水力学优化（精选十篇）
水力学优化 篇1
几年来,根据学院教学改革和人才培养的发展趋势,围绕着培养和提高工程人才的素质和能力这个目标,对导弹应用力学基础课程内容与体系进行了一系列的改革.本文结合作者几年来的教学工作和重点课程建设的成果,阐述对非力学专业力学教学内容体系优化的一些看法和实践.
1 非力学专业力学课程的现状分析
为了适应新形势下学科发展的需要,我院于2002年开设了《导弹应用力学基础》课程,现已开展过7期教学工作,前4期教学一直采用传统理论力学教材和20世纪90年代我院自编的飞行力学教材作为教学基本教材,课程内容体系的一些不合理性也逐渐在教学过程中显现出来.
1.1 教材比较陈旧,针对性差
在导弹应用力学基础教材建设上,传统理论力学教材仍然是理论叙述详尽有余,与工程应用实际问题联系较少,更缺少把实际问题抽象简化成力学模型的环节,教学和教材在不同程度上存在重知识传授、相对忽视工程应用能力培养的倾向,力学实践教学环节薄弱[1].而我院自编的飞行力学教材,由于教学对象为测控工程专业的本科生,没有理论力学基础,教学内容偏深,如果对内容不加选择,学员就会难以掌握.这些都严重影响了学员在学科上的进一步发展.
1.2 教学内容与工程脱节
原有的课程内容体系强调理论的完整与严密,缺乏与工程实际的联系,尤其缺乏对学员将工程的实际问题转化为恰当的力学模型的培养.工程应用性不强,教学内容不涉及导弹、飞行器等工程实际问题,失去了开设这门课程的必要.
1.3 内容太多,学时偏少
在2006年制定的测控工程专业本科人才培养方案中将《导弹应用力学基础》学时数调整为50学时.而依照传统理论力学和飞行力学的教材安排和大纲要求,课内学时(不含实验)应保证不低于80学时.内容太多,如果不加以优化,根本无法完成教学任务.因此,以前选用的教材很显然不适合长期教学的需要,课程内容体系的优化迫在眉睫.
2 课程内容体系的优化
2.1 课程内容体系优化的基本思路
无论是从力学与工程的关系,还是从力学本身认识和发展的规律来看,力学来源于工程,又服务于工程,在工程应用中得到发展,因此,力学的教学也应该基于工程背景而展开[2].
从《导弹应用力学基础》课程来看,它的开设主要是为了让测控专业的学员奠定一定的力学基础,为制导理论、惯性元件、导弹测试控制等课程的学习做好准备.让学员掌握必需的力学基本概念、基本原理和基本方法,为下一步分析和解决导弹工程实际问题打下坚实的力学基础.
随着科学与技术的发展,本课程面临着深化基础理论与加强工程应用的双重任务.因此,努力挖掘课程本身的潜力,更新旧的教学内容和课程体系是实现培养目标,提高人才培养质量的基础.对此,采取的原则是:提高起点,减少重复,充分利用数学工具,采用新的表达方法,注重内容与实践相结合[3].其具体思路是:
(1)结构框架上,以牛顿力学和分析力学为主线贯串全书,突出导弹应用力学自身的特点,在涵盖理论力学和飞行力学主要内容的同时,缩减篇幅,紧凑、严紧,适应学院教学改革需求.
(2)重视力学体系的系统性、逻辑性以及应用方法与解题思路的灵活性,突出与普通物理力学部分的区别,既为学员打好坚实的理论基础,又提高了学员的学习兴趣.
(3)紧密结合导弹部队的工程实际,突出工程应用背景,注重能力培养,既立足于力学基础,又不局限于力学的教学范畴,加强工程概念和实践性内容,增添具有工程背景的现代知识和实验技术.
(4)不片面追求理论的完整性,能直接从概念引出的结论不再作繁锁的理论推导,有意识使用矢量、矩阵等数学工具,使力学概念的叙述更透彻,更能适应数值计算的要求.
(5)该课程是测控工程专业的基础课,需要溶入到各专业课中,同样,各专业课内容也要溶入到力学基础中去.不同课程的交叉与相溶应是课程内容体系优化的良好途径.
2.2 课程内容体系优化的具体做法
(1)基础力学部分
静力学部分[4,6]:重点讲授物体的受力分析,平面及空间力系的简化,物体在平面及空间力系作用下的平衡条件.工程应用方面:引出分析作用于导弹上的力和力矩.
运动学部分[4]:重点对运动的合成和刚体的平面运动,以及对刚体的速度和加速度、角速度和角加速度作了较为详细的讲授.工程应用方面:在讲授科氏加速度时,为了便于学员理解,结合陀螺仪力学基础部分,通过讲授陀螺仪的进动现象,引出了陀螺力矩,继而研究其力学原因,对以后学习惯性元件,理解一些力学现象打下了基础.
动力学部分[4,6]:包括动力学基本定律、动量定理和动量矩定理,为了进一步解决一些较为复杂的力学问题,安排达朗伯原理、动能定理等教学内容.工程应用方面:引出了导弹的一般动力学方程,包括质心运动微分方程和绕质心运动微分方程.
(2)应用力学部分
该部分内容的优化注重导弹力学的工程应用.具体做法如下:
刚体运动学和动力学部分[5].重点讲授刚体定点运动的特征及欧拉定理,刚体转动的合成和一般运动,刚体的定点运动微分方程和一般运动微分方程,为后面学习陀螺、坐标系等内容奠定基础.
导弹应用相关基础部分[5,6]:引入分析力学基础,让学员掌握一种用数学方法解决力学问题的手段,重点讲授坐标系及坐标变换,陀螺仪基本特性力学分析,为本课程后续分析导弹上的力和力矩、建立导弹动力学方程,以及制导理论、惯性元件等课程学习打下基础.
导弹运动方程部分[6]:介绍弹道导弹的飞行及弹道分段、空气动力学基本概念,空气动力学基础是分析各型号导弹,特别是战术导弹受力必须要考虑的内容;考虑到导弹自身是一个质量不断变化的运动物体,针对这个实际情况,安排导弹变质量动力学内容,让学员较好的理解反推力的概念;考虑到导弹是一个长细比较大的一个弹性刚体,对于实际问题会不可避免的出现弹性振动,安排有关弹性体的振动的相关内容;结合导弹受力和力矩分析,详细的介绍建立导弹运动方程的过程,重点讲授在建立方程的过程中,如何对比较复杂的问题进行工程上的简化,以求解方程,同时对主动段的运动特性进行了分析.
3 结语
经过几年的教学实践,依据我院人才培养方案,结合课程体系优化的具体内容,课程教学组于2007年编写完成《导弹应用力学基础》教材第一版,已成功应用于2007～2009年的3期教学实践活动中,为测控工程专业培养本科生450余名,课程取得了良好的教学效果,得到了学院专家的充分肯定和学员的好评.以此为契机,导弹应用力学基础入选学院重点课程建设,并评为优秀.本课程初步建立了适应时代发展和适合专业需要的新一代教学大纲和课程内容体系,形成了理论与实践相结合,突出工程应用的独特风格.
参考文献
[1]张亚红,刘睫,赵玉成.非力学专业理论力学教学改革的思考.力学与实践,2003,25(3):63-65
[2]周晚林.改革力学课程提高学生工程素质.理工高教研究,2006, 27(1):76-78
[3]赵玉成,喻梅.工程力学课程内容体系及教学改革研究.力学与实践,2009,31(5):69-71,60
[4]范钦珊.理论力学.北京:高等教育出版社,2000
[5]刘延柱.高等动力学.北京:高等教育出版社,2001
结构动力学设计优化方法的新进展 篇2
结构动力学设计优化方法的新进展
阐述结构动力学优化设计的研究背景和意义.根据实践,扼要介绍近十年作者在结构动力学设计研究方面取得的`若干新近展,内容包括,随机激励下以均方响应为约束的设计方法、结构动力学形状优化、结构动力学拓扑优化、动力学设计约束的性质和解的存在性以及结构/控制一体化优化设计,并对进一步的研究工作做简要展望.
