可视化物理模拟（共7篇）
可视化物理模拟 篇1
摘要：为了能够更好地认识平面非均质油藏的油水流动动态及二元体系(聚合物/表面活性剂)在非均质油藏中的应用,采用可视化物理模拟方法直观研究了平面非均质油藏的注水驱油机理。向水驱之后的模拟油层注入二元体系,通过观察模型中二元驱体系流动情况来分析注入二元体系后不同段塞在模拟油层的情况。实验证明二元体系可以有效地提高油层采收率和波及系数。
关键词：非均质,可视化物理模拟,二元体系,波及系数
中国油田的油藏多属于陆相沉积,具有渗透率非均质性强的特点。在注水开发时由于渗透率差异,使高渗透率层吸水多,油层动用好、采出程度高;而渗透率低的油层动用差或不动。因油层平面非均质的影响,物性好的区域水淹程度高,易突进;而物性差的区域则水淹程度低或未水淹,从而会严重影响油藏的开发效果和波及程度[1,2,3,4]。
复合驱既能提高波及体积又能提高洗油效率,可以获得比水驱、聚驱有更高的采收率[5]。碱-表面活性剂-聚合物三元复合驱(ASP)在油田得到了广泛的应用,但由于三元复合驱中存在容易使管线结垢,地层堵塞,加快聚合物降解,采出液破乳困难等问题[6]。因此目前开发无碱的二元复合驱油体系成为复合驱油技术研究的重点[7]。
1 可视化模型设计制作
在两块有机玻璃之间填充两种不同粒径的石英砂,形成非均质油藏模型。在模型的两侧设计注采井,用以模拟注水井和采油井。模型尺寸:长200 mm,宽200 mm,厚15 mm。如图1所示为制备完成后的平面非均质模型,横线上下填充的分别为(60—80)目和(100—120)目的石英砂以表征平面非均质性。其中1,2模拟采油井,3,4模拟注入井。
2 实验内容
2.1 实验用水、用油
实验用水为地层水,实验中采取的注水速度为0.2 mL/min,黏度为1 mPa·s;实验用模拟油为大港油田地面原油混合煤油配制而成,黏度为16 mPa·s。
2.2 实验流程
可视化物理模型实验流程共包括4部分:
(1)将模型烘干称重,抽真空,饱和地层水,称湿重并计算孔隙体积。孔隙体积即是由饱和水前后的质量差求得;
(2)油驱水建立束缚水,测量出水量。可以从该过程中得到束缚水体积,饱和油体积,从而得到束缚水饱和度和含油饱和度。
(3)将平面模型放置在提供光源的灯箱之上,在一定流速下进行驱油实验,记录见水时刻及不同阶段的产水量、产油量。该实验每隔10 min记录一次出水量和出油量,并录制水驱油过程,从而模拟水驱油状态。
(4)数据处理。对实验数据进行整理和分析,绘制注采动态曲线,进行驱油效果分析,评价驱替效果。
3 实验结果分析
3.1 注入二元体系前的水驱油效果分析
如图2所示为注二元体系之前的水驱油过程,图2中1-6截图即为从水驱油的整个录制过程中截得的能有效表现水驱油过程的不同阶段。其中截图1反映的模型饱和油以后的状态。此时,模型中含油量即为原始含油饱和度,同时含有束缚水。截图2-5即为水驱油的递进过程,随着水驱前缘不断推进,含油饱和度逐渐降低,含水饱和度上升,透光面积即反映水驱的波及情况。随着水驱的进行,平面波及系数逐渐增大。由于高渗透带极易造成水窜,因此在水驱至截图6阶段高渗透带的采油井1产水率达到98%之后,水驱阶段结束。截图6即为水驱阶段结束后的水驱波及状况。透光部分即反映了水能够波及到的区域,并且透光性越强则波及程度越高。从图中可以看出,水驱过程中,高渗透带较低渗透带水窜严重,由于采油量与波及效率是成正比的,因此可以通过记录采油量来反映在水驱过程中的波及状况,从而进行有效性分析。
3.2 注入二元体系后效果分析
实验注入的二元体系为:大庆+新疆石油磺酸盐(0.2%)/大港2 500万HPAM(1 500 mg/L)。
通过注入0.3 PV的二元体系段塞后,再注水进行驱替,整个二元驱过程如图3所示。其中图3中截图1即为二元体系注入之前水驱结束后的油水分布情况,可以看出在模拟地层中仍有部分剩余油未驱出。截图2—5过程即为二元驱段塞不断前进,剩余油逐渐采出过程。在此过程中,由于高渗带的渗透率高,水窜明显等特点,1井采出效果明显,从油水分布图上也可以清楚地看到剩余油推进较为迅速,二元驱提高采收率的效果明显。至截图5,高渗透区含水量再次达到98%,且剩余油含量极少,直至截图6,井2产水量达到98%,二元驱结束。
如图4所示为注入二元体系前后采收率的对比情况,通过模型中采出油的量可以判断模拟油藏的平面波及系数的大小,从图中可以看出,在二元驱前后采收率明显提高,即平面波及程度增大,进一步验证了图3中所反映的二元体系可以有效提高油藏的采收率和波及效率。
4 结论
(1)通过实验过程的录制可以发现该物理模型可以有效地反映实际地层驱油过程中的油水分布,使得油水流动状态可视化。
(2)通过充填不同目数的介质反映实际油藏开采的地层平面非均质,能够有效模拟油层的非均质性,高渗透带容易水窜,在实际开采中需要合理调节以达到较好的开采效果。
(3)二元体系有明显的提高采收率的效果,可以很大程度地提高平面波及系数,是开采剩余油的有效途径。
参考文献
[1]张同凯,赵凤兰,侯吉瑞,等.非均质条件下二元体系微观驱油机理研究.石油钻采工艺,2010;32(6):84—88
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[3]王增林,王敬,刘慧卿,等.非均质油藏开发规律研究.油气地质与采收率,2011;18(5):63—66
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[5]刘莉平,杨建.聚表二元复合驱油体系性能研究.断块油气田,2004;11(4):44—45
