一）训练对象

信息系统装备整体效能的充分发挥，需要多类人员协同配合。概括起来有以下几类：

1.指挥人员

主要是指组织和运用信息系统装备的指挥员和机关参谋。其中，指挥员包括指军、师、旅、团军政主官，各级机关部门领导和分队指挥员。参谋人员是指军、师、旅、团机关的参谋军官。

2.保障人员

主要是指负责信息系统装备联试联调，软件安装、维护、管理及安全防护的专业技术人员。通常包括机要部门、指挥自动化站、通信保障部（分）队等单位的专业技术军官和士兵。

3.操作人员

主要是指负责直接操作信息系统装备的士兵。如雷达、电台、侦察设备等装备的操作手。

（二）训练目标

信息系统装备运用模拟训练的总体目标是：实现信息系统装备的综合集成模拟训练，提高受训人员的信息系统装备手段运用能力、业务运用能力、体系运用能力、网络保障能力和维护保障能力。其中重点是前三种能力：手段运用能力重在对信息系统、设备和工具等指挥手段的操作使用，是胜任岗位工作的一种基本技能；业务运用能力重在利用保障资源，合理安排规划、组织完成任务，是胜任岗位工作的业务能力；体系运用能力重在依托信息系统协调保障要素，控制保障单元是胜任岗位工作的综合能力。

当然，不同的岗位人员对应不同的能力要求，信息系统装备运用模拟训练的具体目标包括：

1.所有受训人员

熟悉信息系统装备的主要性能，强化信息系统装备操作技能训练，重在提高信息系统装备手段运用能力的培养。

2.指挥人员

了解信息系统装备的构成体系，掌握信息系统装备在基于信息系统体系作战中的组织运用方法。重点是按照“明确技术需求、熟悉指挥流程、善于创新运用”要求，加强信息系统装备业务运用能力和体系运用能力的培养。

3.保障人员

掌握信息系统装备的结构原理、性能、使用、维护，掌握通信网络的构建和信息系统装备的安装、调试、维护和故障排除。重点是按照“了解指挥需求、精通信息技术、善于攻关解难”的要求，加强信息系统装备网络保障能力和维护保障能力的培养。

4.操作人员

熟悉本专业信息装备的结构原理，掌握本专业信息系统装备的操作技能和使用方法。重点是按照“清楚功能要求、专业技能娴熟、善于装备操作”的要求，加强信息系统装备专业操作技能的培养。

（三）训练要求

信息系统装备运用模拟训练作为创新性实践活动，必须准确把握信息系统装备运用的整体性和联动性，强化信息主导和体系运用，确保受训人员信息素养和五种能力的全面提升。一是训练科目上要“注重集成、突出整体”，在打牢操作技能训练的前提下，强化要素联动和组网运用，科学构建训练科目体系。二是训练模式上要“因才施训、逐级递进”，充分考虑受训人员的差异性、要素单元的独立性和装备体系的整体性，设计科学合理、交叉迭代的组训方式。三是训练手段上要“虚实结合、导控灵活”，设计高度逼真的模拟训练环境，充分发挥模拟训练环境的条件优势，达到人机结合的最佳效果。四是训练考核上要“标准量化、全程跟踪”，考核内容和指标全面体现训练的难度和强度，准确反映训练的效率和精度，为受训者提供全系统、全过程的量化考核。

四、信息系统装备运用模拟训练研究思路

信息系统装备运用模拟训练应紧紧围绕“能打仗、打胜仗”的强军目标，满足信息系统装备指挥人员、保障人员和操作人员胜任岗位的需要，确立“以岗位定能力、以能力定内容”的研究思路，构建一个体系，提升五种能力，为培养信息系统装备运用人才奠定坚实基础，研究思路如图2所示。

参考文献

[1]谭凯家.基于信息系统体系作战装备运用研究[M].北京：国防大学出版社，2012.

[2]中国人民解放军军语（全本）[M].北京：军事科学出版社，2011.[3]赵军，李树广，诸雪征.关于装备运用的基本理论问题研究[J].装备，2013，（10）.

[4]任连生.基于信息系统的体系作战能力概论[M].北京：军事科学出版社，2010.