作 者：顾松年 徐斌 荣见华 姜节胜 GU SongNian XU Bin RONG JianHua JIANG JieSheng 作者单位：顾松年,徐斌,姜节胜,GU SongNian,XU Bin,JIANG JieSheng(西北工业大学,工程力学系振动工程研究所,西安,710072)荣见华,RONG JianHua(长沙理工大学,汽车与机电工程学院,长沙,410076)
刊 名：机械强度 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF MECHANICAL STRENGTH 年，卷(期)：2005 27(2) 分类号：V4 关键词：动力学设计 约束 均方响应 形状优化 进化结构优化(ESO) 拓扑优化 优化解的存在性 结构/控制一体化喷射钻井水力参数优化方法综述 篇3
关键词:钻井水力参数;工作日志;计算机程序;方法比较
一、前言
在钻井实践中发现,尽管使用了大排量洗井,钻井速度仍然得不到显著的提高。后经过大量的分析和研究才认识到,把岩屑从井底举到地面上来需要经过两个过程:首先要把岩屑冲离井底,然后把它们从环形空间内带到地面上来。这两个过程也是两个问题。理论分析和实验室的研究证明,将岩屑从环形空间携带到地面上来,并不是很困难的事情,不需要很大的排量就可以做到,可是要把岩屑冲离井底,则要困难得多。要解决把岩屑及时冲离井底这个问题,就需要新的工艺技术,这就是喷射钻井技术。喷射钻井是将泥浆泵输送的高压泥浆通过钻头喷嘴形成高速冲击射流,它具有很高的喷射速度,具有很大的水功率,它能给予井底岩屑一个很大的冲击力,从而使岩屑及时、迅速地离开井底,始终保持井底干净。这就是喷射钻井能够大幅度提高钻速的主要原因。因此,在钻井过程中,水力因素是影响钻井速度和成本的重要因素。
二、喷射钻井的工作方式
从钻头喷嘴喷出的泥浆射流之所以能有效地清洗井底,是因为射流具有三个工作参数:喷射速度、冲击力、水马力。这三种喷射钻井的工作方式,即射流的三个工作参数,以哪一个为主的问题,长期以来存在着不同的看法。
现将以上三个水力工作参数随着排量Q的变化情况用公式表示如下:
V0——射流喷速,m/s;Fj——射流冲击力,kN;Nj——射流水功率,kW;C——钻头喷嘴流量系数,无因次;ρ——泥浆密度,g/cm3;Ps——泵压,bar;kl——循环系统压耗系数,无因次;Q——泥浆排量,L/s。
经实验可知,随着排量的变化,三个水力参数的变化规律是不相同的。V0随着Q的增大,一直是减少的。Fj和Nj随着Q的增大开始增加,然后又减少,各有一个最高点。但这两个最高点不重合。我们将每种工作方式下主要水力参数达到最大值时的排量称为最优排量。由上可知,选择一个排量不可能使三个参数同时达到最大,那么究竟按照什么标准选择排量呢?于是就出现了上述的三种工作方式。
喷射钻井的工作方式不同,最优排量的确定方法也不同。近年来,有人做过一些实验和研究,认为最大冲击力工作方式最好,最大水马力工作方式次之(但与最大冲击力工作方式的效果很接近),最大喷速工作方式最差。但是,在大多数优化方法中,这三种工作方式都会用到,有三个最优排量可以选择。
三、喷射钻井的水力参数优化
所谓喷射钻井的最优水力参数设计,就是如何合理选择各水力参数,通过合理的钻头压降和循环系统压力损失的分配关系,以达到在满足低返速要求、充分利用泵的水功率条件下,最大可能地提高井底清洗效果,达到优质快速钻井的目的。
在钻进过程中,随着井深的增加,合理的分配关系要变化,从而引起了排量和喷嘴直径组合的改变。不难知道,合理的分配关系,是靠排量和喷嘴直径的组合在不同井深下不断变化来实现的。
在实际施工中,排量还应满足泥浆携岩能力所要求的最低排量。也就是说:排量和喷嘴直径的组合,除满足不同井深时的合理分配关系外,还受到最低排量的限制。
对于合理分配关系中循环损失这一项,由于井中流道的不规则,非牛顿液体流态的难以判断等原因,要通过理论计算其大小是很困难的。为解决这个问题,石油矿场多用水力参数优化设计,是指在一口井施工以前,根据水力参数优选的目标,对钻进时所采取的钻井泵工作参数(排量、泵压、泵功率等)、钻头和射流水力参数(喷速、射流冲击力、钻头水功率等)进行设计和安排。分析钻井过程中与水力因素有关的各变量可以看出,当地面机泵设备、钻具结构、井身结构、钻井液性能和钻头类型确定以后,真正对各水力参数大小有影响的可控制参数就是钻井液排量和喷嘴直径,因此,水力参数优化设计的主要任务也就是确定钻井液排量和选择喷嘴直径。
四、喷射钻井的水力参数优选方法
(一)工作日志和卡片
要实现喷射钻井水力参数优选,就必须根据现场施工的具体条件和一些经验数据,进行一系列水力参数计算。为了简化计算程序,便于广大钻井工人、技术人员在现场设计和施工中花费很短的时间,准确地求得所需要的水力参数。《美国钻井手册》和休斯工具公司提供了一套水力参数优选方法:提供一个工作日志,通过查表而得工作日志中所需的各种数据,从而完成水力参数的优选。为了分析方便,将工作日志中的主要内容和各种参数关系转化为流程图。
1、美国钻井手册
在以上流程图中:最小环空流速需根据经验选择;在确定最小缸套尺寸时选直径为21/4英寸的活塞杆;地面设备、钻铤及钻杆的压力损失都是根据地面设备、钻具组合及井身结构尺寸和排量查表求得;由于为了简化表格,所有压力损失都是根据使用10磅重的泥浆进行计算的,所以泥浆重量校正后泵的额定压力是用泵的额定压力再乘以假定的泥浆重量10之后,再除以实际泥浆重量而得;钻头和钻杆的压力是泥浆重量的校正减去地面设备、钻铤内及环空压力损失;喷嘴组合根据缸套相应的排量,参照三个喷嘴组合的三牙轮钻头表格,选择一个压力紧靠但不超过钻头和钻杆压力的喷嘴组合;钻杆的余压力是钻头和钻杆的压力减去经过喷嘴的压力降;可增加钻杆的长度是钻杆的余压力除以钻杆的压力损失;泵满载时的井深是可增加钻杆的长度和钻铤长度之和。
此水力参数计算方法的依据是:假定地面泵压仅受额定泵压的限制,且泵速必须保持恒定。如果上述假定与实际不符,那么可以重新设计更好的水力参数。精确的优化设计程序应以泵运转的条件以及钻头功率或冲击力是否最大为根据。
此流程图是设计和检查水力系统各部分的一个简单的方法,以便更有效地使用现有设备。如果发现在达到预定井深前泵已超载,就应该检查每个计算步骤,并且重新选择泵的排量。
2、休斯工具公司
这种方法涉及到工作日志和卡片的使用。设计井的有关数据直接填入工作日志,地面装备、钻铤、钻杆的压力损耗(通过查表而得),以及泥浆泵的主要技术特性,也要填入工作日志。对这些数据作简单计算,就可求得相应的各种压力损耗变量。将变量描绘于水力参数卡片上,并用曲线把各井段的这些变量点连接起来。应用水力参数卡片,并作简单计算,就可求得:各种井深时最优的排量、钻头喷嘴尺寸以及钻头射流喷速、钻头射流冲击力、钻头射流水马力和驱动泥浆泵所需的功率。
与《美国钻井手册》上提到的方法类似,但它们的不同之处在于:预选缸套尺寸,然后确定排量。喷嘴的组合由水力参数卡片的喷嘴数—喷嘴直径线确定,此线表示离井段起点井深线和表示最大排量的垂线之交点最近的线。
(二)计算机程序
随着计算机的普及和发展,为了达到比用工作日志和卡片进行水力参数优化更准确的目的,不少厂家根据水力参数优化计算方法编制出了相应的计算机程序,这种方法只需用户输入基本参数,就可迅速地求得相应的优选参数。
在以上流程图中,确定最低环空返速的方法有多种:一种方法是根据现场工作经验来确定,另一种是用经验公式计算(需校核岩屑举升效率)。选择缸套直径的原则是:一方面该缸套的额定排量应大于携带岩屑所需的最小排量,另一方面缸套的允许压力应该与整个循环系统的耐压能力相适应。工作方式的确定代表了根据不同的优化目标函数(如喷射钻井的工作方式所述)优化排量和喷嘴直径。
五、结束语
第一,在工程实践中,如果我们能始终保持最优排量和最优喷嘴直径,则钻头水力参数将始终保持最大值。然而,目前这是很难做到的,这是因为最优排量和最优喷嘴直径都与井深有关,可是井深不是固定不变的,而是随着钻头的钻进而变化的,所以最优排量和最优喷嘴直径也在不断变化。而钻头下井后,就无法再随意改变喷嘴直径。一般采用分段设计,并且按每段最深井深作为设计井深。
第二,在确定了最优喷嘴直径之后,还得考虑什么样的喷嘴组合才能最大限度地发挥钻头的水力破岩、清岩作用,需要进行井底的流场研究。研究井底流场是用流体力学的理论和试验方法来研究井底水力能量的合理分布。即在一定的条件下,在最合理地分配整个循环系统水力能量的基础上,通过科学地设计钻头喷嘴组合布置方案,把钻头喷嘴所能得到的井底總水力能量最合理进行分布,从而在井底获得最好的净化和破岩效果,提高钻井速度。
第三,循环系统中的钻井液具有不同的流变模式。这给流变模式的选择和水力参数的计算带来了麻烦。然而大多数钻井液往往更加符合卡森和赫-巴流变模式。由于卡森流变模式的流变参数意义不是很明确,而赫-巴流变模式的三个参数不但能较好地反映钻井液的流变性和具有明确含义,而且能较好地描述钻井液在低、中、高剪切速率下的流变行为,因此推荐优先考虑赫-巴流变模式。
参考文献:
1、刘希圣.钻井工艺原理[M].石油工业出版社,1988.
