化工原理流體流動過程的計算機輔助計算

沙塔爾·吐爾地

摘 要：化工原理課程中的一個最基礎部分就是流體的輸送，此過程計算繁瑣、流程圖繁多。傳統的講解方式很難讓學生理解清楚。MATLEB語言具有強大的繪圖能力和數值計算功能，對于流體流動的模擬有著不可比擬的優勢。本文借助典型例題，提出使用計算機輔助計算流體流動過程的計算方法和數值處理思路。另外，也淺要探討了計算機進行實驗數值處理的具體操作方式。這些內容能夠將抽象的流體流動過程單元轉化成學生易于理解的計算機計算流程，從而大大增強了教學的可視性。

關鍵詞：化工原理；流體流動 ；計算機輔助

一、緒論

諸如化工、輕化工程等課程都屬于過程工程類專業，化工原理課程在這些課程中起到了連接基礎理論課和專業技術課的重要作用。化工原理課程起到了橋梁的過程，是學生利用理論知識解決實際問題的初次探索。實際中，此課程包含了眾多的公式、繁雜的概念，計算過程也相當繁瑣，因此教師常常感到此課程難以教授。傳統的多媒體課件方式很難讓學生對實際過程有清晰的理解，所以必須要嘗試新的授課手段來強化學生對化工原理課程的理解。同時，也必須考慮到學生使用復雜多變的理論知識或者經驗公式解決實際問題的時候，仍然感覺計算過于繁瑣，這個時候能夠推薦給學生一種適合學生使用的數學公式，讓學生在不必關心具體計算過程和細節的要求下輕易地完成工程計算。

在新提出的過程類專業改革過程中，明確將計算機輔助教學作為一項重點改革內容，提出要多使用計算機輔助進行工程計算。這確實能夠解決當前的教學困擾，但是目前比較常用的輔助教學方式是C語言或者FORTRAN，用這兩種語言編寫的程序結構復雜，流程多變，學生需要很長的一段時間才能初步掌握。MATLAB作為一種數值計算常用的數學軟件，在數學建模等方面有著獨特的優點而且還具有開發效率高、界面友好等特點，因此使用MATLAB進行計算機輔助教學是一種不錯的選擇。本文以MATLAB工具作為計算機輔助平臺，以化工原理中常見的基礎單元操作—流體輸送過程作為研究對象，并且對一些典型例題進行了分析，然后給出了具體的實現方法。最后使用MATLAB和EXCEL來對處理實驗數據，最后的結果顯示利用圖形能夠非常直觀地表達出計算的結果。MATLAB是一種有效而高效的計算機輔助手段。

二、流體輸送過程當中的計算機輔助計算

化工生產過程中的基礎單元操作就是流體的輸送，計算流體輸送主要包括兩個方面的內容，一個是計算管路，另一個是通過計算確定離心泵工作的地點。

1.管路計算

管路計算的主要內容其實就是綜合運行伯努利方程、連續性方程式以及能量損失計算式，根據輸入的已知量和未知量來確定不同的算法。管路可以分為簡單管路和復雜管路，這是根據整個流線上是否存在多條管線來區分的。計算簡單管路一般有兩種方法，一種是操作型計算，另一種是設計型計算，這兩種計算方法是根據輸入數據不同恰當選擇的。操作型的計算式在管路已經確定的基礎上，為了核算某條件下管路的輸送能力或者其他性能指標時使用；設計型計算則是在管路尚不存在時按照給定的輸送任務進行管路設計，選擇合理的路線保證設計的經濟效益。這兩個問題可以歸結為流體流速或者管路路徑未知，無法根據已知條件判斷出流體的類型，也就無法獲得流體的摩擦系數 ，也不能獲得Re的值。在工程計算上常常是使用試差法來對這一問題進行處理。

2.計算中使用到的方程：

（1）使用伯努利方程來衡算流體流動中的機械能

（2）自由度分析

以上求解方程組共涉及到了5個方程，變量個數為11，因此自由度是6。在實際的計算過程中，都是可以測量獲得的已知量，所以實際需要確定的變量只有一個，也就是說可以從中選擇一個作為需要確定的變量。最終得到的方程組是可以使用方程組來求得的，同時也可以分析這些方程組的構成，需找合適的方法來加快解題速度。下圖給出了求解此問題的MATLAB程序流程圖。

三、流體·輸送過程當中的實驗數據計算機輔助處理

流體輸送實驗的主要目的就是測定管路的阻力，得到離心泵的特性曲線。為了使結果相對精確，就需要對大量的數據進行處理，這個過程中涉及到了極其繁瑣的計算，非常容易出現錯誤。借助計算機軟件Excel很夠極大程度地減少繁瑣的計算，獲得較為精確的圖表。同時Excel提供了大量的數學函數，擁有強大的數據處理能能力，使用它對大量數據進行整合不僅效率高，而且非常準確。借助上述思路，針對離心泵特性曲線測定實驗，將實驗獲得數據分別填入到了Excel表格中，然后在公示欄中填入了相應的計算公式，最后時候Excel進行了自動計算，下圖是當中一個有關功率同流量的關系圖。

四、結論

化工原理流體輸送過程中涉及到的數據量和運算方法非常多，計算迭代的次數也非常多，對于實驗數據如何處理一直是一個令人頭痛但不得不面對的問題。實際上，計算機軟件擁有強大的數據處理能力，可以高效地完成這些任務，其中MATLAB和Excel是其中的代表，它們不僅能夠高效地完成計算任務，還能夠提高計算機的實際應用能力，提高工作效率都有著巨大的幫助。

參考文獻：

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