模拟与分析 篇12

针对危险化学品、生化制剂、放射性或核物质 (CBRN) 事故, 事故情景模拟是研究公众保护策略的一个关键内容, 其中有毒气体泄漏是CBRN事故中的一种典型的事故类型[1]。一旦发生毒物泄漏事故, 除了可能造成巨大的人员伤亡和财产损失外, 还可能牵涉到大批人员的紧急疏散[2,3,4,5]。国内外学者针对不同场景下的人员疏散开展过大量研究, 如Togawa提出了许多关于群体运动的技术观点和经验数据[6];国际海事组织 (IMO) 自1995年起即要求在滚装船体设计阶段就测试其人员疏散效果[7];Weston[8]和Dotson K.J.[9]等人曾对区域疏散效率的影响因素进行了研究, 认为公众对政府预警信息发布方式的熟悉程度, 以及挨家挨户的通知方法有助于提高疏散效率, 但疏散过程中的交通事故、事故致死人员数量、疏散活动致伤人员数量、自发性的疏散人员、拒绝疏散的人员和疏散过程中的抢劫或犯罪行为, 会对疏散效率产生不利影响。西方国家研究区域疏散时, 一般仅考虑有交通工具的情况, 很少考虑人员步行疏散情景, 因而相关疏散时间估算和疏散模拟就转化交通流模拟问题。总体上讲, 有关建筑物火灾、核物质泄漏等技术灾难, 飓风、地震、洪水和森林大火等自然灾害引起的疏散问题已有大量研究文献, 但针对危险化学品泄漏、高含硫化氢气田井喷等事故诱发的大规模人员疏散问题研究文献相对较少, 相关文献内容一般都是事后调查访谈资料, 或仅涉及其中某个局部问题的内容, 如最佳疏散路线选择等[10]。

本文针对危险化学品泄漏、高含硫化氢气田井喷等事故诱发的大规模人员疏散问题进行研究, 通过SLAB模型模拟有毒气体泄漏扩散, 并在此基础上分析疏散范围和估算疏散规模, 以期为制定合理的应急疏散方案提供参考。

1 方法

1.1 重气扩散模拟模型

疏散区域和疏散人数的确定与有毒气体泄漏扩散的影响范围相关, 气体在大气中的扩散过程可以通过各种模型进行模拟。据统计, 在因毒物泄漏造成的人员伤亡中, 约有90%与重气泄漏有关, 现阶段可用的重气扩散模拟模型包括拉格朗日模型、三维数值模型和浅层模型[11,12], 其中, 浅层模型计算最为快速, 相关参数易于获取, 适合开展事故发生后的快速预测、疏散区域识别与辅助决策支持。

浅层模型典型代表是SLAB模型, 可以模拟连续泄漏、间断性泄漏、瞬时泄漏的情况, 获得有毒气云随时间空间的分布[3]。SLAB模型中可采用稳态烟羽模式和瞬时阵喷模式两种大气扩散模式[13], 其模拟过程包括泄漏源识别与扩散初始化、计算气体扩散和计算时均浓度三个阶段, 如图1所示。泄漏源识别决定模拟过程采取何种扩散模式, 对于持续时间较长的泄漏源, 一般选择稳态烟羽模式;对于持续时间有限的泄漏源, 泄漏初期和持续期的模拟一般也选择稳态烟羽模式, 当泄漏源终止时转而选择瞬时烟团模式模拟气体随后的扩散过程;对于瞬时性泄漏, 一般采用瞬时烟团模式计算整个扩散过程。

