（控制理论与控制工程专业论文）炉膛燃烧过程混合建模与仿真方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 基金项目资助 本文得到：国家自然科学基金项目“锅炉汽轮机单元大 范围协调控制的负荷适应性研究 ( 批准号：6 0 7 0 4 0 3 0 ) 资助。 特此致谢! 华北电力大学硕士学位论文 摘要 为了在发电过程仿真及系统分析与优化设计中比较真实地反映锅炉炉膛的燃烧状 况，提高仿真分析的精度，本文借助流体动力学数值仿真软件f l u e n t 和过程仿真软件 d y m o l a 进行混合建模与仿真方法的研究。利用f l u e n t ，采用非预混模型对江苏泰州电厂 1 0 0 0 m w 煤粉锅炉炉内的流动、传热、燃烧过程进行数值模拟。针对锅炉的实际情况， 模拟两种工况下锅炉的燃烧过程：一种是五层燃烧器投入的额定工况；一种是停用最下 层一次风的工况。对比分析这两种情况下温度场的差异，并借助d y m o l a 中的数据表函 数将炉膛截面温度分布数据以数据表的形式送入d y m o l a 平台，为发电过程的仿真及控 制系统的设计提供重要的数据支撑。 关键词：f l u e n t ，燃烧过程，d y m o l a ，建模与仿真 a b s t r a c t t oa c c u r a t e l yd e s c r i b et h es t a t u so fb o i l e rf u r n a c ec o m b u s t i o ni ns i m u l a t i o n , a n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o no fp o w e rg e n e r a t i o np r o c e s s ，a n dt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o n , t h e f l u e n t ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e ，a n dd y m o l a , p r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r e , a r eu s e df o rh y b r i d m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n r e s e a r c hi nt h i s p a p e r n o n - p r e m i x e d c o m b u s t i o nm o d e li s a d o p t e dt oc a r r yo u tt h ef l o wf i e l d ，h e a tt r a n s f e ra n dc o m b u s t i o n s i m u l a t i o nf o ri0 0 0 m wc o a l f i r e db o i l e ro fj i a n g s ut a i z h o up o w e rp l a n t a c c o r d i n gt ot h e a c t u a ls i t u a t i o no ft h eb o i l e r , t w ok i n d so fc o n d i t i o n so ft h eb o i l e rc o m b u s t i o np r o c e s sa r e s i m u l a t e d 1 1 1 eo n ei st h er a t e do p e r a t i n gc o n d i t i o nw i t hf i v el a y e r sb u m e r sa l li nu s e ，t h e o t h e ri sw i t h o u tt h ep r i m a r ya i ro ft h eb o t t o ml a y e r c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e f i e l db e t w e e nt h e s et w oc o n d i t i o n sa n du s i n gt h et a b l ef u n c t i o ni nd y m o l a , t h et e m p e r a t u r e d a t u mo fs o m es e c t i o n si nt h eb o i la r et r a n s f e r r e di n t od y m o l ai nt h ef o r mo fd a t at a b l ew h i c h c a np r o v i d ei m p o r t a n td a t as u p p o r t