实时数值仿真范文（精选5篇）
实时数值仿真 第1篇
近年来, 高校学生宿舍火灾屡有发生, 高等院校宿舍人员密度大, 老式建筑多, 火灾隐患多, 再加上学生安全意识淡薄, 违章使用大功率用电器, 这给学生的生命和财产安全带来极大的威胁。例如:
2008年11月14日上午6点10分左右, 位于上海中山西路的上海商学院发生火灾, 烟气把四名女生逼到阳台, 最后四人从6层楼高的宿舍跳下, 不幸全部身亡。
2008年3月13日下午5点47分左右, 位于江苏省南京学府路的东南大学老校区动力楼 (4层) 突然发生大火。受大风影响, 火势较大, 将动力楼第四层基本烧毁, 过火面积近千平方米。
2007年1月4日晚9时40分左右, 湖北荆州某大学东校区学生宿舍11栋409室发生一起失火事故, 烧毁该宿舍木制物品架及存放在物品架上的物品、物品架上方的部分壁柜、物品架旁的饮水机一台。过火面积4.5平方米, 未造成人员伤亡。这是一起因接线板输入端近端电源线老化, 磨损、加上长期超负荷运行, 在潮湿状态下发热而致覆盖在其周围的易燃物品燃烧引发的火灾[1]。
目前, 国内对高校宿舍火灾实验研究比较少, 因为实验本身不可逆, 代价太大, 只有中科大的火灾重点实验室才有条件做, 本文采用全尺寸数值模拟方法, 利用FDS软件建立模型, 设置一些参数, 获得火灾数据。
2 数值计算原理
FDS便是由美国NIST (National Institute of Standards and Technology) 开发的一种场模拟程序, 它FDS是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-s方程, 重点计算火灾中的烟气和热传递过程。由于FDS程序是开放的, 其准确性得到了大量试验的验证。因此, 在火灾科学领域得到了广泛应用。在利用FDS进行火灾模拟时均选用大涡模拟。
FDS所求解的基本方程如下:
①连续方程 (Conservation of Mass)
undefined
②组份守恒方程 (Conservation of Species)
undefined
③元素守恒定律 (Conservation of Momentum)
undefined
④压力方程 (Pressure Equation)
undefined
⑤状态方程 (Equation of State)
undefined
式中各项含义参见文献[2,3,4,5,6]。
3 FDS建模
3.1 网格
本文参照某高校宿舍实物建立的模型:
设空间6.96m×3.4m×3.3m, 划分网格参数[2]见表1～2。
最小网格尺寸0.17m×0.17×0.17, 网格总数12160。
最小网格尺寸0.16m×0.17×0.17, 网格总数3420。
在模型中, 我们假设起火原因是由电线短路发热造成的。取红色小方块 (0.1m×0.1m×0.1m) 为火源, 热释放功率为1500kw/m2。具体模型如下: (下图经过Smokview 5.07处理) 。
3.2 模型方案设置
我们假设在T=300s时, 隔离上门被打开, 考虑到宿舍平时的通风情况, 设置V=0.2m/s的风机向里送风, 前门设置为关闭。在X=2.7m, Y=1.2m, Z=1.7m (HDO3) , X=5.7m, Y=1.7m, Z=1.7m (HDO5) , 设置感温探头, X=2.7m, Y=1.2m, Z=1.7m (SDO2) , X=5.7m, Y=1.7m, Z=1.7m (SDO5) , 设置感烟探头。
本实验设置了两组方案, 方案一为上图模型, 在其他条件不变的条件下, 方案二在其基础上设置K-11水喷头, 坐标为:
X=3.3m, Y=1.7m, Z=2.9m
模型建好后, 进行2400s的模拟计算。
4 实验结果与分析
4.1 方案一 (无喷头)
4.1.1 烟气
有研究表明:在火灾中有2/3以上的死亡者是由烟气所致[3,4,5,6,7], 烟气的流动方向也决定人员的疏散方向, 因此对烟气的研究有其重要的意义[8,9]。
通过模拟表明, 烟气在宿舍内是受限运动模式, 在初始时期, 由于烟气的密度小于冷空气的密度, 烟气垂直上升, 到达顶棚后, 成为水平方向的顶棚射流并逐步转播至整个顶棚面, 由于左右墙壁限制, 烟气向下填充, 在室内上空形成热烟气层, 随着火势旺盛, 烟气层逐渐变厚, 最后充满整个空间。
如图2当t=628s (10.5min) 时, 烟气层已经下降到1.0m处, 其能见度已经很低, 而可燃物还在剧烈燃烧, 烟气仍在积累, 学生在此时几乎无法生存。
从图3可知, 当t=655s烟气浓度达到最大值, 烟气浓度从40%上升到最大值仅用了74s。由于供风机的干预, 烟气浓度最后保持不变。
4.1.2 温度
实验中特意在Z=1.7m的高度上横向布置两个感温探测器。采集的数据如图4所示, 温度在横向方向变化的趋势比较, 燃烧初始时期, 释放热量不多, 温度上升缓慢;随着可燃物加剧燃烧[8], 温度梯度变化猛然增大, 并在t=686.92s (11.45min) 附近, 达到最高温度, 对照三条线还可以发现, 离进风口越近, 温度越高, 最后随着燃烧物消耗殆尽, 温度又逐惭下降到环境温度。
根据常虹等人的研究, 人在140℃下最多可忍受5min, 而实验中, 室内140℃以上的高温持缓了657s (10.95min) , 因此未逃离宿舍的学生将十分危险 (图4经过Origin75处理) 。