1.2 疏散范围的确定

疏散范围影响疏散规模, 针对毒气泄漏事故的人员疏散, 目前确定疏散区域的方法主要有先期隔离距离和防护距离[14,15]和应急计划区 (Emergency planning zone, EPZ) [16,17]。其中疏散区域边界确定时, 需要知道多大浓度对人生命安全和健康构成危险, 常见的“临界”浓度的确定方法包括急性暴露准则级别 (Acute Exposure Guideline Levels, AEGL) 浓度, 紧急响应计划指南 (Emergency Response Planning Guidelines, ERPG) 浓度以及立即威胁生命及健康浓度 (Immediately Dangerous to Life or Health concentration, IDLH) 法。其中, IDLH方法实际上属于一种梯阶式方法, 即优先使用人体急性毒性数据, 接着是使用动物吸入的急性毒性数据, 最后使用动物经口急性毒性数据。如果相关的急性毒性数据不足或没有, 则考虑使用慢性毒性数据或类比某种具相似毒性效应的化学品。为便于修订, 首先使用二次毒理数据, 一旦初步确定IDLH浓度, 将其与现有IDLH浓度和其他浓度相比较 (如现有的短期暴露指标和爆炸下限) [18]。因此疏散区域外边界可以选择立即威胁生命及健康浓度, 即1倍或2倍的IDLH浓度可能扩散的最远距离为半径来确定。

2 基于SLAB模型的毒气泄漏扩散模拟

某山东企业集团地处烟台市区, 其中MDI光气生产设备为潜在有毒气体释放源。据统计, MDI生产系统1km范围内潜在最大疏散人口估计超过80573人; (1~2) km范围内潜在最大疏散人口估计超过105300人。光气为剧毒物质, 立即威胁生命安全健康浓度 (IDLH) 为2ppm。本次模拟初始条件分别为圆孔泄漏源、离地高度20m、泄漏源压力0.2MPa、连续泄漏10min、原料气温度280K、大气温度283K、相对湿度75%、大气稳定程度5、地表粗糙度为14, 其中泄漏孔径分别为50mm和100mm, 大气风速分为0.5、1、1.5和2m/s情况进行模拟。

2.1 结果分析

利用SLAB模型模拟可以获得扩散条件下不同浓度气体最远扩散距离、不同浓度有毒气云抵达不同地点所需时间及在该地点的超过此浓度的持续时间。表1所示为上述条件下, 2倍、1倍和0.5倍光气IDLH浓度最远扩散距离, 从表中可知, 不同浓度光气最远扩散距离可能超过光气大泄漏时的先期隔离距离, 泄漏源周边居民有疏散要求。如果选择1倍光气IDLH浓度最远扩散距离作为疏散区域边界确定依据, 则在泄漏孔径100mm, 大气风速1.5m/s的情况, 疏散区域半径应不小于1397m。表2所示为不同泄漏孔径, 光气在不同风速影响下, 指定地点处浓度最先达到2倍、1倍和0.5倍IDLH浓度的时间, 以及超过该浓度的持续时间。从表中可知, 对于100mm泄漏孔, 大气风速1.5m/s的情况下, 下风向距泄漏源1000m的人员如果不想吸入1倍IDLH浓度的光气, 其可用疏散时间不超过846s。

2.2 影响区域划分

通过扩散模拟获得有毒气体浓度的时间空间分布数据后, 可计算不同地点的毒负荷并按照毒负荷[19]的大小将伤害范围划分成致死区、重伤区、轻伤区和吸入反应区[20,21]。致死区、重伤区、轻伤区和吸入反应区的划分可辅助确定疏散方案, 决定是否疏散以及确定具体的疏散时机。图2中所示即为上述示例中泄漏孔径100mm, 大气风速1.5m/s时, 通过扩散模拟获得在泄漏15min和35min后光气影响区域情况。图中由里及外色块分别表示光气毒害死亡、重伤和轻伤分区。从图中可以看出, 随时时间推移, 光气不断沿下风向扩散, 致死区、重伤区和轻伤分区的范围随之发生变化。

3 区域疏散分析

3.1 业务流程和数据流程分析

3.1.1 业务流程分析

根据前述各章节中对毒气泄漏事故情景下的区域疏散分析需求分析, 可以将完整的区域疏散分析过程划分为事故基本信息获取、有毒气体影响范围分析与预测、区域疏散优化分析三个阶段, 如图3所示。

注:tarrive表示指定地点有毒气体浓度最先达到规定浓度的时间, 单位s;Δt表示指定地点有毒气体浓度超过规定值的持续时间, 单位s。

3.1.2 数据流程分析

区域疏散分析系统数据流程如图4所示, 接到毒气泄漏事故报警信息后, 系统中通过事故现场在地图上定位、利用视频查看现场情况和搜索危险源信息等功能, 访问相关数据库表, 实现相关信息的确认, 为气体扩散模拟和其他后续流程提供输入。

