流量模拟

流量模拟（共8篇）

流量模拟 篇1

0 引言

近年来, 随着互联网用户的剧增及对网络带宽需求的不断增大, 网络互联设备的转发速率也越来越大, 网络安全事件和威胁层出不穷, 基于网络数据分析的网络防病毒[9,10]、网络数据内容审计[11,12]、入侵检测系统等网络数据处理系统面临着巨大挑战, 因而对这些网络安全数据处理系统的功能和性能测试具有十分重要的意义[13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]。网络数据流量生成作为网络性能测试中的关键环节之一, 一直是网络测试中热点研究问题。

目前, 对于网络数据处理系统等安全产品的测试大都是采用背景流量与测试流量混合的方式[28,29]。背景流量生成主要采用真实流量回放或专业测试仪定制流量的方式。当采用真实流量作为测试流量时, 由于无法预知真实流量的构成, 无法判断对网络安全产品测试结果的影响;当采用专业硬件测试仪定制流量时, 例如Ixia公司的Breakingpoint或Spirent公司的Smartbits等主流专业硬件测试仪能够定制产生大流量高带宽的网络流量, 精确定制产生的带宽、数据报文长度和数量等恒定的网络数据流, 但很难构造出含不同定制内容的大流量网络数据以及很难反应真实网络数据协议的多样性。

当前国内外对网络数据流量生成系统进行的一些研究文献, 侧重点各不相同。廖有清等人[1]结合FPGA硬件逻辑实现网络流量生成与发送功能, 这类系统一般都是基于流的思想生成流量, 采用均匀流和线性突发流两种流模式生成网络数据流量。张铮等人[2]主要对流量生成方法进行了研究, 基于IXPBTG平台提出了3种不同的流量生成算法。另外, 网络流量速率的控制也是流量生成的重要组成部分, 吴长宇等人[3]对不同协议的流量设计了速率控制算法。

同时, 一些流量生成工具也相继出现, Danzig和Jamin曾经介绍过网络流量模拟工具Tcplib[4], 它可以产生真实的TCP/IP网络流量, Tcplib是一个应用层模型的流量生成器, 它能产生五种不同类型的网络流量, 包括FTP、SMTP、NNTP、TELNET以及RLOGI。Sommers和Barford设计了一个与应用无关的网络数据包产生工具Harpoon[5], Harpoon可以产生与真实网络流量在内容、长度、时间、空间上具有相同分布特征的TCP、UDP等协议类型的数据包。Harpoon的显著特征是可以自动地从真实网络流量中提取特征参数, 用于配置网络流量生成模型。此外, Barford和Crovella研制了针对Web服务器进行压力测试的工具SURGE[6], SURGE可以用来产生背景网络流量。Net IQ公司的CHARIOT软件工具是目前世界上比较认可的应用层IP网络及网络设备的测试软件, 可提供端到端、多操作系统、多协议测试和多应用模拟测试。其基本原理是通过产生模拟真实的流量和采用End to End的方法测试网络设备或网络系统在真实环境中的性能。CHARIOT能提供多达10000个并发连接, 能更好的模拟真实环境对设备及网络进行全面的测量, 被广泛应用在SWITCH, ROUTER, WIRELESS, Qo S, MULTICASTING及网络等方面的功能和性能测试。还有一些流量产生器是基于libnet编程实现的, libnet接口函数库提供了低层网络数据包的构造、处理和发送功能, 权东晓等人[7]通过实验结果表明基于libnet编程相比于利用socket编程可以产生更高效率的网络流量。

上述流量生成系统或流量生成工具无法具体到应用协议内容, 无法构造包含特定内容的网络数据流量。本文基于现有数据流量生成方面的研究, 设计并实现了典型网络应用流量生成系统, 该系统可产生含特定内容的HTTP、FTP、SMTP、POP3、IMAP、DNS等典型应用协议的完整数据流量, 可以模拟用户访问特定网络应用, 并且能够构造含有特定内容的网络数据。

1 系统总体设计

本文将详细介绍网络应用流量模拟系统的功能和组成结构, 以及通过系统功能组成模块实现各协议数据流量生成的工作流程。

1.1 系统功能介绍

本文的流量生成系统主要完成了常用应用层协议流量的模拟, 基于标准RFC2616、RFC959、RFC2821、RFC1939、RFC1034分别产生HTTP、FTP、SMTP、POP3/IMAP和DNS协议网络数据流量。对于HTTP协议, 系统可以通过构造并访问含特定内容的网页, 产生HTTP协议流量;对于邮件协议, 系统可以构造含特定内容的收发件人地址、邮件主题、邮件内容、邮件附件名、邮件附件内容, 产生SMTP、POP3、IMAP协议流量;对于FTP协议, 系统可以构造含特定内容的FTP文件名、FTP文件内容, 产生FTP协议流量;对于DNS协议, 系统可以对指定域名进行A类型、AAAA类型、PTR类型查询, 产生DNS协议流量。

相比于其他流量生成系统, 网络应用流量生成系统的主要特点为:可定制特定内容、产生IPv4/IPv6流量、多用户并发模拟。

首先, 一般网络安全设备的测试软件 (流量生成系统) 难以构造特定内容的数据报文, 对于基于内容的攻击, 不能满足网络安全设备的测试要求。相对于真实的网络流量内容的不可预知性, 本系统可以产生可定制内容的特定网络协议的网络数据流量。其次, 当前大部分流量生成系统是基于IPv4网络环境的, 由于IPv4和IPv6网络将会在相当长的一段时期内共存, IPv6环境下数据流量的生成显得尤为重要, 本系统能通过隧道 (TEREDO、ISATAP和6to4) 技术、地址翻译 (IVI、NAT64) 技术或代理技术实现IPv4和IPv6互访, 产生IPv4、IPv6混合流量。并实现了客户端可通过模拟用户上网的PPPo E或IPo E方式连接外网, 并可实现模拟多用户并发产生各应用协议数据流。另外, 通过修改程序配置文件, 系统能灵活生成各种协议测试流量, 如不同协议类型、不同应用层协议内容大小、不同的测试周期等, 从而能有效的模拟各种用户访问网络应用的场景。

本系统在功能实现方面, 完全可以对基于内容的常见网络应用协议数据流进行模拟, 从而更加有效的完成对网络数据处理系统功能和性能的测试。

1.2 系统工作流程

网络应用流量生成系统的操作用户可以在客户端上配置用户行为规则, 如图1客户端中有4大块服务种类:WEB页面访问、FTP文件传送、邮件收发、DNS查询。右侧服务器端提供HTTP、FTP、SMTP、POP3、IMAP、DNS服务。用户将不同协议规则下发到My Sql数据库中, 系统的功能组成模块 (1.3节详细说明) 查询数据库, 模拟用户访问右侧应用服务器, 产生含有特定内容的各协议网络应用流量, 并使之通过中间待测网络安全设备, 完成系统测试验证。程序运行结果文件会上传到指定日志服务器中, 用户可在服务器端的日志服务器中查看程序运行结果日志文件。

1.3 系统功能组成模块

网络应用流量模拟系统的主要功能组成模块包括数据库配置接口模块、特定内容配置解析模块、代理配置和网络接入模块、运行调度模块、用户模拟平台模块以及日志处理模块, 各功能模块之间协作关系如图2所示。

数据库配置接口模块从数据库的规则下发表中读取下发的任务需求, 并将规则中的各个特定内容进行拆分, 构建任务内容, 根据任务内容选择协议类型和IPv4/IPv6互访方式。

特定内容配置解析模块负责HTTP协议、邮件协议、FTP协议及DNS协议具体数据报文内容, HTTP协议:配置特定内容到网页内容中, FTP协议:配置特定内容到FTP文件名中或FTP文件内容中, 邮件协议 (SMTP、POP3、IMAP) :配置特定内容到邮件地址、邮件主题、邮件内容、邮件附件名、邮件附件内容中, DNS协议:配置特定的域名或IP。此模块明确了特定协议数据流量的内容, 生成特定应用数据, 是用户模拟平台模块正常运行的关键前提。

代理配置和网络接入模块实现IPv4和IPv6互访功能, 其中代理配置包括Socks代理、本地代理、网页代理, 都需要提供代理服务器的IP地址和端口号, 主要用于HTTP协议的测试;网络接入分为地址翻译 (IVI、NAT64) 和隧道 (6to4、TEREDO、ISATAP) 两部分, 主要用于FTP协议、邮件协议、DNS协议的测试。

运行调度模块根据选择的IPv4/IPv6互访方式, 接收数据库配置接口读取的规则任务, 开启相应的线程, 对于多任务可并发开启多线程, 根据读取的任务开辟新的线程并根据用户下发协议测试规则类型选择相应用户模拟平台, 产生相应的特定网络应用流量。