4.1.3 氧气浓度分析
由图5可知, 离火源较近的左侧上部空间首先形成无氧区, 并迅速向右边扩散, t=439.2s (7.32min) 时距地面1.7m以上已经形成无氧区, 离进风口越近氧气浓度下降的越快。由图6, 在t=501.7s (8.36min) 时, 室内和阳台距地面1.0m处上部空间已经形成无氧区, 考虑到烟气在此时的分布, 人应该迅速匍匐离开寝室;而在t=678.6s (11.31min) 时, 阳台附近氧气浓度低于0.1%, 人员无法待在阳台上。
4.2 方案二 (有喷头)
4.2.1 方案介绍
通过以上实验表明, 室内桌子、棉被、衣服、书等都易燃, 而且一旦着火, 特别在无人情况下, 会错过灭火的最好时机。如果在宿舍内安装自动喷水装置, 将有效阻止火势蔓延, 从而消除火灾。为此, 笔者对这一方案进行验证, 分别获取了感温探测器HDO3和HDO5以及感言探测器SDO2的数据。
4.2.2 实验模拟结果对比
由图7温度对照曲线, 设置喷头那组温度梯度明显下降, 最高温度下降到90.4℃, 并且高温持续时间也缩短。因此, 设置喷头能有效地达到预期降温灭火的效果。
由图8烟气对照曲线, 安装喷头在制动后, 烟气浓度的变化梯度有所减缓, 最高浓度也稍有下降, 但仍维持在较高浓度, 这是因为水滴穿过火羽落在可燃物表面造成不完全燃烧, 使烟气浓度仍然很高, 这说明安装喷头只对烟气起到一定作用 (图8经过Origin75处理) 。
5 结论
(1) 宿舍空间狭小, 烟气短时间很容易形成堆积, 并且很难消散, 即使学生避到阳台上, 也难以忍受高浓度, 高温度的烟气。
(2) 从阴燃到剧烈燃烧之前是最佳的灭火时机, 如果不能在这个时间段内灭火, 将引起横向和纵向火焰轰然现象, 火势将难以扑灭。
(3) 经两种方案实验证明, 合理安装自动喷水装置对阻止火势蔓延, 降低温度起到有效作用, 但对烟气浓度影响不大, 给学生逃生造成一定困难, 因此建议安装机械抽风机。
摘要：高等院校的学生人数众多, 住宿比较密集, 存在不少安全隐患, 宿舍火灾对学生的自身安全和财物安全构成重大威胁。宿舍灭火以及人员疏散的关键在于掌握火灾发生中的重要参数变化。笔者采用美国国家标准和技术研究院 (NIST) 开发的FDS (Fire Dynamic Simulator) 软件, 建立高校宿舍模型, 对宿舍火灾进行全尺寸模拟。通过模拟实验给出了火灾发生过程中烟气运动、纵向温度变化和氧气浓度变化的规律, 最后笔者提出一种有效的灭火防灾方案, 并进行模拟和验证, 为学校防火防灾决策提供有力的依据。
关键词：高校宿舍,FDS,最佳灭火时机,灭火方案
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电力驱动系统逆变器实时仿真 第2篇
摘要：介绍了采用实际控制器输出的PWM开关逻辑信号定义正、负半桥开关函数，建立逆变器的Simulink实时模型。该模型既可实现电力驱动实时仿真系统中逆变器与电机模型的解耦，又可以确定逆变器开关死区时间。还给出了基于dSPACE实时仿真环境的逆变器-异步电机实时仿真系统的实现方法，针对开关频率为1kHz的逆变器，采样周期为11μs的实时仿真与仿真步长为100ns的离线仿真结果无明显差别。关键词：逆变器 开关函数 实时仿真
在交通和某些工业领域中的电力驱动系统的研制过程中，直接使用实际电机系统对新的控制器进行测试，实现起来比较困难，而且费用较高。因此，需要介于离线仿真和实机试验之间的逆变器-交流电机实时仿真器，与实际控制器硬件相连，在闭环条件下对实际控制器进行实时测试。由于这种实时仿真系统回路中有实际控制器硬件介入，因此被称为硬件在回路仿真（Hardware-in-the-Loop Simulation）。
尽管在真实系统上进行试验是必不可少的，但是由于采用实机难以进行极限与失效测试，而采用实时仿真器可以自由地给定各种测试条件，测试被测控制器的性能，因此实时仿真器可作为快速控制原型（Rapid Control Prototyping）的虚拟试验台，在电机、逆变器、电源和控制器需要同时工作的并行工程中必不可少。
图1 电源-滤波-逆变器-交流电机系统
由于目前数字计算机处理速度的限制，不能实现亚微秒级物理模型实时仿真，需要对逆变器开关过程进行理想化处理，因此引入了离散事件系统。离散事件逆变器子系统与连续时间电机子系统耦合，使变流器-电机实时仿真器成为变因果和变结构系统。变因果是指离散开关事件发生前后，描述连续时间电机子系统的动态方程的输入变量与输出变量会变换位置；变结构是指在仿真进程中，离散开关事件引发状态转换，使连续系统结构发生变化。因而需要对动态方程不断地进行调整和初始化[1]。
框图建模工具Simulink是控制工程仿真的工业标准，但Simulink本质上是一种赋值运算，由其方框图描述的系统是因果的。为了能应用Simulink建模工具，应该使变流器-电机实时仿真系统解耦为两个独立子系统，以消除变因果、变结构问题。
作为功能性建模方法之一的开关函数，可用于确定变流器开关器件电压与电流波形计算，以便进行系统优化设计。它在变流器的离线仿真中已得到成功的应用[2～3]。本文应用文献[2]
