化工過程模擬與優化的案例
中石化SEI│石油化工過程控制與優化PPT課件
編 輯 | 化工活動家
來 源 | SEI
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CFDPro熱管仿真 | 模擬熱管內部流動及傳熱傳質過程，優化熱傳輸性能
<p>熱管作為一種高效的傳熱元件，其工作原理基于熱傳導和相變過程。它通常由管殼、吸液芯和端蓋組成，內部充注適量的工作液體。在不消耗外部能源的情況下快速傳遞熱量。熱管因其高效的熱傳導性能，被廣泛應用于各種需要有效散熱的領域，如航空航天器的熱控、電子設備的冷卻等。</p><p>盡管熱管在實際應用中已經展現出了其優越的性能，但在設計和優化過程中仍然面臨諸多挑戰。實驗測試雖然能夠提供真實的數據，但往往成本高昂且周期長。此外，實驗條件難以完全控制，可能會受到環境因素的影響。因此，仿真技術在熱管設計和優化過程中起到了至關重要的作用。</p><p><strong>熱管模擬仿真目的</strong></p><p>通過CFD技術模擬熱管的實際工作過程，以預測和優化其熱傳輸性能。仿真可以實現以下幾個目的：</p><p><strong>設計優化：</strong>基于仿真數據，可以調整熱管的幾何形狀、管徑、管長、翅片結構等關鍵參數，以最大化其熱傳輸效率。</p><p><strong>性能預測：</strong>通過CFD技術，可以預測熱管在不同工況下的溫度分布、壓力變化、傳熱效率以及響應速度等關鍵參數。</p><p><strong>流動與傳熱特性分析：</strong>揭示熱管內部的流體流動和傳熱特性，觀察到流體在熱管內的流動路徑、流速分布、壓力分布以及溫度分布等關鍵信息。</p><p><strong>穩定性與可靠性評估：</strong>評估熱管在不同運行條件下的穩定性和可靠性。包括長時間運行、負荷變化、環境變化等多種情況。</p><p><strong>熱管仿真的難點</strong></p><p><strong>物理模型復雜性：</strong>熱管仿真涉及到兩相流、多組分流動、相變現象、復雜的傳熱機制以及毛細力驅動的回流效應，這些都需要高精度的數學模型來描述。
展開 CFDPro熱管仿真 | 模擬熱管內部流動及傳熱傳質過程，優化熱傳輸性能
專業的熱管模擬仿真模塊
HeatPipePro是專用于熱管內部流動、傳熱和傳質仿真的模塊。它能夠精確分析熱管中的吸液芯毛細驅動流動問題，揭示流體在微小通道中的流動機制；能夠有效處理吸液芯表面的兩相相變問題，準確模擬液體蒸發和氣體冷凝過程；能分析冷凝器內部壁面的冷凝問題，評估冷凝效率和冷凝液分布；能夠全面分析整個熱管回路的工作狀態，預測其在不同工作條件下的性能表現，為熱管產品的研發提供有力支持。
功能特點
采用可壓縮兩相流模型處理熱管內部壓力、溫度變化條件下的流體問題。
多孔介質模型和毛細力模型耦合使用,保證了毛細芯內兩相流動的順利進行。
沸騰冷凝相變模型可以準確描述熱管內部相變問題。
可對整個熱管系統進行仿真,通過分析不同設計參數(充液率、幾何尺寸等)計算結果,實現產品優化設計。
微槽道熱管
典型應用案例
航天器熱管相變冷卻
熱管相變傳熱的物理過程復雜，涉及兩相流動、換熱、傳質等現象，為時間與空間多尺度兩相流形態。軟件采用高效的Lee模型進行蒸發、冷凝現象的計算，多相流模型采用均相模型，可以模擬相變熱管的熱傳遞全過程。
蒸發器部件仿真中的應用
軟件通過模擬蒸發器內的毛細壓力模型和沸騰模型，分析了蒸發器在不同工況下的性能表現，并驗證了冷凝器內蒸汽冷凝過程受多種因素影響，為蒸發器和冷凝器的設計和優化提供了有力支持。
展開 學習記錄——Workbench含斜拉索&橋梁&小車行駛過程數值模擬
駛過程數值模擬
駛過程數值模擬
今天學習的案例是Workbench含斜拉索&橋梁&小車行駛過程數值模擬。難點是小車行駛過程中整車產生的重力引起的輪胎變形的不同等效形式和復雜時域載荷如何施加到系統模型當中。
本案例還是遵循377原則，即三大步三小步。如圖所示。
1.前處理
1.1幾何模型系統的構建
導入模型如圖所示。
1.2材料模型系統的構建
密度：7850
楊氏模量：210e9
泊松比：0.3
1.3有限元模型系統的構建
1.3.1材料賦予
1.3.2連接關系：轉動、固定和移動
1.3.3網格劃分
2.求解
2.1載荷邊界條件
轉動副
2.2位移邊界條件
2.3求解設定
時間0.1s，初始步數25，最小步數20，最大步數250，打開大變形。
下面是本案例的思維導圖。
展開 
化工生產氧化過程中氧氣含量的測量
化工生產氧化過程中氧氣含量的測量及氧分析儀的選擇取決于采用的反應步驟，可將空氣(如用于生產順丁烯二酸酐或鄰苯二甲酸)、富氧空氣 (如用于生產丙烯睛)或純氧氣體(如用于生產醋酸乙烯)等作為氧化劑使用。在固定反應器或流化來反應器的異質氣相中進行的氧化處理被廣泛用于大家化學品的生產中。