2、陈理中.译美国钻井手册[M].石油工业出版社,1980.
3、隆天友.校钻井实用水力参数[M].石油工业出版社,1988.
4、Clem Armstrong.Well Hydraulics Simulator[M].Smith company,2002.
水力学优化 篇4
徐家河水库枢纽工程地处湖北省孝感市的长岭镇, 位于长江水系府河第一大支流徐家河上, 是一座以灌溉为主, 兼顾防洪、发电、供水、航运、养殖等综合功能的大 (Ⅱ) 型水利工程。枢纽工程由主坝、副坝、正常溢洪道、非常溢洪道、进水闸、闸后电站及挡水坝等建筑物组成。徐家河水库始建于1958年9月, 目前已不能正常发挥效益。2003年7月经鉴定认为, 徐家河水库大坝存在较严重的工程质量问题, 安全隐患多, 不能按设计要求正常运行, 评定为三类坝病险库。
正常溢洪道为枢纽专设的惟一泄洪建筑物, 位于主坝的右侧, 为无闸控制开敞式溢洪道, 由进水渠、宽顶堰控制段 (顶高程72.00 m、宽60 m) 、一级泄槽、一级消力池、明渠、二级泄槽、二级消力池及出水渠组成, 全长580 m, 总落差30 m, 分2级消能。洪水经2级消力池穿过汉渝铁路桥和316国道桥注入府河。本次加固设计未对原溢洪道布置与体型进行修改, 仅在第2级消力池尾加1 m高消能墙。此外, 正在兴建的汉沪蓉铁路徐家河大桥 (以下简称徐家河大桥) 横穿溢洪道, 其中2个桥墩坐落在明渠内, 且桥墩轴线与明渠轴线存在一定的夹角, 可能影响行洪、改变明渠内局部水流流态, 另一方面, 渠内水流也可能影响到铁路桥的安全。鉴于上述情况, 受业主委托开展了溢洪道泄洪消能水力学模型试验工作, 通过研究分析溢洪道过流能力、沿程水面线、岸边流速、消力池及明渠内水流的流速流态、明渠内桥墩壅水及其对行洪影响及下游冲刷等水力学问题, 验证设计方案并提出可行的优化方案或改进措施, 为完善除险加固工程设计提供技术支撑, 并为水库运行管理提供科学依据, 见图1。
1 模型设计及试验条件
模型比尺1∶50, 模拟溢洪道宽顶堰上游地形长约153 m, 下游地形长约606 m范围。
本模型试验的主要试验工况及条件见表1。
2 试验成果
2.1 原方案
2.1.1 流态
在正常溢洪道敞泄流量为315, 382, 541, 790 m3/s四种试验工况, 观测了溢洪道上、下游沿程的流态, 对应下游水位分别为43.45, 43.65, 44.33, 45.30 m。
2.1.1.1 修建徐家河大桥前
四级流量工况下, 溢洪道上游来流平顺, 一级泄槽内的水流因边墙的收缩产生冲击波, 但波高较小, 流态相对稳定;二级泄槽内的水流, 因其上游公路桥桥墩的影响, 有一定程度的扰动, 但泄流总体较均匀;一、二级消力池内呈淹没水跃;因一级消力池尾槛后的主流位于两侧, 明渠内二者在急流区交汇形成菱形波, 急流区后形成波状水跃;汉渝铁路桥后, 壅水转急流, 左侧有逆时针回流, 右侧有顺时针回流, 中间有类似水跃的流态。下泄流量541 m3/s和790 m3/s时, 水流漫溢边墙, 且涌波高度超过公路桥桥面。
2.1.1.2 修建徐家河大桥后
下泄315, 382, 541, 790 m3/s各级流量时, 一级消力池、二级消力池内的流态与修建徐家河大桥前基本上一致, 但在位于明渠内的大桥桥墩前产生壅水, 使局部水面升高, 且桥墩后水流流态复杂。除790 m3/s流量出现水流淹没大桥底面的情况外, 其他流量均未出现水流淹没桥底面的情况。
2.1.2 流速
下泄各级流量, 明渠内沿程断面流速分布较均匀。兴建徐家河大桥后, 由于局部过水断面缩窄, 桩号0+334—0+422范围内的局部流速比修建大桥前有所增大。
根据上述水面线和流速试验成果, 计算溢洪道内水流佛汝德数如下。
下泄消能设计流量315 m3/s时, 明渠内桩号0+194—0+244范围, 水流佛汝德数为1.21～1.58, 为急流区;桩号0+304—0+422范围, 水流佛汝德数为0.42～0.82, 为缓流区。下泄消能校核流量382 m3/s, 明渠内桩号0+194—0+244范围, 水流佛汝德数为1.3～1.68, 为急流区;桩号0+304—0+422范围, 水流佛汝德数为0.6～0.9, 为缓流区。当明渠内的水流由急流状态过渡到缓流状态时会产生水跃, 但若急流区佛汝德数位于1～1.7范围时, 水跃的形态呈表面波状。根据前述成果分析, 在明渠来流条件和渠底坡确定的情况下, 明渠较大范围内的波浪状态不可避免。
2.1.3 河床冲刷
由于未能获取溢洪道下游河道的水位流量关系, 为安全计, 在冲刷试验中将下游水位控制为二级消力池后刚刚呈淹没出流和尾槛后形成较明显二次水跃两种工况。三级流量工况下, 下游河床冲刷特征值见表2。
上述试验成果表明:由于汉渝铁路桥两桥墩的阻水和绕流作用, 溢洪道下游河床冲刷部位主要集中在汉渝铁路桥桥墩后以及316国道桥墩墩头处, 建议对汉渝铁路桥墩及316国道桥墩相关范围予以适当保护, 以维护铁路桥及316国道桥的安全。
2.2 优化方案1
溢洪道原设计方案, 在各级流量下, 二级消力池内皆为淹没水跃流态, 尾槛后水面落差较大, 出现类似二次水跃的流态, 且下泄541 m3/s和790 m3/s流量下, 二级消力池边墙漫水。作为优化, 将二级消力池尾槛高度降低0.5 m。
原设计方案试验中, 水流经过一级泄槽收缩进入一级消力池后, 在小流量工况下于消力池中部产生了回流, 水流由两侧出槛、交汇, 进入明渠, 使得明渠进口段水面呈现菱形波;下泄校核洪水工况下, 一级消力池内的水跃跃尾超出尾槛。为改善上述不利流态, 强化消能作用, 在一级消力池尾槛前设置了T型墩。T型墩由前墩和支墩组成。关于T型墩结构尺寸的选定, 选定其结构尺寸为前墩厚∶前墩高∶前墩宽∶尾槛高∶支墩长=2∶3∶4∶5∶6, 本工程一级消力池尾槛高度为3.55 m, 取墩型系数K=0.71。因T型墩远离收缩断面, 且与尾槛相连接, 既避开了流速较大部位, 不易产生空蚀破坏, 又有助于形成和稳定水跃, 同时保证了T型墩较高的受力结构强度。T型墩布置及结构尺寸见图2。
各级流量下, 一级消力池内因T型墩与尾槛的共同作用, 消能效果有所提高, 出池水流较为均匀;明渠内的水流菱形波流态得到一定改善。二级消力池尾槛后仍有类似二次水跃的流态形成, 但与原方案相比略有改善。其它流态与原方案基本一致。