i n gf o rp o w e rg e n e r a t i o np r o c e s ss i m u l a t i o na n dc o n t r o l s y s t e md e s i g n s u nl i l i ( d e p a r t m e n to fc o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o r ：f a n gf a n g k e yw o r d s ：f l u e n t ，c o m b u s t i o np r o c e s s ，d y m o l a ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2 课题研究现状2 1 2 1 炉膛燃烧过程模拟研究的发展2 1 2 2 混合仿真的发展现状3 1 3 论文的主要研究内容及结构3 第二章f l u e n t 和m o d e l i c a d y m o l a 5 2 1f l u e n t 概述5 2 2 1f l u e n t 的特点5 2 1 2f l u e n t 的应用6 2 1 3 一个简单算例7 2 2m o d e l i c a d y m o l a 概述。1 3 2 2 1m o d e l i c a d y m o l a 的特点1 4 2 2 2m o d e l i c a 语言的语法结构。1 4 2 2 3m o d e l i c a d y m o l a 软件的应用15 第三章基于f l u e n t 的炉膛燃烧过程模拟1 7 3 1 锅炉介绍1 7 3 2 燃烧过程数值计算的各模型1 8 3 2 1 燃烧机理分析1 8 3 2 2 数值计算中使用的各模型。2 4 3 - 3 减小伪扩散的炉膛网格的划分2 4 3 4 边界条件的设置2 7 3 4 1 确定燃料成分的输入2 7 3 4 2 一、二次风量的计算2 9 3 4 3 其他参数的设定3 0 3 5 炉截面流场分析3 1 3 6 炉内温度场分析3 3 i i 华北电力大学硕士学位论文 第四章d y m o l a 调用f l u e m t 数值模拟结果的实现3 8 4 1f u n c t i o nc t o k 的介绍。3 8 4 2 模块t a b l e s 3 9 4 3c o m b i t a b l e 2 d 调用f l u e n t 数值模拟结果的实现4 1 第五章总结4 6 参考文献。4 7 致 射5 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 1 i i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景和意义 第一章绪论 煤粉燃烧是一个极其复杂的物理、化学过程，是炉膛建模与仿真中的一个难点。 它包括挥发分的释放、焦炭的非均相反应和湍流气相流动、颗粒相运动、湍流燃烧、 辐射传热等，内容涉及到多相流动、传热传质和燃烧等多个方面。直接编程很难实 现，需要投入大量的时间和精力。 因此，传统的发电机组仿真机或用于控制系统分析与设计的锅炉汽轮机模型在 对锅炉炉膛燃烧过程进行模拟或需要得到炉膛中部分过程参数( 如炉膛温度等) 时 通常采用的是零维模型，即在某一确定工况将整个炉膛各部位的过程参数取为同一 数值。这是一种在缺少测量数据情况下高度简化的做法，尽管能在一定程度上近似 得到所需要的因果参数，但显然不能全面反映炉膛燃烧的真实状况，一些因燃烧过 程引起的过程状态变化也无法真实反映出来。为了解决这个问题，可以尝试把多年 来发展成熟的流动及燃烧过程数值模拟软件与生产过程仿真软件结合起来，发挥各 自的优势，提升电厂过程控制仿真的水平。 目前，用于流体传热、燃烧过程数值模拟的软件，主要是c f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 。目前比较好的c f d 软件有：f l u e n t 、c f x 、p h o e n i c s 、s t a r - c d 。 其中f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用c f d 软件包，在美国的市场占有率为 6 0 【1 1 。尽管c f d 软件在流体数值模拟方面优势明显，但对于整个生产流程的仿真 能力却十分薄弱，很多基于过程仿真模型的优化控制方案无法在此类软件上进行仿 真设计和验证。 而现有的很多过程仿真与控制软件，如m a t l a b 、a r m 、m o d e l i c a d y m o l a 等， 能够实现对于多种生产流程的实时仿真，能充分体现过程状态的转换。但是这些软 件对流体传热、燃烧过程的模拟能力非常有限，对包含燃烧过程的生产流程的仿真 度不高，因果参数的变化不够准确。从而直接影响到各种优化方案或控制策略的实 用性和适用性。 