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  • 流体机械仿真,知其然更应知其所以然

    计算流体动力学简称CFD,通过数值方法求解流体运动的控制方程,得到离散流场的定量描述,并以此预测流体运动规律的学科。CFD主要是求...快速预览

    计算流体动力学CFD工具解析

    浏览量 7 仿真秀 | 2天前

    流体机械仿真,知其然更应知其所以然

    计算流体动力学CFD工具解析

    仿真秀 | 2天前

    计算流体动力学简称CFD,通过数值方法求解流体运动的控制方程,得到离散流场的定量描述,并以此预测流体运动规律的学科。


    CFD主要是求解流场中的数值解的过程,通过把流体运动控制方程的离散化,将流体质点上的控制方程转化为代数方程组,然后通过计算机求解质点上的代数方程组并得到流场在离散的时间、空间点上的数值解。


    计算流体动力学为水力机械提供了设计、优化和模拟的廉价工具,在实际的工程应用过程当中,流动状况往往比较复杂,所以使得测量过程变得很困难,而计算流体力学能提供全部流场内的详细信息。


    CFD技术为流体机械提供了一种相对廉价的设计方法,在流体机械行业中开发新产品时往往都要利用CFD进行流场优化。CFD技术在流体机械行业内越来越占据重要的地位。


    本文重点讲述CFX这种仿真工具在流体机械内的应用,以及相应的仿真优化流程。其中包括Turbogrid结构网格划分及其用法、ICEM网格划分、利用CFX对流体机械(泵、风机、压缩机)的仿真分析、利用workbench进行流体机械的流固耦合分析、利用Workbench进行优化流程、CFD-POST的后处理分析等等。


    对于新手来讲,想要系统的学习流体机械整个仿真流程确实是一件困难的事。不仅要知道这样做,还要知道为什么这样做,很多从事仿真工作的工程师知道这样做,但是不知道为什么这样做。这一块就是我们需要提升的地方。


    本期系列课结合自己做过的实际例子,来为大家讲述流体机械的仿真流程,不仅教大家怎么做,而且讲解为什么要这样做?当然要想真正理解CFD(计算流体力学),还需要大家多学习,所练习,多思考。下面我带领大家初步了解一下流体机械的奥秘。


    一、流道模型输入(叶轮、扩压器)


    在开始仿真之前我们需要获得流道的模型,对于流体机械而言,我们需要获得叶轮、扩压器、其他过流部件的流道。扩压器在水泵和风机中叫蜗壳。对于压缩机来讲,还需要划分无叶扩压器和有叶扩压器的模型。



    二、网格划分


    网格划分是我们进行流场模拟的前提,在这里我们利用Turbogrid来划分叶轮的网格,这样可以形成流面方便我们进行后处理。蜗壳的网格通常采用ICEM来划分。


    1、基本划分的划分原则如下:


    ① 网格要和几何保持良好的贴合;

    ② 在流动复杂区域进行网格加密。这也是利用Turbogrid进行叶轮网格划分的优点。

    ③ 对于网格如有必要需要进行网格无关性检查。

    ④ 不同交界面之间的网格尺寸尽量一致


    在这里我们还将学习如何利用DM和Turbogrid做叶轮的逆向处理,如何利用Turbogrid给现有的三维叶轮模型划分网格。



    2、如何使用TurboGrid给现有叶轮画网格


    第一步,我们从Cfturbo导出的文件可以看出,其导出的文件一共有四个文件。



    从图中我们可以看出这里面我只是截取了其中一个流面截线的点坐标。其余的点坐标也是以这样的格式导入到里面的。


    同样的道理,前后盖板的文件也是以这样的格式做好相应的.curve文件。第二步,我们看一下怎么讲叶片的点坐标以什么样的格式放入到里面。



    从图中我们可以看出这里面我只是截取了其中一个流面截线的点坐标。其余的点坐标也是以这样的格式导入到里面的。


    同样的道理,前后盖板的文件也是以这样的格式做好相应的.curve文件。


    第三步,我们看一下如何编辑配置文件。



    配置文件的内容如下:


    ① 位置是叶片数
    ② 位置是旋转轴
    ③ 位置是后盖板点文件的位置
    ④ 位置是导入单位⑤ 位置是叶片型线点坐标文件的位置

    还有前盖板点坐标文件的位置没有标出来,你需要将前后盖板以及叶片型线点坐标文件换成你做好的点坐标文件的位置以及长度单位改成MM,叶片数改成自己的叶片数。


    做好配置文件之后在Turbogrid里面打开TSE文件即可。


    三、CFX前处理


    这一部分主要包括:


    1、新建文件

    2、导入网格

    3、定义模拟类型(稳态模拟、瞬态模拟)

    4、创建计算域(按照导入网格模型的个数建立),在这个过程中还需要定义域的相关特性。

    5、指定边界条件:这里面就涉及了边界条件的选择以及定义。

    6、建立交界面:不同域之间的进行数据传递需要建立交界面。

    7、初始化流场:初始化流场对于流场计算有着非常重要的意义。

    8、定义求解控制;

    9、定义输出;

    10、定义运行

    11、控制计算


    离心泵设置示意图


    离心压缩机设置示意图


    四、CFD-POST后处理


    做仿真的目的是验证我们的设计结果并为我们的设计提供优化思路,所以我们需要在CFD-POST中进行后处理,根据流场的仿真分析的结果提供合理的优化建议,当然这一切都是在我们前面流场模拟是准确合理的。


    一般来说,我们做CFD分析都是为实现我们前期的优化设计目标的。一般的,我们做正向设计时,先做叶轮的设计,先做好叶轮设计,优化完叶轮设计后,在匹配后面的流道,比如蜗壳等等其他过流部件。


    后处理中,我们一般要得到外特性、速度分布图、压力分布图等等,根据不同的需要,我们需要做出不同的后处理。


    流面压力分布


    五、利用WorkBench进行优化过程


    这一小节讲述如何利用WorkBench进行旋转机械的优化流程。


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  • 吃了块薯片,上了一堂结构力学课

    从小小的薯片到超大的房子,都渗透了万古不变的几何学。这一切无形的东西悄悄构成了我们眼前所见的世界,很多时候,我们却无从察觉。可千万别小...快速预览

    吃了块薯片,上了一堂结构力学课

    几何学薯片结构力学模拟计算

    普象工业设计小站 | 2天前

    说起薯片,我们都吃过,但你可能不晓得这小薯片的背后,全!是!科!学!



    让我们一起来看看这些年,网上掀起的薯片之争。


    乐事vs品客


    比什么呢?比谁更不容易碎!事儿一开始想说这有什么好比的,好吃就行了呀!



    不过没想到,同是薄薄的薯片还真能分个输赢,品客完胜,赢在了神奇的结构。


    谁能想到品客薯片的小蛮腰造型竟是用「超级计算能力」设计成的呢?(不是品客的广告,不是不是不是!)



    它是宝洁60年代的产品,松脆辛香的小身体里还藏着数学、物理、哲学的奥秘。以品客为教科书,类似结构的房子也异常坚固。



    突然就肃然起敬,再也不敢小瞧身边任何一个不起眼的小东西,里面可都是人类的智慧呀!


    01品客薯片凭啥不容易碎?


    刚刚我们说品客薯片赢在了结构,啥结构?它的形状在数学微积分里叫双曲抛物面,小编就不说定义了,因为形状很像马鞍,所以也叫马鞍面。



    每个马鞍面上都有2条抛物线——一红一白,用来理解双曲抛物面(马鞍面)再好不过,是不是和你的口腔完美贴合?一口一片刚刚好!



    不仅能承受拉扯,也能承受挤压,在压力、拉力间形成巧妙的平衡,所以薯片再薄,也异常稳固。



    甚至还能稳稳地搭出一个圆环,而且不借助任何胶水!



    而乐事薯片则不行,很显然,它不是马鞍面!只有一条抛物线,另一条是直线,比钢铁直男还直的那种。


    (左:乐事vs右:品客)


    它的结构虽然不如品客那么牛逼,但也有好处,一旦碎了会很对称,顺着中间的应力线变成两瓣。



    而品客结构稳固,不碎则以,一碎就是粉末状!但平时谁会用枪对薯片撒气?



    如果是袋装的薯片,那真是连神仙都救不了了。它是用切片土豆一气呵成直接烹制出来的,做不出什么神仙结构,自然就很容易碎了。



    02 神似品客薯片的建筑


    不只是品客薯片用过马鞍面,建筑上也用到了这曲面。瞧,这像不像巨大的品客薯片?



    这是2012伦敦奥运会室内自行车馆,当年在100项设计方案里胜出。使用了这马鞍面结构竟然节省了整整一半的材料,只用了1092吨钢材,建造时间也缩短了一半。减少材料,节省成本的同时还降低了碳排放。



    建造时间也缩短了一半,减少材料,节省成本的同时,还降低了碳排放。



    无独有偶,这又是一个超像薯片的建筑——加拿大丰业银行马鞍体育馆。



    坐落在加拿大同样用了马鞍面,看着要用微积分来计算的马鞍面突然发现,原来建筑还可以有几分数学的味道。



    03房子怎样薄到飞起来?用马鞍面


    其实马鞍面很早就被用到建筑上了,菲利克斯·坎德拉就是始祖。



    他是混凝土薄壳大师,一生设计了900个项目把马鞍面玩到飞起,让混凝土薄到不可思议,这就是要起飞的节奏呀!


    让混凝土薄到不可思议


    这就是要起飞的节奏呀



    可是这么薄的房子不怕被风吹走吗?来场地震就被晃碎了吧?但这建筑和薯片一个道理,都采用了马鞍面让张力和拉力平衡,强度反倒非常高,房子异常坚固。



    从这之后,飞舞飘逸的屋面成了他的典型标签,并且沉迷于马鞍面无法自拔。1个、2个、3个、4个…把能建的都建了一遍。


    1个马鞍面的房子


    这是1958年的帕尔米拉教堂,整体为开放式的,结构简单,一目了然。就是一个大大的马鞍面没错了,线条流畅像上帝大笔一挥的样子。



    3个马鞍面的房子


    这是圣维特生·得·保罗教堂,三块马鞍面壳靠在一起,中间通过钢桁架相连,形成透明光带,像森林里的一顶白帽子。



    4个马鞍面的房子


    这是他最著名的建筑——霍奇米洛克餐厅。从上方看像一朵白色的花,这座建筑经过多年不停的修补和改造,已经有了新的面貌,但最初的建筑结构却影响了几代人。



    从上方看,像一朵白色的花


    这座建筑经过,多年不停的修补和改造,已经有了新的面貌,但最初的建筑结构,却影响了几代人。



    多个马鞍面的房子


    这是Bacardí 瓶装厂,马鞍面多到让人眼花缭乱。从小小的薯片到超大的房子,都渗透了万古不变的几何学。



    从小小的薯片到超大的房子,都渗透了万古不变的几何学。


    这一切无形的东西悄悄构成了我们眼前所见的世界,很多时候,我们却无从察觉。可千万别小瞧呢,其实生活中每一个物件背后,不论是受手中小小的薯片,还是远在天边的房屋,都有它自己的逻辑和人类的智慧。不禁对世界上的万物肃然起敬,下次再吃薯片时别忘了拿在手里仔细看看,然后再享受几何学在唇齿之间碰撞的快感吧。


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  • 做仿真,如何让自己的未来一片光明?

    以汽车行业为例,分析下仿真工程师的三条出路,各自的特点、利弊,三者之间的关系,以及职业发展的建议。快速预览

    仿真工程师职业发展规划汽车行业

    浏览量 13 工程事 | 2天前

    做仿真,如何让自己的未来一片光明?

