水电模拟实验方法研究

2024-06-21

水电模拟实验方法研究（精选8篇）

水电模拟实验方法研究篇1

近年来,由于多分支多底井、鱼骨刺井、蛇曲井等新井型的出现,其渗流机理非常复杂。仅仅依靠解析法或数模法难以准确描述流体的渗流规律,需要借助物理模拟方法。水电模拟实验是根据水电相似原理而设计的一种物理模拟实验,它可以很直观的反应流体的渗流规律,还能够检验解析方法和数值模拟方法的准确性。但是,国内外有关水电模拟实验的介绍很少[1,2,3,4],而且由于相关的水电模拟实验大都采用定位丝杠等手动设备,造成实验效率低下、精度较差,这在一定程度上限制了水电模拟实验的发展。为此,笔者专门对水电模拟展开研究,现将相关知识进行系统介绍。

1 实验原理

水电模拟实验原理以相似三定理为基础,分为相似原理、相似系数和相似准则三个部分。

1.1 相似原理

水电模拟实验相似原理的理论基础是水电相似原理。水电相似原理:不可压缩的地下流体通过多孔介质流动的微分方程与电荷通过导体材料流动的微分方程之间具有相似性[5]。由于电流场可以在瞬间达到稳定,因而水电模拟实验模拟的是单相流体的稳定渗流过程。

1.2 相似系数

物理模型模拟各参数与原型相应参数之间存在着比例关系[6],称为相似系数。水电模拟各相似系数的定义如下:

模型的几何参数与油藏的相应几何参数的比值称为几何相似系数, $C_{l} = \frac{X_{m}}{X_{r}} = \frac{Y_{m}}{Y_{r}} = \frac{Ζ_{m}}{Ζ_{r}} = \frac{L_{m}}{L_{r}} =$ 常数(等比例模型[7]);模型中两点之间的电位差与地层中两相应点之间的压差的比值称为压力相似系数, $C_{p} = \frac{(Δ U)_{m}}{(Δ Ρ)_{r}}$ ;模型中的电阻与油藏中相应位置渗流阻力的比值称为阻力相似系数, $C_{r} = \frac{(R)_{m}}{(R_{f})_{r}}$ ;模型中电解质溶液的电导率与油藏流体流度的比值称为流动相似系数, $C_{ρ} = \frac{ρ}{\frac{Κ}{μ}} = \frac{ρ μ}{Κ}$ ;电流与生产井产量(或注水井注入量)的比值称为流量相似系数, $C_{q} = \frac{Ι}{Q}$ 。

式中:下标m表示模型,下标r表示油藏。L:油藏、模型或井的几何尺寸;ΔU:电压差;ΔP:压力差;Rm:电解质溶液的电阻;Rf:地层流体的渗流阻力;ρ:溶液的电导率;K:油藏的渗透率;μ:原油黏度;I:电流;Q:井产量(或注入量)。

1.3 相似准则

各相似系数之间满足一定的约束条件,称为相似准则。根据欧姆定律 $Ι = \frac{Δ U}{R_{m}}$ 和达西定律 $Q = \frac{Δ Ρ}{R_{f}}$ ,参照上述各相似系数和渗流阻力的定义,可以得到如下相似准则的关系式:Cp=Cq·Cr, $C_{r} = \frac{1}{C_{ρ} C_{l}}$ 。

电流场和渗流场的模拟对应关系如表1所示。

2 实验装置

水电模拟实验装置主要由以下四个部分组成:油藏模拟系统、低压电路系统、测点定位系统、数据采集系统。在油藏模拟系统中,有机玻璃板电解槽的规格为800 mm×800 mm×200 mm。以一定浓度、一定深度的CuSO4电解质溶液模拟油藏介质,电解槽边界模拟封闭边界条件,紫铜带模拟供给边界情况,细铜丝模拟井筒。在低压电路系统中,交流稳压电源提供在满足安全条件下的实验所需电压,并将电压输出给边界和井筒。水电模拟实验的误差主要来源于电解质溶液在通电后产生的极化现象,人为地造成了油藏介质的各向异性,相关实验研究表明,600 Hz的交流稳压电源可以有效解决极化问题。在测点定位系统中,通过计算机运行相关程序并输出给机器人控制器,控制器在接收指令后将其转化为信号并传递给机械手臂,机械手臂上的探针随即产生移动,即通过程序控制机械手臂来实现探针的智能化定位。在数据采集系统中,通过使用相关软件和接口等可以在多功能电压表和计算机间实现无缝链接,通过与机械手的有效配合能够实现实验数据的实时记录与保存。

水电模拟实验装置实物图如图1所示。

3 实验步骤

为了便于实验的顺利进行,需要掌握水电模拟实验的基本操作流程。水电模拟实验的具体步骤如下:

(1)实验模型的制作。实验所用材料为直径1 mm的细铜丝,根据实验相关要求,制作所需井模型,各类井模型的示意图如图2所示。

(2)供给边界和电解质溶液的准备。供给边界所用材料为紫铜带,根据水槽实际规格,制作大小合适的紫铜带作为供给边界;根据实验所需电导率的要求,参照CuSO4溶液浓度与电导率的关系曲线图,配置相应的CuSO4溶液。

(3)将实验井模型固定在电解质溶液中的合适位置。

(4)按照图3(a)所示的电路图连接电路,接通电路并测量通过井的总电流。

(5)按照图3(b)所示的电路图连接电路,接通电路。

(6)根据测点数目和位置等相关要求,设置机械手控制器程序的测试步长、测试距离、测试时间间隔等相关参数,运行程序,测试不同测点的电压。

(7)通过相关软件和接口等在多功能电压表和计算机间实现无缝链接,实时记录实验所测电压。

(8)保存实验所测数据,退出程序,实验测试过程结束。

(9)进行相关的数据处理工作,作出等势线分布图等。

(10)根据相似原理,利用相关公式将测试的电流值转换为实际油藏的产量,对比理论结果。

(11)改变井的各种参数以及井型等,重复上述实验步骤,进行产能影响因素的敏感性分析,优选设计方案,为油田生产提供指导。

4 实验精度研究

进行水电模拟实验精度研究实验时,将紫铜带固定在电解槽的四边边界,模拟井的细铜丝长度为60 mm、直径为1 mm,电解槽中的CuSO4电解质溶液深120 mm、电导率为488 μs/cm。将直井安装在电解槽的中部,模拟均质油藏中心一口直井定压边界生产时的情况。