基于以上分析，本文尝试把过程仿真软件与数值模拟软件结合起来，通过对包 含燃烧过程的生产流程的混合仿真，充分发挥两类软件各自的优势，进而达到更为 理想的仿真效果，为电厂优化运行、节能优化控制、状态检测与诊断等方面的研究 提供高质量的仿真平台。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 课题研究现状 1 2 1 炉膛燃烧过程模拟研究的发展 煤粉燃烧的数值模拟起始于七十年代，但直n ) k 十年代以来，才出现针对燃烧 室的数值模拟。k a u f m a n 等人对燃烧室内三维煤粉的燃烧情况进行了模拟，其中气 相流动采用k 占模型，颗粒运动采用随机轨道模型，辐射采用离散坐标法( d i s c r e t e o r d i n a t e ，d o ) ，气相燃烧采用有限反应率的e b u ( e d d yb r e a ku p ) a r r h e n i u s 模型， 模拟的温度和浓度分布与实验结果定性上一致【2 1 。 针对我国大部分锅炉都以煤炭作为燃料的实际情况，国内学者在炉内过程的数 值模拟研究方面做了许多有益的尝试，特别是清华大学、西安交通大学、华中科技 大学的煤燃烧国家重点实验室、中国科技大学及浙江大学热能研究所，均在锅炉炉 内煤粉燃烧方面做了大量的工作，并取得了一定的成果。 1 9 9 0 年，樊建人、岑可法【3 】等人首先提出了一个新的两相流动数学模型一脉动 频谱随机颗粒轨道模型，并用它成功地模拟了气固两相同轴射流。1 9 9 2 年，他们又 提出了计算机辅助优化数值实验( c a t ) 方法【4 】【5 】，讨论了数值实验方法在大型电站 锅炉中应用的可能性，同时也为数值模拟炉膛内气固两相流动提供了方向性的指 导。 李志强研究了旋流数对三维煤粉燃烧器中n o x 的影响，其中颗粒采用双流体 模型，气相燃烧采用有限反应率的e b u a r r h e n i u s 模型，n o x 采用有限反应二阶 矩模型，辐射采用离散坐标法，焦炭反应采用扩散一动力模型，预报结果表明提高 旋流数可以降低n o x 的生成【6 1 。 顾明言研究得到了煤粉颗粒大小与煤粉在中心回流区内的停留时间以及回流 区的有效作用时间之间的内在关系。考虑了c o 在边界层内燃烧的能量分配系数。 并对能量分配系数与燃料特性参数及碳粒直径的相互影响进行了相关的分析与研 究，提高了对碳粒燃烧数值模拟的准确性【7 1 。 近年来，德国、英国、美国及中国等国的学者相继开展了锅炉炉膛煤粉气流燃 烧过程数值计算的研究工作，并已经推出了这方面的一些商业软件，其中f i u e n t ， p h o e n i c s ，s t a r c d 和c f x 等大型软件最具代表性。 上述煤粉燃烧过程数值模拟的理论成果，以及c f d 商业软件的快速发展不仅为 直接针对炉膛燃烧过程的研究奠定了基础，也为与炉膛燃烧过程相关的热工生产过 程的控制与优化问题的研究提供了极大便利。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 混合仿真的发展现状 关于混合仿真，基于接口的方法使用较为普遍，多数商用仿真软件皆提供与其 它领域仿真软件的接口。如机械多体动力学仿真软件a d a m s 提供与控制系统仿真 软件m a t l a b s i m u l i n k 的接口，通过该接口可以实现机械多体动力与控制系统的 多领域建模与协同仿真【8 】。福特公司在开发车辆姿态控制系统v a c 时就利用了 a d a m s 和x m a t h 软件协同仿真【9 】。v i s t e o n 公司在开发转矩控制器时利用了a d a m s 和m a t l a b 软件协同仿真【1 0 1 。 郭焱【i i 】等用物理模型和仿真模型相结合的方法，设计船舶电力推进( e p s ) 混合 仿真系统。使用c a n 现场总线技术，配置仿真网络系统。永磁电机采用模糊神经网 络和无位置传感器观测器的控制方法，利用数字信号处理器( d s p ) 实现运动过程的 控制。就推进系统软硬件仿真、网络系统、推进电机控制及船一桨模型等进行研究， 建立船一桨数学模型，控制直流负载电机，仿真螺旋桨特性。船舶电力推进混合仿 真系统建成，不仅能够满足了学生和船员培训需要，而且为科研提供一个开发平台。 混合仿真能发挥各种仿真思想的优点，陈荣虎【1 2 】利用“自顶向下”和“自底向上” 这两种思想的结合。弥补了d y n a m o 语言扩充性不强的缺点。对系统动力学进行混 合仿真，在另外一个语言平台上实现系统动力学，即将由d y n a m o 语言编写的程 序转为其它语言来实现或直接将因果关系图用其它语言来表示。在系统较大且较复 杂的情况下，提出这种实现过程最好能由辅助工具来实现。系统动力学和多代理人 系统、离散系统以及其它新型算法相结合的仿真是一种新的建模思路，它能适用于 各种需要宏观基础和微观基础的社会系统和自然系统，尤其是经济系统。 混合仿真用在很多领域，适应越来越多样化的仿真要求，具有广泛的应用前景。 1 3 论文的主要研究内容及结构 目前，燃煤火力发电机组在我国电力生产中仍占主导地位。