单元模拟范文（精选9篇）
单元模拟 第1篇
一、什么是“单元模拟上课”
“模拟, 是对真实事物或者过程的虚拟。”关于上课, 百度百科提供了多种解释:一是教师讲授课;二是对人说教;三是学生听教师讲课;四是进行某项活动。在此, 上课指教学。“教学, 就是教师把知识和技能传授给学生的过程。”具体地讲, 教学是指在学校教育活动中, 以教师传授知识技能和学生获得知识、技能为基础, 教师的教和学生的学相互联系、相互作用的统一活动。
由此可见, 模拟上课就是模仿真实的课堂, 在没有学生直接参与的场景下完成的虚拟教学活动。单元模拟上课, 就是按照单元教学计划中的课时顺序, 逐一完成一个单元的模拟上课。
二、“单元模拟上课”的特点和意义
(一) 模拟上课与上课的区别
1. 模拟上课是没有学生直接参与的教学活
动, 整个模拟上课过程中缺少了真实学生的学练过程, 只有教师和虚拟学生的教与学的双向互动交流, 最大限度地强化了教的过程, 体现了模拟上课教师的个性化和主体性的特点。
2. 模拟上课不受时间、空间和人数的限
制, 因此, 模拟上课不需要特定的教学场景, 这就使得模拟上课具有可操作的特点。
3. 因为没有学生直接参与教学活动, 模拟
上课缺少了课堂生存性的教学情景, 更多地关注了教学预设方案的呈现, 关注了教师驾驭课堂的能力。整个过程中是教师在唱“独角戏”, 使得“模拟上课”具有一定的表演性。
(二) “模拟上课”与“说课”的区别
1. 说课不仅要说出“教什么”、“怎样
教”, 还要说清楚“为什么这样教”, 特别强调说“理”, 要让看课者不仅知其然, 还要知其所以然, 比较侧重于理性层面。模拟上课关注“教什么”、“怎样教”, 特别需要把核心环节的教学流程这一部分更加具体化, 把“教材的内容、地位、教学目标、教学重难点、教学方法、教学组织”等充分地表现出来, 更侧重于实践层面, 强调了它的实践性。
2. 说课的过程是单向信息传递的过程,
只要向看课者一方表述清楚。模拟上课, 是模仿真实的课堂教学, 虽没有学生的现场参与, 但需要考虑虚拟学生的学习活动, 因此, 模拟上课是双向的信息传递。
(三) “单元模拟上课”与“模拟上课”的区别
单元模拟上课是模拟上课的一种形式, 是以单元课例为载体的模拟上课。单元模拟上课需要把整个单元的教学呈现出来, 更加强调了把握单元教材的整体性, 强调了单元教学的完整性, 强调了单元课例的层次性, 强调了单元课时的递进性, 强调教学过程的连贯性。
因此, 单元模拟上课是提升体育教师的教育教学能力、解决技能教学有效性的一种十分有效的教研方式。它是一种将课前备课、教学研究与教学实践有机结合在一起的教研活动, 突出教学活动中的主要矛盾和本质特征, 同时又能摒弃次要的非本质因素, 使教学研究的对象从客观实体中直接抽象出来, 具有节俭、省时、高效的特点。
三、如何上好“单元模拟课”
中国教育科学研究院于素梅博士在主题报告中把模拟上课分成单元模拟上课、课时模拟上课、片段模拟上课三种类型。单元模拟上课又细分成单元完整课时、单元单个课时、单元完整片段、单元单个片段等多种形式。
当前在教师资格认定、职称评审、教师选聘考试、基本功比武等过程中各地纷纷采用了模拟上课这种形式, 同时模拟上课作为教研活动的一种新形式, 越来越受到大家的欢迎和认可, 迫切需要广大教师进行深入地研究和探讨。那么, 如何才能上好模拟课?笔者认为, 首先要明确“什么是模拟上课?”“模拟上课的特点是什么?”其次, 要理解教师资格认定、职称评审、教师选聘、基本功比武等各种考试的具体规则和教研活动的特定要求。在此基础之上, 再来确定模拟上课的方案。
一般来说, 教师资格认定、职称评审、教师选聘等各种考试都是现场抽教材、现场备课、模拟上课, 一方面准备时间要求很紧, 且要确保考试公平;另一方面, 又要客观公正地反映应试者的教材解读能力、教学设计能力、课堂教学实施能力, 所以, 这类考试主要以课时模拟上课、片段模拟上课为主。教学研究、校本研修等教研活动对准备时间的要求相对不紧, 主要以考查实践能力、提升专业素养为主, 又能节俭高效, 因此, 单元模拟上课是符合新形势下时代要求的教研活动方式。下面以小学三年级“体操:跪跳起”为例, 谈谈如何上好“单元课例模拟课”。
(一) 精心设计单元教学计划
要从一个单元的角度出发, 整体把握和处理好教材, 根据学生学情的基础和单元知识与技术的需要, 综合利用各种教学形式和教学策略, 通过几个课时的学习让学生完成一个相对完整的单元学习。要想单元教学扎实、模拟上课精彩, 在了解学情的基础上, 处理好教材是关键。在对教材进行解读、分析和处理时, 要明确单元教学目标, 分析技术教学环节, 梳理清楚教学的重难点, 合理分配至各个课时中, 重视各个课时之间的教学衔接, 在关注技能学习的同时重视学生综合能力的培养。“体操:跪跳起”这一教材对于三年级学生来说是有一定学习难度的技术动作, 因此, 在教学中不能把单元教学的课时目标进行简单地分解, 而应体现教材的整体处理和把握。在本次活动中, 笔者团队设计了四课时的课堂教学。笔者认为, 单元设计既要考虑到学生动作技能形成的阶段过渡问题, 同时不能忽视教学的趣味性、直观性;根据学生的特点, 既要做到循序渐进, 同时又要因材施教, 为部分素质好的学生提供发展空间。整个单元教学从大多数学生的基础出发, 有机地将动作分解, 通过快速摆臂、跪跳高、跪跳远、高处跪跳下等游戏辅助的教学方式, 让学生在“玩乐”中学会了技能, 提高了运动能力。
(二) 制订单元模拟上课方案
这次“疑难问题解决”专题研训确定的内容是“单元课例模拟上课”, 规定每位上课教师在20分钟的时间内完成。“单元模拟上课”的现场是虚拟的学生和看课教师。因此, “单元模拟上课”能否成功, 关键取决于单元的核心教学有没有充分展现出来, 取决于有没有得到看课教师的认可和诱发他们的教学思考。所以, 单元模拟上课, 第一要吸引教师愿意看;第二要让看课教师看进去、听清楚;第三要让看课教师看懂、看明白。
基于上述的思考, 笔者团队确定了“单元陈述课时展示归纳总结”的“体操:跪跳起”单元模拟上课方案, 具体如下:
首先, 对“体操:跪跳起”单元的教学设计进行简要地介绍和阐述, 让看课教师对这一单元教学有一个整体的了解。这一部分控制在2～3分钟的时间内。
其次, 逐一对单元教学中四个课时进行了核心环节的教学片段展示, 引导看课教师深入地了解。这部分需要15分钟左右的时间。
最后, 对整个单元教学进行了归纳总结, 提出自己的教学思考和建议, 让大家一起来研讨与思考。这部分要在2分钟内完成。
(三) 目标明确, 重点突出
跪跳起教材的核心技术是快速摆臂、提腰压腿、收腹制动。“摆、压、提”是这一单元的教学重点。技术动作的协调配合是教学难点。因此, 笔者团队确定了每一课时的教学关键点:
第1课时, 突出重点快速摆臂;
第2课时, 提膝收腹, 合作突破;
第3课时, 整体提高, 形成技能;
第4课时, 检验成果, 感受成功。
在“单元模拟上课”的过程中, 始终围绕上述核心环节展开教学, 做到主次分明、详略得当、重点突出、难点突破。在完成知识传授与技能培养的同时, 关注“三维目标”的落实, 注意培养学生良好的学习态度与习惯, 提升学生的综合能力。
(四) 讲演结合, 追求实效
模拟上课, 需要教师自己创设教学场景, 是有创意的课堂教学, 是一场自编、自导、自演的“戏”。眼前没有真实的学生, 只有虚拟的学生, 因此, 需要教师定位好角色。上课教师既是“教师”, 也是“学生”。课堂既是教师的“独角戏”, 又是与虚拟学生的“双簧戏”。没有真实的学生, 也要体现好教和学的过程, 让看课教师有直观的感受。
因此, 单元模拟上课应该是道道内容、说说过程、做做动作、讲讲思考, 让“讲、演、评”有机结合, 把单元教学充分呈现出来, 让看课教师有一种身临其境的感受。
(五) 举止大方, 语言得体
单元模拟上课时, 教师走上现场就要有充分的自信、饱满的精神。开始上课后, 声音要洪亮, 口令要规范, 讲解要精准, 示范要漂亮, 语言要抑扬顿挫、连贯紧凑, 过渡要顺畅自然。教师教学要充满激情, 用教学激情诱发学生高涨的学习热情, 用教学激情吸引看课教师的参与热情。
(六) 媒体辅助, 提升效果
利用现代教育技术是提升“单元模拟上课”效果的有效方法, 在教学中, 可精心制作PP T辅助“单元模拟上课”。PP T主要包含单元介绍、设计理念、教学重难点、课时片断教学流程、组织方法、学练过程等等, 甚至可以选择一些教学照片来丰富“单元模拟上课”, 让看课教师在聆听和看评的同时有一个更加直观的感受, 这样可以收到事半功倍的展示效果。
参考文献
[1]现代汉语词典第5版[M].北京:商务印书馆, 2005.