的开关函数描述法，采用实际控制器输出的PWM开关逻辑信号定义正、负半桥开关函数，建立逆变器的Simulink模型。该模型既可实现实时仿真系统中逆变器与电机模型的解耦，又可以确定逆变器设置的开关死区时间，防止同一桥臂开关管直通。文中还将给出基于dSPACE实时环境的逆变器-异步电机开控制系统实时仿真的实现方法和结果。
图2 逆变器系统Simulink框图
1 逆变器Simulink模型
双电平三相电压源型逆变器由6个开关管和6个与开关管反向并接的续流二极管组成，见图1。采用实际控制器输出的6个PWM开关逻辑信号a+，b+，c+；a-，b-，c-定义逆变器a,b,c三相正半桥开关函数：
Sfap=1・×a+,SFbp=1×b+,SFcp=1×c+
和负半桥开关函数：
SFan=1×a-,SFbn=1×b-，SFcn=1×c-。
则全桥开关函数为：
SFa=Sfap-SFan,SFb=SFbp-SFbn，SFc=SFcp-SFcn。
逆变器输出端a,b,c与直流电流中点o之间的电压为：uao=0.5VDC×Sfab，ubo=0.5VDC×SFb,uco=0.5VDC×SFc，
其中，VDC为直流环路电压。由此得到线电压为：
uab=uao-ubo,ubc=ubo-uco,uca=uco-uao
相电压为：
uan=uao-uno,ubn=ubo-uno,ucn=uco-uno。
式中，uno=(1/3)(uao+ubo+uco)为电机三相绕组中点n与直流电流中点o之间的电压。
正半桥a,b,c相开关器件电流为：
is1=ia×Sfap,is3=ib×SFbp,is5=ic×SFcp
负半桥a,b,c相开关器件电流为：
is4=ia×SFan,is6=ib×SFbn,is2=ic×SFcn
三相电流为：
ia=is1+is4,ib=is3+is6,i
c=is5+is2
另外开关电流为：
is1=is1_s-is1_D,iS4=is4_D-is4_s
直流电流为：
iDC=is1+is3+is5
其中，is1_s,is1_D,is4_s,is4_D分别为a相正、负半桥开关管和续流二极管电流。据此，可建立逆变器的.Simulink框图模型。图2（a）～(d)分别是逆变器模型顶层和底层的Simulink框图。
2 实时仿真系统实现
著名的机电控制系统开发平台较是基于MATLAB/Simulink/Real-Time Workshop[4～5]开发的dSPACE实时系统。本文的相关课题选用单板dSPACE系统DS1103。
图3 宿主计算机/目标计算机结构
DS1103采用32位精简指令集处理器PowerPC 604e进行浮点运算。精简指令集处理器采用小指令集、多寄存器结构，指令执行简单快速；统一用单周期指令，克服了复杂指令集处理器周期指令有长有短，造成运行中偶发不确定性，致使运行失常的弊端。
DS1103板插入PC机主板的ISA扩展槽中，由PC机提供电源，所有的实时计算都是由DS1103独立执行，而dSAPCE的试验工具软件则并行运行于PC主机上。宿主计算机/目标计算机结构如图3所示。
Real-Time Interface(RTI)是dSPACE系统的实时实现软件，它对实时代码生成软件Real-Time Workshop进行扩展，集成了dSPACE系统I/O硬件实时模型，可实现从Simulink模型到dSPACE系统实时C代码的自动生成同，生成的实时代码包括实时内核和应用代码[6]。RTI还根据信号和参数产生一个变量文件，可以用dSPACE的试验工具软件ControlDesk进行访问[7]。
在功能强大的实时代码实现软件RTI与界面友好的试验软件ControlDesk支持下，可以很快地实现电力驱动系统快速控制原型与硬件在回路仿真测试。图4是采上述的逆变器模型与dSPACE系统I/O硬件模型组建的逆变器-交流电机系统Simulink框图。图中下部是逆变器-异步电机系统模型，作为实时任务T1，模型具有实际控制器的硬件接口，可输入6路实际的PWM开关信号，输出电流、电压等模拟信号；上部是PWM控制器模型，作为实时任务T2，模型由DSP控制器F240硬件产生实时PWM信号。T1与T2以异步采样模式工作，构成两定时器任务系统。为减少采样控制器输出引发的可变延时造成抖动的影响，设置T1的采样速率远高于T2的采样速率。
3 实时仿真结果
系统仿真是针对某电动汽车电力驱动系统的，其中逆变器参数为：PWM开关频率fPWM=1kHz，开关死区时间=7μs；直流电源与滤波参数为：电池开路电压Ebo=288V，电源内阻Rb=0.03Ω，滤波电容C=10000μF；异步电机参数为：132V，182A，50Hz，45kW，2900rpm；负载转矩=50Nm；交流电源参数为：相电压幅值=100V,频率=50Hz。实时仿真采用Euler数值积分方法（ODE1），T1采样周期=11μs，T2采样周期=PWM周期=1ms。
图4 逆变器-交流电机Simulink框图
图5是相电压uan、相电流ia、a相上半桥开关电流is1、S1开关管电流is1_s、S1续流二极管电流is1_D、直流环路电压VDC、直流环路电流iDC、任务总执行时间T1/tTT和T2/tTT的实时仿真波形。图中还显示出逆变器的输出电压空间矢量的矢端轨迹为正六边形，并内含从零电压矢量至六边形顶点的连线；而电机的转子磁链空间矢量的矢端轨为圆形。实时仿真系统经长时间连续运行，没有出现数值不稳定问题。
