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1、CAD仿真技术在化工过程装备中的应用姓名：高中金班级：装备1104摘要:简述了系统仿真技术的内涵、关键技术及应用现状。在分析化工过程装备特点基础上,对过程装备系统仿真技术平台的体系结构进行了探讨,以典型过程装备螺旋片导流式气液分离器为例,对其数字化建模方法、数值仿真技术、虚拟设计和制造环境进行了研究。初步结果表明:以设计为中心的系统仿真技术的应用,可以有效地减少产品开发的时间和成本,提高产品质量。关键词:系统仿真;数字化;数值仿真;化工过程装备当今制造业正朝着柔性化、集成当今制造业正朝着柔性化、集成化、信息化和智能化的方向发展,先进制造技术和先进制造模式不断产生。尽管系统仿真技术的出现只有短短
2、的几十年时间,但它对制造业的革命性的影响却很快地显示了出来。 化工过程装备在国民经济建设中占有显著的地位。在化工生产过程中,为了实现不同的物理化学的反应,工艺过程常常千变万化,要求过程装备的服役条件千差万别,这就决定了化工过程装备具有多样性、复杂性、快速响应的特点。因此将系统仿真技术应用到化工过程装备设计和制造中,可以改进传统的落后生产方式,提高生产效率,提高产品的市场竞争能力。为此,针对化工过程装备的具体特点,对过程装备的系统仿真技术进行初步分析和研究。 1系统仿真技术概述 1.1、系统仿真技术的内涵 系统仿真技术是一门综合性的应用技术，从工程角度上看，系统仿真就是建立系统的模型，并在模型上
3、进行试验，从而对一个已存在的或设计中的系统进行分析和研究。1.2系统仿真技术的模型物理仿真物理仿真是用一套与真实系统有相似物理属性的物理系统作为模型，并在该模型上进行试验。物理仿真的优点直观形象，能观察到难以用数学方法描述的系统特性。数学仿真数学仿真也称计算机仿真，是指用数学模型来描述实际实际系统，并在计算机上构造出仿真模型，然后在计算机上模拟运行，对模型进行试验。数学-物理仿真数学-物理仿真是针对复杂系统，把计算机仿真软件模型和物理模型结合起来进行试验。1.3模型与数字仿真方法 模型是对系统某些本质方面的描述，它是对相应的真实对象和真实系统中那些有用和令人感兴趣特性的抽象化。建立模型并不是“
4、原型的复现”，而是根据仿真目的和侧重点，寻找一个便于系统研究的模型。在选择模型结构时，要以最能方便的达到系统研究的目的为前提。建模原则：相似性，清晰性，切题性，精密性，可辨识性。建模的一般方法：演绎法，归纳法，演绎和归纳结合。1.4工程中常用的数学模型工程系统中通常可以用数字方程来描述，通常可以分为三大类：用微分方程描述的狭义连续系统；用差分方程描述的离散系统；用微分方程和差分方程联合描述的采样数据系统。1.5数字仿真方法有两类数字仿真方法：一类是求解狭义连续系统的数值积分法，另一类是建立在离散型相似基础上的模型变换法。1.6仿真技术的类型产品形态仿真；装配关系仿真；设备布置仿真；运动学仿真；
5、动力学仿真；零件工艺仿真；加工过程仿真；生产过程仿真。2 化工过程装备在化工过程装备中的应用随着经济改革的深入,我国的制造业正在由传统型向现代型过渡。其制造系统还存在着以下问题:系统投资较大、周期较长,难以评估效益及风险;开发新产品,无法有效预测其开发价值、所得效益及风险;不能确实有效地协调设计与制造各阶段的关系,得到企业整体全局最优效益。这些特点尤其在化工过程装备制造系统中表现明显。仿真技术可以解决以上存在的问题,且符合化工过程装备特点要求。 2.1 化工过程装备的特点 化工过程装备的特点是由过程工艺所决定的,为了实现不同的物理化学反应,工艺过程常常千变万化,因此过程装备的工艺性很强;其次,
6、过程装备趋向于单系列化,其规模趋向于大型化,要求更长的运行周期,对过程装备的长期可靠性提出了极高的要求。另外,过程装备的服役条件千差万别:有高温、低温、深冷;有超高压、高压、中压、低压、真空等;有气、液、固三相之不同;有强酸、强碱、剧毒、易燃、易爆等,这些工艺特点决定了化工产品开发周期长和设计效率低的问题。此外,化工产品一次建成投资大,设备大多要求可重用;产品非标准件多,单独设计、改造任务繁重;制造加工过程具有很强的综合性,还包括大量焊接制造;行业法规性较强。由以上分析表明,多样性、复杂性和实现快速响应是化工过程装备的主要特点。因此,在运用先进制造技术实现快速、高效的设计、制造、生产过程时,必