在研究水电模拟实验的精度问题时,采用实验测量数据和理论公式计算结果进行对比的方法,通过分析两者间的误差,可以确定水电模拟实验的精度[8,9]。定压边界油藏中心一口直井生产时产量的理论公式为 $Q_{o} = \frac{2 π k h Δ Ρ}{μ \ln (\frac{R_{e}}{R_{w}})}$ ,其对应于水电模拟实验的理论公式为 $Ι_{m} = \frac{2 π ρ h_{m} Δ U}{\ln (\frac{R_{e m}}{R_{w m}})}$ 。

根据上述理论公式计算得到的结果和实验实测数据结果的对比见表2所示,根据表2中的数据,绘制水电模拟实验精度误差图,见图4所示。

通过对上述结果进行对比分析可知,在整个实验过程中,水电模拟实验的实验值和理论值的相对误差均在5%的范围内,完全能够满足工程上的相关误差要求,因此水电模拟实验精度很高,实验结果可靠。

5 实验结果

依据前面介绍的实验原理和实验步骤等,就可以开展相关的水电模拟实验研究。现以图1中所示的四类井模型为例,分别进行水电模拟实验研究。具体实验条件为:各类井模型的水平段投影长度均为400 mm,各分支长度为133 mm;电解槽中的CuSO4溶液深120 mm,电导率为488 μs/cm,井位于电解槽的中间位置;定压供给边界的电压为4 V;机械手的测试步长为5 mm。根据上述实验步骤进行实验,得到了各类井模型的等势线分布图,如图5所示。为了便于单独分析各类井模型的等势线分布规律,将图5中各图的标尺暂不做统一化处理。从图中可以看出,不同井型的等势线分布存在着显著的差别,但总体上呈现出这样的规律:靠近井筒的等势线分布密集,等势线形状接近于井型;远离井筒的等势线分布比较疏松,逐渐接近于椭圆形或圆形。这就表明,近井地带的压力损失较为严重。此外,对比不同井型的等值等势线可知,各类井型所控制的泄油面积差别巨大,这也提供了一种对比各种井型优劣的新方法。

除等势线分布图外,水电模拟实验所得数据经过相关的处理,还具有很广泛的应用空间,如模拟实际油藏的生产情况、对比不同井型开发油藏时的产能情况、模拟油藏在不同供给边界条件下的生产情况等,通过这些分析,可以对油井产能的影响因素进行敏感性分析。除单井的情况外,还可以利用水电模拟实验来研究油藏在不同井型所组成的注采井网条件下的产能情况,优化生产井网。通过上述分析,可以研究复杂结构井的渗流机理,优选出合适的井型和井网,为油田开发提供指导。

6 结论

通过对水电模拟实验的系统研究,可以得出以下相关结论:

(1)随着复杂结构井等新井型的出现,为了研究其渗流机理,水电模拟实验将会再次得到发展,应用更加广泛。

(2)通过机器人控制器来操控机械手在三维空间内的自由移动,可以实现探针的快速准确定位,大大缩短实验时间,减少工作量,提高实验效率。

(3)多功能电压表的使用可以实现数据的自动采集和保存,在减少工作量的同时,保证数据计量准确,减小读数误差,提高实验精度。

(4)水电模拟实验的精度很高,完全能够满足工程要求,使用水电模拟实验来研究油藏的渗流机理是一种可靠的方法。

摘要：随着各种复杂结构井的出现和发展,流体渗流机理的研究面临着很大的困难,而水电模拟实验可以提供有效的帮助。从实验原理、实验装置、实验步骤、实验精度验证等方面,对水电模拟实验进行了全面系统的介绍。实验研究表明,机械手可以实现对测点的精确定位,数据自动计量系统可以减小读数误差,两者都可以大幅度提高实验效率。水电模拟实验精度完全能够满足工程要求,因此可以为复杂结构井渗流机理的研究和油田现场生产提供指导。

关键词：水电模拟,实验,方法,研究

参考文献

[1]韩国庆,李相方,吴晓东.多分支井电模拟实验研究.天然气工业,2004;24(10):99—101

[2]吴晓东,隋先富,安永生,等.压裂水平井电模拟实验研究.石油学报,2009;30(5):740—743,748

[3]李廷礼,李春兰.低渗油气藏压裂水平井产能电解模拟实验研究.中国海上油气,2005;17(6):389—393,397

[4] Yildiz T,Deniz O.Experimental study on the productivity of complexwell configurations.SPE 50433-MS,1998

[5]徐廷.相似理论与模型实验.北京:中国农业机械出版社,1982:1—78

[6]曲德斌,葛家理,王德民,等.水平井开发基础理论-物理模型研究.石油学报,1994;15(4):49—56

[7] Bear J.多孔介质流体动力学.李竞生,陈崇希,译.北京:中国建筑工业出版社,1983:522—568

[8]谭巧.常规稠油油藏分支井冷采产能预测.硕士论文.东营:中国石油大学(华东),2008

[9]许霞.辐射状分支水平井产能预测.硕士论文.东营:中国石油大学(华东),2007

水电模拟实验方法研究篇2

再入大气环境的等效实验模拟方法

针对陶瓷基复合材料(CMCs)在再入大气环境下的性能研究,提出了一种再入大气环境的等效模拟方法,用于研究再入大气过程中CMCs材料的`高温性能、抗氧化性能、材料的连接性能以及摩擦磨损性能.