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可视化物理模拟 篇2
随着我国经济的飞速发展, 电子生产企业在每年也表现出对高素质生产人才的强烈需求。而在目前条件下, 广大职业院校的专业教学水平与现场要求还有种种差距, 导致校园与生产实践的对接存在种种障碍。
从目前职业教育的现实来看, 用人单位对学生职业技能的要求越来越高。对于一线部门, 除了希望让学生掌握专业知识外, 还希望学生尽可能具职业素养。而目前的课程体系将实践分割到不同的课程当中, 学生在分属于不同课程的实践学习中, 能零散接触到实际生产技能。但由于没有现场工作的整体概念, 学生的学习犹如盲人摸象。即使掌握大量的知识及相关基本技能, 但对实际生产过程一无所知, 当学生在工作中面对实际生产问题时, 会表现出强烈的不适应。而用人单位也往往因此对学校的培训质量产生怀疑。所以对原有的实践环节进行改革, 是大势所趋。改革需要培养学生职业素养与生产技能, 在目前体制下, 往往受到了多种客观条件的制约, 而采用计算机图形模拟技术的可视化模拟生产培训系统可以一定程度突破制约, 提高实践教学效率, 成为现有实践模式的有益补充。
2 技术实现
2.1 利用计算机虚拟技术进行电子生产设备模拟
常见实验室设备能较好的完成实践训练项目。但大多数实验室使用专业实验设备, 即使使用现场设备, 但台位数无法满足要求, 而且运行成本高昂。目前计算机虚拟技术相对成熟, 可以利用计算机及模拟技术组成模拟设备。一定程度上模拟实际设备的运行过程及操作特性。利用虚拟技术, 完成虚拟生产、虚拟质检、虚拟质量分析及生产反馈。这样在虚拟设备上可以模拟实际生产面对的许多问题及突发情况, 培养培训者实际问题分析处理能力。对于电子设备模拟而言, 例如波峰焊机, 虚拟设备应有虚拟显示观察窗, 虚拟设备调控面板, 虚拟参数调节, 以及参数反馈。并且还可以利用计算机图片提供虚拟的成品显示及故障判别, 而计算机上的数据库可以记录所有虚拟生产的产品, 虚拟出一定比例故障元件, 同时记录生产质量情况。可以根据这些数据完成故障分析, 推断硬软件故障。
2.2 利用环境模拟方式
实验室可以比较顺利的培养学生的专业知识与技能, 但难以培养学生的职业素养。在实验室环境下, 设备比较密集, 同一设备至少有两到三名同学一起操作。遇到实际问题同组同学或相邻组同学可以互相请教讨论, 这样有助于相互帮助共同提高, 但没有锻炼出学生独立思考, 独自分析解决问题的能力。而实际工作中, 工位上往往只有一人, 所有问题要独立判断, 所以除了在实验室进行专业知识技能培养外, 也需要进行职业素养锻炼。这种职业素养包含了独立现场分析解决能力, 认真仔细的工作习惯等。
进行职业素养培训, 在真实的工作环境中实习是效率最高的, 但是由于客观条件的限制, 有限的时间、经费都不可能保证每门课程都有合适实习机会。如果能找到一种突破时间经费限制, 较好模拟工作现场的方式, 将极大提高实习效率。我们可以将实践模拟设备按照现场环境布置, 设置实训项目时也尽量依照现场工作工序, 即使模拟设备无法生产真实成品, 但可以模拟出现场工作工序, 现场故障处理方法及解决手段, 进行工作过程分析等训练, 让学生适应一线生产的能力大幅度提高。采用与现场一致的管理模式, 能让学生提前熟悉生产氛围。如有条件还可以模拟多班倒, 设立虚拟管理岗位, 多方位多层次提高学生的综合职业素养。
3 系统构成
3.1 系统基础设备
本模拟生产系统方案主要有两大部分组成。模拟软件部分是集视频播放, 界面模拟, 数据库管理于一体的软件系统, 并可以通过网络与中心服务器连接。视频播放与界面模拟采用flash技术实现。而数据库管理利用SQL记录生产数据, 通过图片数据库模拟显示成品与故障瑕疵。
硬件系统由计算机与外壳构成, 由计算机显示屏构成现实界面, 控制面板可以独立通过串口连接至计算机也可以由软件构成虚拟面板显示。外壳由塑料构成, 内置支架放置计算机, 外形和体积近似模拟实际设备。其中由于对计算性能要求不高, 院校可使用闲置计算机安装模拟软件来降低成本。外壳和支架需重新添置, 如有条件, 外壳可以更换以模拟不同设备。
3.2 系统环境
设备安放设置尽量贴近生产一线以提高拟真度。各个机位之间要有一定空间, 而周围环境布置要具备拟真度, 减少不必要的环境干扰。
3.3 系统网络环境
由于每一台或多台构成模拟生产线, 所有计算机通过网络连接至中心服务器上, 中心服务器可以监察各个生产线的工作状态, 并动态更改不同模拟设备台位的工作状态与故障率。
3.4 系统运行模式
指导教师通过中心服务器设置各个生产线的工作状态。然后学生按照班组进入实训环境, 监控并操作虚拟设备, 观察虚拟成品, 完成质量检测, 并填写故障等单据。连续完成一个班次时间后, 通过对比数据库记录核对各班组查错等情况, 并完成故障分析及故障处理的训练。这样通过虚拟设备的运行既加深了理论知识的理解, 又锻炼技能, 还增加实践经验, 综合提高职业素养。
5 结语
整个系统技术基础成熟, 技术难度低, 总成本低廉。而可以一定程度上取代数百万的实际生产设备供学生完成生产实习, 培养实践技能, 并可以在校内模拟生产实践环境, 取得部分生产实践的知识。而且系统建立在可视化的基础之上, 通过视频, 可视化交互操作等多种手段帮助学生加深理解实际生产过程与生产技术要点。本系统的不足是整个系统仍然建立在虚拟生产的基础上, 与真实生产, 真实环境还是有一定的差距。所以系统不能完全取代现场实习, 只能作为现场实习的有益补充。只有与普通实训, 现场实训有机结合起来, 才能发挥本系统的最大功效。
参考文献
[1]李利花, 李迟生.浅析单片机实验教学仿真系统实现的关键技术, 中国科技信息, 2009, 13.