在能源形势趋紧、 环境压力日增的情况下，研究煤粉锅炉的燃烧问题显得更加重要。 文针对国电泰州电厂一期工程2 1 0 0 0 m w 超超临界燃煤机组直流锅炉，利用 f l u e n t 软件和d y m o l a 平台展开混合仿真研究。 本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) 查阅国内外相关文献，熟悉煤粉炉燃烧过程各个主要过程的物理、化学模 型和数学模型，学习f l u e n t 的前后处理软件，即g a m b i t 和t e c p l o t 。用g a m b i t 建立 煤粉炉的物理模型，并划分出适合模拟计算的网格。 3 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 在f l u e n t 中设置边界条件，并选择合适的模型对四角切圆煤粉炉炉内的燃 烧进行模拟试运算。在试运算成功后，选择最佳网格系统的计算模型对锅炉的实际 情况进行模拟运算。 3 ) 模拟实际工况下满负荷和停用最下层一次风时的煤粉炉的燃烧过程，通过 比较炉内的温度场、速度场的分布情况选出能较好反应炉膛燃烧过程的模型。 4 ) 整理f l u e n t 的仿真结果。用t e c p l o t 处理温度分布的数据，让结果的显示更 加的清晰明了。 5 ) 把f l u e n t 中的计算结果以数据表的形式进行存储；在d y m o l a 平台上利用数 据读取函数调用数据表进行过程仿真。由于数据表在f l u e n t 中计算得到，因而能够 相对准确地反映确定工况下炉膛的燃烧状况。同时，在d y m o l a 上调用时只需要检 索数据表，速度快、实时性好。 6 ) 总结论文研究成果，分析研究过程中存在的不足，提出改进措施。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章f l u e n t 和m o d e l i c a d y m o l a f l u e n t 在燃烧过程数值计算方面具有优势；m o d e l i c a d y m o l a 在生产流程的可视 化，多模块重用方面具有优势。论文基于上述两种软件进行炉膛燃烧过程的混合仿 真研究。本章对f l u e n t 和m o d e l i e a d y m o l a 的特点及应用进行简要介绍。 2 1f l u e n t 概述 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司开发的通用c f d 流场计算分析软件，目前已被广泛 应用于流体流动、传热传质、化学反应以及其它复杂物理现象的数值模拟。它的设 计基于“c f d 计算机软件群的概念 ，针对每一种流动的物理问题的特点，建立不 同的计算模型，如：层流、紊流、传热、化学反应等【l 】，采用适合于它们的数值解 法，使得计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳，从而高效率地解决复杂流动 过程的计算问题。软件群采用统一的前后端处理工具，这就为f l u e n t 的通用化建立 了基础【j 。 2 2 1f l u e n t 的特点 f l u e n t 是用于计算复杂几何条件下流动和传热问题的程序。它提供的无结构网 格生成程序，把计算相对复杂的几何结构问题变得容易和轻松。可以生成的网格包 括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。并且，可以根 据计算结果调整网格。这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场如自 由剪切流和边界层问题有很实际的作用。同时，网格自适应和调整只是在需要加密 的流动区域里实施，而非整个流动场，因此可以节约计算时间。 f l u e n t 程序软件包包括以下几个部分： 1 ，f l u e n t 解法器 2 ，p r e p d f ，用于模拟p d f 燃烧过程 3 ，g a m b i t ，网格生成 4 ，t g r i d ，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成体网格。 5 ，f i l t e r s ( t r a n s l a t o r s ) ，转换其它程序生成的网格，用于f l u e n t 计算。可以接 口的程序包括：a n s y s ，i - d e a s ，n a s t r a n ，p a t r a n 等。 各部分的相互关系如图2 1 所示。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2f l u e n t 的应用 图2 1 基本程序示意图 f l u e n t 无论对于可压、还是不可压流动，无论是层流还是湍流问题，都具有很 强的模拟能力。它提供了很多数学模型用以模拟复杂几何结构下的输运现象( 如传 热与化学反应) 。