流化床反應器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態，并進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。流化床氧化往往依靠富氧空氣進行操作，由于其含氮量高，化工生產氧化過程中氧氣含量的測量及氧分析儀的選擇便為固體顆粒提供了有效的流化氣體流。
工采網的一款All氧氣傳感器，微量氧氣燃料電池，GPR-12-333這種先進的電流型氧傳感器在嚴格的應用程序下提供優良的穩定性和準確性。所有傳感器都經過極其廣泛的穩定性測試。分析工業公司提供的氧氣傳感器。
展開 第一屆全國過程模擬與仿真學術會議圓滿落幕
會 議 現 場
學 術 交 流
本次會議主題包括：化工熱力學與原子/分子模擬；化工系統過程模擬、控制、優化與仿真；化工計算流體力學與傳遞過程建模；顆粒系統數值建模與模擬；多相流理論模型及數值方法；工業反應器及相關過程模擬與應用。交流形式為大會報告、分會主題報告、口頭報告和墻報展講。
本次會議旨在發揮各高等院校、科研院所的專家群體作用，加強計算機模擬與仿真研究現狀及發展趨勢的學術交流，并結合過程工業領域中急需解決的、與模擬相關的關鍵問題和難點問題，進一步推動過程工業中計算機模擬與仿真在基礎理論、數值方法和工程應用中的研究與發展。
展開 中石化PPT│化工反應過程之固定床反應器詳細解讀
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來 源 | 中石化
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清華大學CJChE丨基于自適應多尺度卷積神經網絡的化工過程故障診斷模型
由于原料性質、設備損耗以及外界環境等條件的變化，化工生產裝置運行工況隨之波動，因此傳感器監測的過程變量會包含具有不同時間尺度的數據特征。盡管近年來深度學習在故障診斷領域取得了很大進展，但大多數模型都無法高效提取多尺度數據特征，也難以在跨工況任務上展現較好的魯棒性。本文提出了一種基于自適應多尺度卷積神經網絡的化工過程故障診斷模型AMCNN，可以自動從時間序列數據中挖掘多尺度特征，同時模型中自適應注意力機制有助于選擇與故障狀態聯系更緊密的關鍵特征加以訓練，受度量學習啟發引入的三元組損失函數用于提升模型對多工況故障特征的泛化能力。本文采用連續攪拌反應器仿真系統和田納西-伊斯曼過程模擬數據集對所提方法的效果進行驗證，實驗結果證明AMCNN模型具有優異的故障診斷性能和跨工況通用性。
成果展示
本文構建的自適應多尺度卷積神經網絡模型結構如下圖所示，AMCNN整體由三部分模塊組成，分別是多尺度卷積模塊、融合兩種機制協同作用的自適應注意力模塊和三元組損失優化模塊，分類器用于輸出故障類別。
展開 仿真APP助力石油化工設備設計優化，提高生產效率及安全性
石油化工生產工藝技術復雜，運行條件苛刻，任何一個小的失誤就有可能導致災難性后果；而且石化生產裝置呈大型化和單系列，自動化程度高，某一部位、某一環節發生故障，就會牽一發而動全身。這些都對石化生產設備的可靠性提出了嚴格的要求。
使用仿真APP能夠在石油化工設備研發初期，在虛擬環境中對各部件在不同工況下的性能指標進行直觀展示，從而識別潛在設計缺陷，指導設計優化。
不懂仿真知識的設計工程師也能輕松上手使用仿真APP，只需在瀏覽器中打開仿真APP計算頁面，簡單設置各項參數，即可一鍵在線計算，快速得到仿真結果；試驗測試人員同樣可以使用仿真APP來優化測試方案，提升測試效率，降低測試成本。對于較復雜的仿真結果，還可以在線咨詢仿真APP開發者，獲取專業的仿真結果分析指導。
以下10款石油化工設備仿真APP，供大家體驗。不符合要求，還可以個性化定制。
01 金屬波紋管彎曲載荷隱式結構分析仿真APP
金屬波紋管的一個主要特性便是其 “柔性” 表現，所謂 “柔性”，這一特性賦予了它極為出色的可變形能力。憑借這種良好的柔性特質，金屬波紋管常常被應用于變形補償器的設計與制造之中，在各類復雜的工程系統里發揮著關鍵作用，有效地緩解因結構變形而可能引發的一系列問題，保障整個系統的穩定性與可靠性。
此款 APP，可為其相關的工程分析與設計工作提供強大且便捷的工具支持，通過幾何參數快速建立不同規格尺寸的金屬波紋管模型。當金屬波紋管受到彎矩作用時，APP 能夠迅速且精確地模擬出其結構響應情況。
展開 過程集成優化(含結構與多學科優化)發展及應用現狀初步調查
過程集成優化(含結構與多學科優化)發展及應用現狀初步調查
相信很多人都想知道以下這些問題的答案:
1. 過程集成優化(含結構與多學科優化)的研究方向及熱點是什么?