[2]尹子民, 孙辉, 魏颖辉.情景模拟教学法的初探, 辽宁工业大学学报 (社会科学版) .
[3]唐汝元, 唐春霞, 王红梅.网络仿真实验系统设计与实现, 装备制造技术.
模拟地震波传播的可视化研究 篇3
在地震勘探中，通常是通过检波器来记录地下地震波带来的信息，根据相应的数学和物理模型进行复杂的计算机处理以获得地下的构造情况，虽然地震勘探的相关理论有很大的发展，但是由于理论结果难以获得，并且对于复杂形状的结构，解析方法变得相当繁琐，并不能满足实际应用的需要。
为了能直观观测到地震波的传播过程，本文通过动态光弹成像系统，观测了波在光学玻璃模型及波由光学玻璃透射到水中的传播情况，并通过高速摄像机拍摄固体中应力波的传播图像，通过动态光弹成像软件对拍摄到的图像进行采集、存储，并对相关图像数据进行读取和处理，处理结果直接在显视器上显示出来。
1 实验原理
1.1 光弹原理
光射入光学各向异性的晶体时，会有双折射现象的产生，并且各向异性的程度与所受的应力或应变成比例，这种利用材料光学各向异性的观测，来分析材料所受的应力和应变的方法，就是光弹方法。
1.2 实验装置
本装置所用的光路见图1，其工作原理是由计算机发出指令，使“声光延时控制器”输出两路电脉冲信号，一路为高压脉冲信号用来激励超声换能器发射声波，产生的声波在固体中传播；另一路用来激励LED光源发出很短的光脉冲，这样每个周期产生一个声脉冲和一个按指定时间延时的光脉冲，CCD就可以记录下脉冲光照亮时刻的瞬态声波图像。计算机通过图像采集卡和CCD高速相机相连，得到相应的瞬态声波图像，并在屏幕上显示出来。改变延时设定，就可以看到不同时刻的声波图像。
1.3 动态光弹实验模拟模型如表1。
2 超声脉冲波在介质中传播的波场特征
采用脉冲光源方法，显示超声波脉冲波场。由于显示波的脉冲光束垂直于波场传播方向通过波场，因此光弹法显示的是前进波的侧面像，从图中可以看到层状波阵面。光透过声波后的强度与声波的应力平方成比例，因此声波的每一个周期显示为两条亮纹。
图2是贴在玻璃界面上的一个长方形压电晶片（主频为2.53MHz）所构成的超声波在矩形光学玻璃中的传播情况（入射方向垂直于玻璃上界面）。a为纵波波前，b为横波波前，其在传播过程中渐渐落后于纵波。
图3是超声脉冲波在带孔洞的光学玻璃中传播遇到圆柱形空气界面时散射的波场。图4为图3相对亮度图。a为反射纵波，b为纵波的转换波———反射横波。c为入射纵波。我们可以看到，在阴影区内沿孔壁爬行的纵波波前，一方面与未受阻挡的入射平面纵波波前相连接，另一方面又与从孔的上半圆反射而形成的柱面形横波相连接。掠入射时，由于要满足界面是自由的边界条件，平面纵波不能单独存在，必须有一个头波伴随，而头波是横波。因此，当入射平面纵波接触空的上半圆左右两端点的瞬间，即开始沿孔壁爬行时，就有头波产生，这个本是横波的头波，它的波前便与从孔上半圆反射出来的横波波前连接起来，如图3。
3 结论
因为地震纵波在地壳中的平均速度为5-6 km/s，所以此次实验中我们选取了地壳平均波速相近的光学玻璃作样品，研究超声脉冲波在光学玻璃中反射、散射及透射到水中的传播规律，模拟了地震波在地壳中的传播行为，全面直观动态地显示了波场特征，为解决复杂结构的波场分析和理论计算，提供了一种重要的实验手段。
参考文献
[1]应崇幅, 张守玉等.超声在固体中的散射.北京:国防工业出版社, 1994:32-33.
[2]李琼, 何建军, 贺振华.温压条件下孔洞储层的地震波响应特征.石油地球物理勘探, 2009, 44 (1) :53-57.
[3]陈颙, 黄庭芳.岩石物理学[M].北京大学出版社, 2001.