用户模拟平台是实现协议流量的主体功能部分[30,31,32,33,34,35]。对于HTTP协议, 系统调用HTTP协议实现模块, 向服务器端上的Apache服务软件发起请求, 然后模块封装HTTP请求报文, 发送请求并接受响应, 最后分析返回的数据报文, 判断是否完整接收到此网页。对于FTP协议, 用户可以定制下发规则, 指定特定内容存放在FTP传输文件的文件名中或者文件内容中, 然后系统调用FTP协议实现模块, 构造相应的txt类型的文档, 形成FTP协议数据流。同理, 对于邮件协议, 用户可以指定特定内容包含于邮件收发件人地址、邮件主题、邮件内容、邮件附件名或邮件附件内容中, 系统则会调用SMTP、POP3、IMAP协议实现模块按照标准邮件RFC协议构造相应的邮件, 完成邮件发送和接收, 从而形成这3种协议数据流。对于DNS协议, 用户可以指定需要解析的域名或IP地址, DNS协议实现模块会完成域名的A和AAAA记录查询以及IP地址的PTR记录查询, 进而生成DNS协议数据流。

日志处理模块将用户模拟平台模块的处理结果封装成UDP报文, 包含规则ID、规则类型、测试时间、结果判断、上传文件名等字段信息, 发送到日志接收方, 并将测试结果文件上传到FTP服务器。

2 实验测试

在构造的实验环境中, 对系统产生各协议流量的功能以及并发性能进行实验测试, 验证能够产生的特定网络应用协议报文符合标准RFC的规定, 同时验证能够生成特定内容的网络数据。

2.1 测试环境

网络应用流量模拟系统的客户端和服务器端采用相同配置的物理机:Redhat6.2操作系统, Linux2.6.32-220.el6.x86_64内核版本, Xeon E5645型号CPU, 2400MHz主频, 32GB内存, 千兆网卡。

系统协议验证图如图3所示, 系统部署在左侧客户端服务器上, 通过中间路由设备访问右侧服务器端, 可产生大量含特定内容的不同协议数据流量, 同时利用网络流量验证系统捕获协议数据包。其中, 右侧服务器端需事先安装APACHE、VSFTP、POSTFIX、DOVECOT以及BIND服务软件, 分别提供HTTP、FTP、SMTP、POP3、IMAP、DNS服务。

2.2 系统功能实测

真实网络中的流量环境非常复杂, 各种网络协议都有使用, 我们目前根据标准RFC实现常用网络应用协议流量的模拟, 我们首先验证系统能否产生标准的5种应用协议数据流, 然后验证构造的网络应用数据流中能否含有用户配置的特定内容。

2.2.1 协议测试

本文采用的网络流量验证工具是网络封包分析软件Wireshark, 它是目前世界范围内应用最广泛的网络协议解析软件之一, 其不修改网络封包内容, 仅反映出目前流通的数据包信息, Wireshark本身也不提交数据包至网络上, 所以借助Wireshark工具能够验证系统产生的协议数据流量的准确性[8]。

运行系统程序, 同时使用Wireshark对网络环境中系统产生的流量数据进行统计和分析, 监测结果如图4所示。

图4中的线是由点组成, 每个点表示在1s内抓到的所有数据包数目, 每个图形都可以应用一个应用协议过滤条件, 这里创建了5个过滤条件, 分别识别HTTP、SMTP、DNS、FTP、POP3五种协议, 不同的颜色区分不同协议图形, 实验证明系统完全能够正确模拟产生常用应用层协议流量。

2.2.2 特定内容测试

1) HTTP协议:用户配置HTTP协议特定内容为kkkkkkkkk, 利用Wireshark抓取的测试结果如图5所示, 可以清晰地看到网页BODY中红框标出的特定内容。

2) FTP协议:系统实现了FTP文件名和文件内容中特定内容的配置, 用户配置的FTP协议文件名中特定内容为pppppp, Wireshark抓取的测试结果如图6所示, 可看到txt文件名中红框标出的特定内容。

3) SMTP、POP3、IMAP协议:系统实现了邮件地址、邮件主题、邮件内容、邮件附件名、邮件附件中特定内容的配置, 用户配置邮件主题中特定内容为AAAAAA, Wireshark抓取的邮件协议测试结果如图7、图8、图9, 可以看到Subject中红框标出的特定内容。

4) DNS协议:系统实现了对特定域名的A记录、AAAA记录查询和特定IP的PTR查询, 图10是对指定域名www.google.com的A记录查询结果。

2.3 系统性能实测

当产生大流量的特定内容的网络流量时, CPU、内存等是制约系统性能的因素, 下表是在该系统模拟大流量网络数据时实际测试的各协议最大并发连接数和占用客户端机器的CPU、内存情况。

3 结束语

网络应用流量模拟系统能够模拟用户上网的PPPo E或IPo E方式连接互联网的接入方式、模拟IPv4和IPv6网络互访的应用场景, 构造产生IPv4、IPv6以及IPv4/v6混合流量的实验场景, 实现典型网络应用的流量模拟。

实验结果表明, 本文提出的网络应用流量模拟系统, 模拟产生的特定网络应用层数据流量符合标准RFC规定, 而且能够产生含特定内容的HTTP、FTP、SMTP、POP3、IMAP、DNS协议的数据流量, 能够实现基于内容的网络数据流模拟, 可用于网络流量处理系统的功能测试和验证。

摘要：当前网络安全设备的测试软件可以产生大流量的网络数据流, 但难以构造大流量特定内容的应用协议流量, 因而不能很好满足基于内容检测的网络安全设备的测试要求。本文所提出的网络应用流量模拟技术, 能够模拟用户上网的PPPo E或IPo E方式连接互联网的接入方式、模拟IPv4和IPv6网络互访的应用场景, 可以模拟用户访问特定网络应用, 产生HTTP、FTP、SMTP、POP3、IMAP、DNS等典型应用协议的大流量完整数据流量, 并且能够构造含有特定内容的网络数据。实现的系统还可以通过隧道、翻译或代理技术实现IPv4和IPv6互通, 产生IPv4和IPv6网络数据流量。通过大量实验验证, 系统能正确生成上述协议数据报文和含有特定内容的网络流量。

关键词：流量模拟,网络模拟,内容构造

流量模拟 篇2

甲公司是一家大型国有企业集团，最近三年净资产收益率平均超过了10%，经营现金流入持续保持较高水平。甲公司董事会为开拓新的业务增长点，分散经营风险，获得更多收益，决定实施多元化投资战略。

2008年甲公司投资部聘请一家咨询公司进行多元化战略的策划，2008年底，策划完成，向公司提交了一份开发TMN项目的市场调研报告，为此，甲公司向该咨询公司支付了50万元的咨询费。之后由于受金融危机的影响，该项目被搁置。

2011年公司董事会经过研究认为，TMN项目市场前景较好，授权公司投资部研究该项目的财务可行性。

TMN项目的部分有关资料如下：

(1)寿命期：6年。

(2)设备工程：预计投资2000万元，该工程承包给另外的公司，该工程将于2011年6月底完工，工程款于完工时一次性支付。该设备可使用年限6年，报废时无残值收入。按照税法规定，该类设备折旧年限为4年，使用直线法计提折旧，残值率10%。

(3)厂房工程：利用现有闲置厂房，该厂房原价6000万元，账面价值3000万元，目前变现价值1000万元，但公司规定，为了不影响公司其他项目的正常生产，未来6年内不允许出售或出租等。6年后可以整体出售，预计市场价值1500万元。

(4)收入与成本：TMN项目预计2011年6月底投产。每年收入2800万元，每年付现成本2000万元。

另外，该项目还需要利用企业原有的一块土地，该土地原取得成本为500万元，目前的市场价值为800万元。

(5)资本成本为15%，所得税率为30%。

不考虑其他因素。

要求：

(1)指出在计算项目现金流量时，对以下内容是否需要考虑，并简要说明理由：①50万元的咨询费;②设备工程的预计投资额2000万元;③厂房的目前变现价值1000万元和6年后的预计市场价值1500万元。④目前市场价值为800万元的土地。

(2)计算设备6年后处置相关的现金流量。

(3)计算项目投产后第1年的营业现金流量。

(4)如果该项目的现金流量如下(单位：万元)：

根据以上资料计算该项目的净现值，并判断该项目的可行性。

【正确答案】(1)①50万元的咨询费不予考虑。

理由：咨询费属于沉没成本，与项目决策无关。

②设备工程投资额2000万元应当考虑

理由：设备工程投资属于项目相关现金流量，即如果决定上马项目，就会发生，如果放弃项目，则不会发生。

③厂房的目前变现价值1000万元和6年后的预计市场价值1500万元不需要考虑。

理由：项目利用的是企业原有的旧厂房，并且公司规定，为了不影响公司其他项目的正常生产，未来6年内不允许出售或出租等，即该厂房的用途惟一，没有机会成本。

④目前市场价值为800万元的土地应当考虑

理由：对该项目来说，土地变现的现金流量属于项目的机会成本。

(2)计算设备6年后处置相关的现金流量

200×30%=60(万元)