    仿真工程师职业发展规划汽车行业

    工程事 | 2天前

    目前,第二产业边际成本较高,且制造业不善于利用资金杠杆,加之制造业链条长,完成一个任务往往需要多人配合,蛋糕小人多,且在合作过程中功劳大小难以准确量化,所以普遍成了类大锅饭的低效模式。同时,由于过度竞争,大家都是薄利甚至有时候亏钱营销状态,很难有高额利润。加之每年大量毕业的研究生、硕士稳定地涌入,制造领域的研发人才整体上已经开始走向过剩。


    那如何选择适合自己的仿真道路,并在以后更好的发展呢?对于在校学生、职场新人,这都是一个很让人迷惑的问题。职场老司机教你一些小经验,希望你少走一些弯路。对于已经在职场混了很久想转行的人也可以做一些参考,希望能对你们有用。


    下面以汽车行业为例,分析下仿真工程师的三条出路,各自的特点、利弊,三者之间的关系,以及职业发展的建议。


    三条出路


    1、投身主机厂


    主机厂也就是车企,比如宝马、奔驰,长安、吉利。有的主机厂所有的仿真分析都是自己做,工作量虽然比较大,但是技能水平的提升也很迅速。有的主机厂把主要的仿真工作外包出去,自己主要做监管类型的工作,比如对设计公司提出要求,给定仿真分析的标准,对模型和结果进行评判。所以,仿真方面的工作量相对来说比较少。


    另外,主机厂一般都有自己的仿真规范和标准,这些技术文档是主机厂的技术积累,也是非常好的学习资料。其实,对于主机厂的仿真工程师来说,仿真分析并不是唯一的工作内容,他们还需要和公司内部其他专业对接。


    比如,底盘的同事说,能不能换一个小点的螺栓孔;采购的同事说,我们想换一种材料,你分析下看看能不能做;工艺的同事说,你设计的溃缩孔工艺上很难实现,需要换个位置。作为技术人员,大部分工程师并不喜欢和其他专业“扯皮”,他们宁愿多做几个分析项。


    另外,他们对整车研发流程也比较精通。主机厂的工程师,工作压力一般,主要来自项目规定的时间节点。如果仿真工作外包给了设计公司,部分压力会转移出去。除了做实验,一般情况下也不需要出差。


    2、选择设计公司


    设计公司承担主机厂外包出去的工作,一般人数都比较少,20人左右已经算是中等规模了。当然,也有几百人的大型设计公司,有的转型成了主机厂,比如华特。前途汽车就是华特的子公司。


    设计公司人数不多,但是做汽车仿真需要的人力却不少,所以可能遇到二次甚至多次外包的情况。比如,主机厂把仿真的工作外包给设计公司a,a没有可以做碰撞分析的工程师,所以从b公司“借”了几位工程师过来。有时缺的人比较多,甚至会直接把部分项目外包给其他设计公司,听上去有些混乱。


    在设计公司工作,压力普遍较大,也比较辛苦。这是因为,首先,设计公司作为乙方为甲方工作,在赚钱的同时,也要接受对方的规则,满足对方的要求,否则会被甲方考核(扣钱)。其次,如果项目比较大,一般需要驻厂,也就是直接在对方公司工作。研发一款车型需要3年,设计公司至少要驻厂大半年,长的甚至几年。为了在项目节点前完成任务,加班也是经常的事情。


    说两个小故事。前两年一位设计公司的同事在重庆做项目,来的时候就在当地买了房,大半年后项目完成,离开重庆前把房卖了,赚的钱比大半年的工资还多。还有一位同事在浙江做项目,一做就是3年,也在当地买了房。设计公司虽然辛苦,但是仿真技能的提升也是巨大的。一方面,更加专注于仿真这一块。另一方面,项目经验也比较丰富。如果说主机厂的工程师是通才,设计公司的工程师就是专才了。


    3、去供应商


    供应商指的是零部件供应商,虽然不像设计公司那样只做分析,但是同样需要做仿真。比如,我有几位同事都是从供应商跳槽到主机厂的,有的是做座椅的,有的是做空调。虽然供应商也属于乙方,但是不同于设计公司的是,一般不需要驻厂,也不像设计公司那样长时间频繁出差。供应商的工程师在仿真技能上可能不如设计公司,但是他们更了解实际的产品。


    关系


    需要注意的是,以上分析是针对整个行业的,具体到某个公司,情况可能不一样。比如,有的主机厂研发任务重,工作强度和压力也很大。想要了解具体的公司,需要针对性地做一些调研。下面我们来聊聊这三者之间的关系,以及职业规划建议。


    1、公司之间的关系


    在主机厂、设计公司和供应商之间,前者是无疑属于甲方,后两者是乙方。你可能觉得,甲方自然更有话语权,或者说“高人一等”,毕竟人家是客户,是付钱的人。这样想大体上是没错的。比如,华晨宝马作为中国顶级汽车品牌之一,对其供应商的要求特别严格。不但对产品参数有苛刻的要求,对生产工艺也有严格的规定。


    也许你觉得,人家毕竟是大品牌,要求严格也是正常的,只要能赚到钱不就行了?这可真未必。真相是,有的供应商根本赚不到它的钱,甚至还要赔钱。供应商是傻吗?当然不是。和华晨宝马这样的顶级车企做生意,赚钱是次要的。什么是主要的?名声。


    作为供应商,成为顶级车企的合作伙伴,说明人家认可你的水平。你和别的车企做生意时,人家也更容易信任你。另外,别的车企在给自己的车做宣传时也会说,我们的供应商是给宝马供货的,更容易获得消费者的信任。


    你可能注意了,前面我说甲方更有话语权,“大体上是没错的”,因为也有完全相反的情况,而且也并不少见。比如,像博世这样的顶级供应商,一般不和规模比较小的车企做生意,一来它们不缺客户,二来对于采购量太少的订单,花了人力还赚不到什么钱,三来也不能作为典型案例做宣传。


    其实不论甲方还是乙方,归根结底还是“稀缺”。谁技术好水平高,谁就有话语权。人也是一样,公司是甲方,员工是乙方,只要员工具备行业顶尖水平,公司都抢着要。


    2、人之间的关系


    有些主机厂的人因为自己是甲方,对设计公司或者供应商的工程师吆五喝六,指手画脚,这非常不好。职场圈是个小圈子,大家同一个圈子里面的人,低头不见抬头见,说不定今天还是甲方和乙方,明天就变成同事了,或者角色互换,自己成了乙方。在车企,跳槽是常有的事。一般具有3年工作经验跳槽就会比较容易,5年基本上能当上主管工程师。跳槽一般分成三种,第一种是在主机厂之间跳槽,第二种是在设计公司或者供应商之间跳槽,第三种是从设计公司/供应商跳槽到主机厂。对于第一种跳槽,一般是国企向私企跳,自主品牌向合资品牌跳。主要原因还是后者待遇更好。


    举个例子,奇瑞在行业内被称为“黄埔军校”,培养出来的人才水平都不错。在奇瑞工作的朋友告诉我,每年都会有私企租下奇瑞附近的酒店,挨个给奇瑞的员工发消息邀请面试,工作经验3年以上,开两到三倍的工资。


    3、仿真工程师职业规划的建议


    如果你刚刚从学校毕业,应该如何在主机厂、设计公司和供应商之间做出选择呢?


    更推荐主机厂,看到自己参与研发的车被市场接受,你会感到自豪,会有一种使命感。而设计公司和供应商则有点像代孕妈妈,自己辛辛苦苦生下来的孩子,却跟别人姓了。消费者会说,这是某某车企生产的车,很少会说这是某某设计公司设计的,这是某某供应商提供的悬架。


    如果想精进自己的仿真水平,我建议你先去设计公司工作2-3年,再跳槽去主机厂。这时,你的仿真水平已经足够了,去主机厂再多了解了解整车研发的流程。如果你已经在主机厂工作了,想提高仿真水平,可以去设计公司吗?我不建议你这么做。一方面,你的水平可能达不到设计公司的要求;另一方面,你可能适应不了设计公司的工作节奏,以及乙方的新身份。


    那你应该如何提高仿真水平呢?其实,你不用去设计公司,也可以跟他们学。比较大的项目,设计公司一般都会驻厂。工作之余,你可以把设计公司搭建的模型拿过来研究,总成之间是如何连接的?接触应该怎么做?然后删除它们,自己重新搭一遍。如果出错了,再对照模型找到出错的地方。如果找不到,还可以多向设计公司的工程师请教。


    不论是主机厂、设计公司还是供应商,都是同一个圈子里的人,大家友好相处,共同努力,一起赚钱。个人比较推荐的职业规划路线是,现在设计公司磨练3年仿真技术,再去主机厂了解整车研发流程。如果已经在主机厂工作了,不妨多向设计公司的工程师请教学习。


    未来的发展


    对于已经选好方向的工程师,今后该如何去发展呢?来看行业内技术工程师给大家的一些建议:


    1、纵深发展,尽可能提升,在领域内更靠前


    行业内有一个共识,如果你在细分行业里能达到top20%,太高的成就不说,吃饭应该还是不发愁的。在某一个行业呆个十几二十年,想必top20%是大部分人所能达到的,只是这个时候,千万不要失业,否则就业压力极大。


    所以,因为要考虑到年龄的增长,不仅仅能力上要达标,影响力也该达标。如果你有一定的影响力,在领域内积攒了一些人品、口碑,即使水平不那么高,岁数大的时候也可以混得很好。简单说,领域内大公司的核心负责人,能认可你的名字,或者是曾经受了你的恩惠,关键时刻都能突破HR阻力。


    什么叫HR阻力?大家都知道,制造业很大但分类也很细,一旦你在某个领域深耕十几二十年,你就把自己的职业道路限制在了这个领域内,所以那些老工程师基本都是等呆到退休,而大公司内到达一定等级基本都是一个萝卜一个坑,除非直接的核心负责人点名,否则一般都不会有职位空缺,你去递简历、找猎头都会被卡掉。


    2、横向发展,掌握更多领域的技能和认知


    很多人觉得制造业红利期已过,是不是不要再选择这行了?


    当职场就业环境压力变大的时候,对于很多企业来说,他们可能需要的不是那些特别厉害、特别出色的顶尖工程师,因为业务场景没这个必要,而且成本太高也养不起。


    但他们肯定愿意要能身兼多职、拥有全面能力的人才,因为大部分中小企业往往没有太完整的团队配备,能够拥有多面能力的人,不仅节省人力资源,更节省沟通成本,在业务增长、团队扩张的时候,这种多面手也能起到沟通协调的作用,更容易获得晋升。


    比如你是搞机械的,画图软件什么的就不说了,自学了有限元分析、结构时域频域响应,会一点皮毛的控制原理、软件编程,那你一定是获得比别人多的更多的机会。


    3、攒人品、攒口碑


    力所能及的情况下,多参加一些技术会议,认识一些优秀的人,帮助一些有潜质的人,也可以开一些网课,提供一些经验技能辅导,协助别人解决一些麻烦,也可以在判定对方靠谱的情况下,给予一些资源、人脉的支持。


    多积累一些资源,岁数大了,可以抱抱年轻人的大腿。


    当然,有些人觉得,不是每个人都知恩图报,也不是每个人都会成长到有足够的实力反哺你。


    没错,所以要多帮一些嘛!就和风险投资一样,博个概率而已,不同的是:风投投的是钱,你投的是能力、经验、人脉、资源。


    4、业余时间,试试不同的可能


    力所能及的情况下,多参加一些技术会议,认识一些优秀的人,帮助一些有潜质的人,也可以开一些网课,提供一些经验技能辅导,协助别人解决一些麻烦,也可以在判定对方靠谱的情况下,给予一些资源、人脉的支持。


    虽然这样达成很高成就的概率不高,但如果你确实有一定的业余时间,在时间金钱成本可控的情况下,可以尝试着一些不同的可能性。


    给大家一下我个人经验建议吧,大家可以养成把平时做的一些不错的技术资源整理归纳的习惯,有空了发布出来,不管是在公众号还是技术论坛,没准就是一个攒人品的事情。


    你在日常处理问题时,觉得最有价值的一些问题、心得也可以整理一下。你在成长过程中犯的错、踩的坑,对别人也是很有意义的。以上对你日常的工作也有帮助,公司让你做新员工培训时,也能让领导和同事高看你一眼。