2. 過程集成優化(含結構與多學科優化)的研究成果及應用有哪些?
3. 過程集成優化(含結構與多學科優化)應用于哪些領域和實際問題的解決?
4. 過程集成優化(含結構與多學科優化)在實際問題中的解決方案是什么?
如果您曾經做過或正在進行相關的項目研究,實際應用,那么,請花幾分鐘時間按以下格式跟貼,相信通過這樣一個簡單的調查,能夠初步對優化過程集成優化(含結構與多學科優化)的研究與應用現狀勾勒出一個大概的輪廓,并有可能發現有類似的研究項目參考或交流.
我們的原則"學習大家的，分享自己的"．跟貼給予評分.
項目示例：
應用領域－－航空航天
工程目的－－形狀優化，以使某結構容易斷裂分離
所用理論－－DOE(實驗設計)＋RSM(響應面方法)＋SQP(序列二次規劃)
所用軟件－－Isight9.0(集成優化軟件)＋ANSYS(CAE分析軟件)+LS-DYNA(CAE分析軟件)＋Visual Fortran/Matlab(部分接口程序的編寫)
解決方案－－1. ANSYS參數化建模(用APDL語言,待優化的尺寸定義為設計變量),再生成LS-DYNA要用的**.K文件; 2. 提交LS-DYNA生成分析結果(結果文件的內容根據實際情況通過軟件設置輸出,但有時并不一定能滿足建模的需要); 3. 所以要通過F或M編程語言寫出需要的可執行的接口文件,從LS-DYNA輸出的結果文件中提取出有用的數據(如關注單元/結點或其集合的最大應力或變形等),并寫入一個文件如文本文件**.out。
展開 基于CEL法的單樁基礎貫入過程模擬：考慮應變軟化與應變率效應 ￥100
背景
單樁基礎在巖土工程與海洋工程中應用廣泛，其貫入過程直接影響承載力、沉降以及后期的服役性能。傳統的分析方法通常依賴于靜力學近似或經驗公式，但在高速貫入或復雜土體條件下，這類方法往往難以準確反映真實機理。為此，數值模擬技術逐漸成為研究單樁動力學行為的有力工具。
內容
本案例介紹一種基于 CEL（Coupled Eulerian–Lagrangian）方法 的單樁貫入模擬思路。CEL法通過在樁體采用Lagrangian網格、土體采用Eulerian描述的方式，能夠自然處理大變形問題，避免了純Lagrangian網格嚴重畸變的困境。這種方法特別適合樁土相互作用、沖擊載荷和復雜邊界問題的研究。
在模型構建中，除考慮土體強度隨埋深的變化外，還引入了 應變軟化 與 應變率效應 兩個關鍵因素。應變軟化反映了土體在達到峰值強度后強度逐漸降低的特性，對預測貫入阻力和樁周土體擾動范圍具有重要意義。而應變率效應則考慮了土體在高速加載下強度和剛度隨加載速率的增加而提高的規律。這兩者在樁貫入問題中往往是同時存在的：軟化決定了樁入土后的長期穩定性，速率效應則主導了瞬時的動力響應。
通過研究，可以得到以下幾點主要認識：
軟化效應：若忽略，可能會高估貫入阻力，導致溜樁等事故發生。
速率效應：對貫入速度較大的情況，土體等效強度提升明顯，使樁貫入力顯著增大；但該效應在慢速貫入下相對有限。
相比傳統有限元方法，CEL模擬不僅能捕捉樁端土體的流動與回填現象，還能清晰展現樁周土體擾動區的形成與演化。提供了一個更接近實際工況的分析工具。
應用領域
樁體、軟土貫入儀器貫入過程等軟土大變形領域
展開 
學習記錄——Workbench盤式制動器系統瞬態動力
學評估
駛過程數值模擬
駛過程數值模擬
今天學習的案例是Workbench盤式制動器系統瞬態動力學評估。難點是能量的輸入和輸出決定的是什么和當出現不合理的結果以后如何思考。
本案例還是遵循377原則，即三大步三小步。如圖所示。
1.前處理
1.1幾何模型系統的構建
導入模型如圖所示。
1.2材料模型系統的構建
密度：980
楊氏模量：110e9
泊松比：0.3
1.3有限元模型系統的構建
1.3.1材料賦予
1.3.2連接關系：轉動、固定和移動
1.3.3網格劃分
2.求解
2.1載荷邊界條件
轉動副
2.2位移邊界條件
2.3求解設定
時間0.1s，初始步數25，最小步數20，最大步數250，打開大變形。