该软件能解决比较广泛的工程实际问题，包括处理设备内部过程 的层流非牛顿流体流动，透平机械和汽车发动机过程中的湍流传热过程，锅炉炉里 的粉煤燃烧过程，还有可压射流、外流气体动力学和固体火箭中的可压反应流动等。 为了能模拟工业设备和过程中的流动及相关的输运现象，f l u e n t 提供了许多解 决工程实际问题的选择，其中包括多空介质流动，( 风扇和热交换器) 的集总参量 计算，流向周期流动与传热，有旋流动和动坐标系下流动问题。随精确时间滑移网 格的动坐标方法可以模拟计算涡轮流动问题。f l u e n t 还提供了离散相模型用以模拟 喷雾过程或者稀疏颗粒流动问题。还有些两相流模型可供选用。 f l u e n t 程序可以解决以下几个方面的问题： 1 采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和三位流动 问题。计算过程中，网格可以自适应 2 可压缩与不可压缩流动问题 3 稳态和瞬态流动问题 4 无粘流，层流及湍流问题 5 牛顿流体及非牛顿流体 6 对流换热问题( 包括自然对流和混合对流) 6 华北电力大学硕士学位论文 7 导热与对流换热耦合问题 8 辐射换热 9 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟 1 0 多运动坐标系下的流动问题 1 1 化学组分混合与反应 1 2 可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项 1 3 用l a g r a n g i a n 轨道模型模拟稀疏相( 颗粒，水滴，气泡等) 1 4 多孔介质流动 1 5 一维风扇、热交换器性能计算 1 6 两相流问题 1 7 复杂表面形状下的自由面流动 2 1 3 一个简单算例 圆筒型燃烧器如图2 2 所示，燃烧火焰为湍流扩散火焰( t u r b u l e n c ed i f f u s i o nf l a m ) 燃烧器中心有一个小的喷嘴以6 0 m s 注入甲烷空气从喷嘴周围以o 5 m s 进入，燃烧 当量匕t ( o v e r a l le q u i v a l e n c er a t i o ) 大约是o 7 6 ( 超过空气约2 8 ) 。甲烷气体在燃烧器 中流动，并与低速流动的空气混合基于甲烷喷口直径的雷诺数约为5 7 x1 0 3 。 莎芗7 - 一0 5 m一-_ _ 0 5 m 一 ，y x - 挪5 删眦岬壁面锰 l 丑一一眯 譬 l lj 图2 2 一个湍流扩散火焰炉中的甲烷气体燃烧 第一步，首先在g a m b i t 里画出图形并划分网格，如下图2 3 ，设置好边界条 件，如流量进口压力出口，壁面温度等。保存为m s h 文件。 图2 3 火焰炉网格情况 7 华北电力大学硕士学位论文 f l u e l 噜t5 愿 a c u o n ： a d dy m o d i f y 、厂d e l e t e 、，d e l e t ea l l n a m e t y p e p r e s s u r e o u t 出口 a x i s n o z z l e a i d n l e t 空气入口 f u e l i n l e t 燃料入口 p r e s s u r e o u a i s w a l l v e l o c i t y i n l i v e l o c i t vl n l i 图2 4 边界条件的设置 第二步，在f l u e n t 软件中读入r a s h 文件，检查网格。 第三步，设置求解模型。定义计算域为轴对称，保持缺省的求解器。 s o l v e rf o r m u l a t i o n v e l o c i t yf o r m u l a t i o n 筘a b s o l u t e 广r e l a t i v e | ：。 g r a d i e n to p t i o np o r o u sf o r m u l a t i o n ；芦g r e e n - g a u s sc e l lb a s e di 筘s u p e r f i c i a lv c l o c i t y ； rg r e e n - g a u s sn o d eb a s e drp h y s i c a lv e l o c i t y ! rl e a s ts q u a r e sc e l lb a s e d 。一一 一一。 2 鉴| 曼苎! 型| 型巴l 图2 5 求解器对话框 第四步，选用k 一占湍流模型。 8 哦国| | 疆一 而! 一秽广一疗r 一 llll 华北电力大学硕士学位论文 m o d e lm o d e ic o n s t a n t s rl n v i s c i d cmu-一 rl a m i n a r | o - 0 9 rs p a l a r t - a i i m a r a s 1 1e q n l 分k - e p s i l o n1 2e q n j c 1 一e p s i l o n rk - o m e g a 【2e q n l | 1 j i j i rr e y n o l d ss t r e s s 1 5e q n i c 2 - e p s i l o n 墅多肚 | ! 