化工程序中流体管网建模及并行性仿真

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1、化工程序中流体管网建模及并行性仿真第一章绪论1.1课题背景管网为供水、供气、供热系统的主要设施，同时也是大型化工、石化、石油炼制加工和各种罐区的重要组成部分。因此其运行的高效性与安全性不仅对管网本身有着重要意义，同时对与之相连设备的平稳运行也都有着重要的影响。精确动态数学模型是研究过程及设备安全性与控制性能的有力工具。在化工流程中，管网连接着各单元设备，管网系统建模的精度与仿真的速度影响着整个化工流程的建模仿真。因此，管网的建模仿真在化工流程模拟中有着重要的意义。管网系统的建模与仿真在生活中也有着广泛的应用。在城市供水系统中，它指导整个系统的规划

2、与设计；它能诊断管网中异常情况、检查泄漏；并且它也是实现在线实时仿真的重要组成部分。　　化工程序中流体管网建模及并行性仿真第一章绪论1.1课题背景管网为供水、供气、供热系统的主要设施，同时也是大型化工、石化、石油炼制加工和各种罐区的重要组成部分。因此其运行的高效性与安全性不仅对管网本身有着重要意义，同时对与之相连设备的平稳运行也都有着重要的影响。精确动态数学模型是研究过程及设备安全性与控制性能的有力工具。在化工流程中，管网连接着各单元设备，管网系统建模的精度与仿真的速度影响着整个化工流程的建模仿真。因此，管网的建模仿真在化工流程模拟中有着重要的意

3、义。管网系统的建模与仿真在生活中也有着广泛的应用。在城市供水系统中，它指导整个系统的规划与设计；它能诊断管网中异常情况、检查泄漏；并且它也是实现在线实时仿真的重要组成部分。管网模型的建立与求解主要难点在于其拓扑结构复杂多样、管路中压力-流量的非线性关系、管路与管路之间的耦合。近年来，在处理流体管网的设计、优化、可行性分析等问题时，延时仿真模型使用的最为广泛。一方面在于稳态模型无法考察系统的动态情况；另一方面则是由于动态模型的计算量过大。拟稳态模型可以表述为：将随着时间推进的一系列稳态快照组合起来，以表现出系统的动态。其优点在于不需要像动态仿真那样

4、庞大的计算量，但又能考察系统的动态特性，而且整个过程比较平稳。由拟稳态的定义我们可以看出它由二个部分组成：一个稳态求解器和一个动态部分。这两者中稳态求解器是关键同时也是研究者研究的热点。稳态模型的精确度、求解速度都直接影响整个拟稳态模型的准确度与效率。一般的稳态求解器，在列出节点的质量守恒方程与管路的压降损失方程之后，通常采取牛顿法或线性化的方法进行求解。随着计算机技术的迅速发展，易于计算机编程实现的图论被引入到管网的计算当中。对于管网来说，略去其水利特征后，仅仅考虑管网节点和管路之间的关联关系时，称为管网图。采用矩阵表示管网图，不仅能使图的问题

5、转变为矩阵运算问题，而且更适合用计算机进行大型管网系统的计算和处理。面对复杂的大型管网图，Perelman等根据节点之间的关联强弱，将整个管网划分成若干个聚类进行分别求解。而Jochen等则将整个管网图分成外围的森林和内部的核心。在管网的动态运行过程中，阀门的状态随着工艺要求可能会发生改变，当阀门从打开到关闭或从关闭到打开时，对于管道内部，流量会发生突变，而对于管网的拓扑结构，整个管网的连通性也随之改变，例如独立子管网、独立节点的出现、子管网之间的合并等。在已发表的文献中，David等针对阀门全关造成流量的突变给出了一种处理方法[5]，但阀门开闭

6、对整个复杂网络拓扑结构的影响尚未有较好的方法来进行处理。如何在管网动态仿真过程中快速并准确的识别由阀门开闭造成的网络拓扑结构改变并针对局部改变进行网络图的更新是本文的一大创新点。1.2本论文课题相关研究的进展1.2.1非稳态流体的分析方法，Modeller和ProMot/DIVA。面向方程的建模方法主要从系统方程组的层面来进行建模，具体描述了系统物理、化学、生物等之间的关系。在这种建模的体系下，通常详细的定义通用的建模语言，以便获得过程建模的知识。与面向模块的建模方法不同，面向方程的建模方法促进了高度抽象模型的发展和应用，并且使用者在需要的时候可

7、以修改最底层的模型结构。一些建模研究者开始致力于对复杂模型的分层分解，以便提高现有改进模型的重用性。这类建模者均使用的数据建模的概念以及面向对象的程序设计方法。面向方程建模的典型系统有：SpeedUp，ASCEND，gPROMS，DYMON，OMOLA，DesignKit，ModKit，ModAss，ModDev和BatchKit。对于面向模块和面向方程这两种建模方法所共有的工具有：模块化、分层次以及面向对象的思想。一些建模工具在计算机辅助工程环境下进行了整合。第三章化工过程流体管网动态仿真...........................2

8、5-533.1流体管网的基本组件模型.......................25-283.1.1节点模型.............