[2]于素梅.对模拟上课及相关问题的思考[R].杭州:浙江省教育厅教研室, 2012.
第五单元模拟测试题 第2篇
一、口算．
二、填空．
1．同分母分数相加减，（ ）不变，只把（ ）相加减．
2． ○
3． 与 的和，加上 ，等于（ ）．
4．从 里减去 与 的和，差是（ ）．
5．分数加减混合运算的运算顺序和（ ）加减混合运算的`运算顺序（ ）．
三、计算．
1．计算下面各题．
2．用简便方法计算下面各题．
3．解下列方程．
4．列式解答下面各题．
（1）从 与 的差里减去一个数，得 ．这个数是多少？
（2）有一个数，比 与 的差多 ，这个数是多少？
四、应用题．
1．修一条公路，第一天修 千米，第二天修 千米，还剩 千米．这条公路修完后长多少千米？
2．张某在一座荒山上造林，计划用总面积的 种果树， 种杨树，其余种松柏．种松柏的面积占总面积的几分之几？
参考答案
一、口算．
二、填空．
1．分母 分子
2．＝
3．
4．
5．整数 相同
三、计算．
1．计算下面各题．
2．用简便方法计算下面各题．
3．解下列方程．
或 或
4．列式解答下面各题．
（1）
（2）
四、应用题．
1． （千米）
答：这条公路修完后长 千米．
2．
单元模拟 第3篇
在一般的结构设计中需要进行地震反应计算分析时, 结构工程师通常采用刚性地基模型, 即假定地震时建筑结构的基础与临近的自由场运动一致。但是在地震作用下, 上部结构由于惯性力的存在, 往往会通过基础对地基产生作用, 在地基与基础接触的局部发生变形。如果地震波造成的地基整体变形并非远大于这种局部变形, 基础相对于地基发生的平移和转动会增大结构体系的振动周期和阻尼, 这就产生了土-结构动力相互作用。这种相互作用尤其在柔性地基中可能使结构体系的振动周期增大到接近于地面运动卓越周期, 从而增大上部结构的地震响应, 造成较严重的震害。因此, 在抗震设计中不能简单地采用刚性地基模型, 应该合理考虑土-结构动力相互作用[1,2,3,4,5]。
目前土-结构相互作用的研究方法主要有理论研究、数值分析和试验研究。相比较其他方法, 数值分析虽然在理论模型上做出一些假设和简化, 但是在对结构进行设计和优化时, 其效率和经济性均优于另外两种方法。因此, 数值模型广泛应用于研究土-结构相互作用[3]。
在利用数值分析研究土-结构相互作用时, 上部结构为板梁柱, 属于杆件结构。为了建模的方便和提高计算效率, 上部结构一般采用梁单元模拟, 下部土体结构则用实体单元模拟。然而在考虑土-结构相互作用的情况下分析结构在地震作用下的动力响应时, 模型中同时有梁单元和实体单元, 存在着单元自由度耦合的问题[6]。尽管针对单元自由度耦合, 谢元丕等[7]通过研究验证了MPC法能正确地实现壳单元和体单元连接的结论, 高广军等[8]研究了有限元三维实体与壳单元的组合建模问题, 杜宝江等[9]基于ANSYS研究梁单元与实体单元的组合建模方法, 但用实体单元代替梁单元模拟分析框架结构中梁柱的动力响应, 其计算结果与梁单元得到的结果的差异是值得探讨的。通过分析两者的差别, 可以更好地为确定框架结构何处使用何种单元, 以及如何连接不同的单元提供参考。
本文初步利用ANSYS软件中的梁单元和实体单元分别对一榀框架进行时程分析, 在应力、位移、支座反力方面进行对比, 得出两种单元计算方法下的差异。
1 梁单元理论
梁是一种几何上一维而空间上二维或三维的单元, 主要用于模拟一个方向长度大于其他两方向的结构形式。梁柱杆件是指同时承受弯矩 (或横向力) 和轴力作用的构件, 其中以承受弯矩为主的构件称为梁, 而以承受轴向压力为主的构件称为柱。所以梁、柱受力分析的理论基础均基于梁理论。
梁理论有两种:铁木辛格理论和欧拉-伯努利理论。其中欧拉-伯努利理论是经典梁理论, 基于以下假设: (1) 变形前垂直于梁中心线的平截面, 在梁受载荷而弯曲变形时仍然保持为平面; (2) 变形后的横截面仍垂直于中性层; (3) 横截面上没有任何伸长或缩短, 即这些平面为刚性平面。而铁木辛格理论是在欧拉-伯努利理论基础上考虑了剪切变形的影响[10]。本文选取的beam188单元是基于铁木辛格理论的。在计算中, 单元形函数为拉格朗日插值多项式, 具有线性或二次的位移函数;横向剪应力沿厚度方向为常数 (一阶剪切变形梁单元) ;可以模拟自由或约束扭转效应;支持丰富的模型特性 (塑性和蠕变) 。
2 梁单元和实体单元模拟框架结构的结果比较
2.1 计算模型
框架的几何尺寸和有限元模型如图1~2所示。框架梁柱均取矩形截面, 尺寸均取0.4 m0.6 m, 材料为C40混凝土, 弹性模量为3.251010Pa, 密度为2 700 kg/m3, 泊松比为0.2, 这里不考虑塑性情况。梁柱节点处设为固结, 柱底端约束y、z方向, 在x方向施加加速度, 如表1所示。梁单元采用188单元, 实体单元采用185单元。
2.2 t=0.04 s时, 结构中的Mises应力对比
从图3~4可知, 无论是采用梁单元还是实体单元, 框架中梁的应力分布大致相同, 但是梁单元中最大应力出现在梁的上表面, 其值为1.89 MPa, 而实体单元中最大应力出现在中间柱与梁交接处的下表面, 其值为1.37 MPa, 最大值基本一致;两种方法得出的梁中的最小值及其位置差别较大, 梁单元中最小应力值为0.005 MPa, 出现在离中间柱较近的区域A, 而实体单元模型中, 在A位置处的应力也很小, 但是最小应力出现在梁与边柱的连接位置, 其值为0.018 MPa。由此可见, 在梁与柱连接处, 梁单元与实体单元表现处的应力分布情况差别较大。框架中间柱的应力分布大致相同, 边柱的应力分布相差较大, 梁单元中柱底应力较小, 且随柱高增加而增加, 实体单元中柱的应力变化不大, 只是在柱顶应力值最小。
2.3 t=0.04 s时, 结构x方向的位移对比
由图5可知, 两种方法得到的x方向位移分布基本一致, 极值出现在边柱底端 (即施加边界条件处) , 但x方向位移最大值相差较大, 梁单元得到的最大值为1.37 mm, 最小值为-2.56 mm, 而实体单元得到的最大值为0.28 mm, 最小值为-0.91 mm。
2.4 结构中柱底支座x方向反力的对比
节点1、2、3的位置见图1, 节点处X方向支座反力随时间变化值见图6~8。从图6~8可知, 由两种方法得到的中间柱的底端x方向反力值大小及方向随时间变化基本相同, 边柱底端处x方向反力值随时间变化的趋势相同的。但是边柱底端处x方向反力值大小只有在t=0.005s时, 两种方法计算得到的反力值很接近, 但在其他时刻, 反力值的大小相差较大, 尤其是t=0.035s时, 梁单元和实体单元得到支座反力的方向相反。
2.5 结构中柱底支座x方向反力的对比