3.2 疏散范围分析与疏散规模估算

3.2.1 疏散范围

有毒气体扩散影响范围预测为区域疏散分析提供基础。系统中采用匙孔形疏散区域[17]确定方法, 其中扇形部分圆心角选择90°, 半径等于光气泄漏时防护距离, 小圆半径等于光气大泄漏时先期隔离距离。初步确定的疏散区域为扇形与圆形的并集。将初步确定的疏散区域与居民区图层, 即疏散亚区域进行叠加分析, 可以得出可能受影响的居民小区或疏散亚区域对象, 见图5中多边形所示区域。利用系统为用户提供的绘图工具, 区域疏散分析人员可以绘制出最终需要疏散的范围, 即图6中多边形所示区域。

3.2.2 疏散规模

根据确定的疏散范围与事故发生时间, 系统实现人口规模估算等, 可以确定各疏散亚区域或居民区中应疏散的人口数。图6中即为事故发生时间为早上8点时周边居民区应疏散人口数估计情况。表3为晚上12点时周边87个疏散亚区域中应疏散人口数估算结果, 初步估算87个亚区域应疏散人口数约为151478人。

若假定光气发生泄漏, 相应警报系统立即发出疏散警报, 即光气泄漏基本与疏散通知同步发生时, 利用基于SLAB模型、离散时间网络流的区域疏散分析模型和GIS网络分析技术建立的区域疏散分析系统原型可以模拟光气扩散过程和人员疏散过程, 如图7所示为光气泄漏扩散与周边人员疏散在泄漏事故发生后10min和30min的动态变化情况。从图中可以看出部分人员疏散时可能暴露在光气扩散形成的死亡区域。当人员在疏散过程中的累积毒负荷达到极限毒负荷时, 采取疏散策略并不可行, 应考虑采取就地避难的人员保护措施以减少人员伤亡。

4 结论

1) 介绍了现阶段可用的重气扩散模模型, 提出采用SLAB模型模拟有毒气体泄漏扩散, 并给出了气体扩散模拟实验的具体流程。然后介绍了针对CBRN事故的区域疏散分析系统的设计与实现, 给出了具体的技术路线和疏散分析流程。

2) 选择光气作为泄漏物, 在假定条件下模拟得出了2种泄漏孔径, 4种大气风速下的扩散结果, 包括3种浓度值的最远扩散距离, 指定地点达到规定浓度的时间和超过该浓度的持续时间, 以及不同时间下风向有毒气体影响区域的动态变化情况。模拟结果为疏散方案的制定提供了参考和依据。

3) 通过针对光气泄漏事故的算例测试了区域疏散分析系统的应用效果, 结果表明系统实现了最初的事故信息获取、划定事故影响区域、确定疏散范围并对疏散人口进行预测的目的, 为合理制定针对CBRN事故的应急疏散方案提供了技术支持。

4) 毒性气体泄漏后, 危险区域内的人员采取相应的保护措施可防止和减少人员中毒伤亡。究竟是就地避难还是应急疏散, 则需要通过对一系列的因素进行分析后作出综合的判断。如采用疏散措施时, 确定具体的疏散时机则显得尤为重要。

摘要：针对CBRN事故中的毒气泄漏场景进行研究, 采用SLAB模型模拟有毒气体的泄漏扩散, 并给出模拟流程。以山东某企业光气泄漏灾害应急疏散项目为例, 计算不同风速和泄漏孔径的毒气泄漏的最远扩散距离、到达时间与持续时间。通过模拟获得有毒气体浓度的时间空间分布数据, 得出致死区、重伤区和轻伤分区的范围变化情况。证明随时间的推移, 光气不断向下风向扩散。最后通过系统设计与程序运算, 实现了事故信息的获取、划定事故影响区域和疏散范围以及对疏散人口进行预测的目的。有毒气体扩散模拟与区域疏散分析对于合理制定针对CBRN事故的应急疏散方案具有重要意义。