咀m 9 堕咀 卜9 2 | 分s t a n d a r d lrr n g t k ep r a n d t in u m b e r lrr e a l i z a b l e 1 1 1 r u s e r - d e f i n e df u n c t i o n s 疗s t a n d a r dw a l if u n c t i o n s t u r b u l e n t s c o s i t y rn o n - e q u i l i b r i u mw a l lf u n d i o n s l n 。n e_re n h a n c e dw a l lt r e a t m e n t ru s e r - d e f l n c dw a l lf u n c t i o n sp r a n d t ln u m b e r s j l 0 0 p t i o n s t k ep r a n d t in u m b e r n o n c i - v i s c o u sh e a t i n g t d rp r a n d t ln u m b e r n o n e e n e r g yp r a n d t ln u m b e r门 n o n e | ， j 图2 6 黏性模型对话框 第五步，激活能量方程，启动传热计算。 图2 7 能量方程对话框 第六步，启动化学组分传输和反应。 9 华北电力大学硕士学位论文 一一”1 “。“o 口目_ o _ _ _ “4 “”o ”4 “哪q _ h m 目目m w 目g g 猫# # 日g g 目岫 m o d e l m i x t u r ep r o o e r t i e s ro f f m i x t u r em a t e r i a l 疗s p e c i e st r a n s p o r t | m e t h a n e - a ；rj 旦划 f n o n p r e m i x e dc o m b u s t i o n rp r e m i x e dc o m b u s t i o n劬盯耐珈沁眦t r i cs p e c i e sr r p a r t i a l l yp r e m i x e dc o m b u s t i o n r c o m p o s i t i o np d ft r a n s p o r t t u r b u l e n c e - c h e m i s t r yi n t e r a c t i o n r e a c t i o n s rl a m i n a rf i n i t e r a t e 舻v o l u m e t r i c r f i n i t e r a t e e d d y - d i s s i p a t i o n rw a i ls u d a c c 筘e d d y - d i s s i p a t i o n re d c rp a r t i c l es u d 毪c e o p t i o n s 罗i n l e td i f f u s i o n 舻d i f f u s i o ne n e r g ys o u r c e 广f u l lm u l t i c o m p o n e n td i f f u s i o n i - t h e r m a ld i f f u s i o n 2 墨| 垒旦! 兰| 劐到 图2 8 化学组分模型对话框 第七步，流体材料设置。 n a m e i m e t h a n e - a f t c h e m l c 柚f o 棚_ h i 。 ” n u e n tm i x t u r em a t e r i a l s 辆i t o r p o r d e rm a t e r i a l sb y l 瘩n a m e rc h e m i c a if o r m u l a | l 一j f l u e n td a t a b a s e l u s e r - d e f i n e dd a t a b a s e l 第八步，边界条件设置。 图2 9 流体材料对话框 1 0 华北电力大学硕士学位论文 在z o n e 中选择要设置的量，在t y p e 中选择量的类型。如空气入口为流量进口 图2 1 0 条件边界对话框 第九步初始化并求解。求解的初始计算入口，温度的最初值等在图2 1 l 所示 的对话框中设置，求解控制方程等在图2 1 2 中设置，叠代计算步数如图2 1 3 中设 置。 