节点4、5、6的位置见图1, 其X方向位移随时间变化值见图9~11。从图9~11可知, 由两种方法得到的中间柱的顶端x方向位移基本相同, 而边柱顶端处的x方向位移随时间变化的趋势相同, 大小也基本相同, 但随着时间的增加, 两种方法计算得到的位移差值变大。
3 结论
对一榀框架进行时程分析过程, 分别采用梁单元和实体单元模拟框架中的梁和柱。对比两种方法中框架结构的Mises应力分布和结构x方向的位移分布, 得到的结果大致相同, 但在边柱与梁的连接处Mises应力的差别较大, 而在边柱的底端, x方向的位移相差也较大。对比两种方法中柱底处x方向上的支座反力值以及柱顶处x方向的位移, 发现中间柱的结果基本相同, 边柱处的结果随时间的变化趋势相同, 但大小存在着一定的差别。
数值分析方法在框架结构的地震分析中有着广泛的应用, 但如何正确地选择单元进行分析是很重要的一个环节。本文通过对梁单元和实体单元的计算结果的初步对比, 为在框架结构模型中如何选择单元以及如何连接梁单元、实体单元提供参考。
摘要：利用数值方法分析框架结构的动力响应时, 需要用梁单元模拟上部结构、实体单元模拟下部结构, 而在组合建模中存在着单元自由度的耦合问题。针对这一问题, 分别用梁单元和实体单元计算框架的上部结构进行时程分析。对比结构的Mises应力分布、结构在x方向的位移分布, 发现两种方法的结果大致相同, 但在边柱与梁的连接处应力相差较大, 在边柱的底端处x方向的位移值相差较大。对比柱底处x方向上的支座反力值以及柱顶处x方向的位移发现, 两种方法得到的中间柱的结果基本相同, 边柱处的结果随时间的变化趋势相同, 但大小存在着一定的差别。
关键词：梁单元,实体单元,Mises应力,结构位移,支座反力,节点位移
参考文献
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四年级上册数学第2单元模拟考题 第4篇
一、填空(52分)
1.从个位起往左数，第()位是万位，第()位是百万位，第8位是()位。
2.一个数的最高位是千万位，它是()位数。
3.万位的左边一位是()位，右边一位是()位。
4.10个万是()万，10个百万是()。
5.与千万位左边相邻的是()位，右边是()位。
6.从右边起，每()个数位是一级，每相邻两个计数单位之间的进率都是()。
7.千万和亿之间的进率是十，千和()之间的进率是十。
8.读数时要先把这个数分成()级，()级，()级再读。
9.读数时先读()级，再读()级;万级的数按照()级的`数的读法来读，并在后面添上()字;如果个级上全是0，这些0都()。
10.43509600这个数字里，“4”在()位上，表示();“5”在()位上，表示();“9”在()上，表示()。
11.每相邻两个计数单位之间的进率都是()，这种计数方法叫()进制计数法。
12.7050090是由7个()，5个()和9个()组成的。这个数读作()。
13..一个七位数最高位是5，千位上是8，其余各位都是0，这个数写作：()，读作：()。
14.与1000000相邻的两个数分别是()和()。
15.若3101表示某小学在入学的三年级1班1号学生，那么20入学的三年级2班15号学生的学号是()。
16.656050000≈61亿，里只能填()。
17.39360≈40万，里可以填()。
二、选择题。
1.个、十、百、千、万是()。
A.计数法B.数位名称C.计数单位
2.个位、十位、百位、千位、万位、十万位、百万位是()。
A.计数单位B.数位C.七位数
3.一个数的最高位是十万位，这个数是()，下面哪种说法对
单元模拟 第5篇
关键词：果蔬,机械特性,有限单元法,数值模拟
随着现代科技的飞速发展, 基于计算机技术的计算机辅助工程 (CAE) 技术广泛应用于工程技术各领域, 其中有限单元分析 (FEA) 是一种最主要的研究分析手段。有限单元法 (FEM) 是一种在现代工程领域中广泛应用的数值模拟方法, 其核心思想是:将研究的物体对象离散划分成有限个单元, 并将其按特定的方式联合在一起, 在整体上形成一单元的组合, 从而来模拟或逼近原对象物体, 于是便将一个连续的无限自由度问题转化为离散的有限自由度问题求解的一种数值模拟分析法[1]。
实际上, 基于有限单元法的分析模拟已成为替代大量实物试验的数值化“虚拟试验” (virtual test) , 经该方法的大量计算分析, 再与典型的验证性试验相结合, 可以实现高效率和低成本[2]。
1 国内外果蔬机械特性研究现状
国内外对于果蔬机械特性的研究主要集中在对其物理和力学性能的试验测量。以柑橘类水果为例。S Rafiee[3]等在研究确定了佛手柑 (柑橘中的一种品类) 的一些物理性质:通过测定包括柑橘的质量、体积、投影面积、密度、水果壳比、几何平均直径、球形和表面积等几何参数, 确定了小, 中型和大型三组佛手柑的体积密度、孔隙度以及包装系数。S Imhof[4]等研究了具有发展市场的三个瓯柑品种柑橘的物理和力学性能, 并得出了混合品种的瓯柑的直径与质量之间呈线性关系的结论, 为设计柑橘分级机提供了有效的参考数据。
由此可见, 在对果蔬机械特性的研究中, 形状、尺寸、体积、密度、孔隙率、表面积、含水量等为其主要研究的基本物理性能参数[5], 而果蔬机械力学性能常采用的测试仪器有万能材料物理试验机、质地分析仪或自主搭建的测试平台, 主要的测量试验为:
1) 拉伸、压缩、剪切特性。主要测试出试验材料在受拉伸、压缩、剪切等不同载荷作用下的应力-应变 (力-变形) 曲线, 得到弹性模量E、泊松比ν等特性参数[6]。
2) 黏弹性特性。主要将试验材料理想假设为线性黏弹性体, 通过试验, 对其蠕变和应力松弛性质进行研究[8,9,7]。
3) 摩擦特性。主要是利用倾斜法或摩擦系数测定仪测量试验材料在各种表面上的滑动摩擦系数和滚动稳定角[6]。
2 有限单元模拟在果蔬机械研究中的应用
应用有限单元法模拟研究果蔬机械特性主要集中于测定力学特性与参数和建立力学模拟模型等方面[8]。通常果蔬的机械特性有限单元模拟是以一定的试验分析结果作为前提支撑的。
陈燕[9,10,11]等测定了荔枝鲜果球度、果壳厚度、果核三维尺寸, 利用电子万能试验机对荔枝整果果核进行了压缩试验, 对其果壳进行了拉伸试验, 计算得到荔枝各部分的弹性模量, 接着将试验分析与有限单元模拟相结合, 建立了荔枝压缩力学模型, 通过有限单元分析法模拟荔枝垂直及水平压缩的力-变形曲线, 研究了荔枝在压载作用下的应力分布规律。
3 果蔬有限单元模拟建模分析主要步骤概述
果蔬有限单元模拟模型的建立与分析主要步骤总结如下:
1) 确定研究目的和对象。根据果蔬收获采摘、运输储藏、加工工艺等实际情况确定果蔬机械特性研究的目的, 选取合适的果蔬物料, 根据果蔬物料生物结构特征, 初步划分假想模型结构, 确定要测量的果蔬及其各部分机械特性参数, 测定如弹性模量、泊松比等参数;