优化方案1水面线试验成果表明:下泄流量315 m3/s和382 m3/s时, 水面线均未超过沿程边墙;下泄流量541 m3/s时, 一级消力池内的水面线超出边墙;下泄流量790 m3/s时, 一级消力池、明渠和二级消力池多处水面线超过边墙。
与原方案相比, 一级消力池内水面线有一定程度壅高, 桩号0+152处, 下泄流量315, 382, 541 m3/s时, 壅高0.2～0.65 m;桩号0+159.5处最大壅高出现在流量382 m3/s, 壅高值0.45 m;桩号0+167处最大壅高出现在流量382 m3/s, 壅高值0.8 m。优化方案1二级消力池内桩号0+469.50和0+483.00处, 除下泄流量382 m3/s时, 桩号0+483.00处水面升高0.25外, 其余流量下水面线较原方案下降0.25～1.3 m。
下泄流量315 m3/s时, 优化方案1的消能效果较佳;下泄流量382 m3/s时, 出池流速明显下降;下泄流量541 m3/s时, 与原方案差别不大;下泄流量790 m3/s时, 出池流速有一定程度下降。各级流量工况下, 槛后及明渠流速分布与原方案相比, 垂向分布较均匀, 两侧流速有减小趋势, 中间流速有增大趋势, 横向流速分布也趋向均匀。
优化方案1在二级消力池尾槛后的各断面流速分布与原方案相比, 表面流速有增大趋势, 横向流速分布趋向均匀, 底部流速略有减小, 其中, 下泄流量315 m3/s时, 桩号0+497.50 —0+575.00范围内, 表面最大流速从原方案的4.51 m/s增大到6.49 m/s, 底部最大流速从原方案4.78 m/s下降为4.03 m/s;下泄流量382 m3/s时, 桩号0+497.50—0+575.00范围, 表面最大流速从原方案的5.61 m/s增大到6.98 m/s, 底部最大流速从原方案的4.67 m/s下降为4.30 m/s。
2.3 优化方案2
为了减小明渠水面波浪, 优化方案2在优化方案1基础上, 在明渠进口段桩号0+194—0+224布置消能墩1～4排, 排距10 m, 墩距2.7 m, 错开布置, 墩宽2.7 m, 墩长1.26 m, 墩高1.8 m。
与优化方案1和原方案相比, 优化方案2使明渠中的菱形波消失, 急流区推后, 使急流区接近徐家河大桥桥墩, 桩号0+244, 0+304断面, 流速略有增加, 但明渠末端 (桩号0+422) 流速略有降低, 在明渠内形成更明显的二次水跃和波浪, 在徐家河大桥桥墩首尾形成更大落差。
在消能校核流量382 m3/s下, 在设置4排、3排及2排消能墩时, 分别观测了明渠段水面线。可以看出, 消能墩排数越多, 壅水作用越明显, 水面高程越高。相比优化方案1, 明渠沿程水面线有所升高。
2.4 优化方案3
优化方案3在优化方案1基础上, 在明渠进口段桩号0+204—0+254范围布置加糙墩26排。排距2 m, 墩距0.5 m, 错开布置。加糙墩为边长0.5 m的立方体。
下泄消能校核流量382 m3/s时, 一级消力池后, 由于加糙墩的壅水作用, 在桩号0+189桩号断面, 出现类似弱二次水跃流态, 明渠中的菱形波消失。在加糙墩范围形成密集的较小幅度的波浪群, 加糙墩下游波状水跃起始于桩号0+282, 波高约0.75 m。桩号0+304附近, 波高0.75～1 m。波高较优化方案1略有降低, 且波状水跃起始断面下移。徐家河大桥右边桥墩首、尾水位差为0.85 m;左边桥墩首、尾水位差为1.05 m。与优化方案1相比, 桥墩首尾水位差有所增加。由于加糙墩的作用, 桩号0+184—0+234范围, 水面线高程较优化方案1增加1 m左右, 而桩号0+264—0+422断面, 水面线高程较优化方案1总体下降0.1～0.75 m。
优化方案3由于加糙墩的作用, 明渠流速分布总体呈表层大底层小状, 加糙墩前断面流速分布两侧大中间小。经过加糙墩后, 断面流速分布中间大两侧小。与优化方案1相比, 加糙墩上游桩号0+194断面流速从5 m/s左右降低到3 m/s左右, 加糙墩下游桩号0+244断面流速也有所降低。
2.5 优化方案4
考虑到本加固工程中, T型墩的结构强度难以保证。优化方案4将池内不设T型墩, 仅在一级消力池尾槛上 (桩号0+184) 左右两侧各加3个消能墩, 消能墩为长2 m、宽1 m、高0.5 m的长方体, 间隔排列, 墩距2 m。
试验在消能校核流量382 m3/s进行, 由于槛上消能墩的壅水作用, 一级消力池水面壅高, 但池内流态与原方案差别不大。槛上水深3.2 m, 较原方案增加0.2 m, 明渠中的菱形波无明显改善, 明渠中波状水跃起始于桩号0+275, 波高约0.50 m, 波高与原方案相比改变不大。
由于一级消力池尾槛上消能墩的壅水作用, 一级消力池附近水面线与原方案相比有所抬高。下泄382 m3/s流量, 最大增加0.65 m;下泄485 m3/s流量, 最大增加0.60 m。一级消力池尾槛下游附近断面 (桩号0+190.50—0+214.00) 水面也有所抬高, 下泄382 m3/s流量, 最大增加0.50 m;下泄485 m3/s流量, 最大增加0.30 m。
该方案尾槛下游附近流速比原方案略有下降。下泄382 m3/s流量, 断面平均流速与原方案相比, 槛后断面 (桩号0+194) 的表面流速由5.76 m/s下降到5.29 m/s;下泄485 m3/s流量, 桩号0+194断面, 表面平均流速从5.87 m/s下降到5.58 m/s, 底部平均流速从5.98 m/s下降到5.82 m/s。
3 结 语
优化方案1、3、4对明渠流态均有一定的改善作用。但不论哪套方案, 均建议一级消力池、明渠、二级消力池边墙高程适当增加。综合考虑结构稳定和施工难度、工程投资等因素, 本研究推荐优化方案3。
参考文献
水力学优化 篇5
具有多阶频率与振型约束的结构动力学优化设计
本文研究了在多阶固有频率约束的情况下,通过改变结构的尺寸进行结构动力学优化,使多阶振型的节点同时满足位置要求的.问题.采用尺寸优化方法,首先建立了振型节点位置与结构尺寸之间的变量关系,然后在给定的约束条件下对结构进行优化,使结构不仅满足动力约束条件,而且使结构重量达到最小.优化实例表明,采用本文的方法,能够有效地解决工程结构设计中涉及到的一类具有多阶固有频率、振型节点位置要求的结构动力学优化设计问题.