可视化物理模拟 篇4
随着我国煤矿开采规模的不断扩大, 火灾发生的机率也在不断增加, 当火灾发生时如何迅速准确的掌握矿井通风网络内各种烟气的流动状态及分布, 从而实现正确的指挥现场救灾尤为重要。最近几年, 可视化技术和计算机硬件的高速发展使得三维模拟技术应用得到了飞速的发展, 使我们可以精确地模拟井下火灾的发展。矿井火灾过程可视化仿真模拟技术是运用流体力学、传热学、燃烧学和矿井通风学的基本原理, 结合数学和计算机可视化技术来实现火灾过程的仿真模拟。
由于Open GL (开放性图形库) 能实现高性能的三维图形功能和VC++语言强大的开发功能, 可以把火灾现场模拟得更加真实, 同时也兼顾了系统的通用性、可扩展性, 从而可以很好地满足矿井火灾模拟系统的设计要求。
2 主要技术的实现方法
2.1 外部三维图形的输入与处理
目前三维技术在国内工程中的应用较为广泛, 3DS已经成为一种非常普遍的数据格式, 在微机上直接利用3DS Studio Max软件制作3DS格式的三维图形文件也非常容易, 因此矿井工程设计图也可以采用3DSMAX软件来绘制, 这样我们就可以很方便地读取和操作这些已经绘制好的矿井三维图形文件, 而不需要在自己在模拟系统中绘制这些复杂的三维图形, 这样将极大的缩短模拟时间、降低人力成本, 从而很快的形成生产力。
要想能够在火灾模拟系统中读取和操作3DS格式文件首先要对3DS文件数据结构有一个清楚地认识, 然后才能设计相关程序。3DS文件有一个如图1的层次结构。基本块是整个文件的开头, 其ID是4D4D, 编辑程序块表明了程序数据 (物体形体数据定义) 的开始, ID是3D3D, 而关键帧块的ID是B000, 其中三角形列表块和光源块包含的子块在图中没有列出来, 它们及其ID分别是:顶点列表块 (4110) 、顶点选项块 (4111) 、面列表块 (4120) 、面材质块 (4130) 、纹理映射坐标 (4140) 、面平滑组块 (4150) 、局部坐标轴块 (4160) 、标准映射 (4170) 、RGB颜色块 (0010) 、24位RGB颜色块 (0011) [1]。
在了解其文件结构后, 就可以通过编写VC++和Open GL结合的程序来实现文件内容的读入。首先要在程序中先定义要绘制对象的一系列数据结构, 如材质、位置矢量、RGBA、颜色、关键帧等, 然后根据这些数据结构通过三角形近似, 在模拟系统中显示3DS文件图形。首先先定义一个对象类CTri Object, 主要用于处理3DS文件中的各种对象, 主要包括以下成员变量:
再定义一个3DS文件的读入类C3ds Reader主要将3DS文件中的内容读入到上述CTri Object类中, 根据内容不同采用不同的读入函数, 部分读入函数如下:
最后我们在CTri Object类中绘制出3DS对象, 外部形状主要采用三角形来近似, 可以在程序中表示如下:
2.2 烟气及火焰的模拟
2.2.1 模型的建立
建立恰当的烟气及火焰模型, 是矿井可视化模拟的重要组成部分, 根据烟气流及火焰的特点, 目前最优的模型应该是粒子模型了, 粒子系统算法是由Reeve于1983年提出的为模拟不规则模糊物体建模的算法, 其基本思想是把模糊物体看作是不规则的、随机分布的粒子团, 把粒子看作是简单的点, 并忽略粒子间的相互作用, 各粒子均有自己的属性, 如颜色、形状、大小、生命周期、速度等, 系统在不同时刻的状态由粒子的动力学性质决定, 粒子随时间的推移而不断地运动并改变状态。粒子模型的这些特征, 使得烟气流及火焰的模拟更加逼真。
用于模拟火焰和烟流的粒子具备以下几个特征参数:位置、大小、速度、加速度、颜色等[2]。每个特征参数都要给出确定的变化范围。因此可以定义粒子模型的基本结构如下:
我们可以根据这一基本结构利用程序来实现烟气流和火焰的模拟, 首先我们需要分别为火焰和烟气流建立一个类, 在类中有这样一些函数:粒子的初始化、描述粒子运动时的状态, 管理生命周期。其中初始化应该包括:根据给出粒子各属性值的范围, 在范围内根据一定的随机过程初始化粒子的所有属性。
粒子的运动由粒子的动力学性质决定, 先仅考虑风力和重力, 首先定义风的基本结构:
假定重力加速度是一常矢量g={0, 9.8, 0}, 风力随时间不断变化, 引入风力加速度W (t) ={Wx (t) , Wy (t) , Wz (t) }。速度反映了粒子运动时的状态, 而加速度反映了粒子运动的趋势。设粒子的速度和加速度分别为v (t) 和a (t) , a (t) =W (t) +g, t为时间参数, 则有:v=v0+∫adt;s=s0+∫vdt.