r e f e r e n c ef r a m e 分r e l a t i v et o ra b s o l u t e j 划劂到到刿 _ - _ _ _ _ _ _ - _ 一_ _ _ o _ _ _ _ _ _ _ - o _ _ “_ _ _ _ _ _ - - _ o _ _ - o _ - o _ - - _ o _ _ _ - _ _ - _ 图2 1 1 求解初始化对话框 爿一l 华北电力大学硕士学位论文 o k ld e f a u l t | c a n c e ll h e l pl - _ - _ - - _ _ - _ _ _ - o - _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ h _ _ - _ _ - j - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ 图2 1 2 求解控制对话框 l t e r a t i o n 型剜到剧 图2 1 3 进行1 0 0 0 步计算设置 第十步查看温度结果。在图2 1 4c o n t o u r so f 选项中选择温度显示，图2 1 5 为 计算的温度结果。 华北电力大学硕士学位论文 l e v e l s s e t u p 爿r 囊 s u r f a c en a b ep a t t e r n m i n k im a x 瓣 s u r f a c e s 国三 d e f a u l t - i n t er 0 r i 磊， f u e l i n l e t “ n o z z l e 黧 。 p r e s s u r e o u t 匕： w a l l 憋 a x i s 塑 clipsurf量童 e x h a u s h a n f a n 堕! ! 苎! | 曼竺竺唑! l 曼! 竺! 曼i型| 图2 1 4 等高线对话框 2 2m o d e l i c a d y m o l a 概述 图2 1 5 温度等高线结果 m o d e l i c a 语言本身带有可重用的机械、 库和扩展库，基于可视化的模块建模方法， 1 3 电子、液压、控制、热流等领域的标准 在控制优化领域具有很大的发展空间。 华北电力大学硕士学位论文 目前，国际上基于m o d e l i c a 语言的多领域物理系统建模和仿真商用平台中具有代表 性是d y m o l a ( d y n a m i cm o d e l i n gl a b o r a t o r y ) 软件，它是由瑞典兰德( l u n ds w e d e n ) d y n a s i m 公司开发的，主要应用于汽车、机器人等多工程领域的建模和仿真，并且 允许多个领域，如机械、电子、液压和控制等系统之间的多领域物理系统建模和仿 真。基于m o d e l i c a d y m o l a 在建模仿真应用中的广泛性，选用它作为控制领域的平 台与其他的软件混合仿真，能得到比较好的仿真结果。 2 2 1m o d e l i c a d y m o l a 的特点 在某种程度上，m o d e l i c a 语言类似于早期的j a v a 语言，只不过应用领域是 虚拟原型而不是网络编程。它采用面向对象和组件的思想，对不同领域物理系统的 模型进行统一的表述。d y m o l a 作为m o d e l i c a 建模语言的软件支持环境，是一种 采用面向对象技术的建模和仿真软件。由于m o d e l i c a 语言也可以将s i d o p s 语言 翻译为m o d e l i c a 语言，所以也支持键合图建模，它也是一种把键合图和方块图结 合在一起的建模和仿真软件。d y m o l a 是对实际物理对象的建模，这就适用于模拟 不同类型的物理对象。并且它支持分级建模，支持模型库中元件的重复使用，支持 复杂、任意的连接。总体上来讲，它具有以下特点【1 4 】： 1 能够处理大型、复杂、多领域的仿真过程： 2 开放的模块式结构： 3 图形化、模块化快速建模： 4 3 d 模拟、实时模拟。 2 2 2m o d e l i c a 语言的语法结构 用m o d e l i c a 语言建模可以采用两种方式，一种是用m o d e l i c a 语言的文本方式 进行建模；另一种是使用图形建模工具，通过拖放仿真平台模型库中的标准部件、 连接部件间的接口、给出部件的参数，来建立系统的模型。 类是构成m o d e l i c a 模型的基本单元，类是一般类( c l a s s ) 和受限类( s p e c i a l i z e d c l a s s ) 的统称。受限类具有特殊用途，在语法规范上有一定的限制。使用受限类是 为了更精确地表达模型含义，增强易用性和可读性，便于编译器作限制性检查。 类可以包含三种类型的成员：变量、方程和成员类。变量表示类的属性，通常 代表某个物理量；方程指定类的行为，表达变量之间的数值约束关系；类也可以作 为其它类的成员，类的成员可以直接定义，也可以通过继承从基类中获得。 