(3)计算项目投产后第1年的营业现金流量

设备年折旧=2000×(1-10%)/4=450(万元)

第1年的净现金流量

=2800×(1-30%)-2000×(1-30%)+450×30%

=695(万元)

(4)计算该项目的净现值

单位：万元

质量—流量调节的模拟应用 篇3

当前我国经济迅速发展, 能源已经成为建筑、生物、化工等领域发展必不可少的组成部分。我国已经成为世界最大的能源消费国。能源已经成为我国经济发展的基石, 也是我国全面发展的坚实基础和强力支撑。但是我国的能源利用率低, 能源损耗严重, 大量的能源浪费严重阻碍着我国社会经济的发展和进步。

对集中供热系统进行运行调节的主要目的是使热用户的室内温度达到规定的温度, 并在此基础上提高用户的舒适度。因此, 在进行供热系统调节时, 要以热用户的需求为前提, 既能保证供热质量, 又要实现供热系统的节能降耗。集中供热系统的调节方式现在大致分为五种:质调节方法, 水泵的耗电量大;流量调节方法, 能够节省水泵的耗电量, 但流量过多的减少, 将造成供热系统水力失调, 工程中也不单独使用;阶段改变流量的质调节方法, 节能效果较好, 但水泵仍为定频泵, 这种调节方式本质仍为质调节, 其实水泵的节能空间还很大;间歇调节法, 只作为辅助调节的方法, 一般应用在具有较好蓄热能力的建筑;质量—流量调节法, 则是根据供热系统中实时负荷变化, 既改变供热温度, 又改变供热流量, 这种调节方法需安装高自控能力的设备, 否则难以实现预期效果, 该调节方式能够节省水泵的电耗, 达到节能的目的。

TRNSYS (Transient System Simulation) 是在美国威斯康星大学太阳能实验室里开发的, 之后欧洲的一些学者又对该软件做了进一步的开发并逐步完善了该模拟软件的各项应用功能。与此同时, 美国的热能系统专家针对HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) 系统开发了专门的应用模块。其实, TRNSYS软件是由许多模块组成, 模块包括各种领域及其领域内的设备, 并通过特殊的控制模块相连, 使整个系统能够运作起来, 可根据实际情况对每个模块进行参数的编写。

1 质量—流量调节的原理及理论计算分析

质量—流量调节方法:在集中供热系统调节中流量和温度均随着室外气象参数的变化而变化, 即供热温度和流量根据实时负荷的变化而相应的改变。它通过调节水泵的流量和供水温度进而节省水泵的耗电量, 最重要的是它能够最大程度的降低能耗。质量—流量调节方式将会成为集中供热系统运行调节技术研究的主流方向。

在供暖系统中, 采用供热调节方式的目的就是使室内温度保持动态稳定, 即在稳态状态下, 不考虑管网沿途损失, 系统建筑物的耗热量即热负荷、散热器的散热量、系统的供热量都相等, 其稳态平衡公式如下:

建筑的设计热负荷Q'1:

散热器自然对流散热量Q'2:

供热系统管网输送的热量Q'3:

其中, q'为供暖建筑的体积热指标, W/ (m3·℃) ;V为建筑物的外部体积, m3;t'w为室外供暖设计温度, ℃;tn为室内供暖设计温度, ℃;K'为散热器设计工况传热系数, W/ (m2·℃) ;t'g为供暖系统设计供水温度, ℃;F为散热器的散热面积, m2;t'h为供暖系统设计回水温度, ℃;G'为供暖用户的设计循环水量, kg/h;c为水的质量比热, c=4.18 k J/ (kg·℃) 。

在式 (3) 中, 散热器传热系数中的a, b为散热器经实验所确定的特征系数, 把代入式 (3) 中, 得到Q'2的计算公式:

在上述公式中, 带角标“'”表示在设计温度t'w下的计算值, 实际供热系统运行中, 不带角标“'”表示在实际室外温度tw下的计算值, 且有tw≥t'w, 在某室外温度tw下, 为了达到室内温度仍为tn, 同理也具有动态平衡方程:

在实际运行调节时, 实际的热负荷与设计的热负荷之比称为相对负荷比实际流量同设计流量之比称为相对流量比珔G, 如公式所示:

在实际的供暖系统中, 体积热指标变化不大, 可视为常数, 即q'=q, 把上式Q'1, Q'2, Q'3, Q1, Q2, Q3的表达式代入式 (10) 中可得:

根据式 (12) 可以得到质量—流量调节中供水计算式和回水计算式:

可得:

对式 (15) 取对数得:

整理得:

设:

p称之为流量优化系数, 表示在供热系统进行运行时, 量调节占整个调节过程中的比例 (对数值) , p∈[0, 1]。

对式 (18) 进行整理, 得:

管路的形式确定流量优化系数p的值。现在供热系统管路形式是双管制, 而对于双管制管网的流量优化调节系数p取值为因此, 得到质量—流量调节的相对负荷和相对流量的关系式:

把式 (20) 代入式 (13) 和式 (14) , 得到:

其中, b为散热器的散热指数, 取值一般在0.17~0.42之间, 因此, b值可以看做是一个常数, 这样可以通过室内外的设计温度tn, t'w, 室外温度tw, 供回水设计温度t'g, t'h, 计算得到实际需要的供回水温度tg, th, 供热系统的管网流量按照公式进行调节。

2 运用TRNSYS建模并模拟计算

2.1 建模

建立一个某高校的校区建筑模型 (见图1) , 所模拟的高校建筑面积为30万m2, 建筑功能包括基础教学楼、体育馆、图书馆、学研大厦、图书馆、行政办公等建筑, 根据建筑功能的不同, 按照国家标准选择不同的热指标, 计算出总的热负荷, 运用TRNSYS软件对该高校采暖季采用不同供热系统调节模式进行模拟。

2.2 运用TRNSYS对不同供热调节方式进行模拟计算

建筑模型建好后, 运用TRNSYS软件对供热调节系统搭建模型。根据建筑热负荷及建筑面积, 把供热系统分为4个区, 并搭建4台变频水泵;所采用的调节方式为质量—流量调节, 并根据1中理论计算式搭建起质量—流量调节的控制系统, 使得所搭建的系统模型能正常运行。

同理, 运用TRNSYS软件对变频调节供热系统搭建模型, 并进行模拟计算。

2.3 通过两种模拟结果进行能耗分析

通过运用TRNSYS软件搭建了供热系统采用质量—流量调节和变频调节的模型, 并模拟计算出采暖季水泵的电耗量和燃气的耗气量。为了判断调节模式是否节能, 就要从供热系统的总耗能量进行考虑, 而在所模拟的供热系统中, 包括了变频水泵的电耗量和锅炉的耗气量, 从这两方面出发决定整个系统是否节能。因此, 把模拟的结果即锅炉的耗气量和水泵的耗电量分别折算成标准煤, 根据标准煤的总和来判断所模拟的供热系统的节能性。换算式:1 kg标准煤等于29 307.6 k J, 燃气热值为35.88 MJ/m3。

通过计算分析, 从表1可得, 供热系统在采暖季采用质量—流量调节模式的总能耗为1 849.15 t标准煤, 采用变频调节模式的总能耗为1 958.36 t标准煤, 节能率为5.6%。

3 结语

结合某高校校区, 以TRNSYS软件为模拟平台, 搭建了质量—流量调节供热系统模型, 对质量—流量调节的供热系统和变频调节的供热进行能耗分析, 并得出计算结果, 得出了采用质量—流量调节的燃气耗气量为148.63万m3, 水泵耗电量23.72万k Wh, 而变频调节耗气量为157.24万m3, 耗电量为27.11 k Wh, 所以质量—流量调节的总能耗比采用变频调节的低, 节能率为5.6%。

参考文献

[1]李德英, 陈疆, 李连友.热水供暖系统“质量—流量优化调节”方法[A].全国暖通空调制冷2000年学术年会论文集[C].2000.

[2]李德英, 许文发.供热工程[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.