粒子消亡有两种情形:一种是其生命到了尽头而自然消失;另一种是生命尚存在, 但由于超出了屏幕边界而中途夭折, 第一种情况可以设置它的生命长度, 随着时间的推移生命时间的减少来控制, 而第二种可以根据检测粒子是否到了屏幕的边界设置它是否死亡。在粒子场中, 随着旧粒子的不断消亡, 活的粒子数量将不断减少, 因此必须根据实际情况不断地产生一定数量的新粒子, 以模拟火灾不断燃烧的过程。
2.2.2 碰撞过程设计
在火焰和烟流的模拟中, 对于如何判断粒子在流动过程中是否遇到了障碍, 采取的是以固定的空间限制烟流的运动来实现[3]。具体方法是, 火焰燃烧的空间是已知的, 也即受限空间的高度和宽度已知, 当烟流粒子的高度等于受限空间的高度时, 获得一个反弹力N, 它产生了加速度f, 这个反弹力同样是一个随机的、大小局限在一定范围的弹力, 此时a (t) =W (t) +g+f。用程序语言描述为:
对于水平方向的碰撞可以采用相同的方法解决。
3 结论
通过以上论述, 采用通过从外部读入模型文件的方法和粒子算法基本可以解决火灾的实时可视化问题。但是, 由于火灾模拟相当复杂, 笔者只是对火灾可视化一些关键技术应用做了初步探索, 要使软件系统能够完全适用于火灾实时可视化, 还需要解决很多问题。
摘要：论述了矿井火灾可视化关键技术的实现方法, 包括外部三维图形的输入与处理、烟气及火焰的模拟, 给出了相关模型及参数。
关键词：矿井火灾,模拟,可视化
参考文献
[1]和平鸽工作室.OpenGL高级编程与可视化系统开发.高级编程篇[M].北京:中国水利水电出
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可视化物理模拟 篇5
无论是化油器式的二冲程汽油机还是使用电喷系统的二冲程汽油机, 扫气过程的评价一直是CFD模拟的重要角色, 就如我们一直总是希望减少泵气损失, 尽可能提高实际捕获效率一样 (缸内捕获的空气的量) 。而对扫气过程的模拟, 随着计算机的不断发展, 从20世纪90年代开始一直不断地更新优化, 而如今, CFD模拟计算对于二冲程汽油机的研发人员来说, 已经可以非常精准的预测二冲程的扫气及性能指标。传统的二冲程CFD模拟计算都主要集中在如果建立二冲程缸内的流动模型, 而本文重点围绕如何精准的对所需了解的二冲程进行建模计算, 同时定性的可视化分析燃油短路损失的整个过程, 为设计师的研发工作提供可靠的数据。
本文利用流体计算力学软件Fluent对二冲程缸内的扫气过程进行数值模拟, 整个模拟流程如图1所示, 其主要内容包括, 二冲程汽油机气缸几何模型的建立;数学模型的建立;计算网格的划分;边界条件和初始条件的确定;方程的离散和求解;可视化处理与分析, 通过改变气口的布局及几何参数来分析其对扫气过程带来的影响。
1 模型
模拟计算是对物理系统在不失其物理本质特性的前提下所做的一种合理简化与高度概括, 计算机模拟是在计算机上通过系统模型去模拟一个存在或正在设计中的真实系统, 以可视化或分析真实系统的本质特征。所以精准计算的第一步是模型处理。
1.1 物理模型
CFD模拟流程中, 准确进行数值模拟的一个重要前提是对所有几何模型的准确描述, 本文主要是对1E45.2FF二冲程的扫气过程进行研究, , 因此, 在保证对模拟结果不会产生很大影响的前提下, 同时为了避免在网格划分时产生网格尺度的巨大差异, 在FLUENT前处理软件中对几何尺寸很小或对空气流动影响不强烈的部件进行适当的简化和省略, 对于二冲程扫气过程来说这一过程相当重要。过多的简化会给计算结果带来偏差, 尤其是几个气口的几何形状, 本身对扫气的结果影响很大, 所以对待它们要非常谨慎。图2为本次模拟计算处理后的物理几何模型。表1为此次模拟的二冲程发动机的参数, 包括缸径, 冲程, 扫气、排气定时等。
图2简化后的几何模型
1.2 计算模型
数学模型:二冲程里的扫气流动是一个三维, 非稳态的, 可压缩的并且非等温的湍流流动, 湍流模型里, 目前有很多湍流运动模型, 大致分为这几类, 即湍流运输系数模型, 直接建立湍流应力和其它二阶关联量的输运方程, 大涡模拟。在选择湍流模型时要结合实际情况, 综合考虑各种物理现象以及计算量、计算时间和计算精度的要求。单方程模型计算量少, 主要应用于航空流体机械的仿真计算, 双方程湍流模型的计算时间和计算量均能被接受, 适合一般和比较复杂的流的模拟, 标准的k-ε, 能模拟复杂的流域的流动问题, 模型稳定, 计算精度高, 目前应用最为广泛。本文的计算中也选用这一模型, 图3为fluent模型选择的界面。
基本控制方程:在进行二冲程流体计算时, 基本守恒定律都必须满足, 由它们分别导出质量守恒方程, 动量守恒方程, 能量守恒方程, 得到纳维尔-斯托克斯偏微分方程组, 这个方程组是流体流动所必须遵守的普遍规律, 加上前面所述的数学模型, 构成封闭的方程组来用数学描述特定流场、流体的运动规律。
2 边界条件
该模拟计算除了需要精准的模型外, 计算的边界条件和初始条件也是至关重要的, 它们直接影响了整个扫气流动的过程。获得边界条件的方法有两种, 一种是通过一维软件模拟, 一种是通过实际测量。为了更能够精准的获得扫气过程, 本文中所用到的边界条件全部是实测得到的, 这也是为什么上图所出示的发动机模型中不包括曲轴箱, 因为扫气压力已经通过边界给出。本次计算需要的边界条件包括计算初始时刻时的:缸内压力、温度;扫气口压力、温度;排气口压力温度。而边界条件的测量由于二冲程本身紧凑又小的机型显得有些困难, 传感器布置点的选择对测量准确性影响非常大。为了更加准确, 一般测点的位置尽量要做到与计算的发动机模型的边界点一致。图4和图5分别为边界条件现场测试图。