作者：赵东林张立同成来飞栾新刚作者单位：西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室刊名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：“”(5)分类号：V2关键词：陶瓷基复合材料再入大气等效模拟方法燃气风洞

水电模拟实验方法研究篇3

关键词：实验模拟；计算机组成；面向对象

中图分类号：G642　文献标识码：A　文章编号：1673-8454(2012)03-0069-03

一、引言

“计算机组成原理”课程是计算机专业的一门核心专业必修课。该门课程的理论性、工程性、实践性都很强。因此，在搞好课堂教学的同时，必须对实验教学环节给予足够的重视。把实验教学看作是提高学生动手能力和实施素质教育的一个途径。目前，我校采用的是西安唐都科教仪器公司的TDN-CM+实验箱，在实验开展过程中，由于实验的理论知识综合、电路复杂、元器件多、连线密度高、操作步骤逻辑性强、调试困难等原因，都会造成获得预期实验结果的周期长或实验结果的失败，从而影响课堂时间内实验得出的效果，同时也影响了学生动手操作实验的积极性。

综上所述。本研究提出了面向对象的计算机组成原理实验的软件模拟，以面向对象的思想，借助于图形，图像和模拟技术，在计算机上实现计算机组成原理实验的基础实验环境、操作对象、操作过程，达到减少实验结果周期、降低实验操作过程出错率的研究目标。

二、系统模拟总体设计思想

计算机组成原理实验软件模拟系统主要包含输入模块、控制模块(实验处理模块)、输出模块，其中输入、输出模块是直观的显示模块，控制模块是由一个或若干个功能芯片组成的一个功能模块。因此，以面向对象的思想，可以将每个功能芯片设计成一个Public功能函数，然后在软件模型中直接调用一个或多个芯片的功能函数实现特定的控制模块功能。输入、输出模块相对简单，计算机组成原理实验输入、输出一般都以4～8位的二进制方式给出，为了更好地让学生理解二进制在计算机系统中的运算规则，设计采用以一个8位数组表示8位二进制的方法，通过算法来实现若干位二进制的逻辑运算与算术运算。模型模拟采用面向对象开发工具Delphi来实现。

三、建模过程

1.实验原理

计算机组成原理实验分为验证性实验与设计性实验，本研究为了更加具体地达到建模的效果，以计算机组成原理实验中的算术逻辑运算验证性实验为初步建模对象。

算术逻辑运算实验数据通路图如图1所示，主要包含两个74LS181芯片、两个74LS273芯片、一个74LS245芯片，74LS181芯片为8位字长的运算器，74LS273芯片为8位字长的数据暂存器，7413245芯片是一个三态门，用来控制总线上的数据输出。

算术逻辑运算实验的实验过程是通过输入开关形成2个8位二进制数分别置入DR1(74LS273芯片1)，DR2(74LS273芯片2)，然后通过改变运算器的控制位，观察运算器输出在总线的结果。

2.输入输出模块的模拟

算术逻辑运算实验的输入输出都通过8个发光二极管来显示，灯灭为1，灯亮为0，因此，可以从二极管位置定位与二极管显示状态控制，这两个方面来实现输入输出的模拟功能，二极管位置定位在Delphi开发平台中可以由数学函数Sqr函数来实现，二极管显示状态可以通过图像笔刷函数ImageDrawRound与ImageClearRound来实现。

第一步，通过图形设计工具PhotoShop设计8个二极管显示灯图片，如图2所示。在程序窗口中，通过Image控件来布置8个二极管图片，用坐标来定位某个二极管所在位置。在输入模块中，假设鼠标点击在窗口中的坐标为(X，Y)，一个圆形二极管的图片半径为Z，那么可以根据第N个二极管坐标范围Sqr(X-N*z)+Sqr(Y-z)<=Sqr(z)来判断当前鼠标点击选中的是D7到DO当中的哪个二极管显示灯，通过鼠标动作事件转换当前二极管显示状态。显示灯区域坐标得到准确定位，就可以用Im-ageDrawRound函数与ImageClearRound函数控制显示灯的亮、灭状态，具体算法如程序代码清单1所示。

代码清单1：

if Sqr(X-Z)+Sqr(Y-Z)<=Sqr(Z)then ∥以第一个二极管举例

begin

if InputDR1[1]=1 then ∥二极管初始显示状态为灭时

begin ∥鼠标单击第一个二极管时，改变二极管显示为灯亮

InputDR1[1]：=0；

Image2DrawRound(0，0，25，25，clred)；

end

else if InputDR1[1]=0 then ∥二极管初始显示状态为亮时

begin ∥鼠标单击第一个二极管时，改变二极管显示为灯灭

InputDR1[1]：=1；

Image2ClearRound(0，O，25，25)；

end

同理，可设计输出模块中的显示灯模拟、控制模块中的控制灯模拟。在代码清单1中举例的是第一个二极管的输入显示控制，InputDR1表示一个数组，实现存储器DR1的存储功能，用来存放输入的第一个8位二进制数。

3.控制与运算模块的模拟

在算术逻辑运算实验中，分别由74LS181的控制位S3、S2、S1、S0、M、Cn来控制74LS181运算器的运算方式。控制位S3、S2、S1、S0、M、Cn也是一组二极管显示灯。可以用3.2输入输出模块模拟的设计思路实现。74LS181运算器的运算方式分为无进位算术运算、有进位算术运算、逻辑运算，分别通过6个控制位控制，参见表1所示，因此需要多个条件算法设计74LS181运算器芯片的功能。

74LS181逻辑功能总共有16种逻辑功能。因篇幅限制表1只列出一部分的功能。通过表1分析可知，A与B代表的是图2中InputDevice模块输入的2组8位二进制数，F是运算器的结果，在6个控制位的控制下，出现不同的运算规则。因此设计一个74LS181芯片的功能函数包含具有16种逻辑功能子过程，在软件模拟模型中得到TDN-CM+实验箱正确操作得到结果相一致，那就说明74LS181芯片软件模拟是可行的。

详细分析表1的运算规则。每组运算都是以下几个运算的组合：非运算、与运算、或运算、异或运算，根据它们的运算规则，可以设计如表2所示的程序算法达到对应运算的功能。

基于表2，结合表1，就可以根据控制位S3、S2、S1、SO、Cn、M的控制条件，设计出相对应的算术运算与逻辑运算的运算组合，然后把最终结果存储在一个输出数组中，最后通过3.2小节输入输出模块模拟的设计思路，把运算结果显示在总线上的8个二极管显示灯中，达到TDN-CM+实验箱的同等显示效果。

四、研究总结

本文通过计算机组成原理算术与逻辑运算实验的原理分析，以面向对象的思路，用图形/图像的可视方法进行了系统模拟。软件模拟模型在计算机组成原理课堂实验中辅助TDN-CM+实验箱操作实验起到了很好的作用，并且验证实验效果准确高效。在今后的研究中，以模拟具体实验为步骤，逐步完善整个TDN-CM+实验箱的模拟功能。

参考文献：

[1]周克峰，杨军，孙静，谢戈.计算机组成原理实验的模拟技术研究[J].云南民族大学学报，2004，13(3)：236-240.