    说实话,我真的觉得,现在这个职场行情,希望行业内的人员多仔细看看、仔细想想。你说我是不是贩卖焦虑了?未雨绸缪总好过亡羊补牢吧。

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  • 一文带你了解计算流体力学CFD及其应用领域

    计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)简写为CFD,经过半个世纪的迅猛发展,这门学科已经是相当的成...快速预览

    一文带你了解计算流体力学CFD及其应用领域

    计算流体动力学CFD化工冶金环境模拟仿真

    颗粒在线 | 2天前


    计算流体力学的发展


    计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)简写为CFD,经过半个世纪的迅猛发展,这门学科已经是相当的成熟了,一个重要的标志就是近几十年来,各种CFD通用软件的陆续出现,成为商品化软件,服务于传统的流体力学和流体工程领域,如航空、航天、船舶、水利等。随着CFD通用软件的性能日益完善,应用的范围也不断的扩大,在化工、冶金、建筑、环境等相关领域中也被广泛应用。


    现代流体力学研究方法包括理论分析,数值计算和实验研究三个方面。这些方法针对不同的角度进行研究,相互补充。理论分析研究能够表述参数影响形式,为数值计算和实验研究提供了有效的指导;试验是认识客观现实的有效手段,验证理论分析和数值计算的正确性;计算流体力学通过提供模拟真实流动的经济手段补充理论及试验的空缺。


    更重要的是,计算流体力学提供了廉价的模拟、设计和优化的工具,以及提供了分析三维复杂流动的工具。在复杂的情况下,测量往往是很困难的,甚至是不可能的,而计算流体力学则能方便的提供全部流场范围的详细信息。与试验相比,计算流体力学具有对于参数没有什么限制,费用少,流场无干扰的特点。出于计算流体力学如此的优点,我们选择它来进行模拟计算。简单来说,计算流体力学所扮演的角色是:通过直观地显示计算结果,对流动结构进行仔细的研究。


    计算流体力学在数值研究大体上沿两个方向发展,一个是在简单的几何外形下,通过数值方法来发现一些基本的物理规律和现象,或者发展更好的计算方法;另一个则为解决工程实际需要,直接通过数值模拟进行预测,为工程设计提供依据。理论的预测出自于数学模型的结果,而不是出自于一个实际的物理模型的结果。计算流体力学是多领域较差的学科,涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析等,这些学科的交叉融合,相互促进和支持,推动了学科的深入发展。


    CFD方法是对流场的控制方程用计算数学的方法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。控制所有流体流动的基本定律是:质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由它们分别导出连续性方程、动量方程(N-S方程)和能量方程。应用CFD方法进行平台内部空气流场模拟计算时,首先需要选择或者建立过程的基本方程和理论模型,依据的基本原理是流体力学、热力学、传热传质等平衡或守恒定律。


    由基本原理出发可以建立质量、动量、能量、湍流特性等守恒方程组,如连续性方程、扩散方程等。这些方程构成连理的非线性偏微分方程组,不能用经典的解析法,只能用数值方法求解。


    求解上述方程必须首先给定模型的几何形状和尺寸,确定计算区域并给出恰当的进出口,壁面以及自由面的边界条件。而且还需要适宜的数学模型及包括相应的初值在内的过程方程的完整数学描述。


    求解的数值方法主要有有限差分法(FDM)和有限元(FEM)以及有限分析法(FAM),应用这些方法可以将计算域离散为一系列的网格并建立离散方程组,离散方程的求解是由一组给定的猜测值出发迭代推进,直至满足收敛标准。常用的迭代方法有Gauss-Seidel迭代法、TDMA方法、SIP法及LSORC法等。利用上述差分方程及求解方法既可以编写计算程序或选用现有的软件实施过程的CFD模拟。



    计算流体力学应用领域


    近十多年来,CFD有了很大的发展,替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解法,过去的一些典型教学实验,如Reynolds实验,现在完全可以借助CFD手段在计算机上实现。


    所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题,几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。CFD不仅作为一个研究工具,而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等流域发挥作用。典型的应用场合及相关的工程问题包括:


    航空工程


    CFD在航空和国防工业中的应用经历了一个长期的发展过程,取得了令人瞩目的成绩。在激烈的竞争环境中,CFD在改进飞行设计中起到了关键性的作用。实际上,很多工程师已将CFD和空气动力学结合起来用于诸如飞机机翼升力的计算。随着CFD计算技术和计算机能力的提高,其使用更为简便,人们在计算升力之外,其应用范围已经得到很大拓展。今天,CFD正用于求解很多困难的实际问题,而这些问题用过去的计算工具是难以分析或求解的。



    汽车工程


    现在,汽车工程师们正在依靠更多的模拟技术将提出的新车设计概念付诸实施。计算机辅助工程已经处于革新汽车内部系统的技术前沿,可以更好地全面提升驾驶体验,改善驾驶员和乘客的舒适性和安全性,并且进一步降低油耗,计算流体力学长期以来一直是汽车设计和制造中的一个基本要素。除了航空航天工业外,汽车工业在研究制造中也大量使用了CFD技术。因此,作为工程模拟工具,即使面对最困难的挑战,CFD仍然在许多工业领域中得到很好的应用。



    生物科学工程


    医学研究者现在依靠模拟工具帮助预测人体中血液循环流动状态,数值模拟能够提供实验难以得到的有价值的信息,而且CFD还可以对很多流体动力学参数进行研究。同时,CFD 在制药工业也有广泛的应用。



    化学和采矿工程


    很多世界必需品源于化学工业和采矿业,这些工业通过物理或化学方法加工原材料,消耗大量的热能和电能,为食品、保健品以及先进的计算技术设备和生物技术设备提供初级产品,面对不断加剧的竞争,这些工业面临的主要挑战是既要满足当前世界性的需求,同时对未来发展不造成损害,这就要求生产过程更高效、更安全以及更少污染物的排放。



    民用和环境工程


    政府、研究机构以且企业正在职融寻求途径满足环境保护法,在维持一定生产水平、满足市场不断增加需靠的同时,保证减少环境污染。在很多时候,CFD模拟已经成为解决环境问题的核心技术。



    能源工程


    在不断竞争的能源市场中,设备制造商们转向CFD寻求技术支持,以便更好地了解和提升能源工业中的设备和工艺。尽管传统的发电方式仍在广泛使用,但已经出现了具有潜力的可再生能源,如凤力发电。为使投资得到最大回报,CFD已经被用于风力发电涡轮叶片的优化设计当中,使之在不同的来风条件下能产生恒定的功率。通过CFD的风能资源评估,工程师可以更好地研究风力发电站的经济性,正确的模拟结果可以减少投资风险。



    体育


    随着体育水平的不断提高,特别是在奥运赛场上,运动员的水平都在伯仲之间,体育比赛的胜负差距非常微小,为了在比赛中获得胜利,不得不为提高器材的性能投入大量的资金。体育器材的流体动力性能越来越重要,越来越多的优秀运动员、运动队以及体育设备制造商们都在努力从先进的流体模型中获取比赛空气动力的有利条件,越来越多的体育器材外形的研究成果逐渐为人们所认可。同时,CFD不仅可以研究体育运动器械等硬件设备,还可以对运动员的运动技巧进行分析,针对不同运动员的自身条件,通过计算分析,制定更为科学量化的竞技动作和训练内容。



    本文系颗粒在线根据网络资源整理编辑。

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  • 认真学习CFD,一不小心就成为了电影艺术家

    流体模拟背后的科学:虽然流体的解算是最耗计算机资源的,但对于视觉特效来说却十分重要。流体所指的也不单单只是液体而已,还包含了火焰、烟雾...快速预览

    流体流体模拟流体动力学CFD电影艺术家

    浏览量 13 工程事 | 2天前

    认真学习CFD,一不小心就成为了电影艺术家

    流体流体模拟流体动力学CFD电影艺术家

    工程事 | 2天前

    自上世纪90年代中期《泰坦尼克号》公映后,国人开始认识到了好莱坞电影的魅力——确切地说,是好莱坞大片特效的魅力。自此以后,每年都有大量的好莱坞特效大片涌入中国荧幕,近几年更是数不胜数,而且越来越与全球同步放映。


    所谓的大片,即指投资大、制作大、阵容大、内容大。在今天电影时代,这一切的“大”,都可以被“特效大”来概括。统计这几年最卖座的好莱坞大片,你会发现它们不是视觉特效大片就是CG制作的动画片,电影工业的格局因此而彻底改变。但是如果你觉得特效仅仅是技术那么简单,那就错了。


    流体模拟背后的科学:虽然流体的解算是最耗计算机资源的,但对于视觉特效来说却十分重要。流体所指的也不单单只是液体而已,还包含了火焰、烟雾、气体等。而烟雾跟液体最大的差别在于,液体会有固定的体积,气体则不是。流体的这个概念也不仅仅只应用在视觉特效领域, 在科学领域里面也被广泛应用,从1960年代中期以来,流体动力学(CFD,computational fluid dynamics)或流体模拟的科学就开始在工程问题中得到应用。



    流体的方程式和数学原理被用于描述关于许多学术和经济利益中的模拟现象。它们可以用于建立诸如气象模型、天气预报、管道中水的流动和飞机机翼周围的气流这样的对象。当然这些都是题外话,但是流体模拟已经成为众多特效电影的一个重要部分,即便如此,它还是没有被大多数普通艺术家很好地理解。


    在电脑图形工业发展之前,早至20世纪50到60年代,流体模拟就已经被活跃地研究并且有了数学模型。回溯至60年代,一个拥有很大影响力的开创者就是Los Alamos国家实验室的T3组织。James Harlow是这个组织的领导者,Harlow和他的团队研究出工业化应用的理论,包括我们在下面会解释的交错MAC(marker-and-cell)网格结构,和PIC(Particle In Cell)方法,而后者就是今天FLIP、MPM和其他复合方法的前身!可惜,多数用于真实世界的CFD方法对视觉特效流体模拟来说显得不必要地复杂,而且数量很少。


    在计算机图形学领域,重要的先锋有Nick Foster和Dimitris Metaxas,他们计算了不可压缩和自由表面流体。而在Foster和Metaxas之前,视觉特效中的水都没有用物理学方法,大多数是运用了2D或者位移和凹凸贴图这类小“诡计”。


    Alias Wavefront的Jos Stam对不可压缩气态流体所做的工作也十分显著。在他1999年的Siggraph论文中,阐述了为什么比起关键帧动画,模拟动画是如此地重要。与关键帧或过程依赖技术不同,物理模型(流体模拟)可以让一个动画师毫不费力地创造有趣的类似漩涡流体行为。而且,流体与物体和虚拟力之间的互动能被轻松处理。


    90年代早期。例如在Waterworld 和 Titanic这样的电影中,证明电脑合成的水图像是可以达到很高真实度,但是这种真实大都局限于平静、开阔的海洋镜头。


    Jerry Tessendorf, Rhythm and Hues (R&H)的首席图形科学家,为了研究在CFD领域中传统流体动力学工具,而在水特效的发展过程中做了大量的工作,正因为如此,他和R&H的其他三个成员一起获得了2008年学院奖的Technical Achievement 奖项。


    其后,Stanely Osher使用层集方法表达动力学表面也做了开创性工作,他的博士生Ron Fedkiw后来将层集方法带入图形学并且创造了PLS( Particle Level Set )方法,这个方法通过沿流体表面种植粒子来保持其它方法可能损失的次网格质量,减少了纯层集方法的质量损失。