超声流量计管道流场的模拟与分析 篇4

超声流量计对流场状况非常敏感, 但是目前的研究重点主要集中于二次仪表, 即如何利用现代检测技术通过信号处理的方法来提高仪表性能。如果要进一步提高超声流量计的测量精度, 必须对流场的流动特性进行深入细致的研究, 这样才能从根本上解决问题, 并充分发挥一次仪表对性能改善的潜力[1]。本文将针对超声流量计可能遇到的理想与典型非理想流场流速情况进行研究, 分析流场特性, 从理论上为降低超声流量计的计量误差提供详细的流场信息。

1层流与湍流流场的流速分布研究

1.1 层流流场的流速分布研究

当管道中的雷诺数小于3 500时, 认为其中的流动属于层流状态[2]。在管道内取出半径为r, 长度为l, 与管道轴线重合的小段圆柱, 作用在圆柱两端面的压力分别为P1和P2, 作用在圆柱侧面的内摩擦力为Ff。由受力平衡的准则, 可以建立方程:

$({\rm P}{}_1-{\rm P}{}_2)\text{π}r{}^2=F{}_{\text{f}}(1)$

由于相邻层面上流动的内摩擦力与层面的接触面积2πrl、层面间的速度梯度du/dr以及流体的粘度η成正比[3], 因此其中的内摩擦力可以表示为:

$F{}_{\text{f}}=-2\text{π}rl\eta \frac{\text{d}u}{\text{d}r}(2)$

进行积分计算得到:

${\displaystyle \int \frac{\text{d}u}{\text{d}r}}\text{d}r={\displaystyle {\int }_0^R-}\frac{\text{Δ}{\rm P}}{2\eta l}r\text{d}r=\frac{\text{Δ}{\rm P}}{4\eta l}(R{}^2-r{}^2)(3)$

由式 (3) 可知, 管道内的层流流动为抛物线分布, 最大流速发生在轴线上, 其数值为umax=ΔPR2/ (4η l) 。为使流速的表达具有普遍性, 将流速用最大流速表示为:

$u(r)=u{}_{\max }\left(1-\frac{r{}^2}{R{}^2}\right)(4)$

由式 (4) 可以获得层流状态下的速度分布曲线, 如图1所示, 其分布形式为抛物线状。

在管道截面上对流速积分并平均, 获得理想层流流动的面平均流速为:

$u{}_{\text{s}}=\frac{{\displaystyle {\int }_0^{R}u}\cdot 2\text{π}r\text{d}r}{S}=\frac{\text{Δ}{\rm P}R{}^2}{8\eta l}=\frac{1}{2}u{}_{\max }(5)$

线平均速度为:

$\overline{u}=\frac{1}{R}{\displaystyle {\int }_0^{R}u}{}_{\max }\left(1-\frac{r{}^2}{R{}^2}\right)\text{d}r=\frac{2}{3}u{}_{\max }(6)$

1.2 湍流流场的流速分布研究

当管道中的雷诺数达到4 000以上时, 可以认为已经进入湍流状态[2]。对于充分发展的湍流流动速度分布通常采用半经验的幂函数:

$u(r)=u{}_{\max }\left(1-\frac{r}{R}\right){}^{\frac{1}{n}}(7)$

式中:n可以用普朗特方程:$n=2\lg \frac{\mathrm{Re}}{n}-0.8$表示[4]。当n变大时 (相当于雷诺数变大) , 管道内的速度分布趋于平坦, 其分布形式如图2所示。图中曲线从下至上分别为n等于6, 7, 8, 9时的速度分布。

通过在截面上对分布式积分, 可以获得管道内的面平均流速为:

$\begin{array}{l}u{}_{\text{s}}=\frac{1}{\text{π}R{}^2}{\displaystyle {\int }_0^R{\displaystyle {\int }_0^{R}u}}{}_{\max }\left(1-\frac{r}{R}\right){}^{\frac{1}{n}}\text{d}r\text{d}r=\\ \frac{2n{}^2}{(n+1)(2n+1)}u{}_{\max }(8)\end{array}$

线平均速度为:

$\overline{u}=\frac{1}{R}{\displaystyle {\int }_0^{R}u}{}_{\max }\left(1-\frac{r}{R}\right){}^{\frac{1}{n}}\text{d}r=\frac{n}{n+1}u{}_{\max }(9)$

2单弯管流场的流速分布研究

单弯管的几何结构如图3所示。其中, 截面A为被观察截面, 距离出口为1R。

对于离散后的流体力学方程组进行数值计算时, 首先需要给定解条件, 主要是初始条件和边界条件:入口边界设定为速度入口, 给定流体平均流速, 对应雷诺数为1×104;出口条件设定为压力出口, 数值为一个大气压, 即表压为零。在给定的初始条件与边界条件下获得的流动截面二次流流函数的等值线如图4所示[5]。

如图4可知, 对于单弯管流场, 它的流速分布具备一定的规律, 其速度等值线沿着管道轴心的水平截面呈基本对称状态。

由于弯管的影响, 单弯管流场和充分发展的管道流场的速度分布将有所不同, 其在不同剖面上的速度分布也不一样。其横向截面与纵向截面分布的剖面图如图5所示[6], 根据式 (8) , 式 (9) 可知, 在某一截面及单一路径上, 面平均速度及线平均速度分别为:

$\begin{array}{l}u{}_{\text{s}}=\frac{1}{\text{π}r{}_0^2}{\displaystyle {\int }_0^{r{}_0}{\displaystyle {\int }_0^{r{}_0}u}}{}_{\max }\left(1-\frac{r}{R}\right){}^{\frac{1}{n}}\text{d}r\text{d}r(10)\\ \overline{u}=\frac{1}{r{}_0}{\displaystyle {\int }_0^{r{}_0}u}{}_{\max }\left(1-\frac{r}{R}\right){}^{\frac{1}{n}}\text{d}r(11)\end{array}$

式中:r0∈[0, R]。由此可得单弯管横向截面及纵向截面的线平均速度分布分别如图6, 图7所示。

通过对单弯管流动状态下的速度分布进行模拟可以看出, 单弯管中的二次流是两个以管道轴心水平截面对称的涡, 所以流速分布具备一定的规律。而纵截面的流速分布是对称的, 比横截面的规律性强, 所以在实际应用安装超声流量计时, 可以利用数据偏差的相互补偿来提高精度, 这和单弯管流场的纵截面流速分布的特殊性有关。

3双弯管流场的流速分布研究

双弯管流动也是工业现场比较典型的一种流动方式, 双弯管会引起涡流和回流, 会对超声波流量计的计量精度造成非常不利的影响[7]。

双弯管的几何结构如图8所示。其中, 截面A为被观察截面, 距离出口为1R。

同理, 在给定的初始条件与边界条件下, 获得的流动截面二次流流函数的等值线如图9所示[8,9]。

在双弯管流场中, 根据式 (10) , 式 (11) 可得其截面速度分布如图10所示。

通过对双弯管流动状态下的速度分布进行模拟可以看出, 在双弯管流动的后侧二次流形成涡, 并且在局部出现回流[10], 所以没有固定的规律可寻。对于这种流动情况, 当声道布置的声线方向与二次流速度矢量平行时, 将导致严重的测量误差。

4结语

从层流和湍流两种流动状态的速度分布进行模拟, 指出充分发展的层流流场的速度分布比较规则, 而湍流流场的速度分布则主要取决于流场的雷诺系数。进而计算了单、双弯管在特定雷诺数下的流动情况, 从单、双弯管流场的速度等值线和截面速度分布可以看出:对于单弯管流场, 其二次流分量基本上是两个对称的涡, 其速度等值线沿着管道轴心的水平截面呈对称状态, 所以其纵向截面线平均速度分布也是对称的;而双弯管流场的流动相对单弯管流场更复杂, 速度等值线及其截面速度分布也更不规律。双弯管的二次流表现为单一的涡, 在截面的特定位置会出现缓慢的回流现象。所以对于这种流动情况, 当声道布置的声线方向与二次流速度矢量平行时, 将导致严重的测量误差。

参考文献

[1]LAVANTE E V, PERPEET S, HANS V, et al.Opti miza-tion of acoustic signals in a vortex-shedding flowmeter usingnumerical si mulation[J].Internation Journal of Heat andFluid Flow, 1999, 20 (4) :402-404.

[2]蔡武昌.流量测量仪表现状和发展动向[J].自动化仪表, 2002 (2) :7-10.

[3]苏铭德, 黄素逸.计算流体力学基础[M].北京:清华大学出版社, 1997.

[4]BRASSIER P, HOSTEN B, VULOVIC F.High-frequencytransducers and correlation method to enhance ultrasonic gasflow metering[J].Flow Measurement and Instrumenta-tion, 2001, 12 (3) :201-211.

[5]林建忠.湍流力学[M].杭州:浙江大学出版社, 2000.