[2]杨小龙.计算机组成原理与系统结构实验教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[3]卢贤玲，杨艳，李景峰.计算机组成原理网上虚拟实验系统的建模与实现[J].郑州大学学报，2006，38(3)：39-42.

[4]明日科技Delphi函数参考大全[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[5]董玉德，赵韩，孙街亭.面向对象的程序设计方法与技术：Delphi语言[M].北京：清华大学出版社，2008.

[6]梁水，赛奎春.Delphi开发典型模块大全[M].北京：人民邮电出版社，2009.

水电模拟实验方法研究篇4

“十一五”时期,全国新增水电装机容量7 300万kW,水电站主厂房空调系统的耗能为水电站建筑能耗的重要组成部分。研究利用自然能源(如坝体廊道等)的通风方式和系统在当前形势下显得尤为重要。由于土壤具有很大的热惯性和热惰性,土壤表面受外界气候影响的温度波动随着土壤深度增加逐渐减小。水电站主厂房可以充分利用交通洞、引风道等坝体廊道取风。通过坝体廊道的温降效应,为厂房通风系统提供大量温度较低的新风,创造良好的工作环境,取得良好的效益。本实验结合工程实际,对模拟廊道内表面做了增加粗糙度的处理,使实验更加接近真实情况,并改变粗糙程度,改变通风速度,进行多次反复实验,找出表面粗糙度对降温效果的影响规律,对于以后的工程实际有一定的借鉴性作用。

1 实验设置与实验方案

实验模型搭建地点为西安建筑科技大学环境学院地下1层实验室,用建筑用砖搭建一长9 m,宽0.6 m,高0.3 m的长方体槽。槽中以建筑用细砂填埋。采用外径为50 mm壁厚为3 mm的有机玻璃管模拟廊道,将有机玻璃管埋入砂中,保证玻璃管水平顺直。实验装置由送风设备,风速测量设备和温度采集设备三部分组成。送风设备采用暖风机,温度采集设备采用T形热电偶(铜—康铜热电偶)外接IMP数据采集系统,并通过计算机监控获取数据。模拟廊道管段上均匀布置23个测点,每个测点相距40 cm,热点偶探头位于管道中心位置,测量管道中心气流温度。风速仪位于管道末端,测量管道中心流速。

实验对所模拟的廊道内表做增加粗糙度的研究,将河砂洗净晾干,用标准筛筛取粒径接近标准的河砂,筛取粘砂粒径分别为:0.5 mm,1.0 mm,2.0 mm。将标准粒径的砂粒粘于管壁内表面,为保证粘砂相对均匀,粘于各段管壁内的砂子重量相同,即当砂粒的粒径基本相同时所粘的砂粒数基本相等。

实验均在白天进行,通风一段时间后待温度变化基本稳定开始记录数据,测量记录时间间隔为5 s一次,每次数据记录时间为2 h。改变风速,改变管壁内表面粗糙度等工况进行实验。风速分别为0.5 m/s,1.0 m/s,1.5 m/s,用符号v表示。每测点取40个有效数据求平均值,得出在3种不同风速情况下,不同粗糙程度的温度变化情况。

2 实验结果与分析

为更科学地反映降温效果,将数据进行无量纲化处理,将粒径大小与廊道直径做比,定义为相对粗糙度,用符号k表示。将测点温度与填砂温度的差值比进口温度与填砂温度的差值,比值用符号θ表示。

其中,d为粘砂粒径;ϕ为廊道直径,ϕ=50 mm;tx为测点温度;t0为进口空气温度;tT为岩温(填砂的温度),tT=22 ℃。

风速相同,粗糙度不同的情况下,将测点进深与总管道的比为横坐标,以θ无量纲温度为纵坐标,如图1～图3所示。

从图1,图2,图3可以看出,随着进深的不断增加,图中表示为x轴正方向增大(测点进深所占总管长的比增大),流经管道内空气的断面中心温度逐渐降低,降低的趋势呈e的负指数形式变化。随着管道内表面相对粗糙度越大,降温效果越明显。图中在测点位置一定的情况下,k=0.004的测点温度最低,测点连线位于最下方,并且随着通风速度的变化,曲线的变化趋势也有明显的不同,风速越大曲线的个点斜率变化越小,风速越小个点的斜率变化越大,说明粗糙度相同的情况下,风速对于温降的影响明显,风速越大降低相同的温度所需的流经长度越长,风速越小降低相同的温度所需的流经长度越短。图1中,风速0.5 m/s时,在进深比0.6处,曲线基本重合并接近,测点温度接近壁温;而图2中,风速1.0 m/s时,在进深比0.8处,测点温度接近壁温;图3中,风速1.5 m/s时,在进深比1.0处,曲线仍未完全重合。

粗糙度相同,风速不同的情况下,以测点进深与总管道的比x/l为横坐标,以θ无量纲温度为纵坐标。

随着进深的不断增加,管道内的空气温度逐渐降低,在粗糙度相同的情况下,明显可见随着风速的增大,温度降低的速度也就越快。可见风速的改变对温降效果的影响显著。

将管道内空气温度随进深变化的情况作图,并对曲线进行拟合,根据圆形管道内空气热交换的公式:

选取拟合公式为:

y=A1×exp(x/t1)+y0,相关系数R2>0.996。

拟合公式中的A1,y0均为定值,影响曲线斜率变化的为t1,风速一定,管道截面尺寸一定的情况下,影响t1变化的因素为管道内表面的换热面积,影响换热面积的因素为管道内表面粗糙度。根据廊道冷却效率的计算公式 $η_{x, τ} = 1 - e^{\frac{- q U x}{c G}}$ 和拟合公式进行整理得实验的模拟廊道的冷却效率 $η = 1 - e^{\frac{x}{t_{1}}}$ ,影响廊道冷却效率的因素为t1,实验中,风速不变,廊道尺寸不变的情况下,影响冷却效率的因素为管道内壁的粗糙度。