下面是本案例的思維導圖。
基于AMESim的純電動汽車熱管理系統的優化設計 附AMESim優化過程基礎操作及DOE&遺傳算法G
4．3爬坡工況下熱管理系統的優化
在上文研究的基礎上，選擇具有一定坡度的路況進行仿真．在NEDC循環工況下，環境溫度為40℃，道路坡度在3%～4%，部分路段達到5%左右，考察電動汽車的動力性能和冷卻效果．在外界環境溫度為40℃條件下，冷卻水全部經過散熱器散熱．在此工況下，散熱器進出口的冷卻水溫度如圖13所示。
從上圖可以看出，在高溫環境下，車輛在爬坡道路時，散熱器的最大溫差約為5℃左右．散熱器進口溫度低于65℃，能滿足熱管理的要求．電池包內部的平均溫度變化如圖14所示．由圖14可知，在外界環境為40℃時，車輛運行NEDC工況并有爬坡道路時，電池包內部的平均溫度約升高10℃，最高溫度接近50℃．此時對電池的性能有較大的影響，長時間運行在高溫狀態下，會對鋰離子電池的壽命產生嚴重影響，并存在安全隱患．這說明高溫爬坡工況下，風冷系統已不太適合電池包的熱管理，不能很好地冷卻電池包，應該采用水冷方式或者其他冷卻方式來設計電池包的熱管理系統。
5總結
本文基于AMESim軟件，建立了完整的純電動汽車的熱管理系統模型，并通過整車實驗采集溫度數據對仿真結果進行驗證，結果證實實驗結果與仿真結果基本一致，表明該仿真模型對于整車的仿真和冷卻系統的熱量管理具有較高的精度．其次，在此模型的基礎上，分別對水冷系統、高溫環境下熱管理系統及爬坡工況下熱管理系統進行了優化設計．與此同時，本文對熱管理系統的控制策略也進行了優化，使得熱管理系統能適應不同的運行工況和環境溫度．本文基于AMSim軟件對純電動汽車的熱管理系統進行優化設計的方法為研究和開發純電動汽車的熱管理系統提供了思路和參考。
下載地址：AMESim優化過程基礎操作及DOE&遺傳算法GA應用
展開 基于COMSOL軟件模擬食品帶運輸過程中的電磁加熱過程 ￥800
</p><p>本篇文檔基于COMSOL軟件模擬了食品在運輸帶上的電磁加熱過程。效果展示如下：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202108/f8ca1f5cb28e4960aed1692276be9034.gif" alt="Untitled.gif"></p><p>感興趣的朋友可以下載源文件詳細了解制作過程，歡迎加Q：172497934，進行交流</p><p><br></p>
展開 一把椅子的拓撲優化過程會發生什么 ￥29
一把椅子的拓撲優化過程會發生什么?
古時候人們用一塊石頭當作板凳，以后逐漸的演變為平面石頭，有大理石面的，甚至一個樹樁都可以當作板凳，椅子的出現是由于人們追求舒適的靠背，進而發展為各種花式座椅和沙發，但你有沒有想過：如果讓科學算法來設計一把椅子，它會變成什么模樣？
我們給一把實心 “石頭板凳” 來場 “瘦身手術，看看通過拓撲優化會發生什么?
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我們從最原始的 “實心石頭板凳” 出發，模擬它的受力狀態 —— 畢竟，再花哨的設計，都得先扛住人坐上去的力量。?還原真實受力.建立的模型如圖所示
想象一個人坐在椅子上：?
? 臀部與座位接觸的兩個區域，會產生向下的壓力（體重的主要承載點）；?
? 背部靠在椅背上，會給靠背一個向后的推力（維持身體平衡）。?
在 ANSYS Workbench 中，我們給這個實心模型設定好這些邊界條件：臀部兩個受力面、靠背一個推力，計算后得到它的應力分布 ——紅色區域代表應力集中（受力大），藍色區域則受力較小。
從結果能清晰看到：?
? 椅子的支撐根部（與地面接觸的位置）應力最大，畢竟要扛起整個椅子和人的重量；?
? 座位的兩個支撐面應力集中，是直接承載臀部的 “主力區”。?
這些紅色區域就是后續優化中必須重點保護的地方。
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