作 者：张锦江 杨智春 ZHANG Jin-jiang YANG Zhi-chun 作者单位：西北工业大学航空学院,西安,710072 刊 名：强度与环境 ISTIC英文刊名：STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING 年，卷(期)： 34(1) 分类号：V2 关键词：结构动力学设计 固有频率 优化设计 灵敏度分析 振型水力学优化 篇6
摘 要：在对油井进行测试的时候，特别是在对高压气井、水平井、超深井等进行测试的时候，因为测试关注在管内外压力、轴向力、扭矩、弯矩、温度等因素的作用下，其都可能会出现较为复杂的应力和形变，甚至很多时候可能会出现管柱断脱等情况发生，基于此，需要做好油气测试管柱力学分析和优化的设计软件，本研究针对于此主要分析油气测试管柱力学分析与优化设计软件的应用，希望所得结果可以为相关领域提供有价值的参考。
关键词：油气测试；管柱力学分析；优化设计软件
中图分类号： TE2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）12-143-2
0 引言
在进行油井测试的时候，特别是对于高压气井、超深井等进行测试的时候，进行测试的测试管柱可能会因为各种外力作用的原因发生形变，出现各种复杂的应力和应变，严重的时候可能会导致管柱出现断脱和屈服破坏。所以为了更好地进行现场作业，对油气测试管柱力学进行分析和优化，并做好设计软件的指导和设计工作，以此来进行施工指导，能够在很大程度上确保油气测试的正常进行。
1 油气测试管柱力学分析软件的相关情况分析
1.1 油气测试管柱力学分析软件的介绍
油气测试管柱力学分析软件需要在对油气进行调查测试作业过程中，对其所存在的力学和强度问题进行研究，要确定所要解决的问题，并根据作业过程对数学模型进行建立，做好软件的开发环境，布置好项目管理并将数据输入其中，然后进行力学分析模块的编写工作，并做好辅助模块的编写工作，最后进入试用阶段[1]。油气测试关注力学分析软件能够对油气测试管柱在起下过程中，油管的拉力和扭矩进行分析，并分析测试过程中的油管力学，它能够对井下的受力状况进行分析，优化设计油气测试管柱。
分析这款软件的设计开发环境，这款软件的运行系统主要为中文的windowsXP+office2003以上的系统，如果系统的配置比这个系统较低，那么软件可能不能安装，而软件的开发语言Visual Basic和TeeChart。安装软件的时候，点击start.exe可以进行软件安装，当软件安装完成以后，桌面上会出现该软件的快捷方式，点击快捷方式运行软件。软件的一级菜单主要涉及文件管理、数据输入、井眼轨道、管柱组合等多个工具栏。
1.2 油气测试管柱力学分析软件的设计
首先分析该软件的文件管理，其计算数据主要按照项目进行管理，每个井口的参数组成一个独立的项目，文件管理可以实现其对于新项目的创建工作，也能够实现对于已存在项目的打开工作，可以将已经打开的项目改名进行另存备用，涉及了该项目的删除，能够将项目从硬盘备份到其他磁盘上，同时也可以将其他磁盘的项目数据回存到电脑。分析数据的输入，数据的输入主要涉及了作业管柱的组合、井点的轨道、井壁的套管、管内流体的性能、摩擦因数等等，并能够将所有的数据都形成word的文档的模式[2]。对井眼的轨道进行分析，可以根据所输入的井眼轨道将井点轨道当中的几何形状、相关参数进行计算，而且本研究的软件能够对输入的井眼轨道的数据进行进一步的检查，确定其是否正确。分析管柱的组合，软件能够将所输入的作业的管柱组合图形显示出来，然后将对于输入的作业的管柱组合的数据进行进一步的检查。除此之外，油气测试管柱力学分析软件也能够分析起下过程中滚柱的拉力和扭矩，也能够对试油管柱的力学进行分析。本研究的数据库主要提供给计算过程所需要的数据，它主要涉及了钢材的性能、工具图片库、石油管材性能、关注涉及系数和计算补偿等。
1.3 油气测试关注力学分析软件的核心功能介绍
其核心功能主要涉及了带封割器管柱安全校核模块和摩阻扭矩与动载分析模块两个方面，首先是带封割器管柱安全校核模块，其可以分析封隔器与油管的三种关系下，正常生产、座封，以及酸化、压裂作业时管柱的受力状况并校核其安全性。该模块的计算结果包括封隔器在不同工况的轴向载荷、油管底部压力、封隔器处油管外压、判断封隔器是否解封、计算中性点位置、判断管柱是否安全等；而摩阻扭矩与动载分析模块从某种程度上来说，这种模块主要采用圆柱螺线法和空间圆弧曲线法精确模拟三维井眼轨道、建立井筒、管柱、流体之间力学关系的方程组、采用精确的数值分析方法求解，可以对生产及作业管柱进行摩阻扭矩分析和动载分析，以确定其安全性与稳定性。对于静态管柱，可以计算出各段的轴向力与侧向力、分段分析其稳定性。对于动态的起下管柱过程，可以计算出过程各个阶段的井口载荷与扭矩。所有计算结果均用表格与曲线表示。
2 油气测试管柱力学分析软件的应用研究
2.1 油气测试关注力学分析软件的应用模块研究
在现实应用当中，它能够对封隔器和油管的三种关系下，正常的生产、座封，以及酸化、压裂作业时管柱的受力状况并校核其安全性进行分析，该模块的计算结果包括封隔器在不同工况的轴向载荷、油管底部压力、封隔器处油管外压、判断封隔器是否解封、计算中性点位置、判断管柱是否安全[3]。同时，该模块采用圆柱螺线法和空间圆弧曲线法精确模拟三维井眼轨道、建立井筒、管柱、流体之间力学关系的方程组、采用精确的数值分析方法求解，可以对生产及作业管柱进行摩阻扭矩分析和动载分析，以确定其安全性与稳定性。对于静态管柱，可以计算出各段的轴向力与侧向力、分段分析其稳定性。对于动态的起下管柱过程，可以计算出过程各个阶段的井口载荷与扭矩。所有计算结果均用表格与曲线表示[4]。
本研究以某油田xx井管柱受力分析对软件多个方面性能进行了详细的测试和验证，具体情况如下：
软件数据输入采取向导型界面方式，界面数据自动检查和过程处理，提示出错信息；数据输入界面图表并茂，相关模块提供了经验公式和默认赋值形式，方便用户数据输入。输入、运行、结果查询界面都十分友好而且条理清晰。
对不同模型、计算速度、计算结果、结果曲线、图形等进行了详细测试。
射孔参数优化设计软件要求的硬件、软件环境：
硬件环境：Pentium II以上的PC机，内存要在64M以上，建议内存128M，硬盘至少有800M的自由空间，显示要设置到800*600的16位增强色或更高。
软件环境：操作系统要中文Windows9X/2000/XP或更高。
①P3/P4及其兼容机 WIN98/WIN2000/WINXP操作系统 IE6.0；
②收集65155井的生产数据、所在区块的粘温曲线数据、周期注汽数据等；
③有关必要的文档。
2.2 油气测试关注力学分析软件的测试结论探讨
按照制定的测试计划，组织相关的技术人员，对井下管柱力学分析及优化设计软件，测试结果显示软件运行正常，性能稳定，计算模块计算结果在允许的精度范围内。该软件能够满足立项要求：①该软件具有较好的系统性、开放性、灵活性、兼容性和稳定性；②软件功能全面，计算结果准确、预测数据与生产实际具有较高的符合性；③软件界面清晰，数据输入、调用简单。该软件采用了管柱力学分析的理论，建立了动态管柱设计、校核等方法；选用现场实际井数据进行了预测结果对比。现场试验证实，该软件能较为准确地预测井口管柱的载荷和扭矩，可以用进行管柱组合的设计以及油管钢级的选择。
3 结语
本研究主要就油气测试管柱力学分析软件的设计和应用情况进行研究，文中涉及了一些笔者自己的主观看法，通过本研究的分析，笔者认为油气测试管柱力学的分析软件具有较好的稳定性，同时具有灵活和兼容性，能够全面的计算测试结果，确保结果的准确性，而且本研究软件的操作界面较为清晰，数据输入和调用相对简单，是一款值得进一步深入开发的实用性软件。
参 考 文 献
[1] 高科超，冯卫华，吴轩，尚锁贵，杨子，张兴华，王雪飞.海上油田复杂气井深井测试管柱的应用与研究[J].油气井测试，2016，03（01）：42-44.
[2] 李子丰，蔡雨田，李冬梅，徐燕东.地层测试管柱力学分析[J].石油学报，2014，27（04）：165-166.
[3] 魏晓东，刘清友.深水测试管柱力学行为研究进展及发展方向[J].西南石油大学学报（自然科学版），2015，28（01）：485-486.
