一種面向虛擬化工實驗教學(xué)的管路流體流動的仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機(jī)仿真領(lǐng)域，具體涉及一種面向虛擬化工實驗教學(xué)的管路流體流 動的仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 化工單元操作實驗是以化工生產(chǎn)為背景，將工廠大型生產(chǎn)裝置小型化后，用于實 驗教學(xué)以及高級應(yīng)用型、技能型人才的培養(yǎng)與培訓(xùn)?；卧僮鲗嶒炑b置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多以 不銹鋼材料制成，實驗過程中，受裝置內(nèi)部不可見以及不可拆卸等問題的局限，實驗操作人 員往往很難理解實驗過程及原理。
[0003] 隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的日益提高，將化工單元實驗通過仿真技術(shù)進(jìn)行模擬可視化 受到越來越多的關(guān)注，由于流體流動是所有化工單元實現(xiàn)的基礎(chǔ)，如何實現(xiàn)符合化工過程 流體流動實際規(guī)律的流體流動可視化仿真成為化工實驗虛擬過程的基礎(chǔ)。由于管路中流體 的流動是非常復(fù)雜的過程，其直觀體現(xiàn)為層流、過渡流、湍流等不同流動形態(tài)，不同流動形 態(tài)有完全不同的傳質(zhì)、傳熱規(guī)律，而管路流體實際流動不僅受流體自身參數(shù)（流速、粘度、 密度、濃度等）的影響，還受到管路參數(shù)（管型、管徑、粗糙度、管件狀態(tài)）的影響，需要通過 合適方法，在仿真過程中建立簡單有效的流體流動形態(tài)與管件狀態(tài)（閥門開度等）的響應(yīng) 關(guān)系，這是化工單元實驗仿真的基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種面向虛擬化工實驗教學(xué)的管路流體流動的仿真方法， 解決化工實驗中流體流動狀態(tài)與管件狀態(tài)響應(yīng)關(guān)系的仿真問題，從而達(dá)到輔助實驗教學(xué)、 展現(xiàn)實驗過程及原理的目的。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種面向虛擬化工實驗教學(xué)的管路流體流動的仿真方法，其特征在于，在3ds max 中建立管道和閥門組成的管路模型，首先為每節(jié)管道的兩端分別指定一個節(jié)點，為節(jié)點添 加一個初值，將連接兩節(jié)管道的閥門作為事件觸發(fā)對象，為管道兩端的節(jié)點以及事件觸發(fā) 對象添加觸發(fā)事件腳本代碼；系統(tǒng)運行時，當(dāng)改變事件觸發(fā)對象狀態(tài)時，管道一端的節(jié)點調(diào) 用觸發(fā)事件腳本，訂閱另一端節(jié)點的初值改變自身初值，完成后此節(jié)點輸出改變后的值，通 過關(guān)聯(lián)算法改變與下一節(jié)管道相鄰的節(jié)點的值，根據(jù)事件觸發(fā)對象的狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的觸發(fā) 事件實現(xiàn)部件響應(yīng)關(guān)系的仿真效果。
[0007] 所述方法的具體實現(xiàn)步驟包括：
[0008] 步驟1 :仿真過程中流體流動的實現(xiàn)
[0009] 流體在管路中的流動依靠的是壓力差，總是從高壓流向低壓。建模時首先在3ds max中為每節(jié)管道首尾添加虛擬點aN、bN，然后將模型導(dǎo)入到unity3D中為管路添加粒子系 統(tǒng)、虛擬點添加壓力值以及壓力觸發(fā)事件（閥門開關(guān)）腳本，通過壓力值大小控制流體流動 方向，粒子系統(tǒng)體現(xiàn)流體流動及流速。初始化時為管道的首個虛擬點的壓力值P la賦一個恒 定的壓力值，閥門狀態(tài)變化后，比較管道兩端pla、plb的大小，確定流體流動方向，實現(xiàn)流體 流動的仿真。然后plb通過訂閱p la點的壓力觸發(fā)事件改變自身的壓力初值，與閥門相鄰的 下一節(jié)管道的首點p2a根據(jù)p lb點的壓力值，通過關(guān)聯(lián)算法改變壓力值。