2) 确定有限单元模型建立所需要的果蔬机械特性参数。对试验测定的参数进行初步分析, 初步检验假想模型结构的合理性, 确定可用于有限单元建模的果蔬及其各部分的几何物理及力学特性参数;
3) 确定果蔬有限单元模拟类型。根据试验测定的果蔬机械特性参数, 分析果蔬及其各部分的材料特性, 确定有限单元模拟的类型是否可设定为线性问题;
4) 建立果蔬三维模型。根据初步验证确定的假想模型结构及其机械特性参数, 结合前期试验类型, 利用计算机辅助设计 (CAD) 软件建立模拟试验的三维模型;
5) 果蔬三维模型有限单元网格化。将已经建立了的三维模型导入有限单元分析 (FEA) 模块的计算机辅助工程 (CAE) 软件, 针对假想模型结构及其机械特性参数, 分别选取定义合适的材料及有限单元, 接着对模型进行适当的单元网格化, 建立果蔬有限单元三维模型;
6) 针对果蔬三维模型的有限单元模拟试验及分析计算。根据研究目的和前期特性测量试验结果确定加载模式, 运行程序计算结果, 初步分析结果, 与试验所得数据相比较, 检验模拟试验与实际的吻合度, 并作相应的参数调试优化。
4 研究趋势及展望
1) 国内外对果蔬机械特性的研究, 随着现代测量技术的发展, 各种成熟的测量仪器的出现, 由于果蔬成熟存在季节性, 试验测量的研究方法又需要消耗大量果蔬原料, 这无疑增加了研究的周期与成本。而基于有限单元法的分析模拟为解决这一问题提供了有效的技术工具与手段。
2) 在一定的试验数据的基础上, 对果蔬机械特性进行有限单元模拟分析, 能够比较准确地探知以往试验中难以或无法测量的机械特性参数。将实物测量试验与有限单元模拟相结合的果蔬机械特性研究方式的出现, 是农业现代化迅速发展的表现。
3) 然而现有的有限单元模拟模型大多是将实际中为黏弹性体的果蔬材料理想化假设为具有各向同性的线弹性体来进行研究的, 这与实际情况尚有一定差距, 为此如何在有限单元分析软件中对黏弹性果蔬材料建立非线性有限单元模拟模型, 进行有效的贴近实际的模拟试验, 这将是未来研究中的难点。
参考文献
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丙烯酸精制单元急冷塔的模拟 第6篇
1 工艺原理
从T2110塔开始进入丙烯酸精制单元。精制单元的作用是将氧化单元送来的约60% (wt) 的丙烯酸水溶液经脱水、醋酸和重组份后精制成99.5% (wt) 的高纯度丙烯酸产品。精制单元分为轻组份分馏工序、丙烯酸提纯工序、二聚物分解三个工序。本模拟需要模拟轻组份分馏和丙烯酸提纯两个工序, 如图1所示。
T2110塔 (轻组分分馏塔) 的作用是将来自急冷吸收工序的丙烯酸水溶液通过恒沸蒸馏的方法把水和醋酸从丙烯酸中分离出去, 所用的共沸剂是甲苯。甲苯与水的共沸组成为甲苯80.4%, 共沸温度84.1℃, 甲苯在水中溶解度5.7v%。
工艺流程图参见原设计文件[2]。
从急冷塔T1110送出的含有60% (wt) AA、38%H2O、2%ACA的粗丙烯酸水溶液由P-1110A/B送至T-2110 (轻组份分馏塔) 的第15块板。
水、醋酸和甲苯经减压蒸馏作为共沸物从T-2110塔顶蒸出, 组成为:89%TOL、9.9%H2O、0.7%ACA。蒸出物经E-2112A/B (T-2110塔顶冷凝器) 被部分冷凝, 冷凝液流入V-2111 (T-2110回流罐) , 未凝气体进入E-2113 (T-2110尾气冷凝器) 被进一步冷凝, 冷凝液也进入V-2111, 从E-2113出来的不凝气体通过水环真空泵P-2116A/B (T-2110真空泵) 抽至真空泵分离器进行气、水分离, 废水排往Z-7111, 废气排至废水处理单元。
V-2111内被隔板分成两个区:水相区和甲苯区。流入的冷凝液在水相区分层, 上层的甲苯向甲苯区溢流。甲苯区内的甲苯由P-2111A/B (T-2110回流泵) 分两路送出:一路用FIC-2005调节控制回流量为74154kg/h, 从T-2110塔顶回流入塔内;另一路用LIC-2003调节送往V-6102 (溶剂贮罐) 的甲苯量来控制甲苯区的液位为50%。水相区内的水由P-2112A/B (T-2110馏出泵) 送出, 用LIC-2002调节去废水罐的废水量来控制水相区的界面为36%。
塔釜液是含有少量醋酸和共沸剂的丙烯酸溶液, 组成为:82.9%AA、15.9%TOL、0.7%ACA, 一部分由P-2113 (T-2110再沸器泵) 打入再沸器E-2111 (T-2110再沸器) 进行强制循环, E-2111采用0.2MPa (G) 蒸气加热, 用TIC-2001和FIC-2001串级调节加入的0.2MPa (G) 蒸气量来控制塔釜温度为82.5℃。另一部分由P-2110A/B (T-2110塔釜泵) 送往T-2120 (醋酸塔) 第34块塔板进一步脱醋酸和甲苯。用LIC-2001和FIC-2002串级调节塔釜采出量来控制塔釜液位为29%。
T-2110为板式塔, 塔顶温度44.8℃, 压力15.47kPa (A) , 塔釜温度82.5℃, 压力23.46kPa (A) 。
聚合反应易在共沸蒸馏中发生, 尤其在塔釜, 因此要采用负压操作, 控制较低的塔釜温度, 要向塔内和再沸器底部加阻聚空气;在第17块塔板中加入送来的定量的阻聚剂以防止聚合。此外, 要保证塔釜物料含水尽可能低来防止在共沸蒸馏塔中发生聚合。
2 建模
2.1 热力学模型
该精馏过程是一个典型的共沸精馏过程, 不仅含有气液平衡问题, 在塔顶回流罐中, 还含有液液平衡问题, 即共沸剂与水的分相问题。
根据前面的研究结果, 采用NRTL-RK模型, 考虑气-液-液相平衡。
2.2 设备模块
模拟流程, 如图2所示。
精馏塔模块:采用Radfrac模块, 再沸器可选用常规再沸器模型, 冷凝器可选用常规分凝器, 但需要考虑水的析出及气相流股的再回收问题, 也可选用三相闪蒸器 (气相、油相和水相) , 从三相闪蒸器出来的气相用二相闪蒸器回收, 液相回到三相闪蒸器, 气相放空。为增加处理问题的灵活性, 这里采用后一种模型。
三相闪蒸器模型:Flash3
二相闪蒸器模型:Flash2
泵模型:Pump
分配器模型:Fplit
2.3 主要模拟结果
主要进料流股性质见表1, 出料流股的模拟结果, 见表2, 塔的热负荷模拟结果, 见表3。
3 结论
1) 从表2可以看出, 该模型对丙烯酸、水、共沸剂等主要组分的模拟结果与设计值吻合良好, 但对醋酸的模拟结果与设计值偏差较大, 可能的原因是在模拟条件下共沸剂与醋酸尚未达到共沸, 因而, 主要在塔釜出现。2) 从表3可以看出, 该模型对塔顶、塔釜热负荷的模拟结果与设计结果有一定偏差, 但结果可以接受。
参考文献
[1]彭秉璞.化工系统分析与模拟[M].化学工业出版社.1995:87-96.