    Fedkiw后来因此获得了来自动态图像艺术与科学学院的技术成就学术奖。过去的十年中,他一直担任工业光魔(Industrial Light & Magic ,ILM)的顾问,参与了 Terminator 3: Rise of the Machines(终结者3), Star Wars: Episode III – Revenge of the Sith(星球大战), Poseidon 和 Evan Almighty电影的制作。



    Robert Bridson,反过来又是 Ron Fedkiw的博士生,作为PhysBAM项目的创始人之一,在Fedkiw的管理下与工业光魔一起工作。PhysBAM延续了工业光魔物理模拟编程的主要工作。Bridson针对那些主要的研究者比如Harlow 追溯了20世纪60年代早期的研究,然后为不可压缩流体引入了 PIC/FLIP方法,同时也将不可压缩FLIP方法带入图形学。FLIP方法和它的变体在流体模拟的传递阶段有一个总数值扩散的近似缺陷,因为它将所有的数量都平流输送到粒子而不是网格上。


    在PhysBam项目中,Bridson帮助编写了布料模拟代码被用在工业光魔制作的Star Wars Episode II: Attack of the Clones(星球大战前传2)中。然后Bridson 到了英国为Double Negative合作设计了喷溅流体模拟器,在许多电影的烟、水、火、云、水墨特效中都可以见到,这包括Harry Potter and the Half-Blood Prince(哈利波特和混血王子)、2012、 The Boat that Rocked、 Inkheart、 Quantum of Solace(量子危机)、The Dark Knight 和Hell Boy II: The Golden Army(地狱男爵2)。



    正是在英国,Bridson 碰到了另一个业内传奇—— Marcus Nordenstam ,他们一起在2008年成立了Exotic Matter公司。Exotic Matter是Naiad流体模拟软件的制造者,这个软件参与了许多震撼的流体特效制作,包括Avatar(阿凡达)、Narnia: Voyage of the Dawntreader(纳尼亚传奇)、X-Men First Class、 Harry Potter and The Deathly Hallows Part 2(哈里波特和死亡圣器2)、Pirates of the Caribbean: On Stranger Tides(加勒比海盗:陌生的潮汐)、Rise of the Planet of the Apes(猩球崛起)等许多电影。



    Nordenstam现在有超过15年的VFX R&D和特效模拟经验。他在银幕上的贡献有 Star Wars Episode II、Spider-Man 2, Hellboy II、Inkheart、 Harry Potter and the Half-Blood Prince 和Avatar。作为Exotic Matter公司的一部分,Nordenstam 和公司的其他人深深地投入到关键方向之中,尤其是在公司早期的时候。最紧张之时,他们在新西兰威灵顿的Weta Digital做为R&D部门工作了十个月,制作了诸如Avatar这样的电影。


    特效并非人们想像的视频处理“技术”那么简单,它蕴含很多科学与文化含量。特效最先产生于美国军工,部队通过电脑模拟物理现象来测试武器效果,后来好莱坞将其做成仿真效果移植至影片中。比如表现波涛,必须将液体或气体的多项物理特性(包括速度、压力、密度、温度等)进行数值实验、计算模拟和分析研究,并将此运算的整个过程以图形图像的方式进行演示表现。


    所以特效师并不是简单的‘技师’,而需要有非常完善的知识体系,在国外成熟的特效公司,甚至还有个职位叫“首席科学家”。怎么样,要从现在开始好好研究CFD技术吧,说不定你也能成为荧幕上的特效大师。

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  • 解读汽车车身设计中的流体力学奥秘

    本文将结合生活实际探索流体力学在汽车车身设计中的应用,通过适当的分析了解流体力学的相关概念,保证更加清楚的明白汽车流线型车身产生的原理。快速预览

    解读汽车车身设计中的流体力学奥秘

    流体力学汽车车身设计流线型车身模拟仿真

    中国科技博览 | 2天前

    本文将结合生活实际探索流体力学在汽车车身设计中的应用,通过适当的分析了解流体力学的相关概念,保证更加清楚的明白汽车流线型车身产生的原理。


    一、汽车车身流线型的产生


    在分析流体力学在汽车车身设计中的应用时,可以借助于一个实验明确其中的原理:首先是准备出各种各样的空塑料瓶,然后将它们的头朝向水中,之后松开手,观察什么形状的瓶子弹跳最高,根据具体的实验结果可以判断,外形阻力较小的瓶子会跳更高。


    流线型主要是一种受抵抗较小的形状,因此可以抑制剥离。分析出现抑制剥离的问题,可以充分的考量缩小流动或者是扩大流动的情况,若是在缩小流动之后,伴随着向下游的逐步行进,实际的流动会变得逐渐狭窄,当不断的向下游行进,流动通路的断面积也会越来越小,以至于相应的流速逐渐加快,结合伯努利定律加以判断,压强是下降的状态。


    由于高压向着低压的流动属于一种正常的流动状态,在这种情况之下,即便是缩小流动,也会呈现出安定的状态。 


    与之相反的是,通过适当的扩大流动,开始向着下游逐渐行进,流动也会逐渐扩展开来,通过不断的深入下游,流动通路的断面积也会呈现出增大的趋势,流速则越来越小,压强在不断上升的时候,实现了从低压向着高压流动的趋势,这与自然的流动方向是相反的,属于一种不安定的流动状态。 


    通常来说,在高压处向着低压不断流动的趋势属于一种自然状态,为此在适当的扩大流动趋势的时候,还会受到某些诱发因素的影响,从而导致逆流情况的发生。


    比如,急剧的扩大流动及阶梯式的扩大流动,都能让流动出现急剧扩大的情况,因此在固体的表面产生了具体的逆流问题。在扩大的部分,实际产生的逆流始终在循环往复,这属于流动的剥离。正是这种情况,在流动不断扩大的地方,由于压强呈现出上升的趋势,使得剥离问题出现,在具体设计的时候应该格外注意。


    若是出现了剥离问题,相应阻力会明显增加,能量损失也会逐渐增大,为了进一步减小阻力,基本的原则就是避免流动呈现出急剧扩大的趋势。 


    二、流体力学在汽车车身设计中的应用效果


    1、有效减小阻力


    结合着汽车的外形演变加以分析,可以明确流体力学对汽车车身的设计影响。伴随着车速的稳步提升,汽车的外形除了结合机械工程学和人机工程学等基本学科之外,还应该重视空气动力学的相关问题,以便减小阻力。


    适当的降低风阻并提升下压力属于非常有效的手段,减少迎风面积可采取流线形状。流线型一般是能够减少空气流对车身产生的涡流,这样就能达到理想的减小阻力的目的。 


    2、适当增加附着力


    结合着汽车的外形构造来说,应该在考虑行车稳定的前提下,正视下压力的相关问题,尤其是在高速场合。利用流线型的设计可以有效改变空气对于车体上部及地盘下部的气流流速,这样可以适当的控制好相应的下压力。赛车在高速拐弯或者是进行急加速的时候,应该重视轮胎对于地面本身的附着力,这样才能避免出现打滑的问题。车体的中间部分向下突出,主要是让车和路面的间距变狭窄,车体的前后部分和地面的距离应该适当的增大,由此流体在经过相对狭窄的部位时,流速会适当的加快,这个时候的压力会呈现出下降的趋势,保证车体被吸向路面,适当的增大附着力,避免出现打滑的问题,保证高速行使的过程中更加安全。 


    三、流体力学在汽车车身设计中的应用实践


    1、车头造型设计


    车头造型的设计中涉及到的流体力学因素众多,比如车头的边角、车头的形状及高度等。车头的边角主要是指车头上部的边角和横向两侧的边角。若是非流线型的车头设计,会因为尖锐的边角使得气动阻力有所提升,以至于产生负压区,整体状况分析不适合非流线型的设计。


    发动机罩和前风窗的设计能够对附着点的位置产生影响,由此会对汽车的气动特性造成威胁。


    发动机罩的纵向曲率在逐渐减小的情况下,气动阻力会越小,发动机罩的横向曲率可以适当的减小气动阻力。只要是发动机罩拥有一定的斜度,可以对气动阻力产生有利的影响,但是斜度若是处于加大的状态,实际的降阻效果不佳。


    风窗玻璃纵向的曲率越大的时候将会越好,这样就能及时的避免视觉失真问题的出现。汽车的前端形状会对汽车整体的空气动力学性能产生重要的影响。


    若是前端凸而且高的时候,往往会产生相对较大的气动阻力,这样会给车头的上部造成较大的负升力区。拥有着较大倾斜角的车头一般是能够起到减小气动升力等效果。 


    2、前立柱设计


    前立柱上方的凹槽和细棱角处如果处理不当,将会出现较大的气动阻力,以至于出现较大的噪声污染。在设计的时候,需要重视圆滑过渡,保证更好的发挥出利用价值。轿车的侧壁外鼓能够增加气动阻力,但是会降低气动阻力的相关系数。对于阶背式轿车来说,客舱的长度和轴距的比值从0.93上升至1.17,这样会在一定程度上减小气动升力系数,但是发动机罩的具体长度和轴距对比往往不会影响到气动升力系数。 


    3、车身尾部造型设计 


    流线型的车尾的汽车拥有着最佳的车尾高度,这样的状态之下,气动阻力系数会呈现出减小的趋势,相应的高度一般会按照实际的车型和结构加以完善。后车体横向收缩可以适当的减小截面面积,在一定程度上后车体的横向收缩能够降低气动阻力系数,过多的收缩则会引起气动阻力系数的升高。 


    4、扰流器设计


    扰流器对流场会加以干涉,通过适当的调整汽车表面的压强分布,能够更好的减小气动阻力,同时关注气动升力的具体目标。前扰流器的适当高度和位置等都能减小气动阻力和气动升力。 


    四、结语


    本文主要探讨了流体力学在汽车车身设计中的应用,明确了流体力学对汽车外形构造发挥出的重要作用,能够让汽车造型的构造更加合理,保证合理协调空气及汽车之间的相互作用力,为汽车的行进更为便利创造条件。

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  • 锂电池UPS常见技术参数

    锂电池UPS常见技术参数。挑选锂电池UPS的时候,当自身根据所需求应用锂电池UPS的领域或者根据锂电池厂家的建议选定了具体类型的锂...快速预览

    UPS锂电池电池容量

    浏览量 13 存能电气 | 5天前

    锂电池UPS常见技术参数

    UPS锂电池电池容量

    存能电气 | 5天前

    锂电池UPS常见技术参数。挑选锂电池UPS的时候,当自身根据所需求应用锂电池UPS的领域或者根据锂电池厂家的建议选定了具体类型的锂电池UPS,比如说机房选机架式UPS或者塔式UPS之类的。选定了锂电池UPS的类型之后呢?之后就需要更具体的参数了。


    以下就来谈谈大家通常查看锂电池UPS常看的参数,想必很多人虽然对于这些参数看得多听的多所以对其大致代表的含义有所了解,但对于其定义还是不太了解,现在就让颗粒在线小编将其具体的含义收集整理给大家看吧,以下定义主要收集于百度百科。


    电池容量


    电池容量是衡量电池性能的重要性能指标之一,它表示在一定条件下(放电率、温度、终止电压等)电池放出的电量(可用JS-150D做放电测试),即电池的容量,通常以安培·小时为单位(简称,以A·H表示,1A·h=3600C)。


    电池容量按照不同条件分为实际容量、理论容量与额定容量,电池容量C的计算式为C=∫t0It1dt (在t0到t1时间内对电流I积分),电池分正负极。


    标称电压


    标称电压是物理学的专业术语,是指稳压热敏电阻器在+25℃时,标称工作电流所对应的电压值。目前最常用的稳压热敏电阻器的标称电压为2伏,其它还有3伏、4伏、5伏、6伏等。标称电压也是表示或识别一种电池的适当的电压近似值,也称为额定电压,可用来鉴别电池类型。


