一种面向虚拟化工实验教学的管路流体流动的仿真方法

摘要

本发明公开了一种面向虚拟化工实验教学的管路流体流动的仿真方法，在3ds max中建立管道和阀门组成的管路模型，首先为每节管道的两端分别指定一个节点，为节点添加一个初值，将连接两节管道的阀门作为事件触发对象，为管道两端的节点以及事件触发对象添加触发事件脚本代码；系统运行时，当改变事件触发对象状态时，管道一端的节点调用触发事件脚本，订阅另一端节点的初值改变自身初值，并通过关联算法改变与下一节管道相邻的节点的值，再根据事件触发对象的状态调用相应的触发事件实现仿真。本发明建立了简单有效、符合实际的流体流动状态响应关系，实现管路流体流动过程及现象的可视化仿真，有助于用户理解流体流动过程。

说明书

技术领域

本发明属于计算机仿真领域，具体涉及一种面向虚拟化工实验教学的管路流体流动的 仿真方法。

背景技术

化工单元操作实验是以化工生产为背景，将工厂大型生产装置小型化后，用于实验教 学以及高级应用型、技能型人才的培养与培训。化工单元操作实验装置结构复杂，多以不 锈钢材料制成，实验过程中，受装置内部不可见以及不可拆卸等问题的局限，实验操作人 员往往很难理解实验过程及原理。

随着计算机仿真技术的日益提高，将化工单元实验通过仿真技术进行模拟可视化受到 越来越多的关注，由于流体流动是所有化工单元实现的基础，如何实现符合化工过程流体 流动实际规律的流体流动可视化仿真成为化工实验虚拟过程的基础。由于管路中流体的流 动是非常复杂的过程，其直观体现为层流、过渡流、湍流等不同流动形态，不同流动形态 有完全不同的传质、传热规律，而管路流体实际流动不仅受流体自身参数(流速、粘度、 密度、浓度等)的影响，还受到管路参数(管型、管径、粗糙度、管件状态)的影响，需 要通过合适方法，在仿真过程中建立简单有效的流体流动形态与管件状态(阀门开度等) 的响应关系，这是化工单元实验仿真的基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向虚拟化工实验教学的管路流体流动的仿真方法，解决 化工实验中流体流动状态与管件状态响应关系的仿真问题，从而达到辅助实验教学、展现 实验过程及原理的目的。

本发明采用的技术方案为：

一种面向虚拟化工实验教学的管路流体流动的仿真方法，其特征在于，在3ds max中建 立管道和阀门组成的管路模型，首先为每节管道的两端分别指定一个节点，为节点添加一 个初值，将连接两节管道的阀门作为事件触发对象，为管道两端的节点以及事件触发对象 添加触发事件脚本代码；系统运行时，当改变事件触发对象状态时，管道一端的节点调用 触发事件脚本，订阅另一端节点的初值改变自身初值，完成后此节点输出改变后的值，通 过关联算法改变与下一节管道相邻的节点的值，根据事件触发对象的状态调用相应的触发 事件实现部件响应关系的仿真效果。

所述方法的具体实现步骤包括：

步骤1：仿真过程中流体流动的实现

流体在管路中的流动依靠的是压力差，总是从高压流向低压。建模时首先在3ds max 中为每节管道首尾添加虚拟点a_N、b_N，然后将模型导入到unity3D中为管路添加粒子系统、 虚拟点添加压力值以及压力触发事件(阀门开关)脚本，通过压力值大小控制流体流动方 向，粒子系统体现流体流动及流速。初始化时为管道的首个虚拟点的压力值P_1a赋一个恒定 的压力值，阀门状态变化后，比较管道两端P_1a、P_1b的大小，确定流体流动方向，实现流体 流动的仿真。然后P_1b通过订阅P_1a点的压力触发事件改变自身的压力初值，与阀门相邻的 下一节管道的首点P_2a根据P_1b点的压力值，通过关联算法改变压力值。

流体通过阀门后压力关系的算法与阀门流量特性曲线以及流体流动方程有关，依据阀 门手册中阀门流量特性曲线，拟合出Q/Q_max％～阀门开度的关系式，比如球阀，该关系式为： Q/Q_max＝0.94x³-0.17x²+0.22x-0.01(Q：流量、x：阀门开度)，系统根据阀门 的开度得到流经阀门后的流量Q，根据Q＝u*A(u：流速、A：管道截面积)得到此时 的流速，最后以阀门流量系数方程：(A_v：流量系数、q_v：体积流量、ρ： 流体密度、ΔP：压力损失)得出下一节管道首点的压力值。