3 计算网格的划分
对于不规则区域进行离散模拟以生成网格, 它是数值求解流体动力学问题的重要内容之一, 网格的类型和质量直接影响问题求解的精度, 甚至影响数值计算的收敛性。这项工作在CFD前处理软件中GAMBIT里进行, GAMBIT网格划分能力还是比较强的, 也很智能, 这里划分后基本为高质量的四面体, 六面体和混合型网格。
发动机在工作过程中, 活塞是做往复运动的, 这篇文章的中心就是运用FLUENT研究发动机工作过程的气体流动, 所以初始网格生成后, 还要考虑在不同曲轴转角时, 对应不同的活塞位置需要重整计算区域网格问题, 使网格能够动态的适应计算区域的变化, 所以网格中, 缸体部分设置成动网格。
网格划分后, 调整局部节点位置, 保证二维网格最小角度不小于15°CA, 检查等角斜率和尺寸斜率, 一般要求在0.85以下, 不然在计算中难收敛。
4 计算结果及分析
本文中CFD计算的始点和终点以排气口为准, 目的是计算出在扫气过程开始到结束后逃逸的新鲜充量以及扫气结束后滞留在缸内的新鲜充量。
计算是从109°CA转角开始, 此时, 排气口即将打开, 缸内的温度和压力碰撞过程即将结束时的状态。计算时间步长为0.5°CA, 转速8500rpm。模拟不包括燃烧过程, 为明确新鲜充量逃逸量, 故假设燃烧室内均为燃烧废气CO2, 而新鲜充量皆为O2, 并对组分运输过程进行模拟。
4.1 扫气、排气道-缸内系统的流场分析
二冲程汽油机的扫气过程分为三个阶段, 即自由排气阶段 (扫排差部分, 这部分时间需要缸内压力降到一定的水平, 为下一阶段的扫气准备) , 接下来扫气口打开后继续开始扫气排气阶段, 在这个过程中新鲜气进入缸内扫除废气, 同时也会有一部分损失到排气里, 这个扫气过程在扫气口关闭后, 排气口会存在一段延迟定时再关闭, 所以这段时间逃逸的新鲜混合气占的比例比较多。我们称之为过后排气或者额外排气阶段。此计算模拟的分析目的就是分析上述三个阶段是否合理, 以及提供优化工作的方向。
(1) 自由排气阶段。自由排气阶段对于二冲程扫气来说相当重要, 这阶段的设计主要取决于排气口、扫气口的相位, 以及气口面积随曲轴转角的变化关系。此阶段的目的是卸掉缸内一定的压力, 并且排除部分废气, 为下一阶段的扫气做准备。图8和图9很清楚的看出排气道中压力有一定程度的升高。
(2) 扫气阶段。扫气阶段, 从扫气口打开后, 曲轴箱里的新鲜混合气, 缸内的废气, 排气道内的废气成为开口状态, 所以从此刻开始, 如果设计师设计有缺陷, 就会有大量的新鲜混合气逃出排气道。图10和11分别是扫气口打开后经过一段时间, 即曲轴转角在119度时模型中各个位置氧气浓度的分布及压力分布, 不难看出在扫气口打开的一段时间内, 扫气道中的新鲜气并没有进入到缸内, 而是废气在缸内和扫气道的压差作用下, 先是回流到扫气道内, 从扫气道内压力升高来看也是回流的作用。从图12, 图13中可以看出, 至此代表新鲜混合气的氧气才开始进去缸内, 即从扫气口打开约30°的曲轴转角期间, 废气一边被扫出排气道, 一边回流到扫气道内。图14和图15分别为曲轴转角179°时的氧气浓度分布和压力分布。
新鲜混合气扫气进入缸体后, 承担着扫气作用, 同时还不可避免的直接流出排气道, 这就是我们可视化模拟的主要目的, 准确的了解任何时候有多少新鲜气流出排气道, 从图16a, 16b可以看出, 在曲轴转角199°时, 已经有新鲜充量逃逸。一直到214°曲轴转角时, 逃逸已经比较明显, 从图17的速度矢量图和图18的氧气分布图可以看出。扫气和逃逸一直持续到扫气口关闭, 扫气过程已经结束, 而此时排气口还未关闭, 逃逸还会继续。
(3) 额外排气阶段。
扫气口关闭后, 迎来对二冲程排放最不利的阶段, 逃逸, 因为排气口还在打开的状态, 所以只要缸内的压力大于排气道内的压力, 缸内的新鲜混合器就会逃逸到大气中。这也是模拟可视化的一个重点。而这部分的逃逸的多少直接影响排放的水平。图19为排气口关闭后缸内的氧气分布图。
4.2 计算结果分析
以上图示可以直观地看出整个扫气过程的流场, 气体从扫气道到缸内, 然后到排气的整个过程, 通过可视化的模拟计算, 可以对比不同的扫气参数给发动机性能带来的变化及影响, 而最终确定发动机的扫气设计方案。图20是计算得到的气缸内各出入口瞬态的气体质量流率, 在这张图上, 可以清楚地看到, 活塞在各个位置时, 扫气道入口, 排气出口的新鲜气 (氧气代表) 和废气的质量流率, 这对于设计工程师来说相当重要, 为了便于在不同方案中或者不同机型中进行比较, 引入以下两个参数:逃逸率, 实际充量的纯度。
逃逸率:从排气口逃走的新鲜混合气气体质量与每循环进入气缸的全部扫气气体质量之比。
Φ=Gg/Gs=15.38%
其中:Gg:每个工作循环内从排气口逃走的新鲜混合气气体质量;
Gs:每个循环进入气缸参与扫气的新鲜混合气气体质量;
实际充量的纯度:燃烧前缸内捕获的新鲜气与气缸内总充量的比值。
通过计算得到缸内的新鲜充量。
从以上两个参数, 可以定性分析方案的改进或者设计效果。
5 验证
为了检验数值模拟计算结果是否正确, 是否能够真实反馈发动机的问题, 指导二冲程汽油机的改进设计, 特意进行了改进设计机型的模拟计算, 以及这两款机型的试验验证。由于篇幅有限, 这里仅给出计算结果和部分试验结果以说明问题。
表2给出了改进设计机型的参数, 同样对其进行上述的短路损失的模拟计算, 得到图21改进机型缸内各处气体流量曲线。通过计算得到逃逸率和充量纯度:
缸内的新鲜充量:П=61%
逃逸率:Φ=Gg/Gs=10.4%
通过比较计算结果得出:改进机型的逃逸率要比原机小, 而若假定发动机能够完全燃烧, 那么两者发出的功率相当, 改进机型可能会稍小一点。
为了进一步验证模拟计算是否具有真实的指导意义, 特对此两款机器进行台架试验。
发动机性能试验装置如图23所示, 实验采用科达测功机ACD-3进行功率, 转速, 油耗等性能参数的测量和控制, 发动机安装在相应的台架上, 尾气分析仪采用AVL-AMA1800分析仪。
实验得到的结果如表3所示, 通过结果比较可以得出, 原机与改进机计算的逃逸率分别为15.38和10.4, 改进了32%;而实测的排放值分别为101和80, 改进了21%。原机与改进机计算的新鲜充量纯度分别为64和61, 下降了0.05;而实测的功率值分别为1.71和1.6, 下降了0.064.从这些结果可以看到, 短路损失的可视化模拟计算可以比较准确地预测发动机的功率和排放水平。
6 结论
采用三维模拟CFD方法对二冲程汽油机的扫气过程进行可视化模拟, 可以得到缸内真实的流动状态, 弥补了试验中不可见的猜测状态, 为设计者提供很好的可视化过程。在边界条件真实可靠的前提下, CFD可视化模拟可以代替试验快速地得到设计方案或者改进的优化方案的逃逸率和捕获效率, 供设计工程师参考, 节省了开发时间和开发费用。
摘要：传统二冲程的发动机以其高比功率而闻名, 但是它却被由高的HC的排放所困扰, 而造成排放过高的原因归结于扫气过程的燃油短路损失。在二冲程开发设计中, 对于设计师来说, 了解何时并有多少新鲜气损失是非常重要的。本文采用CFD软件FLUENT对二冲程汽油机扫气道, 排气道以及缸内的气体运动流畅进行三维瞬态的模拟, 通过了解气体流入, 流出以及缸内的非稳态流动过程, 精准的得到逃逸的短路损失以及逃逸曲线, 为设计师的设计提供重要的数据。
关键词：二冲程,发动机,短路损失,模拟
参考文献
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可视化物理模拟 篇6
水压驱动技术作为人类可持续发展的一项环保、节能新技术, 正在不断发展, 锥阀是作为水压控制系统不可缺少的元件, 其性能对整个系统的性能起着至关重要的作用。由于阀是通过控制流体流动来操作系统的, 因此, 阀内的流体流动状态就成为决定阀操作性能最为重要的因素。随着水压元件开发的发展, 阀产品压力和流量达到了新的高度, 高雷诺数, 湍流、空化等成为阀口水流动的主要特征, 水空化产生的空泡的高蒸汽含量, 使得水的空化有比油具有不同的空化特点。在水压阀口下游附近有大量的水蒸气泡溃灭。水比油有较高的密度和较大的体积弹性模量, 因而加剧了空泡溃灭时的水锤效应, 且水的低粘度对压力波的衰减效果差, 导致了水压阀口产生了空化噪声和压力波动比油压阀的情况要剧烈。由于有空泡的存在, 水压元件阀口的空化流动势必增加阀口流动阻力, 从而影响阀口的压差-流量特性。空泡溃灭时产生冲击波和微射流, 空泡在固体壁面溃灭导致材料的剥蚀。总之由于水的饱和蒸汽压力、含气量、粘度、密度和体积弹性模量等物理化学特性使空化不仅易于产生, 而且空化的气蚀、噪声、振动和压力流量的变化等负面效应更为显著[1,2,3,4]。这些正是研制水压阀存在的主要难题, 因此认识阀中产生气穴的状况、气穴与阀口形状的关系, 以避免产生气穴现象是极其重要的事情, 有限体积数值计算方法是一种可行而有效的流场计算法, 本文主要对阀座倒角长度变化对水压阀阀道内流场的影响进行数值模拟和可视化研究。
1 几何建模与网格划分
锥阀按使用情况分外流式和内流式两种, 本文选择外流式作为研究对象如图1所示, 外流式锥阀水流流动方向从下阀腔流入从上阀腔流出[5]。由于锥阀结构型式繁多, 而且具体尺寸也是根据实际应用情况所定;没有统一的规格, 因此本文仅对锥阀阀口最基本的结构进行建模, 其它辅助结构的影响不予考虑。
由于水的压缩性是非常小的, 压力每增加101.3 kPa时, 其体积变化不到万分之一, 因而在计算中完全可以忽略压缩性的影响, 按不可压缩处理, 并假定水为粘性牛顿流体。计算中不考虑流体重力的影响。以图2所示的流动区域作为求解区域, 建立计算所需的CFD锥阀模型, 锥阀内的实际流动应该是三维的, 但考虑到流动的特性, 将阀内流动近似为二维流动, 根据锥阀内流动对称性原理, 只取流动区域的一半作为计算对象, 结构参数为进口直径d=12mm, 阀口间隙
在水压阀的二维CFD模型中, 选用纯水作为流动介质进行解析计算。其物理参数如表1所示。
2 计算结果与分析
在入口速度为4 m/s, 出口为0.1 MPa的相同边界条件下, 对阀座倒角长度s分别取为
从压力分布图 (图3) 和阀芯表面上压力分布曲线 (图5) 上, 可以看出: 1区产生了很大的负压区, 这是由于高速液体在通过阀芯和阀座的间隙时, 产生了高速射流, 而流线不能转折, 所以在这个区域产生了回流, 由此产生了负压。对比不同倒角长度s条件下, 发现在
3 结论
通过对外流式水压锥阀模型进行二维流场解析, 发现倒角长度的改变对阀口间隙以及阀芯锥面与柱面相接的地方的负压会产生比较大的影响, 这些结果将为设计者在设计锥阀时, 选取阀座的倒角长度s, 节流处间隙h, 提供一些参考;为了避免或尽量减少气穴产生的可能性, 提供理论依据。
参考文献
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可视化物理模拟 篇7