    电池标称电压是表示或识别一种电池的适当的电压近似值,也称为额定电压,可用来鉴别电池类型。例如铅酸蓄电池的开路电压接近2.1V,标称电压为2.0V。锌锰干电池标称电压为1.5V,镉镍电池、镍氢电池标称电压为1.2V,锂离子电池标称电压为3.7V。


    其实标称电压并不是指电池电压,电池的实际电压是根据电池的实际容量发生变化的。市面上会出现同一种电池的标称电压在不同的场景或者地域不同的情况,电池的其实是没有变化的。


    电池内阻


    电池的内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力,它包括欧姆内阻和极化内阻,极化内阻又包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。


    对锂离子电池而言,电池内阻分为欧姆内阻和极化内阻。 欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻,包括电化学极极化和浓差极化引起的电阻。


    锂离子电池的实际内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力。电池内阻大,(在电池正常使用过程中)会产生大量焦耳热(根据公式:E=I^2RT)引起电池温度升高,导致电池放电工作电压降低,放电时间缩短,对电池性能、寿命等造成严重影响。


    电池内阻大小的精确计算相当复杂,而且在电池使用过程中会不断变化。根据经验表明,锂离子电池的体积越大,内阻越小;反之亦然。


    自放电率


    自放电率又称荷电保持能力,是指电池在开路状态下,电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。主要受电池制造工艺、材料、储存条件等因素影响。是衡量电池性能的重要参数。


    自放电大小即自放电率与正极材料在电解液中的溶解性和它受热后的不稳定性(易自我分解)有关。可充电电池的自放电远比一次电池高。而且电池类型不同,电池每月的自放电率也不一样。一般在10-35%变动。储存过程中与自放电伴随的是电池内阻上升,这会造成电池负荷力的降低,而在放电电流较大的情况下,能量的损失变化非常明显。


    这些参数单独的看其中一个的数值对于判断其锂电池UPS的性能优劣是不足够的,还要参考其它的技术参数,综合评判所选锂电池UPS的性能。

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  • 智能疏浚新时代与我国疏浚行业的可持续发展

    本文系统回顾了近 20 年来我国疏浚技术和疏浚船舶的发展历程,总结了挖泥船信息技术研究应用的典型系统, 并针对深远海复杂恶劣工况和海内...快速预览

    智能疏浚新时代与我国疏浚行业的可持续发展

    智能疏浚疏浚行业疏浚船舶绿色疏浚

    《中国港湾建设》 | 13天前

    摘 要:本文系统回顾了近 20 年来我国疏浚技术和疏浚船舶的发展历程,总结了挖泥船信息技术研究应用的典型系统, 并针对深远海复杂恶劣工况和海内外高端市场的业务需求,提出开展以适应环境生态要求、高浓度、精准化、大挖 深等为特征的新型疏浚技术研究,构建我国疏浚行业的可持续发展生态,建设绿色智能化疏浚体系,实现向疏浚技 术向生态、智能化方向发展。 


    关键词:疏浚技术;疏浚船舶;智能疏浚;绿色疏浚


    1 新世纪以来我国疏浚行业的技术创新 


    1.1 数字化技术促进疏浚行业的快速发展 


    新世纪以来,通过引进、借鉴和自主创新, 采用疏浚技术与信息技术融合发展的技术路线, 挖泥船信息技术研究与应用取得突破。通过采用现场总线技术、网络技术、通信技术、自动控制 技术和计算机技术等,彻底取代了传统的模拟显 控、信息孤立、操控分散的模式,实现了从依靠 模拟技术的仪器仪表到数字化系统的跨越,具有 数字化、网络化、信息化及部分智能化特点[1]。20 年来,中交疏浚信息化的实施状况可以佐证上述 发展变化。 


    1.2 挖泥船信息技术研究应用的突破 


    挖泥船信息技术走自主创新发展道路,助力了我国疏浚技术由简单粗放到国际先进的转变, 具备了实施远海岛礁、外海搜救、重要海运通道 安全保障等深远海工程的技术能力。 


    20 世纪,中国疏浚行业核心技术受制于人, 关键装备主要依赖进口,没有形成现代化的民族 疏浚产业。 90 年代中后期,建造了几艘小型挖泥 船,探索了老旧船舶的升级改造,疏浚系统主要 采用模拟式仪器仪表和分立式电气控制,信息化 程度很低。2002 年开始引进“新海龙”、“万顷 沙”等具有数字化、信息化技术的挖泥船,2010 年,中外合作成功建造了“天鲸”号,2016 年引 进了深度信息化的“浚洋 1 号”。随着“十五”重 装项目的完成,从 2003 年开始,我国自主设计建 造了以“4011 轮”、“新海虎轮”、“通程轮”、 “天鲸号”为代表的一批耙吸和绞吸挖泥船,大型 挖泥船建造与应用进入了快速发展期[3]。


    挖泥船集成控制系统是挖泥船的大脑,其发 展可概括为 3 个阶段。第一代计算机网络系统 (2005 年),主要特点是基于工作站,数据采集分散,系统维护门槛高,可靠性低。第二代计算机 网络系统(2010 年),基于服务器,可靠性高,冗 余度高,全信息共享。第三代计算机网络系统 (2015 年),云处理架构、无服务器、嵌入式控 制,维护简单,冗余度更高[4]。 挖泥船信息技术研究应用的典型系统及功能 分析:


    1) 水下三维轨迹系统。采用船舶航迹优化、 自动识别和虚拟现实、计算机软件等技术,综合 多波束测深仪、GPS、MRU、电罗经等传感器采集的信息,开发了水下定位、跟踪、测深三维可 视作业辅助系统,实现了作业和土质的三维显示, 提高了生产作业效率和施工精度。 


    2) 耙臂绞车自动化系统。由耙管绞车控制 器、疏浚轨迹监测系统、疏浚深度预测控制器构 成,实现自动定深挖泥控制。 

    3) 能量管理系统。自动对负载设备功率进行 分配和调节,保证主机功率在各个工况下得到充 分利用,实现自动降耗和安全作业。 


    4) 船舶机舱监测报警系统。通过分布在全船 各部位的传感器、报警处理单元、延伸报警等设 备,构建了船舶机舱信息快速采集、处理、分析、 存储与三维可视化报警等服务体系。 


    5) 动力定位动态跟踪 DP/DT 系统。完成 DP/ DT 模式下的动力定位扇形艏喷、动力定位艏吹、 动态跟踪挖泥、动态跟踪抛泥、定点往复挖泥等 特定作业能力。


    6) 挖泥船疏浚辅助决策系统。基于船舶模 型、管线模型、泥舱模型等,对疏浚性能连续评 估并采取必要的控制策略,实现疏浚过程和生产 效率的自动优化[5]。 


    7) 远程管理系统。主要包括船舶位置智能监 控、船舶生产日报、船机监控及施工状态、海况 气象播报、短消息、水深数据管理、潮位数据管 理、系统管理等,为施工作业、综合分析管理提 供了完善的信息渠道。 


    8) 耙吸船全自动疏浚技术系统。采用智能控 制和智能感知技术实现了耙吸挖泥船挖泥、抛泥、 吹泥等整船级的全自动疏浚控制。 


    9) 自主研制大型泥泵。实现挖泥船“心脏” 部件的数字化创造。


    10) 自主研制大型耙头。实现耙吸船水下 “挖掘机械手”的数字化创造。 目前,中交疏浚(集团)股份有限公司已发展 成为世界第一大疏浚企业,耙吸船总舱容量和绞 吸船总装机功率均排名世界第一,旗下有中交天 津航道局有限公司、中交上海航道局有限公司、 中交广州航道局有限公司。据不完全统计,近 20 年来,新建舱容在 4 200~18 000 m3 的大型耙吸挖 泥船 14 艘,新建生产率为 2 000~ 4 500 m3 /h 的大 型绞吸挖泥船 40 多艘。 


    1.3 数字化在工程管理中的推广应用 


    数字化技术在疏浚工程管理中也得到全面推广应用,其基本特点是工程管理的数字化、网络 化实施,它有效推进了疏浚工程的应用效率和管理水平。 主要的典型应用见表 1。


    时间1_副本.jpg


    1.4 典型工程应用及对经济社会作用 


    疏浚技术和疏浚船舶建造技术取得的成果, 在远海和沿海港口等国家大型工程建设中发挥了 巨大作用,满足了我国“十五”到“十三五”持 续高速发展时期大批港口、航道及吹填造地等交 通运输基础设施建设需要。同时,还实施了一批 海外重点工程。疏浚数字化、信息化促进了我国 高技术船舶制造行业和疏浚行业技术进步,培养 了一大批高水平疏浚设备研究、设计和开发人才, 颁布了一批国际标准[6]、国家标准和行业标准,形 成了核心领域的发明专利、软件著作权、软件产 品和高水平学术论文,获得了国家级科技进步和 技术发明奖项。


    2 疏浚行业可持续发展面临的挑战 


    2.1 全球可持续发展背景下疏浚行业的新机遇与新挑战 


    推动全球可持续发展,其根本动力在于新一 轮科技革命,新科技的变革为疏浚行业转型与创 新提出新挑战,也提供了长期发展的环境条件。 近年来,荷兰 IHC 公司在疏浚技术的多个领域保 持领先,通过数字化和信息化的技术积累,正向 智能化方向迈进。德国在大功率推进技术、电力 驱动技术方面保持领先,疏浚机具设计制造具有 优势。荷兰、比利时四大国际疏浚公司数字化、 信息化技术普遍应用,长期占领国际高端市场的 主要份额。我国疏浚行业在经历了近 20 年的黄金增长期后,面临着市场需求应变滞后、环保标准 亟待提高、质量效率不很稳定、产业基础尚存短 板、国际化能力需要补强等方面的发展瓶颈,要 适应海内外高端市场业务需求,必将面对挑战与 转型,通过新科技革命突破关键技术。 


    2.2 智能科技将成为世界新技术革命的新引擎 


    近年来,机器学习技术的进步带来人工智能 领域的革命,深度学习技术是人工智能领域颠覆 性创新,大数据成为人工智能持续快速发展的基 石,基于网络的群体智能技术和自主智能系统成 为新兴发展方向,人机协同正在催生新型混合智 能形态。 新一代人工智能已被美国、英国、德国、日 本等多国政府提升至“新一轮科技革命的核心技 术”。我国国务院 2017 年 7 月发布了《 新一代人 工智能发展规划》。“大智号智能示范船”列入 2017 中国智能制造十大科技进展。新技术、新产 业、新业态、新模式层出不穷,低碳化、信息化、 智能化已成为未来发展的重要方向,体现为广泛 性、体系性和深刻性。新一代智能制造进一步彰 显数字化、网络化、智能化制造等特征。抓住人 工智能,就是抓住新一轮信息技术革命的重心, 就能助力经济发展新超越。 2.3 人工智能技术为疏浚突破高质量发展提供了 “良方” 人工智能技术是新一轮疏浚技术实现高质量 发展的方向,它利用传感器、通信、物联网、互 联网、计算机、自动控制和大数据处理分析等技 术实现疏浚工程智能化、疏浚能耗智能化、疏浚 控制智能化、疏浚设备智能化[7]。主要表现为:


    1) 智能船体。对船体相关数据进行自动采集 与监测,提供船舶操纵辅助决策[8]。


    2) 智能航行。通过大数据分析对作业航路和 航速进行设计和优化。 


    3) 智能机舱。可对主机、辅机、推进系统等 设备的运行状态和健康状况进行分析和评估,制 定相应的维护策略。


    4) 智能能效。对船舶航行及作业状态、耗能 状况等进行在线监测,通过大数据分析进行船舶 能效的评估及优化。


    5) 智能作业。通过疏浚土质智能感知,建立 疏浚区域土质模型,寻求疏浚最佳作业参数的自 适应,实现疏浚过程的自主分析与决策[9]。


    6) 智能平台。它是数据的统一集成平台,能 支持智能航行、智能机舱、智能能效管理等智能 系统数据的需求,具备开放性和船岸实时数据交 互,以实现对船舶的监控与智能化管理。 疏浚行业的创新发展就是要解决绿色智能挖 泥船的系列关键技术,可概括为绿色智能疏浚船 舶总体设计技术、基于云技术的疏浚智能信息平 台技术、智能感知技术、浚/驾一体化自动驾驶技 术、智能疏浚作业技术、设备运维与生命周期综 合保障智能技术、绿色智能疏浚船舶仿真验证评 估技术、绿色智能大型挖泥船示范应用技术等方 面。人工智能技术必将催生绿色智能挖泥船的软 硬件策略。“硬件”策略的关键是智能疏浚船舶、 智能机具、智能系统、智能疏浚共性技术平台、 数据体与数据链、模块等。“软件”策略的关键 是推动和保障疏浚行业向服务复杂工况工程、深 水深海工程、水环境生态修复工程进军。 


    3 中国疏浚新一代核心技术的基本方位 


    3.1 培育和发展新一代绿色智能疏浚技术体系 


    培育和发展绿色智能疏浚技术体系是支撑中 国疏浚可持续发展的技术基础,它的主要任务: 一是引领、推进中国疏浚向绿色、中高端产业转 型升级,加速构建我国新型疏浚以及海工装备研 发制造产业链,推动中国制造创新发展;二是把 握新技术革命战略机遇,加快提升中国疏浚创新 能力和核心竞争力;三是主动适应“一带一路” 及国际化战略要求,支持全行业全球化经营,满 足国际高端市场需求;四是带动行业协同能力建 设,支撑疏浚行业为我国水环境生态及更大范围 的环境修复与保护发挥基础性作用;五是构建绿 色、开放、共享、协作的智能疏浚产业生态。 智能化是提升中国疏浚创新能力和核心竞争 力的关键。它的基本标志是超常生产能力、超自 适应能力、超机动性能、超级智能化和超级环保 标准。基本能力是感知与认知能力、深度学习能 力、思考与判断能力、自主决策能力、记忆与自 我完善能力、系统协同能力。因此,其主要技术 方案可概括为智能船舶共性技术、智能化设备与 智能疏浚工程勘测监测技术、智能疏浚装备专项 技术、智能疏浚作业平台技术和智能疏浚标准及 技术体系指南研究与制定。 


    3.2 推动新一代疏浚技术及装备研制与应用 


    2018 年,对智能疏浚立项研究,总体目标是:研究并确定新一代环保智 能疏浚、海洋工程装备基础平台的定义、主要特 征、基本指标体系与关键技术,形成研发总体方 案控制性计划;研究以环保、高效为主线,以智 能疏浚技术为主体的相关关键技术,掌握新一代 疏浚及海洋工程的核心技术,构建绿色疏浚和智 能疏浚技术体系基础。主要研究内容如图 1 所示。



    研发设计多种船型(如耙吸、绞吸、抓斗)适 应全球新市场需求,以绿色化与智能化为核心技 术支撑及基本特征,国际领先的疏浚工程装备; 研究并制定新一代疏浚装备的技术标准体系框架; 带动或促进新材料、智能挖泥机具及配套设施的 技术进步;培育支撑行业可持续发展的智能疏浚 技术研发创新团队和产业联盟,积极建设覆盖行 业、服务多方、开放合作、自主创新的技术平台。


    4 结语


    绿色智能挖泥船和 疏浚装备是未来发展趋势,将成为国内外交通基 础设施领域新的研究热点,多学科新技术的交叉 集成应用发展迅速,人工智能将有力推进疏浚行 业进入新时代。组织有效的集成创新体系和产业链深度合作将是智能疏浚技术发展的要因。生态 智能疏浚装备及关联系统技术体系复杂,为了对 生态智能疏浚装备的技术内涵、技术发展和产业 化途径有科学的掌握和规划,有必要先开展系统 预研和试点应用,为疏浚装备的技术提升提供重 要支撑。 

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  • 焦化行业面临的大气污染问题及其减排途径

    随着我国多地遭遇持续的雾霾天气,大气污染防治形势变得异常严峻。国家层面已经明确要加快生态文明体制改革,着力解决突出的环境问题。特别是“...快速预览

    焦化行业面临的大气污染问题及其减排途径

    超低排放大气污染防治蓝天保卫战

    《燃料与化工》 | 16天前

    摘要:从国家地方环境政策及焦化行业的大气污染现状2个方面总结分析了焦化行业大气污染目前所面临的问题,提出了超低排放的技术路线,重点分析了大气污染减排的途径,为生态环境主管部门和焦化企业提供技术支持。


    随着我国多地遭遇持续的雾霾天气,大气污染防治形势变得异常严峻。国家层面已经明确要加快生态文明体制改革,着力解决突出的环境问题。特别是“气十条”实施以来,焦化行业的大气污染治理“攻坚战”虽然取得了阶段性胜利,但与人们对美好生活环境的向往还有一定差距。


    面对焦化行业日益突出的大气污染问题,国家及地方已经逐步实行焦化行业特别排放限值和秋冬季错峰生产,《钢铁企业超低排放改造工作方案》已经完成征求意见。河北省已经发布了《炼焦化学工业大气污染物超低排放标准》(DB 13/2863—2018,2019年1月1日执行),部分省市已经开始实施超低排放改造。焦化行业目前面临的环境形势十分严峻,只有通过多措施并举才能尽快改变现实局面,实现焦化行业的可持续发展。


    1 焦化行业面临的环保压力


    国家和地方对焦化行业提出了严格的大气污染控制要求,焦化行业面临的大气减排形势十分严峻,技术装备和环保升级改造迫在眉睫。


    1.1 蓝天保卫战三年行动计划


    重点区域加大独立焦化企业淘汰力度,京津冀及周边地区实施“以钢定焦”(钢焦比0.4左右)。重点区域焦化全面执行大气污染物特别排放限值。重点区域城市建成区内焦炉实施炉体加罩封闭,并对废气进行收集处理。


    1.2 2018—2019年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案


    1.2.1京津冀及周边地区


    河北、山西省全面启动炭化室高度4.3m及以下、运行寿命超过10年的焦炉淘汰工作。河北、山东、河南省要按照2020年底前钢焦比不高于0.4的目标,加大独立焦化企业淘汰力度。深化焦化行业污染治理,强化无组织排放管理,厂内所有散状物料储存、输送及主要生产车间应密闭。鼓励城市建成区内焦炉实施炉体加罩封闭,并对废气进行收集处理。


    各地重点对焦化等高排放行业实施采暖期错峰生产。对行业污染排放绩效水平明显好于同行业其他企业的环保标杆企业,可不予限产,包括焦炉炉体加罩封闭、配备焦炉烟囱废气脱硫脱硝装置,且达到特别排放限值的企业。


    1.2.2汾渭平原


    加大现有焦化企业整合力度,提升产业装备水平,大幅减少企业数量。全面启动炭化室高度4.3m及以下、运行寿命超过10年的焦炉淘汰工作。


    实施焦化行业深度治理。实施精煤、焦炭等散状物料储存和输送密闭改造;焦炉炉体安装高清红外视频监控装置;焦炉烟囱、装煤地面站、推焦地面站、干法熄焦地面站等主要排放口安装自动监控设施;加强化产区域挥发性有机物(VOCs)的控制和治理,将煤气净化系统冷鼓各类贮槽(罐)及其他区域焦油、苯等贮槽(罐)的有机废气接入压力平衡系统或收集净化处理;酚氰废水处理设施加盖并配备废气收集处理设施;开展设备和管线泄漏检测与修复工作;加快推进焦炉机侧除尘系统建设;鼓励城市建成区及周边区域焦炉实施炉体加罩封闭工作。


    1.3地方要求


    1.3.1山西省打好污染防治攻坚战推动转型升级实施方案


    合理平衡淘汰焦炭产能与新建焦炭产能,确保焦炭产能总体稳中有降,先进焦炉占比快速提升,污染排放总量大幅度降低。2019年10月1日起,全省焦化企业全部达到环保特别排放限值标准。到2020年,炭化室高度5.5m以上焦炉产能占比达到50%以上,焦化装备水平明显提升。


    加强对焦炉装煤推焦、物料封闭储存、除尘等关键环节中的无组织排放进行排查和深度治理,加强对无组织排放的监督管理。焦化企业要采用先进技术,加快对传统湿法熄焦工艺实施改造。


    1.3.2山东省打赢蓝天保卫战作战方案


    加大落后产能淘汰和过剩产能压减力度,严格执行质量、环保、能耗、安全等法规标准,推动焦化行业转型升级。加大7个传输通道城市独立焦化企业淘汰力度,全省实施“以钢定焦”。


    1.3.3河北省打赢蓝天保卫战三年行动方案及深度减排方案


    (1) 三年行动方案。唐山市要把大幅压减产能、优化产业布局作为主攻方向,强力推进焦化行业退城搬迁和超低排放升级改造。严禁新增焦炭产能,焦炭产能控制在8 000万t左右。全省焦化企业料堆场按照《煤场、料场、渣场扬尘污染控制技术规范》(DB 13/0352—2016)存储要求,实现规范管理。按照“典型示范、对标先进、分步实施”的原则,全面实施超低排放改造。对城市建成区内焦炉实施加罩封闭,并对废气进行收集处理。到2020年10月,全省焦化行业全部完成深度治理,达到超低排放标准。2020年,符合条件的焦化企业完成有色烟羽治理。对传输通道城市的焦化企业实行错峰生产。


    (2) 深度减排方案。焦炉烟囱烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10mg/m3、15mg/m3、100mg/m3,焦炉装煤工序颗粒物、二氧化硫排放浓度分别不高于10mg/m3、50mg/m3,推焦工序颗粒物排放浓度不高于10 mg/m3;焦化行业料场、运输通廊封闭;焦炉炉体烟尘强化无组织逸散控制;化产回收工序和各类贮罐强化污染物回收处理;管道、阀门、泵站、污水处理等强化精细管控,建立泄漏与检测修复制度;加强开停车、检(维)修、生产异常等非正常工况污染控制,减少颗粒物、VOCs等无组织排放。


    2焦化行业大气污染防治存在的问题


    (1) 焦化行业污染物的排放未全部达标,如装煤废气中的SO2和Bap有超标现象,煤气净化区VOCs的治理措施比较薄弱等。

    (2) 焦炉的无组织排放管控相对较差。

    (3) 大气环境防护距离或卫生防护距离难以满足要求。

    (4) 产能过剩,市场空间有限。

    (5) 污染治理技术之间差异较大,部分技术不能长期稳定达标。

    (6) 资源配置及产业布局不合理,独立焦化企业的占比较大,集中度不高,不利于焦化企业余热、余能的回收利用(干熄焦),不利于焦炉烟囱废气氮氧化物的控制,不利于资源的综合利用及化产品的深加。

    (7)湿法熄焦过程中产生的污染物种类及其排放量有待进一步研究。


    3超低排放限值与特别排放限值的对比


    《钢铁企业超低排放改造工作方案(征求意见稿)》(环办大气函[2018]242号)中焦化的排放限值总体上严于《炼焦化学工业污染排放标准》(GB 16171—2012)中的特别排放限值,详细对比情况见表1。


    1.jpg


    4焦化行业超低排放的技术路线


    焦化行业大气污染的控制可以通过3类方法来实施:一是源头减量;二是过程控制;三是末端治理。源头减量相对于末端治理,通常成本更低、更有效、更可控。企业通过采取以下技术路线并加强管理,可以达到超低排放水平。