作为比较，对相同系统参数的逆变器-交流电机系统进行步长为100ns的离线仿真，并采用与实时仿真相同的Simulink模型（无硬件接口）和数值积分方法。结果是更小的步长并没有对仿真精度有明显的改进，这表明步长为11μs的实时仿真已经具有较高的仿真精度。
图5 逆变器系统实时仿真界面与波形图
实时数值仿真 第3篇
摘 要：汽车行驶过程中燃油的晃动会对燃油箱产生持续的晃动冲击，在燃油箱油量不足的情况下，液面的自由晃动会影响供油的稳定性，特别是赛车比赛对速度和加速度的高追求，若供油不稳定，会影响赛车行驶，最终会影响比赛结果。基于VOF方法，运用Fluent软件对某款小型赛车两种结构不同的燃油箱，进行低油量下极限转向数值仿真，评价供油稳定性和燃油箱的设计，最终选择出结构更合理的燃油箱。
关键词：燃油箱；Fluent；VOF方法；数值仿真
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）06-0093-05
Abstract： The car fuel sloshing in the process of a continuous shaking impact on the fuel tank， the fuel tank under the condition of insufficient oil， liquid sloshing of freedom will affect the stability of the oil supply， especially racing for high speed and acceleration of the pursuit， if the oil supply is not stable， will affect the car driving， will ultimately affect the result of the match.Based on the VOF method， using the Fluent software to a small fuel tank car， using two different kinds of analysis model， namely the standard turbulence model simulation， Laminar layers model simulation. To lower oil amount limit to numerical simulation of stability evaluation of oil and fuel tank design， also provide guidance for future fuel tank design improvement.
Key Words： fuel tank； Fluent； VOF method； numerical simulation
引 言
燃油箱是汽车的油液储备装置，是汽车的动力源泉，为汽车的行驶持续供油，保证汽车正常行驶。在赛车比赛中燃油箱的作用十分重要，燃油箱的稳定供油为赛车提供源源不断动力，保证赛车的高速度和正常行驶。在高速行驶中，燃油箱中的油液并不能一直维持充满的状态，即油液会出现自由液面。由于赛车不能始终保持匀速直线行驶，所以当赛车出现加速度时，其内部的油液会随着赛车速度的变化而晃荡。由于赛车速度变化的不稳定性，油液的运动也会变得十分复杂，而且还会与容器相互冲撞产生作用力[1]。液体处于晃动状态下时，进行的是一种非线性的运动模式，到目前为止还没有理论对其做出具体的解析，所以对其研究的方法主要有实验研究和数值仿真。
本文应用Fluent流体分析软件，对某款小型赛车两种结构不同的燃油箱，进行极限转弯工况下的油液晃动情况的数值仿真。在做数值仿真分析中，采用VOF（Volume of Fluid）[2] 方法处理自由液面，无论是油液小幅度波动产生比较光滑的液面，还是在赛车突然加速后油液与油箱壁碰撞后产生破碎形成的液滴，VOF 方法都能很好地将这些自由液面的动态变化情况展示出来。通过仿真后处理，最终选出结构更合理的燃油箱。
1 VOF理论
早在1974年Debar[3]就采用VOF 方法来解决自由液面问题。VOF模型是一个流体函数，这个函数是目标流体的体积和网格的比值。这种方法占内存小，是一种简单而有效的方法[8]。多种不能混合的流体可以通过VOF模型对目标流体的动量方程进行求解和计算出目标流体通过某一区域的体积分数进行模拟。具体的应用包括预测、射流破碎和气液界面的稳态和瞬态处理[4]。
当VOF模型中包含有两种或两种以上的流体互相没有穿插，那么模型中每增加一个相就会新增一个变量，这个变量用来计算单元里的相的体积分数。当然在每个模型中所有相的体积分数和必定为1。各相共同享有所有变量和所有变量的属性区域，这些变量和它的属性区域代表体积平均值。如果某一相流体的体积分数值是已知的，那么，这些体积分数值就直接决定了，给定单元内的变量和它的属性是其中一相的还是多相混合之后的，这取决于体积分数值。换种说法就是：在给定的单元中，如果第q相流体的体积分数为αq，那么就可能出现三个情况：
① αq=0：单元中没有第q相流体；
② 0<αq<1：单元中包含第q相流体和其他多相流体；
③ αq=1：单元被第q相流体充满。
1.1 体积分数方程