单元模拟 第7篇
关键词：设备布局,变需求,模拟退火粒子群算法,单元化制造
0 引言
设备布局规划在制造系统的规划和重构中起着至关重要的作用。优良的设备布局能加快物流处理的效率,减少在制品和库存,提高企业的生产率[1]。对于设备布局问题,已有很多学者进行了较深入的研究。Wang等[2]针对单元化制造系统(cellular manufacturing system,CMS),考虑在产品生命周期中需求量根据市场变化的特殊情况,建立相应的优化模型,采用模拟退火算法求解设备布局问题。周亦波等[3]将车间按照车间通道宽度分成若干单元格,然后将各个设备布置在这些单元格上,采用模拟退火搜索策略,并取得了一定的效果。周驰等[4]采用标准粒子群优化算法对旋转容器中的物体进行布局。上述学者所采用的布局优化方法等,对求解小规模问题比较有效,但是当规模较大时,容易陷入局部最优。因此有其他学者针对大规模问题提出采用其他更好的全局搜索算法来求解。陈希[5]采用遗传算法对设备布局优化进行研究,并基于设备坐标设计染色体,特点是直观、计算方便,但是生成的布局需要进行比较大的人工调整才能用于实际。
本文设计了一种基于模拟退火的离散粒子群算法(particle swam algorithm based on simulated annealing, SAPSO),采取设备排序编码的方法,使适应连续领域的粒子群算法应用于离散的设备布局。为了避免标准粒子群算法的易于陷入局部最优的缺点,将其与模拟退火结合,提高了算法的全局搜索能力。
1 基于动态单元的车间设备布局模型
1.1 基于单元化制造的设备布局形式
根据企业的生产组织形式,设备布局分为3类:①固定生产线。设备按产品的工艺顺序排列,适合大批量、少品种的生产线和装配线。②机群式布局。设备按功能布局,即将功能相同的设备放在一起。我国传统的单件小批量生产车间均采用这种布局。③单元布局。
单元布局是一种新型的布局形式,是在敏捷制造和精益生产的组织形式下针对多品种、变批量生产的具有一定柔性的布局形式;从布局的形状来分,还分为线性单行布局、线性多行布局(即阵列式布局)、U形布局、C形布局。除了单元的布局形式外,单元的大小也是一个重要的考虑因素[6]。对于产品重量较轻、体积较小、工艺相对集中的生产车间,可采用小型化的生产单元。每个单元一般只有4～6台设备,这类布局在优化时,单元内的运算成本很低,单元的优化目标主要是考虑单元间的运输。对于生产产品品种多、产品体积相差较大的企业,则更适合较大的成组单元。这类单元的特点是单元内的设备较多,一个单元内加工的零件也较多,且零件的需求也是不断变化的。这类大单元的布局优化主要是考虑单元内的布局,单元间的布局运输成本很低,基本可以忽略不计。本文主要是针对这类生产单元,采用U形布局,如图1所示。并以降低物流成本为目标,采用SAPSO对单元内设备的布局进行优化设计。
1.2 数学模型
由于产品在不同的生命周期,其产品需求是在不断变化的,考虑的因素也非常复杂。为了简化模型,作如下假设[7]:①单元成组已经完成,单元对应的零件和设备已确定;②在同一单元内相邻设备的距离相等,相邻单元间的距离也相等;③单元间的物料流动方向沿着U形形状流动;④零件在单元间以批量形式运输;⑤单元内和单元间每批单位距离的运输费用已知;⑥每个生产周期内可能出现的零件数量是有限的。
由于本文研究的单元存在几种零件混合加工,并且在不同的生产周期下,加工任务又是动态的[8],因此在布局时需要综合考虑整个生产周期下多种加工情况。对于整个生产周期下不同加工情况,可采用简单的穷举法处理,即为不同的生产周期下的加工任务生成相应的最优布局方案,从中选出一个对整个生命周期而言最为满意的单元布局方案。这种算法简单而且很实用,但其计算量非常庞大。另一种方法则是选择或设计一个不同零件在整个生命周期中不同需求的平均值,它能够综合反映出这一组零件的需求模式。而零件在生命周期中不同需求的期望值,恰恰能够满足该需求。于是将产品需求随机性问题转化为确定性问题,大大简化了随机性单元化制造系统设计,由此得出了多个生产周期下的随机性单元化制造的数学模型:
式中,m为第m台设备;k为第k个零件;c为第c个单元;Cin为单元内的总运输成本;C为单元数;K为单元内的零件总数;Nk为在计划期内零件k的需求量;E(Nk)为离散随机变量Nk的期望值,即Nk在计划期内的平均值;Bk第k个零件每批运输的数量,即批的大小;Ck第k个零件每批单位距离的运输费用;Dk为零k个零件在单元内所有工序间的运输距离之和;Ykj为加工第k个零件的第j道工序所用机床的位置;Yk(j+1)为加工第k个零件的第j+1道工序所用机床的位置;Sk为第k个零件的工序数。
2 设备布局的SAPSO
2.1 SAPSO
粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)基于群体根据对环境的适应度将群体中的个体移动到好的区域。然而它不对个体使用演化算子,而是将每个个体看作是多维搜索空间中的一个没有体积的微粒(点),在搜索空间中以一定的速度飞行,这个速度根据它本身的飞行经验和同伴的飞行经验来动态调整。设第i个微粒经历过的最好位置为Pbest,在群体所有微粒经历过的最好位置为Gbest,微粒i的速度为vi,则
vi+1=wvi+c1rand1()(Pbest-xi)+c2rand2()(Gbest-xi) (3)
xi+1=xi+vi+1 (4)
其中,rand1()和rand2()为两个独立的介于[0,1]之间的随机数。学习因子c1、c2是非负常数。非负数w为惯性因子,随迭代次数增加逐渐减小。粒子的速度变化范围被限定为[-vmax,vmax],位置变化范围被限定为[-xmax,xmax],约束如下:
其中,vmax为粒子每一维的最大速度,xmax为粒子每一维在一个循环中最大的移动距离,它们由用户设定。
在标准PSO算法中,惯性因子w使粒子保持着运动惯性,使其具有扩展搜索空间的趋势,有一定的全局搜索的能力。若取w=0,则粒子的速度只取决于微粒当前的位置和它们历史最好位置Pbest和Gbest。此时粒子收缩到全局最好位置,全局收缩能力减弱,局部能力增强,且式(3)演变为
vi+1=c1rand1()(Pbest-xi)+c2rand2()(Gbest-xi) (7)
为了改善PSO的全局搜索能力, xi可保留Pbest作为粒子群的历史最好位置,而在搜索空间S中重新随机生成粒子i的位置x′i,其余粒子按式(4)产生。但为了提高搜索效率,使在搜索空间S中随机产生的粒子i以较大概率位于最优点附近,x′i采用模拟退火算法(simulated annealing algorithm,SA)优化生成。
SA来源于固体退火原理,将固体加温至充分高,再让其慢慢冷却。加温时,固体内部粒子随温升变为无序状,内能增大,而慢慢冷却时粒子渐趋有序,在每个温度都达到平衡态,最后在常温时达到基态,内能减为最小。根据Metropolis准则,粒子在温度T时趋于平衡的概率为
p=exp(-ΔE/T)
式中,E为温度T时的内能;ΔE为内能改变量。
用固体退火模拟组合优化问题,将内能E模拟为目标函数值f,温度T演化成控制参数t,即得到解组合优化问题的模拟退火算法:由初始解xi和控制参数初值t开始,对当前解重复“产生新解→计算目标函数差→接受或舍弃”的迭代,并逐步衰减t值,算法终止时的当前解即为所得近似最优解,这是基于蒙特卡罗迭代求解法的一种启发式随机搜索过程。
SAPSO的基本思想是,从一给定解开始,即以粒子群当前历史最好位置Pbest为初始状态(xi=Pbest),然后从邻域中随机产生另一个解,随机产生解为
x′i=xi+ηrand1()