[0010] 流體通過閥門后壓力關(guān)系的算法與閥門流量特性曲線以及流體流動方程有關(guān)，依 據(jù)閥門手冊中閥門流量特性曲線，擬合出Q/Q_%~閥門開度的關(guān)系式，比如球閥，該關(guān)系 式為：Q/Q_= 〇. 94x 3-0. 17x2+0. 22x-0. 01 (Q :流量、x :閥門開度），系統(tǒng)根據(jù)閥門的開度得 到流經(jīng)閥門后的流量Q，根據(jù)Q = u*A(u :流速、A :管道截面積）得到此時的流速，最后以閥 門流量系數(shù)方程
（Av:流量系數(shù)、qv:體積流量、P :流體密度、AP :壓力損 失）得出下一節(jié)管道首點的壓力值。
[0011] 步驟2 :仿真過程中流體流動形態(tài)響應(yīng)關(guān)系的實現(xiàn)
[0012] 化工設(shè)備中閥門的種類、開度、初始壓力、管路直徑、密度等影響流體的流速， 并決定著流體的流動型態(tài)。系統(tǒng)開發(fā)時根據(jù)真實設(shè)備上閥門的種類，流體物性參數(shù)，以 transform. RotateO代碼控制閥門開度，輸出閥門開度參數(shù)，通過閥門流量特性曲線，比 如對于球閥，Q/Qmax= 0. 94x 3-0. 17x2+0. 22x-0. 01以及Q = u*A得出經(jīng)過閥門后流體的 流速u，帶入尤=^，再依據(jù)其數(shù)值確定流體流動型態(tài)（若Re < 2000流動為層流、 2000 < Re < 4000為過渡流、Re多4000為湍流）。
[0013] 步驟3 :仿真過程中流型可視化呈現(xiàn)
[0014] 利用unity3D腳本代碼控制管路可見性、流體流速、響應(yīng)關(guān)系腳本和觸發(fā)事件腳 本，根據(jù)步驟2中得到的Re判斷流體流動型態(tài)，以if ()語句判定流體流動型態(tài)；依據(jù)流動 型態(tài)通過particle Emitter. rndVelocityO控制粒子在不同軸向的速度仿真流動型態(tài)，當(dāng) 流動為層流時，x、z軸方向上粒子速度為零，y軸方向為粒子流動方向，即流體流動方向；當(dāng) Re多2000時，隨著粒子在y軸方向的速度的變大，x、z軸方向上的速度逐漸增大，以此模擬 仿真流體的端流流動，此外以particle Emitter. Emit()控制粒子發(fā)射總數(shù)，節(jié)省計算機(jī)資 源，加快計算機(jī)運行速度。
[0015] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于化工流體流動基本原理和計算機(jī)仿真技術(shù)， 建立了簡單有效、符合實際規(guī)律的流體流動狀態(tài)與管件響應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)管路流體流動過程 及現(xiàn)象的可視化仿真，有助于用戶理解流體流動過程。
[0016] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以具體實施 方式為限，而是由權(quán)利要求加以限定。
【附圖說明】
[0017] 圖1為是本發(fā)明方法的基本原理圖。
[0018] 圖2是層流流動時，流體流動仿真的效果圖。
[0019] 圖3是湍流流動時，流體流動仿真的效果圖。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明方法實現(xiàn)的基本原理如附圖1所示，以單片式球閥管路流體流動為例。
[0021] 系統(tǒng)開發(fā)時在每節(jié)管道兩端添加相應(yīng)的虛擬點ai、bp a2、b2以及該點對應(yīng)的壓力 值Pla、Plb、P 2a、P2b和粒子系統(tǒng)，為虛擬點添加壓力點觸發(fā)事件腳本，單片式球閥添加開關(guān)控 制腳本以及響應(yīng)關(guān)系腳本。