化工原理流体流动过程的计算机辅助计算

沙塔尔·吐尔地

摘 要：化工原理课程中的一个最基础部分就是流体的输送，此过程计算繁琐、流程图繁多。传统的讲解方式很难让学生理解清楚。MATLEB语言具有强大的绘图能力和数值计算功能，对于流体流动的模拟有着不可比拟的优势。本文借助典型例题，提出使用计算机辅助计算流体流动过程的计算方法和数值处理思路。另外，也浅要探讨了计算机进行实验数值处理的具体操作方式。这些内容能够将抽象的流体流动过程单元转化成学生易于理解的计算机计算流程，从而大大增强了教学的可视性。

关键词：化工原理；流体流动 ；计算机辅助

一、绪论

诸如化工、轻化工程等课程都属于过程工程类专业，化工原理课程在这些课程中起到了连接基础理论课和专业技术课的重要作用。化工原理课程起到了桥梁的过程，是学生利用理论知识解决实际问题的初次探索。实际中，此课程包含了众多的公式、繁杂的概念，计算过程也相当繁琐，因此教师常常感到此课程难以教授。传统的多媒体课件方式很难让学生对实际过程有清晰的理解，所以必须要尝试新的授课手段来强化学生对化工原理课程的理解。同时，也必须考虑到学生使用复杂多变的理论知识或者经验公式解决实际问题的时候，仍然感觉计算过于繁琐，这个时候能够推荐给学生一种适合学生使用的数学公式，让学生在不必关心具体计算过程和细节的要求下轻易地完成工程计算。

在新提出的过程类专业改革过程中，明确将计算机辅助教学作为一项重点改革内容，提出要多使用计算机辅助进行工程计算。这确实能够解决当前的教学困扰，但是目前比较常用的辅助教学方式是C语言或者FORTRAN，用这两种语言编写的程序结构复杂，流程多变，学生需要很长的一段时间才能初步掌握。MATLAB作为一种数值计算常用的数学软件，在数学建模等方面有着独特的优点而且还具有开发效率高、界面友好等特点，因此使用MATLAB进行计算机辅助教学是一种不错的选择。本文以MATLAB工具作为计算机辅助平台，以化工原理中常见的基础单元操作—流体输送过程作为研究对象，并且对一些典型例题进行了分析，然后给出了具体的实现方法。最后使用MATLAB和EXCEL来对处理实验数据，最后的结果显示利用图形能够非常直观地表达出计算的结果。MATLAB是一种有效而高效的计算机辅助手段。

二、流体输送过程当中的计算机辅助计算

化工生产过程中的基础单元操作就是流体的输送，计算流体输送主要包括两个方面的内容，一个是计算管路，另一个是通过计算确定离心泵工作的地点。

1.管路计算

管路计算的主要内容其实就是综合运行伯努利方程、连续性方程式以及能量损失计算式，根据输入的已知量和未知量来确定不同的算法。管路可以分为简单管路和复杂管路，这是根据整个流线上是否存在多条管线来区分的。计算简单管路一般有两种方法，一种是操作型计算，另一种是设计型计算，这两种计算方法是根据输入数据不同恰当选择的。操作型的计算式在管路已经确定的基础上，为了核算某条件下管路的输送能力或者其他性能指标时使用；设计型计算则是在管路尚不存在时按照给定的输送任务进行管路设计，选择合理的路线保证设计的经济效益。这两个问题可以归结为流体流速或者管路路径未知，无法根据已知条件判断出流体的类型，也就无法获得流体的摩擦系数 ，也不能获得Re的值。在工程计算上常常是使用试差法来对这一问题进行处理。

2.计算中使用到的方程：

（1）使用伯努利方程来衡算流体流动中的机械能

（2）自由度分析

以上求解方程组共涉及到了5个方程，变量个数为11，因此自由度是6。在实际的计算过程中，都是可以测量获得的已知量，所以实际需要确定的变量只有一个，也就是说可以从中选择一个作为需要确定的变量。最终得到的方程组是可以使用方程组来求得的，同时也可以分析这些方程组的构成，需找合适的方法来加快解题速度。下图给出了求解此问题的MATLAB程序流程图。

三、流体·输送过程当中的实验数据计算机辅助处理

流体输送实验的主要目的就是测定管路的阻力，得到离心泵的特性曲线。为了使结果相对精确，就需要对大量的数据进行处理，这个过程中涉及到了极其繁琐的计算，非常容易出现错误。借助计算机软件Excel很够极大程度地减少繁琐的计算，获得较为精确的图表。同时Excel提供了大量的数学函数，拥有强大的数据处理能能力，使用它对大量数据进行整合不仅效率高，而且非常准确。借助上述思路，针对离心泵特性曲线测定实验，将实验获得数据分别填入到了Excel表格中，然后在公示栏中填入了相应的计算公式，最后时候Excel进行了自动计算，下图是当中一个有关功率同流量的关系图。

四、结论

化工原理流体输送过程中涉及到的数据量和运算方法非常多，计算迭代的次数也非常多，对于实验数据如何处理一直是一个令人头痛但不得不面对的问题。实际上，计算机软件拥有强大的数据处理能力，可以高效地完成这些任务，其中MATLAB和Excel是其中的代表，它们不仅能够高效地完成计算任务，还能够提高计算机的实际应用能力，提高工作效率都有着巨大的帮助。

参考文献：

[1]吴晓艺，王静文，司秀丽.计算机辅助计算在化工原理课程设计中的应用[J]. 计算机与应用化学. 2009（05）

[2]许文林，王雅琼，傅相林，张小兴，何玉芳. 化工过程计算和过程模拟中的MATLAB求解[J]. 扬州大学学报（自然科学版）. 2004（01）