同理求出风速分别为0.5 m/s,1.0 m/s,1.5 m/s时的拟合曲线方程,其t1变化的情况如图4所示。

由图4可以看出,当相对粗糙度增大时,t1的值增大, $\frac{x}{t_{1}}$ 数值减小,由于指数函数为增函数, $e^{\frac{x}{t_{1}}}$ 数值减小,廊道的冷却效率提高。增大的规律呈e的指数倍。

3 结论

1)水电站坝体廊道深埋于地下,常年壁温稳定,坝体廊道壁温夏季低于环境空气温度,冬季高于环境温度。通过实验研究证明地下廊道对流经空气有显著的冷却能力。

2)廊道内表面的粗糙程度对降温效果有一定的影响,当相对粗糙度增大时,t1的值增大,廊道的冷却效率提高。增大的规律呈e的指数倍,相对粗糙度影响指数变化的规律如图4所示。

3)在粗糙度相同的情况下,风速还是影响降温效果的主要因素,风速越小,空气与廊道换热时间越长,冷却效率越高。

4)在廊道进口处,由于空气与换热壁面的温差较大,因而降温效果明显,随着进深的增加,温差逐渐减小,降温效果降低。

4 需要进一步研究的问题

1)本文对地下建筑的通风换热问题的数值模拟是在空气不结露和没有水分蒸发的情况下,未包含传质问题,可以对包含传质的此类问题做进一步地研究。

2)廊道通风降温效果受外界环境影响,实验只进行了单一的重复,可根据季节的变化做周期性实验研究。

3)本实验是在粘砂粒度相同的情况下进行的实验研究,可改变粒度进行进一步研究。

4)实验着重做了夏季工况下引风降温的实验研究,可对冬季冷工况进行进一步实验研究。

参考文献

[1]郑洁,李百毅,王飞.某电站通风实验模型及在线数据采集系统的设计[J].顺德职业技术学院学报,2005(12):27-28.

[2]Girja Sharan,Ratan Jadhav.Performance of Single Pass earth-Tube Heat Exchanger:An Experimental Study[D].IIMAWorking Papers from Indian Institute of Management Ahmed-abad,Research and Publication Department,2003.

[3]王海龙,刘小兵.水电站坝体廊道温降效应数值模拟[J].暖通空调HV&AC,2006,36(9):31-32.

[4]刘琦,孙斌祥,徐学祖,等.透壁通风管路堤降温效应的室内试验研究[J].岩土工程学报,2006(9):43-44.

水电模拟实验方法研究篇5

半主动控制液力悬置的模拟和实验研究

设计开发了一种阻尼可调式半主动控制液力悬置,通过调节惯性通道的截面积可以改变减振器动刚度和滞后角的峰值发生频率和最大峰值的.幅值,从而达到改变减振器动特性的目的.双层隔振实验台上的实验结果表明在输入激励幅值不变的情况下,通过改变惯性通道的截面积可以在各种激振频率下得到最佳的隔振效果,在实际应用中可以根据发动机的实际转速实时调节减振器的惯性通道截面积,从而达到最佳的隔振效果.

作者：刘福水葛蕴珊唐志伟郭良平LIU Fu-shui GE Yun-shan TANG Zhi-wei GUO Liang-ping 作者单位：北京理工大学,车辆与交通工程学院,北京,100081 刊名：北京理工大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY 年，卷(期)： 20(5) 分类号：U461.4 关键词：振动减振器液力悬置半主动控制

水电模拟实验方法研究篇6

关键词：电力线路；实验装置；模拟实验

中图分类号：：TM77 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）27-190-2

0 引言

从20世纪初，电力系统就开始广泛地应用继电保护技术，该技术也在不断地发展和成熟，对自动装置和继电保护提出了越来越高的要求。20世纪90年代以来，我国开始积极应用微机继电保护，以此代替传统的电磁式继电保护，取得了突破性的进展。作为电气专业的一门专业课程，继电保护课程非常重要，各高校的电气专业继电保护实验都将继电保护的实验装置作为实验主体。

1 微机继电保护装置本身的特点

在对电力线路三段式保护模拟实验装置进行设计之前，应该对微机继电保护装置本身的特点予以了解，从而提高电力线路三段式保护模拟实验装置的科学性。

1.1 微机继电保护装置具有较高的安全性

微机继电保护装置具有自检装置，能够实现在线自检，包括软件自检和硬件自检。通过自检不仅能够对装置自身的硬件问题进行及时的发现和处理，还能够避免电力系统故障或者保护动作而造成的保护拒动，进一步提高了系统运行的安全性，减少了维护工作量。通过软件自己还能够实现自动排除干扰、自动识别、自动纠错，这样可以有效地避免采样信号被干扰，造成保护的误动作。

1.2 微机继电保护装置的维护和调试便利

与传统的继电保护装置相比，微机继电保护装置的维护和调试都比较便利，使用数字信号处理器或单片机作为硬件的主要元件，并在一块芯片中集成各功能部件，在使用其他的外围芯片，通过软件来实现复杂的保护功能。特别是硬件和软件的自诊断功能，更是减轻了维护和调试的工作量。

2 继电保护模拟实验装置在教学中的应用问题

在继电保护技术发展的过程中实践教学的内容也在不断更新，微机继电保护实验是当前实践教学的重点。然而继电保护教学实验中却出现了一些问题。

首先，实验装置过于落后。在继电保护技术发展的过程中，当前继电保护的主要形式是微机保护，但是继电电气特性实验却依然是一些微机继电保护实验装置的主要试验内容，不符合人才培养的目标，必须对其进行更新。其次，难以取得较好的实验效果。从当前的教学实验效果来看，很多高校都使用厂家的接线式教学仪器作为继电保护的教学实验装置，导致学生只能按照相关要求插拔对应的线路，不能对学生的各项能力进行锻炼，学生也对实验的原理和目的不甚了解。最后，实验与工程现场的实际情况偏离。当前应用比较广泛的综合继电保护实验台虽然能够使实验的安全性和效率得到一定的提高，但是也会造成实验项目的局限，只能将继电器的特性实验作为保护原理性试验，缺乏完善的实验手段，过于注重表面现象和结果，没有认识到实验原理和保护原理之间的差异。