在VOF模型中，通过求解一相或多相的体积分数的连续方程来确定跟踪相与相之间的界面。对于第q相，这个方程如式（1）：
1.2 动量方程
将整个区域内的单一的动量方程所求出的速度场作为各相共享数据。属性 和 的所有相的体积分数决定了这个动量方程表达式。
1.3 能量方程
式中Eq是基于每一相各自的共享温度和比热。属性 和 （有效热传导）被各相共享，源项 包含辐射的影响，同时也存在其他物体的热源。它和速度场一样，当相间存在较的大温度差时，接近界面的温度的精确度也会受到一定的限制。
2 仿真模型理论
1972年，Spalding和Launder提出标准湍流模型[9]，模型为半经验公式，其主要是求湍流耗散率 输运方程和解湍流动能 方程， 方程是由经验公式导出的方程，方程是精确方程，建立其它们与湍流涡粘系数 的关系。 模型要求流场是完全发展的湍流， 忽略流体分子之间的粘性，因而标准 模型只对完全湍流的流场有效。
标准 k-ε 模型同时考虑湍动速度比尺和湍动长度比尺的输运，因此通过标准 k-ε 模型能够确定各种复杂水流的长度比尺分布，比零方程模型和一般方程模型有了很大改进。同时，标准 k-ε 模型基本形式比较简单，能成功地预测许多剪切层型水流和回流[10] 。
3 仿真分析与结果
3.1 结构模型
该小型赛车两款不同结构A和结构B燃油箱透视图如图（1）所示，对该款小型赛车燃油箱进行结构设计，主要包括燃油箱容积选定、燃油箱外形设计、燃油箱出油口位置选取，防波板的设计等。由于油箱布置空间的限定，设计油箱容积约为6L，两款油箱外形相同；为了保证在出油口有较多的油量，同时在结构A和结构B燃油箱出油口处设计了台阶；在防波板的设计中，结构B从轻量化的角度考虑，在降低防波板高度的同时在防波板上开了较多的孔，且提高了出油隔间出油孔的高度。
3.2 数值仿真前处理
对该两款燃油箱进行仿真分析时，考虑到计算中求解的收敛性和稳定性，在保证体积不变，不影响分析结果的情况下，对实际模型进行了相
应的简化，去掉了注油管、小圆角等结构。将燃油箱模型导入ANSYS DM模块进行流体的抽取，在ANSYS Meshing进行网格划分，网格划分利用高级网格划分Use Advanced Size Function 为Proximity and Curvature；Relevance Center设为Fine，Smoothing 设为High，Min Size 设为0.1mm，此外在有些地方进行局部加密；边界层算法采用Program Controlled，边界层形式为Smooth Transition，Transition Ratio为0.272，一共3层，增长率为1.2；Meshing生成的网格数大致在70万左右，网格质量良好，网格划分模型如图（2）所示：
应用流体分析软件Fluent采用VOF方法，其中主相设为汽油相，副相为空气相，界面采用VOF方法捕捉，分析模型分别选择标准 湍流模型，外壁采用壁面边界条件，其速度-压力耦合方式选择Simple，离散方法选择Standard，松弛因子默认，设置剩余燃油量为1L，添加侧向加速度，大小为1g。设置收敛误差为 ，设置时间步为0.001s，时间步长为300s，开始迭代求解计算。
3.3 数值仿真后处理
求解计算完成后，进行数值仿真结果后处理，得到从0s到0.6s时刻的油液晃动云图，结构A燃油箱仿真后处理油液晃动云图如图（3）所示，结构B燃油箱仿真后处理油液晃动云图如图（4），从图上可以得到在低油量1L情况下，极限转弯工况下燃油箱油液运动状态。
对比图（3）和图（4）可以发现，结构B燃油箱出油口处保持了较充足的油量，保证了供油稳定性；同时降低防波板高度，在防波板上多开口，保证了小型赛车行驶过程中，燃油动量的快速转移，能够使得晃动的油箱迅速稳定，且结构B燃油箱质量轻于结构A燃油箱。
4 结论
本文应用计算流体力学软件Fluent，采用VOF方法，分别对小型赛车两款结构不同的燃油箱模型，在低油量极限转弯工况下燃油箱油液晃动过程进行了数值模拟，对比两种分析模型仿真结果，选出结构更合理的燃油箱。从分析后处理可以得到，结构B燃油箱结构在出油口处的燃油较多，优于结构A，且质量较轻于结构A。因此选择结构B燃油箱为该小型赛车燃油箱形式。
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图形化RTDS在线实时仿真系统 第4篇
实时数字仿真器RTDS[1](简称RTDS系统)作为一种先进的仿真工具,具有建模周期短、灵活性强和数值稳定性好等诸多优点,早期一般用做保护装置的性能测试,如超高压线路保护装置的试验研究[2]、高压直流控制保护系统的测试[3]、事故分析[4]和反事故措施研究[5]等。得益于RTDS系统的并行计算能力和可扩展性,适当扩展RTDS系统的计算单元(rack)并合理配置计算资源,可使RTDS系统具备对大规模电网的实时仿真能力[6]。目前,南方电网公司装备的26 rack的RTDS系统,已具备对南方电网全部500 kV交流电网和特(超)高压直流输电的实时仿真能力,并且规模还在逐步扩大。该系统同时接入了各类交流保护、高压直流和灵活交流输电系统(FACTS)(串联补偿、静止无功补偿装置(SVC)等)控制保护系统、安全稳定控制系统以及基于广域信息的新型多回直流协调控制系统[7,8]等,较传统非实时仿真工具能更精确地反映复杂电网在故障过程中的动态行为和各种控制系统的响应。在该平台上还开展了大电网的稳定控制和失步解列等方面的研究[9]。