步骤2：仿真过程中流体流动形态响应关系的实现

化工设备中阀门的种类、开度、初始压力、管路直径、密度等影响流体的流速，并决 定着流体的流动型态。系统开发时根据真实设备上阀门的种类，流体物性参数，以transform. Rotate()代码控制阀门开度，输出阀门开度参数，通过阀门流量特性曲线，比如对于球阀， Q/Q_max＝0.94x³-0.17x²+0.22x-0.01以及Q＝u*A得出经过阀门后流体的流 速u，带入再依据其数值确定流体流动型态(若Re≤2000流动为层流、 2000≤Re≤4000为过渡流、Re≥4000为湍流)。

步骤3：仿真过程中流型可视化呈现

利用unity3D脚本代码控制管路可见性、流体流速、响应关系脚本和触发事件脚本，根 据步骤2中得到的Re判断流体流动型态，以if()语句判定流体流动型态；依据流动型态通 过particle Emitter.rndVelocity()控制粒子在不同轴向的速度仿真流动型态，当流动为层流时， x、z轴方向上粒子速度为零，y轴方向为粒子流动方向，即流体流动方向；当Re≥2000时， 随着粒子在y轴方向的速度的变大，x、z轴方向上的速度逐渐增大，以此模拟仿真流体的 湍流流动，此外以particle Emitter.Emit()控制粒子发射总数，节省计算机资源，加快计算机 运行速度。

本发明的有益效果在于：本发明基于化工流体流动基本原理和计算机仿真技术，建立 了简单有效、符合实际规律的流体流动状态与管件响应关系，实现管路流体流动过程及现 象的可视化仿真，有助于用户理解流体流动过程。

下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式 为限，而是由权利要求加以限定。

附图说明

图1为是本发明方法的基本原理图。

图2是层流流动时，流体流动仿真的效果图。

图3是湍流流动时，流体流动仿真的效果图。

具体实施方式

本发明方法实现的基本原理如附图1所示，以单片式球阀管路流体流动为例。

系统开发时在每节管道两端添加相应的虚拟点a₁、b₁、a₂、b₂以及该点对应的压力值 P_1a、P_1b、P_2a、P_2b和粒子系统，为虚拟点添加压力点触发事件脚本，单片式球阀添加开关 控制脚本以及响应关系脚本。

系统运行时，通过鼠标控制阀门开度，当阀门开启后，比较P_1a、P_1b的大小，确定流体 流动方向；然后b₁点通过阀门开启这一触发事件订阅a₁点的压力值P_1a，改变自身压力值 P_1b，然后利用流量与球阀开度关系方程：Q/Q_max＝0.94x³-0.17x²+0.22x-0.01，根 据阀门的开度得出通过阀门后的流体流速u，代入得出Re的值，调用相应的脚 本语句实现流体流型的仿真，然后利用阀门流量系数方程：计算得出a₂点的 压力值P_2a。

对于相邻的下一节管道，重复上述过程。

实施例一

以25℃下水在DN15(公称直径)的不锈钢管路中通过DN15的单片式球阀为例。25 ℃时水的密度为997kg/m³，运动粘度为9.055*10^-7m²/s，设定流量为1*10^-3m³/s，管路长度 L₁、L₂为0.5m，阀门流量系数A_v为1.13*10^-6，系统开发时，设定初点a₁的压力P_1a为0.1MPa， P_1b、P_2a、P_2b均为0MPa，添加脚本及粒子系统后发布系统。运行时鼠标点击控制球阀开度， 开启后，此时b₁点的压力值P_1b(0MPa)小于a₁的压力P_1a(0.1MPa)，调用粒子系统，流 体从a₁点流向b₁点，取阀门开度为1/10，通过流量与球阀开度关系方程： Q/Q_max＝0.94x³-0.17x²+0.22x-0.01计算得出经过阀门后的流速u＝6.4*10^-2m/s，带 入方程得Re＝1.06*10³，此时的流动型态为层流，系统调用Re≤2000时的代码， 实现此时管路流体层流的可视化仿真。同时，根据阀门流量系数方程：计算 得出a₂点的压力值P_2a＝2.1*10^-4MPa，仿真效果如附图2所示。

实施例二

其他条件同实施例1，当阀门开度变为1/2时，经相同的计算得出P_2a点的速度 u＝0.99m/s，Re＝1.64*10⁴，此时的流动型态为湍流，系统调用Re≥4000时的代码，实现此 时管路流体湍流的可视化仿真，效果如附图3所示。

实施例三

当流体变为其它物质时，流体在管路及阀门间流动的实现方法如上，流动型态的仿真 只需要变换相应的流体的物性参数以相同的计算方法即可实现。