水分子动力学串行优化 篇7
模拟水滴落到地面的物理过程。输入水滴中每个分子的初始坐标和速度、地面分子的初始坐标, 以及一系列物理参数, 包括分子间作用力距离、重力大小、迭代次数等, 要求用Verlet积分计算一段连续时间内水分子的运动状态, 如图1所示。
两个测试用例, 其中Case 1包含3574个水滴分子和356445个固定分子;Case 2包含16742个水滴分子和356445个固定分子。
2 算法描述
对每个分子计算出它的硬度值 (density数组) 。分子的硬度值只和相距不超过rDifferent的分子有关。
计算每个分子的受力情况 (force数组) 。分子只会受到重力和其他分子的作用力, 重力由输入参数给出, 很容易计算, 而计算分子间作用力则比较复杂, 包括若干种作用力, 需要用到很多参数, 包括前面计算的硬度值。同样的, 计算分子间作用力时需要找出所有分子的所有受力进行矢量叠加后, 即求出该分子受的合力。有距离不超过rCut的分子 (超出这个距离的分子间作用力被认为可以忽略) 。把一个分子的所有受力进行矢量叠加后, 即求出该分子受的合力。计算好分子的受力后, 就可以用Verlet积分计算分子在δt时间后的位置和速度了。
程序的关键算法在于如何找出每个分子的相邻分子。因为前两个步骤都需要查询相邻分子, 这个操作的快慢直接影响程序性能。项目中的原始程序是这样实现这个操作的:定义分子的“邻居” (neighbor) 为距离小于rCut+rE的其他分子, 其中rCut即为分子作用力范围, rE为输入的另一参数, 在两个Case中都有rE=rCut=1.5。程序用链表维护每个分子的邻居, 初始化的时候生成邻居链表, 并记录下目前所有分子的位置。然后在每次迭代计算density和force数组时, 只需要遍历分子的邻居列表, 找出距离小于rDifferent或r Cut的分子即可。每一轮迭代后, 如果有某个分子的累计移动距离超过rE/2, 则有可能使得原来不在邻居链表里的分子现在进入了rCut范围 (因为邻居链表里存放的是距离不超过rCut+rE的分子) , 此时需要重新生成邻居链表。原始程序中, 生成邻居链表的算法是基于两两枚举的, 但做了一个初步的优化, 就是先把水分子按x坐标划分为数量大致相等的两部分, 然后在两部分内分别找邻居分子对, 再在两部分的交界处找邻居分子对。这个优化的确能减少许多枚举量, 但它的时间复杂度仍然是O (n2+nm) 的, 其中n为水滴分子数, m为固定分子数。生成邻居链表是这个算法的瓶颈之一, 因此应该尽量减少生成邻居链表的次数, 为了达到这点, rE应该尽量大, 以避免频繁出现分子越界而要重新生成邻居链表的情况。然而rE太大又会使得生成的邻居链表太大, 使迭代的开销变大。因此rE值是一个折中的选择, 使得生成邻居链表的时间和迭代的时间尽量平衡。
3 串行性能优化
利用Vtune等工具分析程序性能, 找出瓶颈所在, 并探讨优化措施。
3.1 算法改进1
原始程序生成邻居链表的算法设计得不合理, 这是整个程序最慢的部分, 它所做的优化只是细节上的优化, 不但效果不大, 反而增加了大量代码, 应该考虑从算法优化。
所有水分子的邻居是距离小于r Cut+rE分子, 因此将水分子按照x坐标进行排序, 然后再查找邻居就比较快速方便, 只有x坐标在atom_array[i][0]-TwoSpan和atom_array[i[0]+TwoSpan之间的分子才有可能成为水分子i的邻居。但是重新进行排序之后会打乱水分子之间的顺序, 因此需要构造一个新的数据结构, SortNode{double key, int index}, 其中index即为水分子的标号, 而key则为水分子的x值。固定分子是在程序的开始阶段就固定, 因此只需要一次排序即可。为了加快排序速度, 同时尽量小地调整分子间的顺序, 采用了归并排序。
3.2 算法改进2
为了维护水分子的邻居列表, 在发现一个邻居时, 就要建立一个INDEX_LIST*, 然后将其插入到。在下次建立邻居链表时, 要将上次的邻居链表全部释放掉。这样在建立链表的过程中需要不停动态申请内存, 动态释放内存, 耗费了大量的时间。因此, 在程序的改进过程中, 采用了空间换时间的策略, 在程序初始化阶段申请一个很大的INDEX_LIST类型的内存空间来存放, 这样在程序执行过程中, 不需要动态申请和释放邻居列表了, 节省了大量的时间。但这种做法, 为了避免总的邻居列表空间太大, 只能将数组设得很大, 这样浪费的空间较多。
3.3 算法改进3
调整程序的执行顺序, 从而提高数据的利用率。在分支预测方面, 用Vtune对分支测试结果进行检测, 将错误预测较多的程序的if和else交换。由于算法改进1中对x进行排序, 这样在原SetNeighbor中, 对x轴进行的分支判断就可以去掉, 节省了不少时间。
4 性能分析
本实验采用的实验平台如下:处理器
优化前和优化后的程序在rE分别为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5时的运行时间记录如图2所示。
由于对setNeighbor进行较多的优化, 优化前程序在rE=1.5时是最优, 但是优化后程序在rE相对减少时, rE=1.3时最优。
5 结语
通过一个完整的用例, 使读者利用Vtune查找程序热点, 对于改变数据分布以提高数据利用率、循环融合、改变分支条件以提高预测成功率等串行优化技术有深刻的理解。
供热系统水力失调的综合优化治理 篇8
1)供热系统水力失调是指热水热网各热力站(或热用户)在运行中的实际流量与规定流量的不一致现象,即热网不能按用户(热力站或热用户)需要的流量(热量)分配给各个用户,导致不同位置冷热不均的现象。
2)供热系统水力失调的程度用水力失调度来衡量。水力失调度定义为热力站(或热用户)的实际流量与规定流量的比值,其数学表达式为:X=G/G0。其中,X为水力失调度;G为实际流量,m3/h;G0为规定流量,m3/h。
3)水力失调有3种情况:a.当系统各个用户的水力失调度分别都大于或小于1时,称为一致失调。出现一致失调的情况是各个用户流量都大于或小于规定流量;前者导致采暖房间过热,浪费能源,后者导致采暖房间达不到舒适标准要求,影响人民生活质量。b.当系统各个用户的水力失调度有的大于1,有的小于1时,称为不一致失调。出现不一致失调的情况是有的用户流量大于规定流量,有的小于规定流量;前者导致采暖房间过热,后者导致房间过冷。c.当系统各个用户的水力失调度分别都相等时,称为等比失调。出现等比失调的情况是各个用户的流量大于或小于规定流量,其比值是相同的;其导致采暖房间的过热或过冷程度是一样的。可以看出,凡等比失调一定是一致失调,而一致失调不一定是等比失调。要解决水力失调问题首先要了解产生水力失调的原因。
2 供热系统产生水力失调的原因
1)产生水力失调的根本原因是由于在该运行状态下热网特性不能在用户需要的流量下实现各用户环路的阻力相等,也就是通常所说的阻力不平衡。
2)产生水力失调的客观原因很多,主要有:a.热网管道规格的离散性使热网设计不可能不经过人为调节而实现各个用户环路的水力平衡。b.循环水泵选择不当,流量、压头过大或过小,都会使工作点偏离设计状态而导致水力失调。c.系统中用户的增加或减少,即网路中用户点的变化,要求网路流量重新分配而导致水力失调。d.系统中用户用热量的增加或减少,即用户流量要求的变化,也要求网路流量重新分配而导致水力失调。e.目前,大多数的用户采暖系统缺少必要的调节设备,或调节设备年久失修,已无法实行其调节功能,用户系统无法调节,也会导致水力失调。
3 解决供热系统水力失调的途径
1)用附加阻力消除用户剩余的资用压头。
在用户系统安装完善的自动调节(如温控阀、平衡阀等,实质上是自动改变附加阻力)设备是一种有效方法。
这种在用户系统中安装自动调节设备来消除剩余压头,使得各个环路实现阻力平衡的措施,可以称为“附加阻力平衡”技术。它的特点是循环水泵具有足够的流量和扬程,可以减少过热部分用户的热量浪费,获得节能效果。
2)用附加压头提高用户不足的资用压头。
在用户系统入口安装不同规格的小水泵来补足资用压头的欠缺部分,使各个环路实现阻力平衡的措施,可以称为“附加压头平衡”技术。它的特点是除了具有“附加阻力平衡”技术所能获得的节能效果外,水泵电耗将降低,节能效果更显著。
3)应用“附加压头平衡”技术的条件已具备。