核设施退役作业过程具有高放射性,且复杂程度高,需要在前期开展大量的相关科研工作。在制定具有安全性、可靠性、经济性的退役工程计划过程中[3,4],核设施退役环境中三维辐射场大量的可靠性计算与数据的采集至关重要。考虑到作业人员受到的照射保持在尽可能低的水平、退役费用的节省, 将虚拟现实技术运用到核设施退役过程中三维辐射场的计算和评估,不仅在人员的安全性上有足够的保障,而且在经济性和可靠性上具有突出优势[5—7]。对于给定的核设施退役作业过程场景,构建了目标问题动态三维辐射场模型; 并对辐射剂量场进行了蒙特卡洛数值模拟计算和全范围可视化。
1 核设施退役作业过程场景建模
针对核设施退役环境中三维辐射场,实现核设施退役作业过程三维辐射场建模与计算路线如图1所示。
利用三维造型软件对所需的核设施退役三维环境进行建模。在建模过程中,既要兼顾核设施退役的工作场景及机械作业过程中的真实性; 又要保证模型尽量简化,以缩短后续辐射场计算时间、核设施退役的工程周期,提高实际工程问题的工程速度和经济性。
模型原点( 0,0,0) 设在房间内的一角,房间内部空间为6 m×20 m×5 m的空间,房间墙壁均为1 m厚的混凝土,该环境下共存在5个放射源,源项具体说明,如表1所示。
为客观的反映出在工程实践中出现的较为复杂的源项问题,选取了不同物质材料的中子源与γ源作为模拟源项,并同时取用单一和离散的能谱分布形式。其中3、4、5号源能量为单一能谱分布,分别为1. 17 Me V、3 Me V、1 Me V,而1、2号源能量分布如表2所示。
模型中5个放射源的几何中心在XOY平面的投影位置,如表3所示。
建模后的效果图,如图2所示。
图中1 ~ 5为放射源,6为屏蔽体,7为一辆在该核设施退役场景中进行作业的工程作业车。
2 目标问题动态三维辐射场计算
在充分考虑核设施退役场景中的几何结构及源项情况,例如源项能谱分布、类型、位置及形状大小等各种几何结构后,利用核与辐射输运计算自动建模软件( MCAM)[8]与蒙特卡洛计算软件( MCNP) , 得到目标问题三维辐射场计算结果。对于较为复杂的源项,在辐射场的计算过程中需要对每个源项逐个计算,再对整个核设施退役环境中的辐射场进行整体求和。
由于要求对三维辐射场进行可视化,则要对核设施退役环境进行布点测量三维辐射场的粒子注量率或能量注量率,随着测量点数量的增加,可视化的辐射场愈精确,但随着测量点数目的增加,辐射场的计算时间也将同时增加,这无疑是降低了其工程速度和经济性,因此需要找到一个适当的测量点数量, 在保障辐射场准确性和可靠性的前提下,尽量减少测量点的数目。虚拟仿真中设定的测量点间距为10 cm,因此得到一个60×200×50的测量点阵,获得整个核设施退役环境的辐射场分布。
3 计算结果与分析
3. 1 三维辐射场可视化
通过对核设施场景的建模和计算得到一个关于整个核设施退役环境辐射场三维的矩阵,利用辐射虚拟仿真系统( RVIS)[8]将该矩阵和核设施退役场景的三维模型相耦合,实现该核设施退役场景中三维辐射场的可视化[9],效果如图3所示。
3. 2 作业机械关键零部件在不同步长时瞬时粒子 注量率
因为电子电路中含有仪控仪表、半导体等易受辐照损坏的电子元件,在退役作业过程中作业机械接受的辐射剂量同样也需要考虑,虚拟仿真中设定工程作业车以每2 m一个步长沿直线前进,模拟计算以控制仪表及电路中半导体材料为例的作业机械关键零部件位于工程作业车顶部半球,且被一层钨镍合金的屏蔽材料包裹,模拟计算得到作业机械关键零部件不同步长的瞬时粒子注量率结果统计如图4所示。在模拟计算时,每个源项均选择109个粒子进行模拟 计算,光子的粒 子注量率 误差范围 在1. 04% ~ 3. 52% ,中子的粒子注量率误差范围在0. 07% ~ 1. 58% 。
图中看出作业机械关键零部件在不同步长时瞬时中子注量率、光子注量率的变化与虚拟仿真得到可视化的三维辐射场相吻合,中子注量率在4步长时达到最大值,光子注量率在2步长时达到最大值, 在6、7步长时略有升高。
3. 3 模拟计算结果的理论验证
当测量点与辐射源的距离比源本身几何尺寸大5倍以上,即可以将辐射源看成是点源,为了验证虚拟现实技术应用于核设施退役中三维辐射场计算结果的准确性和可靠性,本文选用空气中照射量率理论计算公式对选取的验证点进行理论验证,选取的验证点在空气中照射量率理论计算公式为:
式中Ai为第i个源的放射性活度,Γ为放射性核素的照射量率常数,r为选取的测量点到点源的距离。
选取Q1( 380,1 650,500 ) 、Q2( 380,1 700, 500) 、Q3( 380,1 750,500) 、Q4( 380,1 800,500) 、Q5 ( 380,1 850,500) 进行验证,将验证点的照射量率与虚拟现实技术模拟计算的照射量率进行做比,结果如图5所示。
从图5中可以看出,验证点的照射量率与虚拟现实技术模拟计算的照射量率之比范围为0. 89 ~ 1. 2,模拟计算值与理论值较为一致,虚拟现实技术模拟计算的三维辐射场具有可靠性、可行性和真实性。
4 结束语
核设施退役过程中工况复杂,退役作业过程中的源项及周围环境在时刻发生变化,本文采用专业软件针对给定的核设施退役作业过程场景进行了合理建模,对目标问题的三维动态辐射场进行了模拟计算与可视化,并对模拟结果进行了分析与验证,仿真结果能够直观反映核设施退役场景中剂量的分布情况。本研究工作可为下一步建立核设施退役工程虚拟仿真综合平台,实现最优退役途径选择,退役方案优化,退役作业过程中人、机、环境辐射剂量评估提供软件基础与数值依据。
参考文献
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