3 电力线路三段式保护模拟实验装置总体设计

3.1 电力线路三段式保护模拟实验装置的设计要求

继电保护具有灵敏性、可靠性、速动性、选择性的4个特性，而这4个特性是针对继电保护性能进行分析研究的基础。要想设计出科学合理的电力线路三段式保护模拟实验装置，就必须要严格的遵循以下几个方便的要求：首先，灵敏性：在其保护范围内继电保护装置面对不正常运行状态和故障状态的反应能力就是其灵敏性，一般都是要利用灵敏系数对灵敏性进行衡量。其次，可靠性：在发生动作的时候继电保护装置必须要发生动作，不该发生动作的时候，继电保护装置要确保不会出现误动的情况。再次，速动性：继电保护装置在系统出现短路故障的时候，必须要将故障快速切除。最后，选择性：一旦供电系统出现故障，继电保护要确保只使电源一侧与故障点具有最近距离的继电保护装置发生动作，并且利用开关电器切除故障，确保非故障部分可以实现正常运行。

3.2 电力线路三段式保护模拟实验装置的结构和功能设计

继电保护实验装置的最为主要的功能就是真实地模拟发生输电线路故障之后，继电保护通过自动动作对故障进行判断和切除的方式强化系统的运行可靠性，从而使供电的不间断和安全得到保障。本装置包括继电保护所需的单片机、PLC、保护器件等，这样就可以将一个线路保护的实验平台搭建了起来，其除了会将传统的继电保护实验完成，同时也能够将以PLC为基础的线路继电保护实验完成，此外还可以将以单片机为基础的零序电流保护实验和线路三段式保护实验等相关实验完成。

①基本结构：在该系统中，由单片机、PLC、继电器等分别控制完成保护。系统的主要组成包括跳闸模块、单片机模块、过流保护模块、PLC 模块和电源模块等。图1为结构框架图。

第一电源部分：在设计电源的时候必须要确保其在安全保障方面具有较高的可靠性，只有隔离之后，交流电源才可以在各模块中进入，直流电源则需要具备完善的滤波措施和整流措施。第二，硬件部分：实验装置不管是在设备、元件，还是在声音等各个方面都必须要符合工程的实际情况，从而能够使实验装置的仿真程度得以提升。第三，软件部分：要采用灵活多样的保护模块，确保能够通过不同的保护模块针对不同的故障情况进行试验，同时要使自动装置和保护模块实现完善、准确的配合，最终将保护实验的工作顺利完成。

②主要功能：第一，该实验装置能够对个继电器的特性进行测定，能够完成时间继电器特性试验、信号继电器特性实验、中间继电器特性试验、电流继电器特性实验。第二，传统电磁式三段式流保护试验装置的各种设计，电力线路三段式保护实验装置也同样能够完成。第三，该实验装置能够完成整定、动作、编程等以PLC为基础的三段式线路过流保护实验设计。第四，该实验装置能够完成整定、动作、编程等以单片机为基础的三段式线路过流保护实验设计。

4 电力线路三段式保护模拟实验装置的发展展望

通过对电力线路三段式保护模擬实验装置进行科学的设计，已经能够满足教学实验的要求，并取得较好的实验效果。但对于整个电力系统的继电保护而言，线路保护只是其中的一小部分。继电保护实验装置具有广阔的发展前景，在未来的研究中，还应该对继电保护仿真模型进行进一步的完善，不断缩小实际运行系统和继电保护仿真模型之间的距离。本文提出的项目实验装置具有比较简单的结构，在未来的研究中还应该继续进行理论分析，并且继续完善相关程序和模块的设计。

5 结语

电力系统中的继电保护装置种类繁多、性能优良、安全可靠性强、功能齐全，在继电保护中也逐渐出现了人工智能，具有广阔的发展前景。无论是可靠性、动作性的还是动作速度，微机保护都远远超过了传统保护。科学的设计电路线路三段式保护模拟实验装置，能够为教学提供良好的保障，解决传统实验装置存在的问题，进一步提高实验效果，顺应继电保护微机的发展方向，满足教学的要求。

参考文献

[1] 曾宪.敏船舶环形电力系统网络保护方法研究[J].电力学报，2015（01）.

[2] 严鸿.0kV线路单相经过渡电阻接地故障实例分析[J].科技创新导报，2015（21）.

[3] 郭炜，吴子莉，徐红元，渠红涛.超高压线路远方跳闸保护元件误动原因分析及处理[J].河北电力技术，2016（S1）.

水电模拟实验方法研究篇7

大力发展水电是我国的基本国策,其有利于保护环境和实现可持续发展[1]。水电站地下厂房的通风设施是调节水电站热湿环境和气流的重要设备,其工作状况的好坏直接影响工作人员的工作效率和整个厂房机器设备的正常运行。气流通道是通风系统的重要组成部分,其设置必须满足通风空调的需要[2]。在大型地下式水电站工程建设中,为了兼顾水力枢纽的整体布置要求,简化洞室及其布置,减少工程量,尽量采用一洞多用。如将尾水调压室的交通运输洞和通风洞相结合,可以减少岩体洞室开挖工程量,保证周围洞室完整性和稳定性,降低工程投资[3]。但这种设计也会给水电站通风设施带来较大的影响。由于尾水调压室的交通运输洞和通风洞相连通,在进行负荷调节时,水电站尾水调压井液面的波动,将引起调压室内空气压力的变化,传递给高速转动的风机,会造成不稳定进气流和风机叶片升力变化。这种不稳定的升力容易激发叶片振动,使叶片提前疲劳损坏,对通风设备的寿命产生较大的影响。因此,在水电站设计时预测分析水电站尾水调压井液面波动对通风设备影响进行模拟研究,对保证通风设备的稳定运行非常必要。

1水电站尾水调压室与通风洞的布置

引水式地下厂房式水电站水工建筑主要有引水洞、地下厂房、调压井、交通洞等几部分组成。该种方式的水电站通风系统主要是通过交通运输洞或专门的进风管吸入新鲜的空气,然后进入空调室处理,使它达到所需的湿度和温度,再通过送风管道分送到厂房各个部位。废旧空气可经过主变洞、出线洞或专门的排风洞排出,同时带走主变及母线散发的热量[3],如图1所示。由于尾水调压室交通洞与主厂房通风洞相汇合,所以在水电站甩负荷时,调压井水面波动会对空调通风机产生影响。