现在不但有小流量、小扬程、低噪声、免维护水泵,而且还有相应的三挡变速水泵、带变频的可自动调节(流量、温度、压力、压差)的无级变速水泵,有足够多的流量和扬程组合的水泵系列可供选择。只要设计合理,水泵选择正确,初运行时作必要的调整,完全可以避免曾出现过的“抢水”问题。
4 应用“附加压头平衡”技术解决水力失调的优点
1)不必改动原来的集中供热系统,改造工程量少,投资小。
在系统末端用户安装加压水泵,旨在提高系统压头,其实质是在管路上增加一个负阻力。因而只要在原管路系统和循环水泵基础上统筹规划,合理设置端用户水泵,在一般情况下可以不必改动原来的集中供热系统而做到各用户环路阻力平衡,解决水力失调。这样做,改造工程量少,投资较小。
2)节省电耗。
水泵的电耗与流量和扬程之积成正比,与水泵效率成反比。应用附加压头平衡技术措施的水泵总电耗要比应用附加阻力平衡技术措施的水泵总电耗少。但是,因为小水泵的效率通常小于大水泵的效率,所以,具体节省电耗的数量还取决于安装水泵用户的数量、位置和选择水泵的效率。
3)举例:
某热力站负担7个用户的采暖用热。热力站循环水泵流量210 m3/h,扬程250 kPa(25 m水柱),站内阻力120 kPa(12 m水柱);用户系统要求循环水量30 m3/h,内部阻力50 kPa(5 m水柱)。经多次调整,系统末端用户达不到要求的效果。
分析:对系统进行校核计算,其数据如表1所示。计算结果表明,热网阻力为111.8 kPa;系统总阻力为120+111.8+50=281.8 kPa。说明该系统末端效果不好的原因是水泵扬程不够。各个用户资用压头和剩余压头数值见表1。
改善措施:从表1可以看出,6用户,7用户资用压头不够。解决办法有两种:第一种更换热力站循环水泵,用不小于300 kPa扬程的水泵取代原来250 kPa扬程的水泵。第二种在资用压头不够的用户,即6用户,7用户(6用户资用压头差的很少,可不考虑)系统分别安装不同附加压头的小水泵。显然,第二种方案投资少(按厂家报价,约为更换循环水泵的10%),水泵电耗比第一方案减少10%(按水泵运行工作点,热力站循环水泵效率取80%,7用户小水泵效率取46%)。
5 综合并优化治理系统水力失调的优点
1)综合治理系统水力失调的原则:
所谓综合治理是指在处理系统水力失调时,应根据系统的实际情况同时/单独应用附加阻力技术和/或附加压头技术和/或更换设备(包括管道和附件)等措施,以使技术和经济实现最佳化。这个原则既可以应用于旧系统的改造,也可以应用于新系统的设计。
2)旧系统改造时,应对系统进行校核性水力计算。
旧系统是指当前运行的系统,其管道、设备和附件等一般都已齐全,型号、规格、性能均已确定。为准确诊断系统存在的问题和位置,首先应对现实的热网进行校核性水力计算,绘出水压图,然后根据计算数据和水压图分析问题,最后提出行之有效和经济效益好的技术措施。
6 需要进一步研究的问题
上面所述是综合治理系统水力失调应用方法和实施条件,而它的核心是应用最优化技术,需要进一步研究如下问题:
综合治理方案选择的准则。上面已经提到,解决系统水力失调有多种,既可以单独实施,又可以联合实施技术可行的措施,因而在实施前必须对各种技术可行的方案进行技术经济论证,比较投入和产出,选择最佳方案实施。例如,文中所述的可行的技术措施有:更换热力站循环水泵后采用附加阻力平衡技术措施消除用户的剩余压头保留热力站原来循环水泵;采用附加压头平衡技术在用户7处设置加压水泵,采用附加阻力平衡技术措施消除前端的部分用户的剩余压头;按水泵总电耗最少配置热力站循环水泵和用户加压水泵,采用附加阻力平衡技术措施消除前端部分用户的剩余压头。应该采用哪一种方案,必须先研究最优方案的技术经济分析方法、选择准则和指标。
摘要：分析了供热系统水力失调的原因,提出了解决水力失调的两种途径,即“附加阻力平衡”和“附加压头平衡”,并探讨了“附加压头平衡”技术的特点和应用的条件,论证了综合治理的优点以及进一步研究的问题。
关键词：供热系统,水力失调,阻力,压头,综合治理
参考文献
优化形式的刚体系统动力学模拟 篇9
Yang Liusong,Yao Wenli,Yue Rong.Simulation of body dynamics with optimization.Mechanics in Engineering,2015,37(4):488-491
基于高斯最小拘束原理来研究刚体系统的动力学问题的优化方法，可以将动力学问题通过寻找函数极值的变分方法直接得出运动规律，而无需建立运动微分方程.文献[1,2,3,4,5,6]中均可见高斯最小拘束原理在多体系统动力学中的应用.上述文献均采用了质点形式的高斯最小拘束原理，这种方法需要从单个刚体进行推导，建模过程比较繁琐，且对广义坐标的选取有限制.
文献[7,8,9]分别采用了不同的推导方法得到了广义坐标形式的高斯最小拘束原理，本文的目的是依据广义坐标形式的高斯最小拘束原理来研究刚体系统动力学的优化形式，并建立数值求解的框架.
1 高斯最小拘束原理描述
1.1 质点形式的高斯最小拘束原理
在理想约束条件下，系统在某瞬时，真实运动与位置、速度、约束条件均相同，但加速度不同的可能运动相比较，其真实运动应使“拘束”Z取最小值.
定义
式中，mi,ai,Fi分别为质点的质量、加速度和作用在质点上的力.
1.2 广义坐标形式的高斯最小拘束原理
考虑有受约束机械系统，其广义坐标为q1,q2,···,qn.
广义坐标表示下的高斯最小拘束原理[8,9]
其中,M为对称且正定的惯性矩阵；f(q,˙q,t)为与广义速度、广义坐标有关的项，¨q为广义加速度列阵，Q为加在系统上的广义力，其包括离心力、重力及控制等.
约束条件：能化为p(p<n)个下列类型的独立约束.
其中αkr和βkt是广义坐标和时间的函数.
将约束方程微分整理为矩阵形式为
相应的广义约束力可以写作[8,9]
2 计算流程图
计算过程见图1.
3 算例
系统由两个长为l1和l2的均匀杆组成(图2)，长l1的杆一端固定，另一端与第2个杆铰接，两杆质量为m1及m2，两杆质心的坐标为(x1,y1)及(x2,y2).
3.1 无条件极值
系统的自由度为2，选择系统独立的广义坐标为θ1和θ2，代入高斯拘束函数
其中
则得到无条件约束的极值问题
依据流程图1，采用软件MATLAB编程计算得到关于θ1,θ2随时间变化的曲线(图3).
3.2 有条件极值
若选择系统广义坐标为θ1和θ2及AB杆质心坐标(x2,y2)，则上述广义坐标是不独立的，其约束方程如下
从式(7)可以得到
从而高斯函数
此时
约束反力为
对应实际笛卡尔空间中的铰链支座O处的约束反力,双摆位移曲线及相应的约束反力见图4和图5.
3.3 采用拉格朗日方程建模
选择系统广义坐标为θ1和θ2，则
由拉格朗日方程得系统的运动微分方程为
采用软件“MATLAB”求解上述微分方程，得到摆角与时间的关系图6所示.
3.4 讨论
图3和图6是针对同一问题的不同方法所得出的图形，从图形中我们不难看出他们不论是从形状还是周期上，都基本相同，图7给出了由图3和图6中分别通过高斯方法和拉格朗日微分方程计算的角位移差值图，以下对两者的差值计算进行说明.
差值分析：本文最优化用的算法是共轭梯度法，效果比牛顿法及最速下降法要好一点，收敛速度比较快，截断误差小，数量级在-5∼-4；积分采用的是变步长的自适应的高斯-洛巴托(Gauss Lobatto)算法，这种算法的精度很高，接近真实值本方法与拉格朗日方法对比差值误差级数在10-2到10-3左右.
上述结果证明了广义坐标形式的高斯最小拘束原理在解决刚体动力学问题上的有效性及通用性.
4 结论
通过用高斯变分原理建立的力学模型来研究多刚体系统动力学，不需要建立系统的动力学方程，可以利用各种有效的数学规划方法寻求泛函极值，对于带控制的多刚体系统，在进行动力学分析时可以与系统的优化结合进行.
本文采用了广义坐标形式的高斯最小拘束原理来解决刚体系统的动力学问题，该方法对系统的广义坐标选取不作限制，可以不通过求解拉格朗日乘子，直接得到系统的约束力，相比于质点形式的高斯原理而言，具有更强的通用性.
摘要：基于广义坐标形式的高斯最小拘束原理来研究刚体系统的动力学问题的优化方法.相比目前动力学建模普遍采用的质点形式的高斯最小拘束原理,广义坐标形式的高斯最小拘束原理因对所选择的广义坐标没有要求,而使得建模过程更简单及具有更强的通用性.本文分别建立了有约束和无约束条件下问题的优化动力学模型,对问题进行了动力学数值模拟,并与用拉格朗日微分方程处理的模型进行了对比分析,从而验证了所提方法的有效性.