[6]IOOSS B, LHUILLIER C, JEANNEAU H.Numericalsi mulation of transit-ti me ultrasonic low-meters:uncertain-ties due to flow profile and fluid turbulence[J].Ultrason-ics, 2002, 40 (9) :1009-1015.

[7]鲍敏, 傅新, 陈鹰.弯管扭转切换区流场分析[J].化工学报, 2003, 54 (7) :891-895.

[8]鲍敏, 傅新, 陈鹰.利用CFD获取超声流量计截面速度分布[J].工程设计, 2002, 9 (2) :101-106.

[9]王艳霞, 傅星, 胡小唐.利用超声波检测流量的高精度系统[J].天津大学学报, 2003, 36 (2) :248-250.

流量模拟 篇5

近年来, 由于国家节能减排政策的大力实施, 选择性非催化还原 (SNCR) 和选择性催化还原 (SCR) 在电站锅炉中应用很广泛[1,2,3]。常用的还原剂有尿素、氨水和异氰酸等。鉴于尿素的安全性, 目前为多数锅炉上的SNCR或SCR系统都采用尿素作为还原剂。对于SCR系统来说, 需要将尿素转化为氨气, 然后在SCR催化剂前喷入烟道与烟气混合。尿素制氨有水解和热解两种制备方法。尿素水解产生的酸性物质会腐蚀电厂设备和生成难溶于水的缩二脲及其它缩合物, 易使尿素水解系统堵塞。尿素热解法制氨会出现热解炉尾部积物导致制氨量不足的问题。

研究结果表明, 增加热空气的流量能够为尿素热解提供更多的热量, 但是过大的热空气流量会使尿素雾化液滴在热解炉内的停留时间降低。当入口的热空气流量为5 980 m 3/h时, 尿素热解炉出口的烟气温度为355℃, 出口的氨气的质量分数为3.01%, 氨气的体积分数为4.6%。当入口的热空气流量为7 800 m 3/h时, 尿素热解炉出口的烟气温度为401℃, 出口的氨气的质量分数为2.2%, 氨气的体积分数为3.5%。

国内对尿素溶液直接喷入炉膛的研究较多[4], 对尿素溶液在热解炉内的热解过程研究较少。Yim等[5]建立了一套混合反应系统, 试验发现350℃下停留时间为0.113 s时, 尿素能够完全热解为NH 3和HNCO。Johar等[6]在一台尿素热解联合SCR脱硝试验台上研究了尿素的在高温下的分解特性。尿素热解炉中, 热空气或热烟气的流量是影响尿素热解的一个关键因素, 但是现有文献研究不多。

本文采用数值模拟的方法研究一台尿素热解炉中的尿素热解过程, 并重点分析热空气流量对尿素热解过程的影响。

1 数学模型

采用了RNG k-ε双方程模型进行流场的模拟。对尿素水溶液液滴在气相中运动的处理, 采用拉格朗日坐标系下跟踪的方式。同时, 由于气体的湍流涡团与颗粒相之间的相互作用, 认为颗粒相运动符合随机轨道模型, 故在积分计算颗粒轨迹时始终利用轨迹上各点的流体瞬时速度。另外, 颗粒相存在蒸发、挥发等过程, 所以必须在离散相与连续相之间耦合传热、传质的相互作用。

2 工况介绍

尿素热解炉直径为2 300 mm, 主体高度为8 512 mm。假设热解炉的炉体沿着Z方向, 定义尿素热解炉炉体圆柱部分的上端起点为Z=0。那么热解炉的喷枪布置在Z=1.125 m处, 沿着炉体周向均匀布置了6根喷枪, 喷枪的方向指向炉体中心, 喷射角度为30°, 喷射速度为30 m/s。入口热空气的温度为600℃, 质量分数为50%的尿素溶液的耗量为978 kg/h。模拟研究了两个工况下的结果, 一个是入口热空气的体积流量为5 980 m 3/h, 另一个是7 800 m 3/h。

3 结果分析

图1至图2为工况1的尿素热解的模拟结果, 分别为轴向速度分布、温度分布。从速度分布图可见入口的烟气流速约为19 m/s, 热空气在通过扩锥后, 射流扩张, 中心的最大速度降低, 但是射流的边缘形成了一圈回流区。这个回流区的存在会卷吸下游喷枪喷出的尿素溶液, 使得尿素在热解炉内的停留时间延长。图2表明喷枪喷入的尿素溶液能明显降低热空气的温度, 在喷枪的下游, 热空气逐渐与尿素溶液混合起来, 热空气为尿素溶液的热解提供热量。

在不增加尿素喷射量的情况下增加热空气的流量, 一方面能够为尿素热解提供更多的热量, 确保热解炉出口维持一个较高的温度, 避免出口尿素结晶的问题出现;另一方面增加的热空气量使热解炉的气流速度增加, 使尿素溶液液滴在热解炉内的停留时间降低。因此选择合适的热空气流量对保证尿素完全热解至关重要。

在工况1条件下, 即当入口的热空气流量为5 980 m3/h时, 尿素热解炉出口的烟气温度为355℃, 出口的氨气的质量分数为3.01%, 氨气的体积分数为4.6%。工况2条件下, 即当入口的热空气流量为7 800 m3/h时, 尿素热解炉出口的烟气温度为401℃, 出口的氨气的质量分数为2.2%, 氨气的体积分数为3.5%。

4结语

本文采用数值模拟方法对一台尿素热解炉内的尿素热解过程进行了研究, 重点分析了热空气流量对热解过程的影响。研究结果表明, 增加热空气的流量能够为尿素热解提供更多的热量, 但是过大的热空气流量会使尿素雾化液滴在热解炉内的停留时间降低。当入口的热空气流量为5 980 m 3/h时, 尿素热解炉出口的烟气温度为355℃, 出口的氨气的质量分数为3.01%, 氨气的体积分数为4.6%。当入口的热空气流量为7 800 m 3/h时, 尿素热解炉出口的烟气温度为401℃, 出口的氨气的质量分数为2.2%, 氨气的体积分数为3.5%。

摘要：采用数值模拟的方法研究了一台尿素热解炉中的尿素热解过程, 重点分析了热空气流量对热解过程的影响。

关键词：尿素热解,热空气流量,数值模拟

参考文献

[1]赵冬贤, 刘绍培, 吴晓峰, 等.尿素热解治氨技术在SCR脱硝中的应用[J].热力发电, 2009 (8) :65-67.

[2]杜成章, 刘诚.尿素热解和水解技术在锅炉烟气脱硝工程中的应用[J].华北电力技术, 2010 (6) :39-41.

[3]陈海彩, 张军, 沈乐, 等.火电厂尿素热解和水解工艺研究[J].电力科学与工程, 2014 (6) :16-19.

[4]吕洪坤, 杨卫娟, 周俊虎, 等.尿素溶液高温热分解特性的实验研究[J].中国电机工程学报, 2010 (17) :34-40.

[5]Yim S D, Kim S J, Baik J H, et al.Decomposition of urea into NH3 for SCR process[J].Industrial and engineering chemistry research, 2004 (16) :4 856-4 863.

流量模拟 篇6

由于渠道堰闸流量是水资源调度管理的一项重要参数,能够直观地反映出闸门调度控制系统对堰闸流量的作用效果[3]。因此,本文基于集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)与Elman神经网络,对堰闸流量及其控制参数进行分解与重构,分别对分解后的时间序列建立非线性Elman神经网络,重构并预测堰闸流量,为水资源调度提供精确、实时的预测方法,为水资源调度控制系统控制目标的优化提供实时有效的依据。

1 研究方法

1.1 分解方法

在解决时间序列多尺度分解的方法中,小波分解和奇异谱分解等方法均需要依赖于预先给定的基函数,无法根据数据自身的时间尺度特征进行分解,可能会由此分解出虚假或无效的波动分量[4,5]。集合经验模态分解方法利用高斯白噪声具有频率均匀分布的统计特性,无须预先设定任何基函数,自适应地将数据分解为有限个本征模函数(intrinsic mode function,IMF),所分解出来的各IMF分量包含了原始数据的不同时间尺度的局部特征信号。因此,本文采用EEMD分解方法对渠道堰闸流量数据(包括流量控制因素与流量)进行多尺度分解,分解结果可以由式(1)求得,重构结果由式(2)求得。

式中,Cij(t)表示第i次加入白噪声后分解所得的第j个IMF分量,t表示时间;Cj(t)为分解得到的第j个IMF分量;N为添加白噪声序列的数目;X(t)为原始信号;rn为分解后的残留余项,n表示分解次数,当rn为单调信号时,分解终止。