2水电站通风系统数学建模

2.1基本假设

本项目拟采用计算机模拟的方法对水电站尾调井液面的波动引起交通洞空气波动对通风设备的影响进行研究,其关键技术为建立合理的数学模型。由于进风洞、尾调交通洞横断面平均空气参数更为重要,同时,隧洞直径比长度也小得多,为简化起见,把进风洞、尾调交通洞中空气流动作为一维管流,即认为空气参数只沿进风洞和交通洞长度方向变化。尾水调压室的截面积比交通洞横截面大的多,可把尾水调压室看作活塞式模型。涌浪时,调压井液面起伏波动,调压室内的空气可看作一个集总参数部件,内部的空气看作可压缩气体。调压室通过交通洞有空气流进流出,但气体流动的最大速度为一般都小于100 m/s,所以可以看作不可压缩流体[4]。

2.2系统数学模型

水电站通风系统虽然复杂,但整个流体网络可分为管道元件,风机元件、调压室和边界条件等几个数学模型元件。下面就分别论述一下这些元件的数学模型。

(1)管道元件模型。

通风管道是水电站最基本的部件之一,其瞬变流的基本方程有:

动量方程

$L_{1} = \frac{\partial Q}{\partial t} + g A \frac{\partial Η}{\partial x} + \frac{f}{2 D A} Q | Q | = 0 (1)$

连续方程

$L_{2} = a^{2} \frac{\partial Q}{\partial x} + g A \frac{\partial Η}{\partial t} = 0 (2)$

(2)风机数学模型。

建立风机性能曲线的数学模型,可以从已有的特性曲线,取若干点流量与扬程、流量与功率、流量与速率数据组,采用插值或曲线拟合方法得到全压与流量,功率与流量的代数方程:

${\begin{cases} Η = Η (Q) \\ Ν = Ν (Q) \end{cases} (3)$

风机的数学模型为:

$\frac{d Η_{1}}{d t} = \frac{\partial Η_{1}}{\partial Q_{1}} \frac{\partial Q_{1}}{\partial t} + \frac{\partial Η_{1}}{\partial ω} \frac{d ω}{d t} (4)$

式中:∂H1/∂Q1=2 wHQ1-ωdwH/dθ,∂H1/∂ω=2 wHω+Q1dwH/dθ可以分别通过风机的Suter特性曲线求得。

风机工作时,电动机带动风机,二者转速相同。

$\frac{d ω}{d t} = \frac{τ_{2} - τ_{1} - τ_{f}}{Ι_{1} + Ι_{2}} (5)$

式中:τ2为电动机扭矩;τ1为风机扭矩;τf为风机摩擦力扭矩;I1为电动机转动惯量;I2为风机转动惯量。

(3)调压室数学模型。

由于水电站甩负荷时,水面的波动引起调压室内体积产生较大变化,由于出口和通风的阻力,调压室体积变化时,进出调压室的空气变化很小,调压室内的空气的压力、密度是均匀的,所以采用集总参数法,并且可以认为调压室的变化符合理想气体状态方程。设调压室的流速流出为正,流入为负,则调压室的方程为:

$Ρ = \frac{m}{Μ} R \frac{Τ}{V} (6)$

式(6)两边对t求偏导,得:

$\frac{\partial Ρ}{\partial t} = \frac{\partial m}{\partial t} R \frac{Τ}{Μ V} - \frac{\partial V}{\partial t} R \frac{m Τ}{Μ V} (7)$

式中:∂V/∂t可由水电站甩负荷数值计算的数据得到。

2.3边界条件

水电站通风系统有2个边界,一是引风洞口外的大气,可以认为是一个相对气压P1=0的恒压元件,另一个是地下厂房。由于排气系统受调压室的影响较小,本项目主要研究调压室水面波动对风机的影响,所以,可以把地下厂房作为另一边界,地下厂房一般是正压,P2=100 Pa。

2.4流体管网系统方程组

节点流量平衡方程为:

$\sum_{j = 1}^{Ν} b_{i j} q_{j} = q_{i} (8)$

回路压力平衡方程:

$\sum_{j = 1}^{Ν} c_{i j} Ρ_{j} = 0 (9)$

式中:qj,qi分别表示j分支和i节点的节点流量;bij表示节点流动方向的符号函数;Pj分别表示元件的压降;cij表示元件压降方向的符号函数[5]。

2.5仿真模型

根据水电站通风系统的结构和其数学模型,建立如图2所示的网络模型。分别列出每个节点的流量平衡方程和和从室外到地下厂房、尾水调压井2个回路的压力平衡方程,通过MATLAB编写方程程序或用VB、VC编写计算机仿真程序,建立水电站通风系统计算机仿真系统。

3仿真结果

(1)已知条件。

用上节建立的仿真模型,对某水电站的通风空调系统进行了仿真,该水电站通风系统参数如下:

本水电站有ZKX150型组合空调器4台,风压1 kPa,风量15万m3/h,总风量60万m3/h;有水轮机组4台,尾水调压井2个,1号调压井长64 m,宽24 m,2号调压井长60 m,宽24 m;交通洞和进风洞断面宽9 m,断面面积各58 m2,进风洞长度512 m,交通洞长度109 m;绝对粗糙度5 mm。

该水电站在进行4台机组全部甩负荷时,即100%甩负荷,此时调压室内空气压力变化最大,对通风机的影响也最大(见图3)。

(2)仿真计算结果。

本论文主要研究在水电站甩负荷时尾水调压井水面波动对通风机的影响,所以仿真结果主要是室外进风口在标准大气压下,通风机入口处的压力、通风机的风量等数据,结果见图4～图7。

(3)仿真计算结果分析。

从图4中可以看出,在调压井液面波动是,进风洞入口处的压力几乎不变,一直为大气压。图5中表明,通风机入口处的压力与调压井液面波动的速度一致变化,在起始时刻压力变化最快,从正常压力很快达到最大值,但持续时间很短,不到1 s,在1～30 s内绝对压力为1.02 Pa,30～80 s内最低风压为1.005 Pa,增加的风压为风机额定风压的85%。

图6、图7表明,调压井液面的波动对进风洞的风量影响较大,对通风机的风量影响不大,这主要是通风机及其下厂房到室外排风系统的阻力较大,进风洞的阻力较小造成的。

4结语

通过仿真结果可知,在水电站甩负荷时,受调压室水面波动的影响,空调通风机入口处的风压和风量都有会波动,而且在开始有短暂的较大脉冲,但压力和流量的波动换都在通风机的允许的范围内,可以直接安装使用。

由于时间关系,本项目方法尽管精确的模拟了风机入口的压力和流量的变化,但要精确分析通风机受进风压力脉动分析,能够承受冲击的次数及寿命缩短程度,还需要通过模拟的风压加载到风机叶片上,对风机叶片进行模态分析。

参考文献

[1]李炎.当前混流式机组水电站厂房结构振动的主要问题和研究现状[J].中国农村水利水电,2009,(5).