    4.1焦炉烟囱废气


    (1) 源头减量。加热煤气采用低硫、低氮燃气,加热采用废气循环与多段加热相结合的低氮燃烧技术。多段加热是向立火道分段供入空气,形成多点燃烧,在实现焦炉均匀加热的同时,降低燃烧强度,减少NOx产生量;废气循环技术是将焦炉燃烧废气掺入至立火道燃烧系统,降低氧含量,加快气流速度,拉长火焰,降低火道温度,减少NOx产生量,分为炉内废气循环和外部烟气回配2种工艺,其中外部烟气回配对于使用焦炉煤气加热的焦炉更适用。


    (2) 过程控制。加强焦炉生产操作管理,降低空气过剩系数,加强炉温管理,避免系统性温度偏高或高温火道存在。


    (3) 末端治理。焦炉烟气脱硫脱硝常见的方法有(半)干法脱硫+除尘+SCR脱硝、新型催化法脱硫+SCR脱硝、SCR脱硝+ (半)干法脱硫湿法脱硫+除尘、活性炭活性焦法脱硫脱硝等主流工艺技术。除尘可优先选用高效布袋除尘方式并控制过滤风速。(半)干法脱硫的脱硫剂可采用钙基或钠基脱硫剂。


    4.2装煤废气(含炉头烟)


    4.2.1顶装焦炉


    可采用集气管负压+高压氨水喷射+单孔炭化室压力调节或集气管负压+单孔炭化室压力调节这2种技术路线配合密闭装煤车实现无烟装煤。密闭装煤车设置双层导套,内外套之间、外套与装煤孔座之间采用特殊密封结构,减少装煤烟气无组织排放。单孔炭化室压力调节技术是在上升管和集气管之间的桥管处设有煤气流量自动调节装置,在装煤和结焦过程中通过调节单个炭化室内荒煤气进入集气管的流通断面,稳定炭化室压力,减少炉门、装煤孔等处废气无组织排放。该技术可单独使用,也可与高压氨水喷射技术联合使用。


    可采用集气管正压+高压氨水喷射+除尘装煤车+地面除尘站+脱硫的技术路线,将炉顶装煤逸散的烟气进行除尘、脱硫。除尘采用干式地面除尘站,选用覆膜滤料或其他优质滤料。烟气脱硫可采用活性焦/炭法或干法脱硫。


    4.2.2捣固焦炉


    可采用集气管正压+高压氨水喷射+双u形管烟气转换技术。烟气转换技术是将正在进行装煤操作的炭化室烟气导入相邻炭化室内,减少装煤烟气无组织排放。也可采用集气管负压+高压氨水喷射+单孔炭化室压力调节+双U形管烟气转换技术。


    捣固焦炉和顶装焦炉的机侧炉头烟治理均采用干式地面除尘站,选用覆膜滤料或其他优质滤料。


    4.3推焦废气


    推焦过程焦侧产生的废气直接送干式地面除尘站,选用覆膜滤料或其他优质滤料。


    4.4干熄焦废气


    干熄焦废气中SO2浓度占比最大的烟气来自于干熄焦装置循环风机后放散气和排焦溜槽废气,这部分烟气量约为除尘风量的10%左右,温度为100-130°C。针对干熄焦废气特点,可采取以下技术路线。


    (1) 对传统地面除尘站的除尘系统进行改造升级,优选覆膜滤袋并控制合理的过滤风速。


    (2) 用管道单独收集含SO2浓度高的循环风机后放散气体和排焦溜槽废气,优先采用除尘+干法脱硫(SDS、活性焦等)+除尘的工艺路线进行处理后,排至环境地面除尘站烟囱。建有焦炉烟道气脱硫脱硝装置的企业,可优先采用将这部分气体经过除尘后送至焦炉烟道气脱硫脱硝系统统一处理的技术路线。


    4.5物料及产品的破碎、筛分


    煤粉碎:机械除尘,煤粉经加湿后回到工艺系统。

    煤转运站:干雾抑尘或袋式除尘。

    筛焦:设干式地面除尘站。

    焦转运站:设袋式除尘。

    焦粉:贮存后用吸排罐车或气力输送外运。


    4.6焦炉的无组织排放


    4.6.1炉门


    炉门及小炉门的密封依靠刀边结构,通过施加弹性力,将炉门刀边顶压在炉门框上,形成密封。炉门及小炉门刀边采用弹性刀边,刀边密封采用弹簧顶压。炉门刀边、炉门框密封面等需要及时清理。


    4.6.2炉顶


    常规焦炉炉顶无组织污染物逸散口包括装煤孔(顶装焦炉)或导烟孔(捣固焦炉)、上升管盖、桥管与阀体的连接处、上升管底座。


    对于顶装焦炉,装煤孔座与盖应及时清扫,装煤后采用泥浆密封,保证其密封性能。对于捣固焦炉,采用水封式导烟孔,可杜绝该部位污染物泄漏。上升管盖、桥管与阀体承插均采用水封结构,可杜绝该部位污染物泄漏。上升管底座与炉体之间采用陶瓷纤维绳及耐火泥密封,减少泄漏。


    采用单孔炭化室压力调节技术,在装煤和结焦过程中通过调节单个炭化室内荒煤气进入集气管的流通断面,稳定炭化室压力,减少炉门、装煤孔等处废气无组织排放。


    4.6.3焦炉加罩


    传统焦炉设备和机械均露天布置、操作和生产,焦炉设置了除尘系统,对生产过程产生的大量烟尘进行了有效除尘,但除尘系统工作的前期、末期,其捕集率达不到100% ,仍有少量烟尘逸散到大气中。


    另外,在焦炉其他部位(如炉头、小炉门、装煤孔等处)仍可能有连续或非连续的少量烟尘外逸,由于外逸点多,无法将其统一有效收集。焦炉加罩的实施可使焦炉生产过程中存在的大气污染物无组织排放变为有组织排放,进一步降低焦炉生产对大气环境的影响,控制效果更好。


    尽管部分省市鼓励有条件的焦化企业实施焦炉加罩密闭,但是还存在一定的风险因素,如加罩对焦炉炉体负荷的影响甚至可能导致焦炉结构的重新设计,对焦炉区域防火防爆设计、设备的选型、煤气放散方式和焦炉区域的操作环境等均有影响。另外在沿海地区台风也会对焦炉大罩的结构甚至炉体本身造成巨大破坏,这一自然风险也必须考虑在内。只有将这些问题进行详细论证后方可实施焦炉加罩方案。


    4.7煤气净化装置废气


    4.7.1煤气净化装置无组织排放有机废气


    对于煤气净化装置无组织排放的有机废气,其技术路线如下。


    (1) 设置压力平衡系统送至负压煤气管道,实现废气的零排放。压力平衡技术是利用管道将煤气净化单元各贮槽及相关设备的放散口与煤气管道连接在一起,通过充入氮气的方式调节系统压力,保证整个系统处于与环境压差-150~-50 Pa的压力范围,各放散口放散气引入煤气鼓风机前的负压煤气管道内,避免放散气外排。


    (2) 将各贮槽产生的废气集中收集送排气洗净塔进行洗涤净化,排气洗净塔通常采用酸洗、碱洗、洗油洗涤、水洗等措施,洗涤后送至焦炉或其他燃用煤气的设施焚烧,实现废气零排放。


    其中,压力平衡系统进行有机废气的治理是一种发展趋势。煤气净化装置区应尽快开展设备和管线泄漏检测与修复工作。


    4.7.2脱硫再生尾气


    脱硫再生尾气设有三级洗涤:先经碱洗,除去尾气中的酸性物质;再经酸洗,除去尾气中的碱性物质;最后经水洗,以进一步除去尾气中夹带的残留物质。经过三级洗涤净化后的再生尾气送至焦炉处理系统。


    4.7.3粗苯管式炉


    设粗苯管式炉时,可采用净化后焦炉煤气或混合煤气燃烧加热富油,并将管式炉产生的燃烧废气送至焦炉烟气的脱硫脱硝装置;未设粗苯管式炉时,可采用中压蒸汽加热富油。取消粗苯管式炉或许会是一种趋势,有的企业已经或准备实施。


    5焦化行业的环保发展趋势


    焦化行业面对国家及地方产业政策的调整、环保政策的日趋严格等前所未有的压力与挑战,只有采用合理的措施严格控制焦化行业的大气污染物排放总量,才能推进焦化行业的可持续性发展。


    (1) 严格控制焦炭产能,严守生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线,科学规划焦化产业布局。


    (2) 提高行业准入门槛,大力发展循环经济,制定严格的准入条件及污染物控制标准。


    (3) 调整产业结构,优化行业布局,推动企业兼并重组并延长产业链,实现钢焦联合也是焦化行业的一种发展方向,但禁止“全国一刀切”,要根据地区间的差异区别对待。鼓励钢铁企业并购重组独立焦化企业,国有企业应起示范作用。


    (4) 将化解过剩产能和淘汰落后产能相结合,逐步淘汰炉龄较长、环保措施不完善的4.3m及以下焦炉,合理平衡淘汰焦炉和新建焦炉产能,实现钢铁行业的可持续性发展,使大气污染物排放量大幅降低。


    (5) 构建专业焦化园区,提高集中度,在产业园区内布设的焦化生产总体规模不应低于500万t/a。


    (6) 不断提高设备的装备技术和污染防治技术水平,有效减少污染物排放,推动焦化产业的绿色发展和转型升级,实现超低排放。焦炉炉体大型化也是一种趋势,目前已经有部分省市明确焦炉炭化室的高度。大型焦炉有利于采用各种节能措施,降低炼焦工序的能耗,环保措施更加完善,可大大减少出炉次数,减少装煤和推焦阵发性污染物的排放。


    ① 推广高效清洁智能化的大容积焦炉(顶装焦炉6.98 m及以上,捣固焦炉6m及以上),延长焦化产业链条。焦化企业可围绕焦炉煤气综合利用、化产品深加工等方向拓展产业链,大力发展循环经济,实施源头有效减排+过程控制+末端高效治理等全过程治理措施。焦化行业是节能减排的重点行业,应抓住国家鼓励政策的支持和市场机遇,进一步提高焦化清洁利用的相关技术、相关产品的开发与应用水平,推进焦化产业结构优化。


    ② 逐步推进焦化行业的超低排放,重点区域超低排放要严于特别排放限值要求。


    ③ 制定焦化行业污染防治技术指南并实时更新,及时推广先进炼焦技术和污染防治技术。


    ④ 为有效降低粉尘的无组织排放,煤场、焦场等将逐步实现全封闭/半封闭;煤、焦的场内输送将全部采用封闭通廊,场外运输将逐步实现由汽运为主转为火车(或水上)运输为主的局面。为有效降低挥发性有机物的排放,压力平衡系统将逐步取代排气洗净技术。对泵、压缩机、阀门、法兰等易发生泄漏的设备与管线组件,制定泄漏检测与修复计划,定期检测,及时修复,减少跑、冒、滴、漏现象。


    ⑤ 炉头烟、煤气净化VOCs以及酚氰废水处理站异味等的治理是一种趋势,压力平衡系统将逐步取代排气洗净技术。


    (7)建立焦化行业科学发展评价体系,实施“一企一策”的策略方案。加强对焦化企业的科学监管,制定科学的监管制度和秋冬季/重污染天气的停限产方案,加大日常环境监管和执法力度。焦化行业的环境监察和执法力度将会逐步加强,焦化企业不仅要求安装在线监测装置,同时也要与环保部门联网,实现焦化行业污染物排放动态实时监控。对超标和超总量排污的企业实行限期整改,经整改仍然达不到环保标准的企业,要坚决予以关闭。


    6结语


    焦化行业的发展将统筹污染防治与经济发展,焦化的环保要求日趋严格,环境准入门槛将有所提高,焦化行业的环保监管更加严格。只有将焦化行业大气污染减排等措施落到实处,才能促进焦化行业走向绿色健康的发展之路,推进焦化企业科学化、规范化、标准化和清洁化发展。