RTDS系统的高度并行计算能力和可扩展性使其在交直流并联大电网的运行分析、在线稳定分析及决策等方面具有前景。但是,目前有2个因素制约其在大电网在线分析中的应用:
1)仿真建模与运行平台分离,不能像能量管理系统(EMS)、调度员培训系统(DTS)那样直接将仿真结果(潮流、开关状态等信息)显示在电网接线图上,也不支持直接在电网模型上进行操作(开关刀闸操作、发电机出力调整、电容器投切等)以观察操作后电网的响应。当监视变量较多或进行较复杂的控制操作时,需在2个平台之间频繁切换,以确保准确。这种建模与运行分离的模式不利于研究人员的观察和分析。因此,设计一套基于RTDS系统仿真模型的图形显示系统,使RTDS系统具有类似EMS风格的图形显示平台,仿真结果可以直接动态地显示在仿真模型上,并能在图形上进行相应的电网操作和控制尤为必要。
2)RTDS系统虽为实时数字仿真,但仍属于离线仿真模式,由于模型差异、规模限制等因素,不能与EMS直联,需作模型等值简化[10],即使是南方电网RTDS系统规模达到26 rack,仿真模型也只能保留高压直流和500 kV交流电网,220 kV及以下电网均进行了等值。因此,RTDS系统仿真基态不能直接采用在线潮流断面,不能随电网运行灵活变化。特别地,当电网运行在灾害工况下,运行状态迅速变化时,RTDS系统不能快速地跟踪电网变化作出超前分析和运行决策。研究基于现有RTDS系统仿真平台和电网等值模型的电网在线仿真方法,使RTDS系统更好地为电网运行和调度服务很有意义。
本文提出了RTDS系统图形化和在线化系统的设计方案与技术路线,并应用于南方交直流大电网的在线实时仿真。本方案不仅可以将RTDS系统仿真模型与运行结果在同一平台上动态显示和操作,还可将RTDS系统与EMS系统相连,实现RTDS系统在线仿真。该平台不仅使RTDS系统可以用于电网在线稳定分析,还可以作为运行人员培训和反事故演习的平台。
1 总体思路和关键技术
1.1 总体思路
RTDS系统在线化仿真与图形系统的总体思路如下:①使RTDS系统能在线获取调度中心EMS的数据,作为仿真的基态,通过对实际电网当前运行状态的实时仿真,实现应用RTDS系统对实际电网的在线监控;②实现RTDS系统仿真结果,尤其是电网潮流数据的综合图形化动态显示。这2个基本功能既可以统一为一个系统运行,也可以作为各自功能的独立工具运行。
该方案的功能结构示意图如图1所示。
图1中左侧部分的RTDS系统包括大电网的RTDS系统模型及其通信模块,以及在此模型上增加的与外界设备进行数据交互的通信模型;右侧上半部分为仿真模型潮流数据在线化的实现,该部分首先从调度中心EMS获取与RTDS系统仿真模型相对应变量的数据,形成量测量配置,作为状态估计的初始信息并进行状态估计,状态估计的结果经过离线配置模块以及数据在线更新模块与RTDS系统相联,从而实现数据的在线更新;右侧下半部分为图形显示系统,其包括离线配置模块、数据显示与控制主程序、图形显示平台3个部分,其主要功能是实现RTDS系统仿真模型与运行结果在同一平台上动态显示。
1.2 关键技术
本方案需要解决以下几个技术关键点和难点:
1)RTDS系统与在线EMS,以及RTDS系统与图形平台之间的通信方法,要求具有较快的通信速度和较大的容量及较高的精度。文献[11]采用常规数模转换接口来构造反事故演习平台,但接口通道数不足,精度不高。本文采用新型的全数字型通信方法。
2)要求图形平台界面类似调度中心的EMS平台,除了能显示电网的接线图,并在接线图上显示相关的潮流,如节点电压、线路有功和无功、发电机出力、开关状态等,还能实时展示仿真的动态过程,如功率振荡曲线等。
3)受限于RTDS系统计算资源,只能采用实际电网的等值模型,因此EMS全模型的潮流数据不能直接用于刷新RTDS系统的仿真基态,需采用适当的算法进行估计和匹配,以保证RTDS系统的仿真基态与EMS潮流断面一致。
针对上述3个技术关键点,本文提出如下方案:采用基于分布式网络协议(DNP)的大容量高速数字式通信方法,采用可视化模块作为图形平台;采用潮流状态估计算法将EMS全模型在线潮流数据刷新RTDS系统等值模型的仿真基态。系统实现结构如图2所示。
2 通信方法
GTNET(giga-transceiver network communi-cation)卡是RTDS系统与外设通信的新型数字式接口,目前支持IEC 61850和DNP等协议。本文采用并扩展DNP来实现RTDS系统和图形平台与数据潮流在线化模块之间的数据通信。
RTDS系统的GTNET-DNP提供RTDS系统与DNP局域网/广域网(LAN/WAN)之间的通信接口[12],其设计初衷是用于数字式保护的测试。本文采用并扩展了该接口方法,将图形平台和在线化状态估计模块按DNP标准设计,实现与RTDS系统数字式通信。
GTNET-DNP的数据类型分为浮点型和二进制2种,在4 Hz的传输速率下支持如下传输容量:二进制输出为1 024点,输入为512点;浮点型数输出为500点,输入为100点。
这里,GTNET通信方法主要应用在2个方面:
1)实现潮流数据由外部输入到RTDS系统(图形平台的电网操作信息——包括开关状态、变压器分接头挡位、发电机出力参考值等输入到RTDS系统;在线化时,潮流数据基态输入到RTDS系统)。
2)实现数据由RTDS系统输出到外设(仿真结果输出至图形系统)。