c 语言中数据有变量与常量之分，但在m o d e l i c a 中所有量均定义为变量，包 1 4 华北电力大学硕士学位论文 括常变量( c o n s t a n tv a r i a b i l i t y ，如例子中的g ) 、参数变量( p a r a m e t e rv a r i a b i l i t y ， 如m 、f 、k ) 、离散时间变量( d i s c r e t e t i m ev a r i a b i l i t y ) 和连续时间变量 ( c o n t i n u o u s t i m ev a r i a b i l i t y ，如s 、v 、f ) 。常变量在仿真前后都不能改变，类似于c 语言中的常量：参数变量用关键字p a r a m e t e r 指明变量可变性，它表明该变量在仿 真期间是一个常量，而在不同的仿真试验中，其值是可以改变的；其它变量均为时 间的函数，可用“s t a r t 赋初值或者用初始化方程( i n i t i a le q u a t i o n ) 进行初始化， 否则系统默认变量的初值为零。m o d e l i c a 中基本数据类型分为r e a l 、i n t e g e r 、b o o l e a n 和s t r i n g 四种，即实型、整型、布尔类型和字符串类型。 另外，m o d e l i c a 基本库的s i u n i t s 库包含了工程应用的几乎所有数据类型的定 义，而且这种数据类型更加具体，附带国际单位，是根据i s 0 3 1 1 9 9 2 国际标准定 义的，如长度类型的定义t y p el e n g t h = r e a l ( f i n a l q u a n t i t y = ”l e n g t h ，f i n a l u n i t = ”m 什) 。 m o d e l i c a 也允许用户自行定义数据类型，其定义和使用方法与m o d e l i c a s i u n i t s 中 的变量类型一样。 一般编程语言往往将方程含义定义为赋值过程，而在m o d e l i c a 语言中，方程 的求解方向在方程声明时是未指定的，既可以从左往右进行计算，也可以从右往左 进行计算，方程与来自其它类的方程的交互方式决定了整个仿真模型的求解过程； 同时，模型中方程的前后位置与计算顺序没有联系【l5 1 传统建模语言中的赋值语句 在m o d e l i c a 中通常视为方程，组件之间的连接将用于生成方程，例如在m o d e l i c a 中，f - - k * m * g ，r * i = v 等为方程，f = k 幸m 木g ，v ：= r i 为赋值语句。根据产生方程的 场景的不同，可以有正规方程( 出现在e q u a t i o n 部分) 、声明方程( p a r a m e t e r r e a l m a s s = 2 ) 和初始化方程( 出现在i n i t i a le q u a t i o n 部分，或是带有s t a r t 属性的变量 声明。 函数( f u n c t i o n ) 在数学建模时普遍应用，m o d e l i c a 中有内置函数，如a b s 、s q r t 、 m o d 、d i v 等；用户也能自定义函数。函数只包含一个a l g o r i t h m ，形参用i n p u t 关键 字声明，函数输出用o u t p u t 关键字声明，函数形参不能在函数内部赋值。 2 2 3m o d e l i c a d y m o l a 软件的应用 多领域物理系统建模仿真技术在一些较发达国家，如美国、欧洲、日本等已得 到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、航空航天业、工程机械、造船业、机械电 子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、医学、生物力学以及工程咨询等很多 方面。所涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快门，从上天的火箭到轮船的锚链，在 各个领域里，多领域物理系统技术的应用都为用户节约了成本，并提供了满意的设 计方案。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 在国内，也已经有一些学校和研究机构对基于m o d e l i c a 语言的多领域物理系统 建模仿真技术进行了研究，如上海交通大学采用m o d e l i c a 语言通过多领域建模方 法对燃气轮机进行的建模和仿真等【1 6 。2 。可以看出m o d e l i c a d y m o l a 软件的应用前 景是很广阔的。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 1 锅炉介绍 第三章基于f l u e n t 的炉膛燃烧过程模拟 国电泰州电厂一期工程2 1 0 0 0 m w 超超临界燃煤机组锅炉是由哈尔滨锅炉厂 有限责任公司在日本三菱重工业株式会社( m i t s u i b i s h ih e a v yi n d u s t r i e s