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  • 环渤海地区土壤污染现状分析

    近年来,随着《土壤污染防治行动计划》的出台,土壤污染问题越来越受到重视。本文从土壤盐碱化、重金属、多环芳烃(PAHs)、 持久性有机物...快速预览

    环渤海地区土壤污染现状分析

    氮磷污染土壤盐渍化渤海地区环保

    《 现代农业科技》 | 21天前

    摘要:近年来,随着《土壤污染防治行动计划》的出台,土壤污染问题越来越受到重视。本文从土壤盐碱化、重金属、多环芳烃(PAHs)、 持久性有机物(POPs)污染等角度,分析了环渤海地区土壤污染现状,并对引起环渤海地区土壤污染的主要因素进行了探究,以期为未来环 渤海地区土壤污染治理提供科学依据和指导。 


    关键词:土壤污染;现状;建议;环渤海地区


    随着习近平总书记关于生态文明建设中着力推进重金 属污染和土壤污染综合治理的提出,以及《土壤污染防治行 动计划》的出台,土壤污染治理越来越受到重视。环渤海是 我国北部沿海地区重要的经济带,在对外开放沿海发展战略 中,占有极为重要的地位,是中国唯一的半封闭性内海,海 域面积约为 77 000 km2。渤海北临河北省秦皇岛、辽宁省葫 芦岛,南接山东省烟台、威海,西与天津接壤,南汇入黄海。 


    渤海沿岸有大量内陆河流的入海口,著名的有黄河、辽 河、滦河和海河等[1]。这些河流流经不同的地区,溶解了沿河 土壤中的大量有机质,给渤海沿岸带去大量且复杂的有机 物,使得渤海沿岸成为了贝类、鱼类等水产养殖业的“天然 渔场”[2]。这意味着,渤海海水成分的变化与陆地土壤息息相 关,海水成分的变化也会反作用于环渤海地区的土壤中。因 此,研究环渤海地区土壤污染现状对了解与改善海水污染问 题有着重要的意义。 


    根据土壤污染的来源,将环渤海地区土壤典型污染分为 两大类。一是海水对土壤侵蚀造成的污染,其中最典型的是 土壤盐渍化问题。二是由于人为活动对土壤造成的污染,例 如重金属污染、多环芳烃(PAHs)污染、氮磷污染、持久性有 机污染物(POPs)污染等。为全面了解环渤海土壤污染情况, 本文通过收集近 30 a 大量相关文献资料,对环渤海地区土 壤污染的现状、成因及未来的发展趋势加以分析研究。 


    1 土壤盐碱化污染分析 


    根据周在明等[3]对不同深度共计 996 个取样点的数据 统计可以看出,2010 年环渤海低平原地区的土壤含盐量随 着土层深度增加普遍下降,当达到某一深度时,含盐量少量 上升。对同一地区不同深度的土壤含盐量进行对比,发现表层 5 cm 的土壤含盐量明显高于其他土层深度,当深度达到 40 cm 时,土壤含盐量有少量的回升,这意味着土壤盐渍化 污染主要出现在环渤海表层土壤中。对环渤海不同地区各 层土壤含盐量进行横向对比可以发现,从内陆到沿海地区, 各层土壤含盐量均逐渐增加,越接近沿海地区,同层土壤的 含盐量越高,受土壤盐渍化危害比较严重的地区有唐山、天 津等滨海低平原区[4]。 


    随着我国 GIS 技术的发展,研究土壤盐渍化问题的方 法也逐渐丰富。田言亮等[5]在用 GIS 分析技术后提出,除去 部分较为特殊的地区外,环渤海地区土壤含盐量普遍小于 2 g/kg,属于轻度非盐化状态与轻度盐化状态。随着土壤深 度 的 增 加,变 异 程度 略 微 减 弱,说 明 下 层 土 壤 性 质 较 上 层 土壤平均。此外,还提出了影响土壤盐渍化的 3 个主成分因 素。第一主成分为氯化物与硫酸盐,是导致土壤盐渍化的首 要因素;第二主成分为 pH 与碱度;第三主成分为总溶解固 体。3 个主成分的共同作用导致了土壤盐渍化问题的加剧。 


    2 PAHs 污染分析


    PAHs 是广泛存在于环境中的污染物,其特点为微量、 有机物、有毒性。1976 年美国环境保护署将 16 种包括萘、苊 烯等的 PAHs 列入黑名单。焦文涛等[6]就环渤海北部土壤的 PAHs 进 行了 研 究,经 计 算 得 出 该 16 种典 型 PAHs 污 染 物 在当地土壤中的残余量平均值为 309.5 ng/g,处于中低等污 染水平,以 4~6 环的高环有机物为主要污染物。左 谦等[7]调 查发现,环渤海西部土壤 PAHs 残余量平均值为 546 ng/g, 处于中低等污染水平,具有较高浓度的样点多分布在京津 唐地区,以萘与 4~5 环芳烃为主要污染物。环渤海东部地区 选择辽宁地区进行研究,根据王震[8]的研究发现,辽宁地区 土壤中 PAHs 平均值为 1 000 ng/g,与世界其他城市相比,大 连土壤中 PAHs 处于中等污染水平,以 3~4 环芳烃为主要污 染物。 


    如表 1 所示,从整体上来看,PHE、PYR、CHR 的平均浓 度普遍偏高,而 ACE、ACY 的含量相对偏低。由主成分分析可知,研究区土壤中 PAHs 主要来源为不完全燃烧的燃料和 石油源。此外,在承德、张家口、山东西北部平原地带 PAHs 浓度普遍较低。


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    3  POPs 污染 


    环渤海地区是我国重要化工生产基地,在过去长达 30 a 的时间内,生产了大量六六六、DDT 等 POPs,大量 POPs 对 周边土壤、水环境造成严重污染,其中包括天津大沽化工厂 等主要化工厂。在现阶段,环渤海的持久性有机污染物以有 机氯为主,其来源以化工企业产品与废物排放为主[9-10]。 


    李成[11]对环渤海西部的唐山地区进行研究,分析研究数 据可以发现,唐山地区土壤中二噁英、多氯联苯和六氯苯的 毒性当量(WHO-TEQ)平均为 3.43 pg/g,与国内外一些工业 地区和城市中度污染水平相当;环渤海东部的辽宁地区总二 噁英的平均浓度为 29.7 pg/g、多氯联苯平均浓度为 66.2 pg/g, 二者毒性当量总和范围在 0.13~1.05 pg/g 之间,毒性当量平 均值为 0.41 pg/g,其中二噁英平均毒性当量为 0.34 pg/g,占 毒性当量 70%以上。 


    与其他地区相比,环渤海东部地区总体污染水平不高, 二噁英与多氯联苯处于较低的污染水平,对该地区生态风险 影响不大;环渤海西部地区污染稍偏高,但也尚未达到会产 生严重后果的程度。 


    4 重金属污染 


    由表 2 中数据可以看出,除了东部大连地区的镉元素 之外,其余环渤海地区土壤重金属均满足《土壤环境质量标 准》(GB 15618—2008)中规定的土壤无机污染物 环 境 质 量 二级标准[12-15]。这表明环渤海地区土壤质量良好,暂未出现 且短期内也不会出现大规模的重金属污染。 


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    辽宁沈抚、海城、盘锦植烟区土壤重金属 Cr、Ni、Cu、As 含量均达到土壤环境质量一级标准;在盘锦评价区内 Cd、 As、Zn 元素呈现出累积的趋势,而在海城区内,Pb、Cu、Hg、 Cd 在同深度土层中含量有明显增高;在沈抚区内 Cu和 Zn 造成的污染范围最大,Cd 造成污染最为严重,Pb 污染相对 较轻[16-19]。郭海全等[20]研究表明,渤海西部的河北平原上,环 境质量等级处于三级与超三级的土壤面积占比按不同重 金属分为:Cd 0.52%、Hg 0.04%、As 0.03%、Cu 0.15%、Pb 0、Cr 0.09%、Zn 0.1%、Ni 0.605%。从以上数据可以看出,几乎所有 土壤均未受到很严重的重金属污染。土壤重金属污染是一 个长期而不断累积的过程,重金属在土壤中可以经过一系列 物理化学的过程,形成不同的化学形态,影响土壤理化性质。 根据蔡 奎等[21]记录的数据,土壤 pH 值与 Cd、Cr、Pb、Hg 等 重金属的不同结合态呈负相关,说明随着 pH 值的降低,可 能会加速重金属在土壤中的形态转化,从而导致土壤重金属 含量增高。根据崔元俊等[22]的调查,土壤酸化可增加 Ni、Zn、 Cd、Hg 离子交换态与水溶态的含量,从而导致生态风险。 


    5 土壤氮、磷元素的污染 


    氮、磷都是土壤重要的组成部分。氮是构成蛋白质的主 要成分,对植物茎叶生长有重要的作用,与产量密切相关, 磷能有效促进幼苗根系的生长,改善果实品质,二者均不会 对土壤造成污染。但是环渤海地区地理条件特殊,土壤中的 氮、磷很容易转移至渤海的近海域中,引发赤潮等问题。根 据刘 成等[23]的水质监测报告可以看出,天津近 10 个河口入 海口的水质对于 TN、TP 都属于超 V 类水质。由宋南奇等[24] 的记录发现,过 去 10 a 中,渤 海 一共 出 现 过 5 次 面 积 大 于 1 000 km2 的赤潮现象,其中 1 次出现在渤海东部的大连附 近渤海湾海域,4 次出现在西部的秦皇岛近岸海域。面积最大 的一次出现在 2009 年 5 月 31 日的渤海湾附近,赤潮面积达 4 460 km2;持续时间最长的一次出现在 2013 年 5 月 25 日, 一直持续至 2013 年 8 月 31 日,持续时间达 99 d。由此可见, 内陆河流入海导致水体富营养化的问题十分严峻。 


    6 结语 


    6.1 减少陆源氮磷有机物入海 


    当前环渤海地区土壤污染问题是复杂多样的。由 于 内 河入海势必冲刷沿河土壤,所以土壤中的污染物会被河流 带入海洋中富集。目前,形势最严峻的是土壤中的氮、磷元 素 进 入海 洋,导致海洋水体的富营养化,从而造成大规模 的赤潮等灾害的发生。从当前情况来看,为了避免氮、磷元 素入海对海水环境造成更大的压力,应当针对含有氮、磷元 素的有机污染物进行研究,以期减少陆源氮磷有机物进入 海洋。 


    6.2 建设排水系统防止土壤盐渍化 


    为了防止海洋对大陆土壤造成破坏,应警惕盐渍化现 象的发生。土壤盐渍化表现在有机质降低、营养条件变差、 储水性能差等方面,能直接毒害作物细胞,导致作物生长不 良。因此,建议在环渤海地区推行建设现代化排水系统,不 仅可以降低地下水位,还能达到减少土壤盐分、加速水盐 换循环的效果。 


    6.3 环渤海东、西、北部土壤污染水平不等 


    环渤海东、西、北部土壤中 PAHs 平均含量分别为 1 000.0、 546.0、309.5 ng/g,其中东部地区土壤 PAHs 含量中等偏高、 西部中等偏低、北部处于低等污染水平,其组分特征分别为 3~4 环、4~5 环、4~6 环的高环 组分。PAHs 的主要来源为燃 料不完全燃烧、石油源的污染。 


    6.4 加快对持久性有机污染物的降解研究 


    环渤海地 区 POPs 污 染 平 均 毒 性 当 量(WHO-TEQ)为 0.41 pg/g,主要成分为二噁英,处于中低等污染水平,暂时不 会对环境及生物造成恶劣影响,但需尽快开展对持久性有 机污染物的降解研究,降低其富集性对环境的潜在风险。


    6.5 种植植物转移土壤中的重金属成分 


    环渤海地区重金属污染较轻,尚未对土壤及生命体造成 严重影响。因此,可采用植物的原位修复方法,将土壤中的 重金属成分吸附转移至植物的地上部分,再进行后续处理。


    (本文作者:朱一滔)

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