1.2 预测方法

Elman神经网络是一种带有反馈的两层BP网络结构,其反馈连接是从隐含层的输出到其输入端。这种反馈方式使得Elman网络能够探测和识别时变模式。其隐含层又称为反馈层,这种特殊的两层网络可以任意精度逼近任意函数,唯一的要求是其隐含层必须具有足够的神经元数目。隐含层神经元数越多,则逼近复杂函数的精度就越高。Elman神经网络的非线性表达原理[6]见式(3)。

式中,y、x、u、xc分别表示m维输出节点向量、n维中间层节点单元向量、l维输入向量和n维反馈状态向量;w3、w2、w1分别表示中间层到输出层、输入层到中间层、承接层到中间层的连接权值。g为输出神经元的传递函数,是中间层输出的线性组合。f为中间层神经元的传递函数。

2 结果与分析

本文以新疆库塔干渠东干渠为例,通过对实测流量数据与控制参数(闸前水位、闸后水位与闸门开度)的收集,基于集合经验模态分解与Elman神经网络,对其进行分解与重构,以实现堰闸流量的准确预报模拟。

2.1 EEMD分解与重构

根据式(1)本文分别对堰闸流量及其控制因子(闸前水位、闸后水位与闸门开度)进行EEMD分解,分别得到了5个本征模函数,分别为IMF1～IMF5。本征模函数表征了数据的内在振动模式。EEMD分解重构后结果的相关参数见表1。由表1可知,各控制因子和堰闸流量序列经过EEMD分解重构后,与原始时间序列相关系数在有效数字范围内近似为1,标准误差接近于0,平均绝对误差接近于0,表明重构结果十分有效。

2.2 Elman神经网络堰闸流量预测与分析

本文Elman网络的输入层为堰闸流量控制因子,包括闸前水位、闸后水位与闸门开度,输入节点数为3;输出层为堰闸流量的预测值,节点数为1。本文采用双层反馈结构,第一层节点数为10,第二层节点数为3。反馈层神经元的传递函数为tansig(),线性输出层的传递函数为purelin()。网络训练样本组按照0.7:0.15:0.15的比例划分为训练集、验证集和测试集。

为避免神经元饱和,在输入层对输入数据进行归一化处理,将各个数值换算至[0,1]区间内,在输出层对得到的预测结果进行反归一化。根据Elman神经网络的非线性空间表达式[公式(3)],本文网络模型的输出结果可以表示为

式中,u(k-1)为输入层的输入;x1(k)为第1层反馈的输出;X2(k)为第2层网络的输出,y(k)为输出结果;wp1(p=1,2;p为网络层数)为第1层网络和第2层网络的承接层到中间层的连接权值;wp2为第1层网络和第2层网络的输入层到中间层的连接权值;w3为中间层到输出层的连接权值,本文中间层神经元传递函数采用双曲正切传递函数tansig(),输出层神经元采用线性传递函数purelin()。

本文中时间序列样本经过EEMD分解后,得到5个独立的本征模函数IMF1～IMF5,因此需要建立5个子Elman神经网络,分别预测堰闸流量值,最后经过EEMD重构得到最终的堰闸流量预测值。各子网络的预测结果统计性描述见表2,各个子网络的预测值与目标值之间相关决定系数分别为0.71m3/s、0.88m3/s、0.94m3/s、0.95m3/s和0.98m3/s,平均绝对误差值分别为0.04m3/s、0.09m3/s、0.22m3/s、0.14m3/s和0.67m3/s。由表2可知,各尺度预测值与实测值的模型拟合效果均表现出极强的相关性,平均绝对误差均可满足测量精度要求。随着时间尺度的增加,模型相关性决定系数逐渐增强,平均绝对误差逐渐增大,IMF5子网络预测结果的平均绝对误差增大最明显,可能的原因是IMF5为趋势项,对于变量的波动情况表达不明显。

本文对IMF1～IMF5子网络的预测结果进行重构。结果表明:通过EEMD多尺度分解,对堰闸流量在不同时间尺度上应用Elman神经网络预测再合并,预测值与测量值达到极显著相关水平,平均绝对误差值为0.079m3/s,可以满足水情调度中的测量精度要求。

分别应用EEMD与BP神经网络结合方法[7]、EE-MD与Elman神经网络结合方法和未经EEMD分解的Elman神经网络方法进行堰闸流量预测。取样本验证集数据对所建模型进行验证,结果表明:经过EEMD分解的网络模型预测值和实测值进行比较,其预测值与实测值均可较好吻合,未经过EEMD分解的Elman网络预测效果稍差。采用决定系数R2、标准误差和平均绝对误差分别对3个预测模型进行评价,统计结果见表3。

由表3可知,经过EEMD分解后模型预测结果比未经过分解的模型预测结果准确性高,经过EEMD分解后的Elman神经网络的预测结果优于EEMD-BP神经网络和未经过EEMD分解的Elman神经网络预测结果。此外,EEMD-Elman神经网络的预测结果决定系数R2为0.996,表明EEMD-Elman神经网络输出值与目标值偏差较小,是十分有效的预测方法。

3 结语

应用集合经验模态分解方法对堰闸流量及其控制因子(闸前水位、闸后水位与闸门开度)进行多尺度分解与重构。重构后各控制因子和堰闸流量的相关系数在有效数字范围内近似为1,标准误差接近于0,平均绝对误差极接近于0,重构结果十分有效。表明集合经验模态分解法分解可以解决多尺度时间序列预测问题。应用EEMD-Elman神经网络建立堰闸流量预测网络,网络预测值与实测值的平均绝对误差为0.079m3/s,相关决定系数为0.996,标准误差为1.104,表明预测结果与实测值呈极显著性相关。3种预测方法的预测结果对比表明:与未经过EEMD分解的预测网络相比,经过EEMD分解的预测网络,能够反映自身固有的特性;经过EEMD分解的EEMD-Elman神经网络与EE-MD-BP神经网络的预测结果相比,EEMD-Elman神经网络预测效果优于EEMD-BP神经网络预测效果,说明Elman的双反馈结构可以提高模型的预测精度。

摘要：为提高堰闸流量控制系统的有效性,本文基于集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)与Elman神经网络建模,提出一种新的流量预测方法。以新疆库塔干渠东干渠为例,分别对堰闸流量及其控制因子进行EEMD分解,对各尺度下的时间序列建立EEMD-Elman预测模型。结果表明:应用EEMD-Elman神经网络建立流量预测模型,模型预测值与实测值的平均绝对误差为0.079m3/s,相关决定系数为0.996,标准误差为1.104,模型预测结果与实测值呈极显著性相关。研究结果可为水情自动控制系统的控制目标优化提供有效参考。

关键词：神经网络模型,集合经验模态分解,Elman神经网络,流量,模拟

参考文献

[1]谢博.灌溉渠道的设计流量计算与分析[J].陕西水利,2011(4):175-176.

[2]李江峰.续灌、轮灌渠道设计流量计算方法探讨[J].水利与建筑工程学报,2011(5):143-147,151.

[3]侯冬梅,王才欢,刘毅.调水工程输水渠道堰闸流量计算方法探讨[J].长江科学院院报,2013(8):79-83.

[4]FIELD R.Spatial species-richness gradients across scales;A meta-analysis[J].Journal of biogeography,2009,36(1):132-147.

[5]CRAWFORD J.Multi-scale investigations of alpine vascular plant species in the San Juan Mountains of Colorado,USA GLORIA target region[J].Scientifica Acta,2008,2(2):65-69.

[6]丁世飞,贾伟宽,许新征,等.基于PLS的Elman神经网络算法研究[J].电子学报,2010,38(2A):71-75.