式中,η为扰动幅值参数;rand1()为一随机数。
ΔE=f(x′i)-f(xi)
若ΔE<0则接受x′i作为新的当前解,若概率exp(-ΔE/T)>rand1(),此时允许目标函数在有限范围内变坏,以概率p接受x′i作为新的当前解,否则就拒绝,使x′i=xi。若接受新值x′i,按t′=αt降温,其中,α为退火因子,否则不降温。
2.2 离散SAPSO的编码
PSO主要应用于实值连续空间,在连续空间优化领域取得了良好的效果,但在组合优化问题中的应用还不多。然而许多实际问题是组合优化问题,如本文中的设备布局就是一个典型的非多项式(non-polynomial,NP)问题。因而如何实现离散形式的PSO,以及设计合理的PSO算法框架解决设备布局问题,在扩大PSO应用范围和求解设备布局问题两个方面具有重要意义。
对于离散优化而言,解空间是离散点的集合,而非连续区域,因此利用PSO解决离散优化问题就必须修正速度和位置更新公式,或者是对问题进行变形。目前,基于PSO的离散优化工作可分为如下三类:①将速度作为位置变化的概率。其微粒位置编码采用二进制方式,通过采用Sigmoid函数将速度约束于[0, 1]区间,来代表微粒位置取1的概率。②重新定义PSO操作。通过重新定义微粒的位置、速度来定义PSO操作。③直接将连续PSO用于离散情况。为了将实数转化为正整数,把实数的符号和小数部分去掉。
本文设计的粒子为一个n维的实数,即目标的搜索空间为n维空间,第i个微粒的位置为
Xi=(x
经历过的最好位置为
Pbest=(P
在群体所有微粒经历过的最好位置为Gbest,微粒的速度为
vi=(v
在算法中对n个实数进行排序,其排序即对应设备的排列顺序的映射,使SAPSO算法成功应用到离散的设备布局问题求解中。即对有k种零件n台设备的U形布局问题,令粒子i对应的位置为Xi,各维坐标分量皆为实数。例如n=7,表示有7台设备,设某粒子i对应的位置为
Xi=(3.53,7.38,4.00,62.30,19.22,1.60,42.80)
根据Xi中元素值的大小对Xi进行序数化处理后得其对应的序列为
Li=(2,4,3,7,5,1,6)
其中,Li中元素的值可映射为设备的编号,元素在序列Li中的位置映射为该设备在U形布局中的排列位置,即编号为2的设备放置在首位,编号为4的设备放在其后,依此类推。而粒子的速度则根据两个粒子的相似度来定义,决定微粒位置变化的概率,同时还引入模拟退火操作防止最优粒子陷入局部极小。
3 计算实例
3.1 问题描述
某车间为一独立单元,要安放7台加工设备。现进行车间布局优化的计算,以说明所提出算法的使用方法及其有效性。单元形式采用U形布局(图1),在单元内物流采用柔性高的行车按一定的批量,如上例中每批运输10个,送到下一个工序所需的设备位置。如该设备处于空闲状态,则立刻加工,否则存储在缓冲区,等待空闲状态。工件的加工工艺及基本输入参数如需求量、零件每批运输的数量Bk、每批运输的成本Ck等如表1所示。
3.2 SAPSO算法求解过程
采用SAPSO算法求解设备布局序列的具体步骤如下:
(1)初始化参数,包括粒子群算法和模拟退火算法中用到的参数;
(2)对输入的Xi进行从小到大的排序,取出Li;
(3)根据Li和式(1)、式(2)计算每个粒子的适应值;
(4)对每个微粒,将它的适应值和它经历过的最好位置Pbest作比较,如果较好,则将其作为当前的最好位置Pbest;
(5)对每个微粒,将它的适应值和全局所经历最好位置Gbest作比较,如果较好,则重新设置Gbest的索引号;
(6)当Pbest=Xi,则第i个粒子将停止进化,用模拟退火算法进化生成Xi;
(7)根据式(3)、式(4)对其他粒子的速度和位置进行进化;
(8)满足停止条件,则执行步骤(9),否则执行步骤(2)～步骤(8);
(9)输出最优结果。
流程图如图2所示。
3.3 实验结果及分析
使用SAPSO求解实际问题,必须选择一组合适的参数,才能提高算法的质量和效率。粒子群算法部分的参数如下:xmax通常取粒子维数的整数倍,本例中粒子维数为需要排序的设备数7,故可取Xi中每一维变量变化范围为[0,70];最大迭代次数为1000;群体规模即种子数一般取20～40,对较难或特定类别的问题可以取到100～200;学习因子c1和c2通常设为2时可得到较好的效果;模拟退火部分的参数的选择对算法的收敛速度和解的质量也有较大的影响,文献[9]建议的取值范围为:初始温度θ0∈[900℃,1100℃],外循环次数s为100次左右,α∈[0.85,0.95],η=0.8。
表2为两种方法求解实例的实验结果比较,由表2可知,与标准PSO算法相比,用本文的算法到达最优的速度更快,并能达到全局最优点。PSO算法对求解小规模问题比较有效,但是当规模较大时,容易陷入局部最优,而SAPSO在粒子群算法的基础上引入了历史最优点附近的不可行点,能实行全局优化。
图3显示了SAPSO算法与PSO算法求解离散型布局的优化结果。采用SAPSO求得最优设备排列顺序为M1、M7、M5、M4、M2、M3、M6,单元内的总运输成本最优解C*=5500元。从计算结果来看,对解决实际问题有一定的应用价值。
1.SAPSO算法 2.PSO算法
4 结论
本文提出一种基于模拟退火思想的粒子群算法用于求解离散布局问题。由于标准PSO中w的设置经常取经验值,这些经验值还缺乏理论上的论证,并且粒子的位置只是与全局最优点和历史最优点比较,容易陷入局部最优。本文在优化过程中以一定得概率接受历史最优点附近的不可行点,即通过个别粒子随机取值,并采用模拟退火方法对随机粒子进行优化,使之接近历史最优点,然后将其加入到有效粒子群中。这样不仅避免了算法因直接删除不可行解所引起的求解效率低的缺点,而且实现了全局优化,避免陷入局部最优。从理论分析及实验结果可以看出,本文算法简单有效,计算精度较高,为解决离散函数优化问题提供了一种行之有效的方法。改进的算法比原有算法在较大规模优化问题上,具有更高的速度和更好的效果。
参考文献
[1]李志华,钟毅芳,刘继红.制造系统中的单向环型设备布局设计[J].计算机辅助设计与图形学学报,2003,15(7):818-822.
[2]Wang T Y,Wu K B,Liu Y W.A Si mulated An-nealing Algorithmfor Facility Layout Problems un-der Variable Demandin Cellular Manufacturing Sys-tem[J].Computers in Industry,2001,46(1):181-188.
[3]周亦波,李志华,戴同,等.单元化制造系统布局模型及其求解[J].华中科技大学学报(自然科学版),2002,30(1):65-67.
[4]周驰,高亮,高海兵.基于粒子群优化算法的约束布局优化[J].控制与决策,2005,20(1):36-40.
[5]陈希.基于遗传算法的车间设备虚拟布局优化技术研究[J].东南大学学报,2004,34(5):627-631.
[6]喻超,赵希男.单元式生产方式分析及对策研究[J].工业工程与管理,2006,3(3):96-100.
[7]Baykasoglu A,Dereli T,Sabuncu I.An Ant Colo-ny Algorithm for Solving Budget Constrained andUnconstrained Dynamic Facility Layout Problems[J].International Journal of Management Science,2006,34(4):385-396.