7、须要响应过程装备的特点要求。 3 仿真技术在过程装备中的应用螺旋片导流式气液分离器 螺旋片导流式气液分离器是一种高效、典型的过程装备,主要用于空气干燥和净化等领域。螺旋片导流式气液分离器的主要工作原理是:以一定压力从切向入口处进入分离器内的含水空气,沿螺旋导流片产生强烈的旋转运动,由于两项存在密度差,所受的离心力、向心浮力和流体曳力的大小不同,从而达到以较低压力降,高效率分离空气中的水。分离后的气体经内筒由顶部出口排出;液体则从底部排液孔释放。其结构和流动过程均比较复杂,影响压力降和分离效率的因素很多,目前还没有一种完整、易行、高效的分析设计方法,而对其在虚拟现实环境中进行数值仿真则是一种可行
8、的办法。其设计制造系统如图1所示。图1 螺旋片导流式气液分离器虚拟设计制造系统nextpage3.1 实体模型建立 螺旋片导流式气液分离器主要由内、外筒及焊在内筒外壁的螺旋导流片构成,具体的结构布置见以下两图所示。图2所示为螺旋片导流式气液分离器的几何结构;图3所示为螺旋片导流式气液分离器内部的螺旋导流片几何结构。图2 螺旋片导流式气液分离器几何结构图3 螺旋导流片几何结构在以上螺旋片导流式气液分离器结构和工作原理分析的基础之上,采用基于内核构建的建立合适的流体实体模型。 3.2 分离过程数值仿真 对分离器中流体的运动情况以及压差和分离效率之间的关系运用大型计算流体动力学软件4.3进行数值仿真
9、。在分析过程中将水(空气冷凝后水滴直径在35)简化为颗粒。具体步骤如下。 3.2.1 网格划分 应用软件中的网格划分工具,对螺旋片导流式气液分离器模型进行结构性网格剖分。对局部需要细分的区域进行二次剖分,以保证求解的准确性。 nextpage3.2.2 载荷施加 定义流体在操作环境下的物理特性,并在螺旋片导流式气液分离器模型的入口、出口面上施加对应的压力、温度、流量等载荷,以备下一步的求解分析。 3.2.3 求解分析 对螺旋片导流式气液分离器模型进行()求解,得到设备的整个流场分布情况,继而求解得出整个流场的压差分布和分离效率。 3.3 可行性评价 根据数值仿真得到的分离效率、压力损失等结果,
10、在综合考虑制造成本和加工时间等因素的基础上,通过“专家系统”的智能判断,进行设计优化迭代,获得具有最低压降、最高分离效率的螺旋片导流式气液分离器结构,此后即可送至加工中心进入制造过程。 4 螺旋片导流式气液分离器虚拟设计应用实例 采用流体动力学软件4.3,对50型冷冻式空气干燥器中的螺旋片导流式气液分离器(操作压力=0.7,操作温度=3)应用虚拟制造技术,结果表明这种技术是可行、高效的。根据冷干机处理量和结构的布置,建立合适的流体实体模型,然后进行一系列的分离过程数值模拟运算,最后在综合考虑其它因素的情况下进行优化迭代,得到分离器的最优解是:内筒为直径=14的实心圆柱,外筒内径=32,螺旋导流
11、片外径=31,具有5个螺距为=20的螺旋。经实验测定,该结构尺寸的螺旋片导流式气液分离器的压降为=23,计算所得分离效率可达75%,是相同操作工况下压力降最低、分离效率最高的,其成本和加工时间相对以往的同种设备要小。 5 结束语 新的世纪已经开始,我国的化工过程装备制造业面临前所未有的挑战,传统的制造模式已不再适应经济技术的发展。在化工过程装备中运用以设计为中心的虚拟制造技术,为产品的设计、制造提供仿真环境,保证及时得到最新和最准确的有关信息,大大减少了设计分析时间。采用数字化建模、数值仿真,可以简化设计过程,节省人力、物力资源,降低产品开发成本和时间,加速了新产品的开发过程,提高了产品质量。
12、参考文献:.1涂善东,凌祥,洪荣晶.以知识为基础的化工过程机械产品的快速创型.化工机械,2000,27(6):347-351.2宋天虎.积极发展适合我国国情的虚拟制造技术.中国机械工程,1998,9(11):56-59.3张申生.拟实制造与现代仿真技术.系统仿真学报,1995,7(3):18-22.4 李国勇计算机仿真技术与CAD：基于MATLAB的控制系统(第3版) 2012 5 杨松林 化学工程CAD技术应用及实例2008 6 杨光 王辉 基于CAD技术的机械设计应用分析研究 7 慕晓君 化工机械应用基础 2013 8 孙大涌 先进制造技术 2000 9 黄心渊 虚拟现实技术与应用 1999 10 王知行，李健生，王哲 机械CAD与仿真技术 2000