关键词：刚体系统,动力学,优化问题,广义坐标,高斯最小拘束原理
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基于系统动力学的库存优化控制研究 篇10
1 库存管理中的成本分解问题
库存管理的重点之一是控制库存成本, 库存成本也是制定库存决策的重要基础。库存成本如图1-1所示, 主要包括存货持有成本、订货成本、缺货成本和在途存货持有成本。
1.1 存货持有成本
这种成本侧重于企业用于库存的资本所产生的成本 (与把资本用于其他金融性生产方式上相对比) 。由于常常在存货持有成本中占有最大的比例, 通常把它表示为其持有存货总现金价值的百分比。为了制定库存决策, 需要确定企业的最低报酬率, 即投资的最低期望报酬率。
储藏成本也称为仓库管理成本, 包括把物资运进和运出仓库所发生的搬运成本, 以及租金、取暖和照明等仓库成本, 这些费用根据情况不同而各不相同。储藏空间成本随库存水平的变化而提高或降低。因此在计算时不仅要把固定成本计算在内, 还要把变动成本包括进来。
库存风险成本反映了存货的现金价值下降的可能性, 这种可能性远远超出企业的控制范围。除此之外, 还包括过时、过期、贬值、陈旧、破损、丢失、被盗以及其他相关风险。其他成本如存货的保险费用、其他管理费用等。
1.2 订货成本
订货成本指为增加库存量而进行订购所花费的支出, 不包括物资本身的成本支出。包括变动成本和固定成本两部分, 如图1-2所示, 当批量增加时, 订货成本下降的速度要比持有成本增长的速度快, 这会使得成本下降。由于订货成本的边际节约超过了持有成本的边际支出, 这样有益的抵消就产生了。然而达到了一定的点后, 这种关系就开始发生改变, 总成本开始上升, 这也说明能够使确定一个合理的经济订货批量成为可能。
1.3 缺货成本和在途库存持有成本
缺货成本是指当有需求时没有物资供应而产生的成本。因为没有存货, 客户转而购买竞争者对手的产品, 这就会使企业由于缺货而损失利润, 会把某个客户让给竞争对手, 这种利润的损失虽然是看不见的, 但却会持续很久。从生产供应来说, 缺货会导致部分生产机器的闲置, 甚至关闭整个生产设备, 给企业带来损失, 因此企业需要建立安全库存或缓冲库存。这部分成本不突出, 在一定的环境下可能成为一项重大的开支。卖方企业要对产品的运输负责, 因为所有权直到产品到达客户时才转移, 从财务上看, 库存资金一直占用到达客户时为止, 这段时间包括了产品的运输时间。
2 传统库存管理的实施途径及其不足
2.1 传统库存管理的实施途径
传统库存管理方法主要有ABC分类法、定量订货法和定期订货法, 它们用于库存管理中取得压缩总库存量、释放被占压的资金、使库存结构合理化和节约管理力量的效果, 因此是库存优化控制常采用的方法。
ABC分类管理就是将库存物资按品种和资金的多少分为特别重要的库存 (A类) 、一般重要的库存 (B类) 和不重要的库存 (C类) 3个等级, 然后针对不同等级分别进行管理与控制。分类的标准是库存物资所占总库存资金的比例和所占总库存物资品种数目的比例。
A类物资指品种少而资金占用多的物资, 库存品种约占品种总数的5%~10%, 而占用资金金额为库存金额的60%~70%。B类库存品种约占总数的20%~30%, 其占用资金金额是库存总金额的20%左右。C类库存品种约占总数的60%~70%, 其占用资金金额是库存总金额的15%以下, 见图2-1所示。
定量订货法指当库存量下降到预定的最低库存数量 (订货点) 时, 按规定数量 (一般以经济订货批量EOQ为标准) 进行订货补充的一种库存决策方法。如图2-2所示, 当库存量下降到订货点R时, 企业马上按预先确定的订货量Q发出订单, 经过提前期L (从发出订单到收到物资的时间间隔) 收到订货, 库存水平上升。因此, 定量订货方式的关键是确定订货点R和订货量Q (其中B为安全库存量) 。
定期订货法是按预先确定的订货间隔期进行订货补充的一种库存决策方法。企业受到生产或经营目标的影响, 或市场因素的影响, 往往预先确定订货时间, 再确定订货数量, 从而形成相对稳定的订货间隔期, 特点是订货间隔期不变, 订货量不定。订货量的计算公式如下:
订货量=最高库存量-现有库存量-订货未到量+顾客延迟购买量。
2.2 传统库存管理存在的问题
传统库存管理方法没有考虑订货率影响在途库存、到货入库率影响库存量的因素, 不能动态地显示在途库存成本这个成本项目, 管理的范围仅仅局限于企业内部, 并没有真正扩大到整个供应链领域, 因此比较片面。
与此同时, ABC分类法没有考虑物资对企业生产的重要性, 有些被划为C类的物资可能对企业的生产活动有着至关重要的影响, 这种物资的重要性并不在资金占用上体现, 容易造成缺货;定量订货法要经常对库存进行详细检查和盘点, 工作量大且需要花费时间多, 从而增加库存保管成本;定期订货法由于不经常检查和盘点库存, 对物资的库存动态不能及时掌握, 遇到突发性的大量需要, 也容易造成缺货, 企业为了应对订货间隔期内需要的突然变动, 往往使库存水平较高。
3 基于系统动力学的库存优化及修正模型
3.1 研究假设
3.1.1 问题描述
经济订货批量 (Economic Order Quantity, EOQ) 是通过平衡采购进货成本和保管仓储成本核算, 以实现总库存成本最低的最佳订货量。在EOQ模型中采购进货成本是指随着采购次数变动而变动的费用, 包括差旅费、邮电费、业务费等。采购进货成本与批量呈反比关系;仓储保管成本包括搬运费、资金占用信息费、物资损耗费等, 同采购批量呈正比关系。
3.1.2 基本假设与符号约定
(1) 在库存管理中允许出现缺货情况;
(2) 订货率影响在途库存, 到货入库率影响库存量;
(3) 存在库存调整周期;
(4) D——年总需要量;P——物资的单位购买价格;
Q——每次订货的数量;I——每次订货的成本;
J——单位物资的保管仓储成本;V——允许缺货情况下的最大库存水平;
t——订货间隔期, 其中, t1为订货间隔期内有存货的时间, t2为订货间隔期内缺货的时间;
B——单位产品的延期购买成本;TC——年总库存成本;
PC——年采购进货成本;HC——年保管仓储成本;
BC——延迟购买成本。
3.2 用系统动力学的方法来确定经济定货批量
3.2.1 系统动力学确定的库存管理思想
系统动力学是一门分析研究信息反馈系统的学科, 也是一门认识系统问题和解决系统问题的综合学科。从系统方法论来说是结构的方法、功能的方法和历史的方法的统一, 它基于系统论, 吸收了控制论、信息论的精髓, 是一门综合自然科学和社会科学的横向学科。在进行库存优化控制时, 也存在多个反馈的情形, 因此系统动力学在此发挥了重要作用, 系统控制如图3-1所示。
3.2.2 延迟购买条件下的经济订货批量模型
在允许缺货情况下, 存在下列公式:
在延迟购买条件下的总库存成本TC如下:
对于上式求微分并令其为零, 经整理后可得最佳订货量EOQ和最大库存水平V*分别为:
3.3 库存最优控制检验
3.3.1 延迟购买条件下的经济批量极限公式
由于EOQ公式中后面的系数是大于1的, 可知在延迟购买条件下的经济批量要大于正常条件下的经济批量。当单位延迟成本B不断增加时, 在延迟购买条件下的经济批量逐渐接近于正常条件下的经济批量。
3.3.2 模拟价格上涨的经济订货批量修正模型
在已知采购价格在将来某一时间会上涨时, 就面临一个应在价格上涨之前购买多少数量以便使总库存成本最小的决策问题。在价格上涨条件下, 需要对经济批量模型进行必要的修正。
Q1*——价格上涨之前的经济批量;
Q2*——价格上涨之后的经济批量;
q——涨价之前最后一次订货到货时点的原有库存量;
Q——对应价格涨价因素, 在涨价前的特别订货数量;
P1——涨价之前的价格;
P2——涨价之后的价格;
t1——涨价前的订货时间;
t2——涨价后的订货时间;
t3——不发生特别订货Q的情况下, 涨价后第一次订货的时间;
t4——发生特别订货Q的情况下, 涨价后第一次订货的时间。
在涨价前再购入Q单位的物资, 则t2与t4之间的总库存成本为:
假设在涨价之前不发生特别订货Q, 而是按正常情况进行订货补充, 则时间t2至t4之间的总库存成本为:
4 结论
本文利用系统动力学的思想和方法来对供应链的库存成本进行研究, 动态地把在途库存成本纳入到库存管理整体中, 这也符合企业的库存管理应是对整个供应链的管理的新观点, 得出存在延迟和价格上涨情况下对经济批量的修正模型。从而根据结果对实际经济活动中的库存控制进行优化, 与传统的3种库存管理方法相比, 它具有实施上的先进性。
摘要：本文首先对库存成本进行分解, 在介绍传统库存管理方法如ABC分类法、定量订货法和定期订货法实施库存管理的途径的基础上, 找出其在实施动态库存管理方面的不足, 用系统动力学的思想和方法来建立延迟购买条件下的经济批量模型, 并结合实际经济活动中存在的价格上涨情况对本模型进行修正, 对库存管理活动进行优化。
关键词：库存优化控制,系统动力学,经济批量
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