单元模拟 第8篇
1 缝洞模型的建立
本实验为了分析油水流动过程, 模型设计和制作都需要满足可视化要求, 并同时满足相似准则的要求。
1.1 相似准则
在缝洞型碳酸盐岩油藏中, 裂缝和溶洞是主要的储集空间, 裂缝是主要的流动通道, 基质基本不具备储渗能力, 因此物理模型的设计主要研究流体在裂缝与溶洞中的流动规律。
在制作物理模型前, 首先应该结合相似准则, 确定模型的制作参数, 同时确定物理模拟的实验条件, 这样得到的物理模拟实验结果对矿场生产具有科学的指导意义。
缝洞单元注水开发的物理模拟应满足以下几个相似准则, 见表1。参数对比如表2所示。
注:Δp为注采压力差, ρo为油密度, μo为油黏度, υo为油速度, nf为缝密度, b为缝开度, D为井径大小, ΔL为洞径, i为注入量。
将实际参数与实验参数相除得到各变量的相似系数, 并将其代入各相似准则中。每个相似准则得到一个相似准数F, 如果F=1则说明实验参数与实际矿场参数具有相似性。代入参数得到四个相似准则对应的相似准数皆为1, 说明室内实验得到的水驱油规律能较好的表征地下实际流体流动规律。
1.2 模型建立
结合塔河油田现场地质资料, 确定了所研究单元的缝洞连接方式。提取出了三维缝洞网络模型[图1 (a) 所示], 并根据相似性原理设计出三维缝洞网络可视化物理模型[图1 (b) 所示]。模型设计考虑缝洞规则分布且为弱亲油模型。缝洞网络模型参数:模型尺寸 (长×宽×高) 为50 cm×50 cm×10cm;溶洞尺寸 (长×宽×高) 为3 cm×3 cm×1.5cm;裂缝尺寸 (长×宽×高) 为7 cm×0.1 cm×1.5 cm。
备注:相似系数k=实际参数/实验参数。
2 单相物理模拟实验
实验模型有4口生产井, 每口生产井对应一条缝洞通道, 实验开始前, 首先研究各条通道的渗透情况。模型生产井采用定压生产即生产井处在1个大气压的开敞状态下生产。
用单相流动实验测试各条通道的渗透性, 实验流体选用蒸馏水, 实验时从1井注水 (底部注水) , 测量每一条通道的渗透性时关闭其他通道, 即其余的生产井关闭。改变注入速度, 记录各注入速度下的注入压力, 得到每条通道的注入压力随注入速度的变化曲线, 通过该曲线分析每条通道的渗透情况。
各通道注入压力随注入速度的变化规律如图2所示。图2中1-2代表1井和2井之间的通道, 图2中1-3代表1井和3井之间的通道, 以此类推。这里的注入压力是表压。
由图2可知, 注入压力与注入速度成正相关, 各通道的渗流阻力大致相同, 各通道的注入压力随注入速度的变化趋势基本一致。同时各个生产井对应通道的注入压力在低注入速度下, 注入压力与注入速度成线性关系, 流体流动遵循达西定律;在高注入速度下, 注入压力与注入速度的变化曲线并非直线, 是一条弯向坐标轴的曲线, 反映此时惯性力不可忽略, 各通道在流动中符合非线性流动规律 (而非一般砂岩遵循的达西定律) 。
3 水驱油物理模拟实验
3.1 实验条件
实验温度为20℃;实验用油为煤油, 实验温度下, 煤油密度为0.8 g/cm3, 黏度为1.1 m Pa·s;实验用水为蒸馏水, 实验温度下, 密度为1 g/cm3, 黏度为1 m Pa·s。实验时为了区分油和水, 使用苏丹红Ⅲ将煤油染色。本实验需要同时记录数据并观察油水流动形态, 因此采用摄像机记录模型中流体的运动状态, 研究油水流动规律。
3.2 实验步骤
(1) 模型抽真空后, 完全饱和模拟油并老化12h, 并记录饱和油量;
(2) 连接实验流程, 设置实验条件并开始驱替。实验过程中记录油水产出速度, 产水量、产油量, 同时用摄像机记录模型内油水流动过程, 直至模型完全产水为止;
(3) 实验结束, 清洗并烘干模型;
(4) 改变实验条件 (包括注采井位、注入速度) , 重复上述步骤 (1) ~ (3) 。
4 实验结果及分析
4.1 注采井位
实验中采取一注四采的开发模式, 分别为底部注水 (模拟底水) 和顶部注水 (模拟水井注水) , 以注入速度20 m L/min为例。通过数值模拟软件模拟2维缝洞剖面得到不同注采位置某一时刻的压力分布 (如图3所示) 和见水时刻的剩余油分布 (如图4所示) 。
4.1.1 压力分布
4.1.2 剩余油分布
由图3可知, 在低流速下, 无论顶部注水还是底部注水, 压力梯度主要沿垂向分布, 基本是重力作用导致的压力分布。因此低流速下重力是水驱油的主要作用力。
由图4可知, 不同注采位置下, 2维剖面模型中由于重力对油水置换起积极的作用, 因此油水置换效率都比较高, 采收率较高, 剩余油较少, 剩余油主要分布在顶层溶洞中以阁楼油的形式存在。
4.1.3 油水界面及剩余油分布
为了更好的观察其油水流动过程, 将模型的局部放大, 放大后的模型见水时刻的局部油水分布如图5所示。
底部注水时, 油水重力分异作用明显, 油水界面统一并从底层缝洞向上层缝洞均匀抬升。因而剩余油主要集中在顶层缝洞中, 以阁楼油和绕流油的形式存在。
顶部注水时, 由于注入速度较小, 重力是水驱油的主要作用力, 对油水置换起积极作用, 注入水从顶部注入, 与中下层缝洞进行油水置换, 底层缝洞内的原油会被有效波及, 由于横向水驱油作用, 同时注入水向生产井流动。因而同一层内缝洞油水界面并不统一, 油水关系复杂, 受油水置换效率的影响, 有部分剩余油存在于中下层缝洞。
4.1.4 含水率与采收率
不同注采位置下含水率与采出程度的变化曲线如图6所示, 以注入速度20 m L/min为例。
由图6可知:不同注采位置下, 在低流速范围内, 重力对油水替换效率均起到积极的作用, 因而模型采出程度均比较高, 但底部注水明显高于顶部注水。底部注水比顶部注水见水时刻晚, 生产井见水后, 含水率迅速上升, 含水率变化曲线属于快速水淹型。顶部注水比底部注水的含水采油期要长, 油水界面从底层溶洞向上抬升但油水界面在上升过程中并不统一, 因而含水率曲线会出现上下波动现象。
4.2 注水强度 (以底部注水为例)
注水强度对采出程度与含水率的影响, 通过改变注入速度来实现。不同注入速度下采收率与注入速度的变化规律如图7所示。模型含水率随采出程度的变化曲线如图8所示。
由图7和图8可知:在一定的流速范围内, 注入速度越大, 采收率越高;注入速度超过60 m L/min后, 采收率增幅变缓。
底部注水时, 重力是水驱油的主要作用力, 油水界面统一并从底层缝洞向上层缝洞均匀抬升, 因此模型下面2层的油会被有效的动用, 所以在所有的流速下, 模型的无水采油期均比较长。在低流速下, 生产井见水后, 含水率迅速上升, 含水变化属于快速水淹型。在高流速下, 生产井见水后, 含水率先缓慢上升, 再急剧上升。注入流速越大, 生产井见水略早, 含水采油期越长。因为本实验是针对井网模型的一注多采实验, 注入速度越大, 驱替压力梯度越大, 水驱前缘运动速度相应随着增大, 导致生产井提早见水, 同时注采压差的增大, 注入水能够进入模型顶层更多的缝洞网络中进行有效驱替, 因而随着注入速度的增大, 模型的采收率逐渐提高。
4.3 模型水驱后气驱进一步提高采收率实验
模型水平水驱后气驱的采出程度曲线如图9所示, (注水速度20 m L/min, 注气速度200 m L/min) 。