为此,研发了基于DNP的主站(图形系统和状态估计模块)与从站(RTDS系统)之间的通信。通信接口模块包括实时通信处理、DNP解析和封装、在线RTDS系统配置模块、实时数据更新和系统实时维护模块以及在RTDS系统模型上的通信模型。研发了2个应用模块以实现在线RTDS系统配置和实时数据更新维护。
在线RTDS系统配置模块生成2个配置:①RTDS系统的DNP配置;②实时数据的量测映射配置。通过在线RTDS系统配置模块可以将RTDS系统模型要更新的变量与EMS模型的变量或将RTDS系统模型的变量与图形平台上的变量一对一对应,以实现状态刷新。
系统实时维护模块与EMS对话(如 E语言),解析实时数据,按照测点映射将实时数据送至DNP主站,经DNP送至RTDS系统,实现实时数据更新。EMS潮流断面作为RTDS系统仿真的基态,在RTDS系统启动仿真后应停止EMS数据的更新,以保证仿真与实时数据不冲突。因此,研发了RTDS系统与EMS的通信方法,实现对实时数据更新的暂停、启动、停止等操作。
另外,RTDS系统仿真模型上需搭建DNP模型,以实现实时数据的数字型输入、输出,未安装GTNET卡的rack上需采用GTNET-DNP串行器模型,以实现多rack之间的通信。
3 图形系统
图形系统实现RTDS系统电网模型和仿真结果显示的统一,并在仿真过程中实现图形化的电网操作。本系统采用商用工控模块Wizcon作为载体,实现如下功能:①编辑基本几何图形和文字,绘制电网接线图、量测和保护装置面板、棒图、曲线图等;②定义图形的多种动态属性(如变色、闪烁、数字显示、旋转等),实时显示仿真的潮流和设备状态。
图形显示系统功能结构如图3所示。
1)图形显示界面
在Wizcon图形显示平台上编辑、显示EMS风格的南方电网RTDS系统仿真模型的电网接线图并设置各种运行参数;动态显示RTDS系统的实时输出结果;在图形界面上接收用户的电网操作;根据结果数据绘制各种曲线、棒图、饼图等。
2)Wizcon后台程序
后台程序按RTDS-DNP配置,与RTDS系统数据交换并保存到实时库;实时库刷新Wizcon图形界面,动态显示设备和电气量状态;响应图形界面的操作。采用实时数据库技术,将电网显示和操作(开关操作、负荷和电源功率调整、励磁调节等)数据存入实时库,经通信模块与RTDS系统交互。
3)通信接口模块
通信模型的数据流向如图4所示。
4 RTDS系统潮流在线化
受限于RTDS系统的仿真规模,大电网很难在RTDS系统中完整建模,RTDS系统仿真模型无法与EMS模型完全保持一致。因此,在实现RTDS系统潮流数据在线化时,仅能从EMS中获取到RTDS系统仿真模型与实际系统相符元件的状态,而RTDS系统仿真模型中其他部分的信息(如等值网络、等值负荷和发电机等)在EMS中并不存在。
本文提出实现RTDS系统在线化的方法,将EMS在线潮流数据作为RTDS系统仿真模型的“量测”,根据从EMS获得的有限信息对RTDS系统仿真模型进行状态估计,以使RTDS系统仿真模型中未等值的网络和元件能与实际潮流保持一致,并通过等值负荷和发电机的端口电气量计算其内部电气量。对RTDS系统进行状态估计是实现RTDS系统在线化的有效途径。
RTDS系统在线化模块含3个部分:
1)在线EMS数据获取模块
将EMS模型变量与RTDS系统模型对应的变量进行绑定,使用量测配置模块生成量测配置,从EMS获取潮流断面后更新实时数据。生成的量测配置作为状态估计部分的初始数据,为状态估计作前期准备。
2)状态估计模块
该模块是实现RTDS系统在线化最重要的部分,主要作用是对RTDS系统仿真模型重新进行状态估计,求出RTDS系统仿真模型中各状态量和内部控制量的值,使其尽可能与EMS潮流保持一致。已生成的量测配置作为初始信息进行可观测性分析[13,14],判断模型系统是否可观测,如可观测则完成RTDS系统仿真模型的状态估计,如不可观测则需加入伪量测继续进行可观测性分析,直至系统可观测。经状态估计所得的各发电机出力参考值、负荷功率和节点电压等电气量由上述通信接口模块送入RTDS系统,实时刷新仿真基态。
3)通信接口模块
通信接口模块在RTDS系统模型上搭建实现RTDS系统潮流数据在线化的通信接口模型,包括利用RTDS系统的GTNET-DNP模型、GTNET-DNP串行器模型、export与import模型等搭建数据由外界设备传送到RTDS系统的仿真模型,以及搭建由输入数据控制调整等值机出力的模型等。
5 应用实例
本系统在南方电网大规模RTDS系统仿真平台上实现,26 rack仿真南方电网500 kV主网等值模型,保留4回±500 kV高压直流、1回±800 kV特高压直流和所有500 kV母线及部分接入电厂,含46台发电机、47台变压器、152个三相节点和223条交流线路。该系统以4 Hz刷新率图形化显示RTDS系统仿真结果,可在图形上操作开关、调整发电机出力、负荷大小、变压器分接头等,每15 min获取EMS潮流断面,经RTDS系统潮流在线化模块完成状态估计后刷新仿真基态。图形平台的局部如附录A所示。
6 结语