流量模拟 篇7

随着高炉大型化的发展，高风温成为当今炼铁技术的重要发展方向已成为共识[1]，提高风温是实现高炉炼铁节能降耗的重要技术措施[2]。据统计，风温每提高100℃，可降低焦比3%左右。按照2006年全国平均入炉焦比397 kg/t计算，冶炼每吨生铁可节约焦炭15 kg以及相应提高喷煤量15 kg，风温高低已成为衡量高炉节能与否的重要指标[3]。但在追求高风温的同时，炼铁工作者还需要重视热风炉的长寿问题。随着送风温度的提高，拱顶温度也逐渐升高，高温区炉壳将受到晶界应力腐蚀的破坏，这已成为高温热风炉提高风温和长寿的限制性因素。研究结果表明[4]:当拱顶的最高温度超过1 400℃时，氮氧化合物等腐蚀气体的生成量迅速增加，引起晶界应力腐蚀，导致钢壳破裂，因此为预防晶界应力腐蚀，热风炉拱顶的最高温度不应超过1 420℃。

鉴于此，北京科技大学于2008年对河北省首钢迁安钢铁有限责任公司2号高炉霍戈文热风炉采用CFX11.0软件仿真模拟煤气流量在60 000～88 000 m3/h之间时燃烧室的燃烧状态，讨论煤气流量与燃烧效率之间的关系，确定了最佳煤气流量，为迁钢2号高炉霍戈文热风炉1 280℃高风温工业实践提供了指导作用。

2009年10月迁钢2号高炉(2 650 m3)霍戈文热风炉采用双预热技术[5,6]，在煤气预热温度为170℃、助燃空气预热温度为600℃的条件下[2]，实现了1 280℃高风温的目标，达到了国际先进水平。

1 几何模型及网格划分

根据迁钢2号高炉霍戈文热风炉的实际尺寸，按照一定的比例建立燃烧室的三维几何模型，对该几何模型采用四面体和六面体混合的方法进行网格划分，生成非结构体网格形式，采用GGI(通用网格交接面)连接方式，如图1所示。

2 数学模型

在实际燃烧装置中发生的燃烧过程基本上都是湍流燃烧过程，并伴随着气体流动、传热、传质、化学反应以及组分变化等过程，即燃烧过程遵守由连续方程、动量方程、能量方程和组分方程构成的化学流体力学基本方程组[7]。

(1)流体流动模型

流体流动采用湍流模型，控制方程采用考虑气体旋转的k-ε双方程修正模型[8,9]，其通用方程如下:

式中，ρ为流体密度;Φ为变量，表示流体速度、热焓和质量;t为时间;U为流体的速度矢量;ΓΦ为相应变量的扩散系数;SΦ为相应变量的源项。

(2)燃烧模型

由于助燃空气和煤气在进入燃烧室后混合，反应速度快，因而采用Eddy Dissipation模型。该模型适用于快速反应，即反应速度相对于流体速度快得多的反应，反应速度取决于反应物的混合速度[10]，该模型的表达式为:

式中，YI为各组分的质量分数;I为组分;ΓIeff为组分的扩散系数;SI为组分源项。

(3)辐射模型

采用P-1辐射模型[11,12]，它是P-N模型的简化，适用于大尺度辐射计算，其优点在于计算量最小，模型假设所有面为漫反射。

3 边界条件及初始化条件

3.1 边界条件

(1)入口条件

助燃空气和煤气的化学成分选自于迁钢2号高炉霍戈文热风炉的月平均值，忽略空气中的惰性气体和煤气中的甲烷，将体积分数换算为质量分数进行计算，气体化学成分如表1所示。

煤气流量和空气流量选自热风炉某个燃烧期的开始阶段，其空燃比为0.60，根据现场实际助燃空气和煤气流量，将流量换算成标态流量来计算入口平均速度，其结果见表2。

(2)出口条件

采用出口平均静压力边界条件，燃烧室出口的绝对压力根据炉况条件变化，取值范围为1.04～1.07 atm(1 atm=1.01×105Pa，下同)。

(3)壁面条件

假设壁面导热率极低，近似绝热处理;采用CFX11.0仿真软件默认的壁面函数法，对湍流核心区使用k-ε模型求解，湍流模型在壁面无效[13]，因而在壁面区不进行求解，直接使用半经验公式针对各输运方程分别给出内节点值的公式，将壁面上的物理量与湍流核心区内的求解变量关联。

3.2 初始化条件

初始化条件是指所求解的指定初值，初值越好收敛越快。根据实际炉内状况假定初始绝对压力为1.08 atm。

4 仿真结果及分析

4.1 煤气流量对温度场的影响

图2给出的是不同煤气流量燃烧室的温度场分布，1#～5#依次表示燃烧室煤气流量为60 000m3/h,66 000 m3/h,74 000 m3/h,80 000 m3/h和88 000 m3/h的温度场分布。从图2中可以看出，当煤气流量处于60 000～88 000 m3/h之间时，燃烧室内燃烧火焰的长度以及热风炉内高温区的位置没有发生明显变化，最低和最高燃烧温度在1 432～1 459℃之间，其中，当煤气流量为74 000m3/h时，燃烧温度处于最大值。在热风炉操作中通常用煤气流量来控制炉内温度，因此应适当限制煤气流量，而不能仅仅依靠提高煤气流量来提高燃烧温度。当然，当煤气流量达到80 000 m3/h以后燃烧温度没有增加反而降低，这并不代表气体所携带的热量降低，这与气体的燃烧效率、密度、热容以及气体在燃烧室内的速度有密切关系。

煤气流量变化对拱顶温度发热影响是热风炉操作中所关注的问题，我们将燃烧室出口的平均温度看作拱顶温度来分析流量与拱顶温度之间的关系，如表3所示。

℃

从表3中可看出，当煤气流量由60 000 m3/h提高到74 000 m3/h时，燃烧室出口平均温度由1 400℃提高到1 445℃，提高45℃，在该流量范围内可通过增加煤气流量迅速提高拱顶温度;当煤气流量在74 000～80 000 m3/h之间时，燃烧室出口的平均温度基本保持不变，维持在1 440℃左右，在该流量范围内增加煤气流量对提高拱顶温度作用不大;当煤气流量继续增加到88 000 m3/h时，燃烧室出口的平均温度降低7℃，因此在实际操作中不建议煤气流量超过88 000 m3/h，这样有可能会降低煤气的使用效率。此外，热风炉拱顶的最高温度要求在1 420℃以下[4]，因此煤气流量最好控制不超过74 000 m3/h，才能减小晶界的腐蚀，达到保护热风炉、延长其寿命的目的。

4.2 煤气流量对燃烧效率的影响

图3所示为不同流量燃烧室CO质量分数变化曲线。从图3中可以看出，热风炉内燃烧效率的次序为:3#>2#>1#>4#>5#，只有当煤气流量为74 000 m3/h时，燃烧室CO平均质量分数最小，煤气和助燃空气流量过大或者过小都会引起燃烧不完全的情况发生。其原因是热风炉内，增加流量虽然有利于煤气和助燃空气的混合、燃烧，但流量过大时会导致燃烧室混合空间不足，造成燃烧率下降，当流量过大时应当适当增加助燃空气来提高煤气的使用效率。

综合来看，在一定的空燃比下，煤气流量在66 000～74 000 m3/h时，可同时获得较高的燃烧温度和燃烧效率。根据迁钢2号高炉霍戈文热风炉模拟结果，在操作中控制煤气流量在74 000 m3/h以下，拱顶温度不超过1 420℃。

5 结语

本文针对迁钢2号高炉霍戈文热风炉，在0.60的空燃比条件下，仿真模拟煤气流量在60 000～88 000 m3/h之间时燃烧室的燃烧状态，讨论了流量与燃烧效率之间的关系，得出以下结论:

(1)当煤气流量在74 000 m3/h以下时，可通过增加煤气流量迅速提高拱顶温度;当煤气流量超过80 000 m3/h以后，增加煤气流量对提高拱顶温度作用不明显。

流量模拟 篇8

1 差压式流量计

1.1 基本方程

对于定常流动, 在压力取值孔所在的2个截面A (高压取值点) 和B (低压取值点) 处满足质量守恒及能量守恒方程[4,5]。其流体流动连续性方程和伯努利方程分别为:

式中:ρ为密度, kg/m3;为截面A、B处的流速, m/s;CA、CB为修正系数常数项;pA、pB为截面A、B处的理论压力值, Pa;ξ为局部损失阻力系数;D为截面A处的管内径, m;d′为缩径孔倒角处内径, m。

由 (1) 、 (2) 基本方程可得:

定义参数变量方程组:

式中:d为缩径管段内径, m;p1、p2为截面A、B处的实际压力值, Pa。

将参数变量方程组代入式 (3) 可得:

由此可得质量流量基本计算方程式:

定义流量系数及流出系数, 可将方程式 (6) 改写为方程式 (8) :

式中:qm为质量流量, kg/s;Δp为压差, Pa;ε为流体膨胀系数。

V锥流量计中的截面β比为等效直径比, 其计算式如下:

式中:βv为等效截面比;dv为V锥体的最大横截面直径, m。

D和D/2取压方式的标准孔板流出系数主要由截面比及雷诺数决定, 经验计算式如下:

式中:ReD为管段雷诺数。

V锥流量计的流出系数与质量流量的经验计算式如下:

式中:S为管段截面积, m2。

1.2 孔板流量计与V锥流量计

孔板、V锥流量计是最普遍、最具代表性的差压式流量计。其主要应用领域有石油、化工、电力、冶金、轻工等。两者均是以质量、能量守恒定律为基础进行设计。当输送介质充满管道后, 流经缩径区域时, 流体将受节流作用局部收缩, 此时压能部分转变为动能同时形成一个明显的压降值。初始流速越大, 节流所产生的压降值也越大, 通过压降值的监测, 结合基本方程 (8) 可实现流体的计量。