由图9可知:模型水驱后的采出程度为85.6%, 气驱后的采出程度增大到97.8%, 这是因为底部注水, 水驱后, 剩余油主要存在于模型顶部的缝洞空间内。注入气重力分异后形成次生气顶置换出注入水无法置换出的洞顶阁楼剩余油;气体改变注水后的压力场, 改变流体运动方向, 驱替高导流通道圈闭的剩余油 (绕流油) 。所以后续注气可以有效的动用这部分剩余油, 使采收率大幅度提高。由于本模型考虑的是缝洞规则分布且连通性比较好, 因此模型水驱后采收率会比较高 (85.6%) , 实际缝洞型油藏的非均质性强, 缝洞关系复杂等, 导致缝洞型油藏的采出程度不会太高, 而本实验主要研究不同注采参数下的流体流动规律及剩余油分布规律, 这对认识实际缝洞型油藏的流动机理, 以及指导矿场开发具有一定的借鉴意义。
5 结论
(1) 三维缝洞网络模型充分考虑重力分异在油水替换中的作用, 在低流速范围内, 无论注水位置如何, 重力对油水置换都起到积极的作用, 因此采收率均较高。底部注水的采收率要高于顶部注水。
(2) 在一定的流速范围内, 注入速度越大, 生产井见水略早, 含水采油期越长, 采收率越高, 注入压力越大, 单相物理模拟实验, 在低流速范围内注入压力与注入速度成线性关系、在高流速范围内注入压力与注入速度成非线性关系。
(3) 后面的注气实验验证了通过注气可以有效的驱替缝洞中的剩余油, 特别是对阁楼油和绕流油效果显著, 这对注水后期有效开发缝洞型油藏, 提高其采收率具有重要的意义, 但现在注气开采在缝洞型油藏中并没有大规模的应用, 效果如何有待进一步的考证。
摘要：为了研究缝洞油藏注水驱油机理, 以及注采参数对注水开发效果的影响, 采用可视化物理模拟的方法研究了注采井位、注水强度对缝洞型油藏剩余油分布、含水率、采收率的作用机制。同时进行了单相物"理模拟实验和注气提高采收率实验。研究发现:注采井位对水驱油效果产生明显影响, 底部注水的采收率高于顶部注水。低流速范围内, 无论注水井位置如何, 重力对油水置换都起到积极的作用。在一定的流速范围内, 注入速度越大, 注入压力越大, 生产井见水略早, 含水采油期越长, 采收率越高。单相物理模拟实验, 在低流速范围内注入压力与注入速度成线性关系;在高流速范围内注入压力与注入速度成非线性关系。研究结果表明:注气可以有效地驱替缝洞中的剩余油, 特别是对阁楼油和绕流油效果显著。
关键词：缝洞单元,水驱油机理,注采参数,物理模拟实验
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单元模拟 第9篇
1 工程概况
响水煤矿雨谷井田河西采区3#煤层全层厚度为1.67~6.04 m, 煤层倾角8°~10°。开采的12309首采工作面长240 m, 实际推进长度564 m, 采高约3 m, 倾角约9°, 采用倾斜长壁式采煤法, 后退式开采, 全部冒落法管理顶板, 综采工作面选择ZZ4800/18/38型支撑掩护式液压支架。工作面直接顶由泥质粉砂岩、粉砂岩及泥质灰岩组成。泥质粉砂岩、粉砂岩半坚硬, 泥质灰岩坚硬, 易风化破碎。老顶由粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉砂岩组成, 粉砂质泥岩、泥质粉砂岩较坚硬。覆岩、表土层由细砂岩及泥岩组成。直接底为粉砂岩, 较坚硬。老底为泥质粉砂岩, 较坚硬, 岩层顺序见表1。
2 建立数值模拟
2.1 模型建立
从钻孔柱状图及相关地质资料分析, 建立与实际1∶1模型。模型中煤层取平均倾角9°, 厚度约3 m;模型岩层划分至老底泥质粉砂岩, 泥质粉砂岩以下岩层不做考虑, 用灰岩表示即可;整个模型尺寸为长×高=1 000 m×320 m。
2.2 边界条件确定
在选定计算模型范围的基础上, 确定计算模型的边界条件为:上部边界条件为自重;下部边界条件为模型的下部边界, 为岩体, 简化为位移边界条件, 在X方向上可以运动, Y方向上为固定铰支座;两侧边界条件均为实体煤和岩体, 简化为位移边界条件, 在Y方向上可以运动, X方向上为铰支座[3]。
2.3 模型参数
数值模拟计算采用Mohr-Coulumb屈服准则[4]
式中, σ1、σ3分别为最大和最小主应力 (MPa) ;c为材料的黏结力 (MPa) , φ为材料的内摩擦角 (°) 。节理材料模型采用面接触库仑滑移模型。
各岩层块 (由上到下) 物理力学参数及节理力学参数如表1和表2所示。
3 模拟结果分析
模型中对3#煤层12309采面进行开采, 开切眼距模型右边界223 m, 停采线距模型左边界220 m, 采面推进长度564 m, 采用全部垮落法处理采空区。在充分采动条件下, 最终结果如图1所示, 其中深色表示裂隙及其发育情况。
分析模拟结果可以得出如下结论。
1) 图2中, 开切眼后方煤柱侧 (A区) 约68 m (水平方向) 的地表发现裂隙, 宽度最大约为0.1 m, 裂隙宽度由地表向下逐渐变窄, 未贯通到采空区, 由地表向开切眼方向延伸到约88 m时闭合消失, 裂隙到开切眼的垂直距离约为139 m;开切眼上方无覆岩垮落区域 (B区) 处于两组裂隙之间, 犹如一个以开切眼为顶点的倒三角形, 三角区域内未发现裂隙;开切眼前方采空区侧 (C区) 的地表发现裂隙, 宽度最大约为0.14 m, 裂隙到开切眼的距离约为163 m, 裂隙宽度由地表向下先渐窄后渐宽直至贯通采空区。地表裂隙到开切眼连线与水平方向所成的裂隙角约为58°。
2) 图3中, D区离开切眼和停采线较远, 坡角较缓, 煤层埋深在140 m左右, 工作面推进后采空区上覆岩层垮落压实后未见覆岩内有离层裂隙、竖向破断裂隙出现, 仅在离地表约24 m范围内出现少许裂隙, 地表裂隙宽度在0.1~0.25 m之间。
3) 图4中, E区坡角较陡, 受开采影响裂隙较发育, 特别是变坡处竖向破断裂隙明显, 测得变坡处地表裂隙宽度最大约为0.1 m, 裂隙从半坡延伸至变坡处总长约为105 m, 裂隙未贯通至采空区。此处滑坡体裂隙多, 稳定性差, 受雨水冲击或受重超过承受范围时, 会出现滑坡。图中箭头表示坡体滑移方向。
4) 图5中, 停采线靠采空区约23 m (水平方向) 的地表冲沟发现裂隙, 宽度最大约为0.05 m, 到停采线距离约69 m, 裂隙贯通至采空区, 到停采线连线与水平方向所成的裂隙角约为70°, 裂隙角范围内主要以水平离层裂隙为主, 竖向破断裂隙较少;F区25°三角区域内冲沟竖向破断裂隙发育;停采线后方地表也发现裂隙, 宽度最大约为0.06 m, 裂隙到停采线距离约为69 m, 到停采线的连线与水平方向所成的裂隙角约为85°, 在此裂隙角范围内未受采动影响无裂隙产生。
4 实测对比
图6为现场实测缓坡裂隙 (对应图3) , 裂隙最大宽度约0.18 m, 与模拟数据基本相符, 其他地表裂隙就不一一叙述。
通过对比分析, 现场实测除冲沟位置无裂隙外, 其他区域裂隙位置及大小和模拟结果基本一致, 而现场实测冲沟处无裂隙的原因可能是实测时间过晚, 在停采后3个月内冲沟遇雨季受山体滑坡、泥石流等灾害影响把原有裂隙填埋或堵塞了, 也可能是采动过后应力重新分布使地表冲沟裂隙闭合。因此, 模拟符合现场实测, 理论可行, 对分析其他山区煤层安全开采地表裂隙发育规律有一定的借鉴意义。
5 结语
本文应用UDEC 4.0软件对贵州响水煤矿3#煤层12309首采工作面进行了数值模拟, 从模拟结果可知:
(1) 山区煤层开采后, 在开切眼处会形成“V”字形裂隙带, 裂隙带靠采空区一侧贯通地表, 应注意地表水的防治;
(2) 开采后山体坡度稍缓的地方出现不同程度裂隙, 会使地表建筑物遭到破环, 墙体开裂、倒塌等;
(3) 变坡处稳定性差, 会出现滑坡、泥石流等大型地质灾害, 应及时采取相应措施;
(4) 停采线上方, 裂隙直通地表冲沟, 冲沟水会贯通至采空区, 造成矿井涌水, 应提前做好矿井防治水准备。
参考文献
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