本文提出了RTDS系统潮流数据在线化与图形显示系统的方案,将RTDS系统应用于在线仿真,在南方交直流并联电网中得到应用。图形显示系统的设计方案可以使RTDS系统仿真模型和运行结果在同一图形界面中动态显示。潮流数据在线化设计方案可以实现RTDS系统与在线EMS的连接,使RTDS系统仿真模型能够及时跟踪大电网运行状态特别是灾害情况下的迅速变化,以此对电网进行多种预测性仿真分析,从而提出事故应急方案。研发的图形化RTDS系统大电网在线仿真平台还可以作为电网运行人员的培训和反事故演习的综合平台。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
材料磨损量数值仿真试验研究 第5篇
在零件磨损数值仿真模型中,要使仿真结果准确就必须建立准确的几何过渡关系,而磨损量的变化规律是一个重要的影响因素,根据磨损机理的不同,磨损量随载荷的变化也不尽相同。
建立准确的几何过渡关系必须考察变量之间的各种关系,而这种关系又是多种多样的,其大致可分为:①确定性关系:即变量之间的关系可以用精确的函数关系来表达;②非确定性关系:也称为相关关系,即在实际的物理研究过程中,有些问题很难由经典物理理论推导出物理量的函数表达式或推导出的表达式十分复杂,为研究需要,就希望能得到这些物理量之间的函数关系的近似表达,即经验公式。回归分析就是研究相关关系的数学工具,它可以采用曲线拟合的方式,用由试验数据得到的物理量之间的近似函数表达式y=f(x)来描述。
本文对经离子渗碳处理的不锈钢的磨损量随载荷变化的规律采用最小二乘法的回归方式来进行数值拟合以验证试验结果,以此为摩擦学系统特性的预测提供一定的帮助。
1试验设计方案
在MM-200型磨损试验机上对不同载荷情况下与对磨滚轮GCr15配对的试样(抛光)进行耐磨性试验,下试样转速n=400r/min,磨损试验用湿摩擦方式。试验开始时,在每个下试样磨损面上滴一滴润滑油(20#机油),转动下试样,使下试样有效工作磨损面均匀敷上一层油膜,并在试验过程中,用自制滴油装置,以1滴/min的量滴入下试样。用光电天平测量在一定载荷、速度下试样磨损后的质量,其精度为0.1mg。
2试验结果及数据处理
2.1 试验结果
试样磨损量试验数据见表1,磨损量曲线见图1。
2.2 试验数据的处理
从图1可看出,试样磨损量的变化趋势比较接近指数函数和幂函数,这时可以借助数学方法将其分别转化为其对应的线性回归曲线y=f(x),从中选出最佳拟合函数来描述试样磨损量的变化趋势。
2.2.1 方法一
把试验数据回归成y=aebx(a>0,b>0)的指数形式,其中,x为载荷值,y为试样磨损量,进行回归计算。
将y=aebx取对数,改写为:lny=lna+bx。并令Y=lny,n=lna,则有:Y=n+bx,其中Y与x为线性关系。
对样本(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5)用最小二乘法估计a,b值。经计算得出:
undefined。
其中:undefined;undefined。具有undefined;a=en。表2为方法一的回归分析表,将数值代入计算得到:
undefined。
所以,回归表达式为:
y=0.43e0.001 52x。
下面进行回归显著性检验:
回归平方和(S回):S回=b2Sxx=0.231。
离差平方和(SYY):undefinedundefined2=0.273,其中N为样本数。
残差平方和(Qe):Qe=SYY-S回=0.042。
F检验法:undefined。
F≥Fα=0.05(1,3)=10.13,其中α为检验水平。
2.2.2 方法二
把试验数据回归成y=axb(a>0,b>0)的幂函数形式,其中x为载荷值,y为试样磨损量,进行回归计算。
将y=axb取对数,改写为:lny=lna+blnx,令Y=lny,X=lnx,n=lna,则有:Y=n+bX,Y与X为线性关系,用线性回归法确定a,b。表3为方法二的回归分析表,解法同方法一,得到:
b=0.37,n=-3.42,a=0.033。
所以,回归表达式为:
Y=0.033x0.37 。
下面进行回归显著性检验:
回归平方和(S回):S回=b2Sxx=0.221。
离差平方和(SYY):undefinedundefined2=0.273。
残差平方和(Qe):Qe=SYY-S回=0.052。
F检验法:undefined。
F≥Fα=0.05(1,3)=10.13。
通过以上两种方法可以看出,指数函数的F大于幂函数的,其回归分析的置信概率也稍高,从而可知指数函数为最佳拟合函数;从试验数据曲线与采用最小二乘法对试验数据进行数值拟合的拟合曲线的对比曲线图(见图2)看出,指数函数曲线更逼近试验数据曲线。所以,该组摩擦学的磨损量与施加载荷服从指数关系:y=0.43e0.001 52x。
3结论
在MM-200型磨损试验机上用最小二乘法拟合经离子渗碳处理的不锈钢的磨损量随载荷变化的规律,并通过回归分析得到了最佳拟合函数(指数):y=0.43e0.001 52x。
摘要：数值仿真技术因可以显著提高摩擦学研究的效率和摩擦学系统特性预测的准确性而成为当今摩擦学研究领域的重要方法之一,其研究重点是用一定的数学方法建立合适的仿真数学模型。对通过离子渗碳处理的不锈钢的摩擦量随载荷变化的规律进行数值拟合以验证试验结果;在MM-200型磨损试验机上用最小二乘法拟合其磨损量随载荷变化的规律,并得到了最佳拟合函数(指数函数)。
关键词：不锈钢,磨损量,载荷,指数函数,数值仿真
参考文献
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