[2]鲍海燕,杨建东,付亮.尾水调压室位置对尾水管最小压力值的影响[J].水力发电学报,2007,(12).

[3]马善定,汪如泽.水电站建筑物[M].北京:水利出版社,1995-08.

[4]吴望一.流体力学[M].北京:北京大学出版社,1983-03.

水电模拟实验方法研究篇8

【关键词】应用型本科院校企业综合模拟实验课程重要性问题建议

【中图分类号】G642.4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）10-0040-01

1.引言

目前，应用型本科院校均在响应国家关于中国高等教育分类改革的战略部署，积极进行转型发展。将以企业岗位需求为出发点，以适应社会需要为最终目标，培养具有高层次应用技术和技能人才。而应用型本科院校经管类专业为了完善其实践教学体系，纷纷开设了跨专业企业综合模拟实验课程。本文将围绕开设该课程的重要性、教学中存在的问题、以及解决对策等三方面进行研究。

2.开设经管类跨专业企业综合模拟实验课程的重要性

2.1教学方法的改进

经济管理类专业的课程一般都以理论+案例的形式进行教学，比较枯燥，而且学生很难将理论知识迅速串联起来并运用到实际工作中。而跨专业企业综合模拟实验课程的教学理念就是“学以致用，以用促学，以用带学”，将学生置身于仿真的实际工作环境中，了解、熟悉各职能岗位所需要的各种理论知识，懂得所学专业知识在实际运用中的重要性，由此大大增强了学生专业学习的兴趣与信心。

2.2知识领域的拓展

企业综合模拟实验课程能够将复杂、抽象的企业组织结构、企业经营管理理论和管理操作全部结合起来，学生能够全面学习、融汇和巩固企业经营战略、市场营销、企业管理、生产决策、财务管理等专业知识，同时学到了更多的新知识，了解了企业运营的关键环节，认识到ERP及信息系统在企业中的重要作用与地位，对经管类各个专业的知识有了更多的了解，从而拓展了专业认识领域。

2.3综合能力的提升

本课程通过“操作”来“学习”，使枯燥的课程变得生动有趣，对生产经营过程中出现的问题，参与者需要充分调动自己的分析、判断能力，不断地进行对话。学生普遍反映可以提高自身综合管理能力、应变能力和协调能力，培养了团队合作意识和互助精神，提高了交流与沟通能力和表达能力，提高了制定战略目标、掌控全局与重点的能力，在很大程度上提高了自学能力、知识综合运用能力和分析问题、解决问题能力。同时学生还可以在各种决策的成功和失败的体验中，学习管理知识，掌握管理技巧，提高管理素质。

3.开设经管类跨专业企业综合模拟实验课程存在的问题

3.1缺少合适的教材

目前，国内开设该课程的院校数量越来越多，但可供选择的教材较少。而使用的教材大部分都是企业编写的通用教材。这样各个不同学校的学生在使用过程中往往不能全部都合适，从而给实验教学造成了很大障碍。

3.2专业教师的缺乏

跨专业企业综合模拟实验课程的专业性很强，对任课老师的综合知识要求很高，能够任课的教师不仅需要具备计算机和企业财务会计实务的操作技能，还要具备丰富的理论知识，比如企业管理、市场营销、财务会计、生产管理、物流以及国际贸易的相关知识等，专业教师短时间内难以达该到课程实施的要求。因此师资力量的不足，这也成了推广这门课程首先要解决的问题。

3.3对教学时间要求高

跨专业企业综合模拟实验课程一个最重要的特点就是“跨专业”。首先它需要将各个专业的学生都集中在同一个时间段集中授课，其次开设该课程的时间应该以第六、第七学期为宜。因为这个时间段的学生对自己专业的知识已经大致掌握，在进行跨专业综合模拟训练时才能达到较好的效果。所以学校在进行教学进度安排时要同时满足以上两个条件就存在较大难度。

4.开设经管类跨专业企业综合模拟实验课程的建议

综合前面所提到的当前应用型本科院校经管类专业开设跨专业企业综合模拟实验课程的重要性来看，必须改革原有的经济管理各专业分散性的实践教学模式，使学生在毕业前能在学校提供的综合实验平台上得到专业的、系统的锻炼，提升其就业的竞争力。下面结合该课程在实施过程中存在的问题，提出以下建议：

4.1从学校层面上说

应用型本科院校应该认识到该课程的重要性，将该课程迅速在经管专业中普及开来。同时，在时间上给予支持，可以结合自己学校的特点，自行设置教学时间，在不影响正常教学的前提下，保证教学的连续性。

4.2从教师层面上说

首先，教师应结合企业在实际经营中的做法，来给学生讲解，让学生深入地感受、了解企业，以此来弥补学生实践经验的不足。其次，教师应该扩充知识面，丰富自己的理论知识，尤其是市场营销、财务会计、生产管理、物流等相关方面的知识，使自己的知识更专业、更全面。最后，教师应加大自己的监控能力和课堂驾驭能力，确保在规定的时间内完成教学。

4.3从学生层面上说

学生要从思想上认识到该课程的重要性，要认真对待，端正态度。在课堂模拟中体验学习，不断尝试，调动所学知识，分析和解决问题，课后及时总结，不断反思。

参考文献：

[1]吴燕.“跨专业综合实训”实践教学新模式的探索——以浙江经贸职业技术学院为例[J].职教论坛，2013（9）：86-88.

【水电模拟实验方法研究】推荐阅读：

模拟实验化学06-09

火灾模拟实验07-24

室内模拟实验08-23