孔板流量计结构较简单, 但其孔板入口锐角易受冲蚀磨损作用而影响测量精度, 由于孔板自身结构限制, 污物易堆积于孔板前, 且其量程比较小, 压力损失大。V锥流量计的锥体位于管段轴线上, 流体节流收缩发生在锥体与壁面的渐缩区域, 故可有效弥补孔板流量计的缺陷。其具有良好的防沉积、抗污物能力, 受锥体本身的边界层效应, 可以大大减小锥体最大截面处的冲蚀作用, 从而使流出系数在原设定值上保持不变。

2 基于ANSYS-CFX的典型差压式流量计数值模拟

2.1 建模算例

2.1.1 几何建模及网格划分

选取ICEM CFD软件进行二维几何建模及网格划分, 为了提高计算精度在缩径孔部位及管内壁边界层网格进行局部加密及网格质量处理[6,7], 划分结果如图1所示。

2.1.2 前处理及求解计算

选取全球第一个通过ISO 9001质量认证的CFD商用软件CFX进行流场数值模拟研究[8]。在其前处理模块 (CFX-Pre) 中采用入口定流、出口定压的定义模式。近壁面湍流采用标准壁面函数法。CFX求解器 (CFX-Solver) 主要使用有限体积法, 模拟算例残差设定为0.000 001, 计算后达到稳定的收敛状态。

2.1.3 后期处理

1) 结果分析。经CFX后处理模块 (CFX-Post) 处理可以生成点、切平面、等值面、等值球等, 可通过在位置上插入流线、云图、矢量图来表征变量。计算结果显示:流体流经缩径孔时, 经节流加速作用, 在缩径孔下游形成一个沿轴向对称的峰值速度带, 在靠近管段内壁出现2个反向流动的涡流区 (图2) ;流体经节流作用形成一个明显的压降值, 由此便于压降值的监测 (图3) ;湍流动能较强区域出现在下游, 并呈现出2个对称的椭圆型峰值带, 而且湍流动能强度区与反向涡流区基本处于下游管段的相同区域 (图4) 。

2) 可靠性检验。为验证数值模拟的可靠性, 通过孔板流量计, 建立模型进行可靠性检验[9]:管径为100mm, 截面比为0.5, 流体为水。在层流区、过渡区及紊流区分别选取3个流量值进行模拟并与理论计算值对比。计算结果表明, 数值模拟所求得的流出系数与理论公式编程计算值吻合度较高 (特别是在层流区) (图5 (a) ) , 误差基本控制在5%以内 (层流区时误差仅为1.5%左右) (图5 (b) ) 。编程计算显示随着流量的增大, 流出系数逐渐减小, 在层流区递减速度较快;模拟结果显示在层流区及紊流区, 流出系数随流量增大而降低, 在过渡区, 流出系数随流量增大而升高。由此表明, 基于ANSYS-CFX的差压式流量计数值模拟是可行的。

2.2 差压式流量计流场特性数值研究

以上述模拟过程为基础, 利用CFX模拟软件, 对孔板、V锥流量计的内部流场展开进一步的探讨[10,11,12]。

2.2.1 孔板流量计

1) 缩径孔厚度。为研究缩径孔厚度对流出系数影响, 选取7个缩径孔厚度进行数值模拟研究。由图6可知:流出系数随缩径孔厚度的增大而增大。这是由于当缩径孔厚度增大时, 流体流经缩径孔的节流加速聚集作用越强, 在孔口下游所形成的峰值速度带将越长, 由能量守恒可知, 此时低压取值孔的压力值将进一步下降, 从而使得计算压差变大, 故流出系数呈现出随缩径孔厚度的增大而增大的变化规律。在流出系数经验计算式 (10) 显示流出系数的大小与缩径孔厚度无关, 但通过数值模拟可知缩径孔厚度对流出系数是存在影响的。

2) 截面比 (直径比) 。为研究缩径孔厚度对流出系数的影响, 选取0.15~0.75范围内的13种截面比进行数值模拟研究。由图7可知:当截面比小于0.3时, 流出系数随截面比的增大而减小, 当截面比大于0.3时, 流出系数随截面比的增大而增大。这是由于在低截面比节流过程中, 当缩径孔较小时, 流体流经缩径孔时的径向分速度及紊流强度将增强, 为了验证这一现象, 如图8所示, 在管流中添加了一定浓度的固相颗粒, 追踪固相颗粒流经不同缩径孔时的运动轨迹, 图8中显示当截面比减小到一定值时, 部分固相颗粒在缩径孔下游处沿径向进行较大强度的紊流运动。此现象的存在使得下游的速度带、涡流带及压力分布不再那么规律, 从而影响流出系数的变化规律。但总体变化规律与理论计算结果相符。

2.2.2 V锥流量计

1) 雷诺数。为研究雷诺数对流出系数的影响, 选取5种V锥体等效直径比, 分别进行不同雷诺数条件下的数值模拟研究, 由图9可知:在一定等效直径比条件下, 流出系数随着雷诺数的增大而增大, 当雷诺数增大到一定程度时, 流出系数也逐渐的趋近于某一常数;当雷诺数保持不变时, 流出系数随等效直径比的增大而减小, 由公式 (9) 可知:等效直径比越大, V锥体最大直径越小, 流体流经时的节流效应越弱, 由此使得流出系数降低。

2) 压降值。为研究V锥体前后压差大小与流出系数的关系, 针对5种等效直径比展开数值模拟研究, 由图10可知:在一定等效直径比条件下, 锥体前后压降值随流出系数的增大而逐渐减小, 但变化幅度较小 (在10%以内) ;当流出系数保持不变时, 随着等效直径比的增大, 压降值迅速降低, 故锥体横截面大小 (即:等效直径比) 是影响压降值的主要因素。

2.3 探讨

2.3.1 压力损失与耗能分析

为研究对比孔板流量计与V锥流量计的压力损失及能耗费用, 建立模型:管长10m, 管内径200mm;V锥体前后锥角分别为45°、120°, 等效直径比为0.65;故孔板流量计直径比也选取0.65;流体选取密度为835kg/m3、黏度为0.002 5Pa·s的成品油;温度为25℃。

模拟结果显示:在相同的流通情况下, 孔板流量计的压力损失值大于V锥流量计 (约3~4倍) , 且随着流速的增大, 两者的差值将明显上升 (见图11 (a) ) 。这是因为流体流经孔板流量计时, 将形成2个大涡流, 在一定背景噪声情况下, 其只能通过减小直径比来提高压差上限值, 以实现有效的管道计量。为进一步定量了解两者的能耗情况, 在本算例基础上, 暂不考虑供能效率问题, 选取工业电价为1元/度, 按下式进行年能耗计算[13]。当流速为5m/s时, 孔板、V锥流量计的年能耗费用分别为:24.24万元、6.88万元, 两者差值为17.36万元 (见图11 (b) ) 。由此可见, V锥流量计较孔板流量计有着明显的节能效果。

式中:S为年均能耗费用, 元;Wp为压降计算功率, k W;T为流量计运行时间, h;m为工业用电单价, 元/k W·h;ΔP为流量计压降值, k Pa;v为流速, m/s;η为供能效率。

2.3.2 孔板流量计冲蚀分析

为研究孔板流量计缩径孔的冲蚀问题[14,15,16], 进行气固两相流三维模拟:连续相 (气相) 为10m/s流速的天然气, 分散相 (固相) 流量设为4kg/h, 粒径均值为50μm, 密度为2 400kg/m3, 三维模型管长10m, 管段内径50mm, 直径比选取0.5。结果表明:颗粒均匀的沉积于上游管段底部, 经过节流作用形成一个加速带, 冲出缩径孔;固相颗粒的冲蚀作用将对孔板入口锐角造成影响, 但最大冲蚀量不是发生在缩径孔板上, 而是在缩径孔下游加度带与管段内顶部接触部位。

3 结论

1) 基于ANSYS-CFX的典型差压式流量计数值模拟, 可清晰直观的得到内部流场分布。数值模拟的流出系数值与基于理论公式计算值吻合度高, 说明基于CFX的数值模拟可信度较高。

2) 数值模拟表明:在孔板流量计中, 缩径孔厚度的增加会使得流出系数增大;当截面比较小时, 流出系数随其增大而减小, 当截面比较大时, 流出系数随其增大而增大。在V锥流量计中, 流出系数及锥体前后压差随着等效直径的增大而增大;流出系数随着雷诺数的增大逐渐增大并趋近于某一定值;流出系数的增大, 会使得锥体前后压差有稍许的降低。

3) 通过数值模拟的定量分析可知:与孔板流量计相比, V锥流量计具有明显的节能效果, 随着流速的增大, 节约的费用越多, 投资回收期越短。