沙塔爾·吐爾地

摘 要：化工原理課程中的一個最基礎(chǔ)部分就是流體的輸送，此過程計算繁瑣、流程圖繁多。傳統(tǒng)的講解方式很難讓學(xué)生理解清楚。MATLEB語言具有強大的繪圖能力和數(shù)值計算功能，對于流體流動的模擬有著不可比擬的優(yōu)勢。本文借助典型例題，提出使用計算機輔助計算流體流動過程的計算方法和數(shù)值處理思路。另外，也淺要探討了計算機進行實驗數(shù)值處理的具體操作方式。這些內(nèi)容能夠?qū)⒊橄蟮牧黧w流動過程單元轉(zhuǎn)化成學(xué)生易于理解的計算機計算流程，從而大大增強了教學(xué)的可視性。

關(guān)鍵詞：化工原理；流體流動 ；計算機輔助

一、緒論

諸如化工、輕化工程等課程都屬于過程工程類專業(yè)，化工原理課程在這些課程中起到了連接基礎(chǔ)理論課和專業(yè)技術(shù)課的重要作用。化工原理課程起到了橋梁的過程，是學(xué)生利用理論知識解決實際問題的初次探索。實際中，此課程包含了眾多的公式、繁雜的概念，計算過程也相當(dāng)繁瑣，因此教師常常感到此課程難以教授。傳統(tǒng)的多媒體課件方式很難讓學(xué)生對實際過程有清晰的理解，所以必須要嘗試新的授課手段來強化學(xué)生對化工原理課程的理解。同時，也必須考慮到學(xué)生使用復(fù)雜多變的理論知識或者經(jīng)驗公式解決實際問題的時候，仍然感覺計算過于繁瑣，這個時候能夠推薦給學(xué)生一種適合學(xué)生使用的數(shù)學(xué)公式，讓學(xué)生在不必關(guān)心具體計算過程和細節(jié)的要求下輕易地完成工程計算。

在新提出的過程類專業(yè)改革過程中，明確將計算機輔助教學(xué)作為一項重點改革內(nèi)容，提出要多使用計算機輔助進行工程計算。這確實能夠解決當(dāng)前的教學(xué)困擾，但是目前比較常用的輔助教學(xué)方式是C語言或者FORTRAN，用這兩種語言編寫的程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流程多變，學(xué)生需要很長的一段時間才能初步掌握。MATLAB作為一種數(shù)值計算常用的數(shù)學(xué)軟件，在數(shù)學(xué)建模等方面有著獨特的優(yōu)點而且還具有開發(fā)效率高、界面友好等特點，因此使用MATLAB進行計算機輔助教學(xué)是一種不錯的選擇。本文以MATLAB工具作為計算機輔助平臺，以化工原理中常見的基礎(chǔ)單元操作—流體輸送過程作為研究對象，并且對一些典型例題進行了分析，然后給出了具體的實現(xiàn)方法。最后使用MATLAB和EXCEL來對處理實驗數(shù)據(jù)，最后的結(jié)果顯示利用圖形能夠非常直觀地表達出計算的結(jié)果。MATLAB是一種有效而高效的計算機輔助手段。

二、流體輸送過程當(dāng)中的計算機輔助計算

化工生產(chǎn)過程中的基礎(chǔ)單元操作就是流體的輸送，計算流體輸送主要包括兩個方面的內(nèi)容，一個是計算管路，另一個是通過計算確定離心泵工作的地點。

1.管路計算

管路計算的主要內(nèi)容其實就是綜合運行伯努利方程、連續(xù)性方程式以及能量損失計算式，根據(jù)輸入的已知量和未知量來確定不同的算法。管路可以分為簡單管路和復(fù)雜管路，這是根據(jù)整個流線上是否存在多條管線來區(qū)分的。計算簡單管路一般有兩種方法，一種是操作型計算，另一種是設(shè)計型計算，這兩種計算方法是根據(jù)輸入數(shù)據(jù)不同恰當(dāng)選擇的。操作型的計算式在管路已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上，為了核算某條件下管路的輸送能力或者其他性能指標時使用；設(shè)計型計算則是在管路尚不存在時按照給定的輸送任務(wù)進行管路設(shè)計，選擇合理的路線保證設(shè)計的經(jīng)濟效益。這兩個問題可以歸結(jié)為流體流速或者管路路徑未知，無法根據(jù)已知條件判斷出流體的類型，也就無法獲得流體的摩擦系數(shù) ，也不能獲得Re的值。在工程計算上常常是使用試差法來對這一問題進行處理。

2.計算中使用到的方程：

（1）使用伯努利方程來衡算流體流動中的機械能

（2）自由度分析

以上求解方程組共涉及到了5個方程，變量個數(shù)為11，因此自由度是6。在實際的計算過程中，都是可以測量獲得的已知量，所以實際需要確定的變量只有一個，也就是說可以從中選擇一個作為需要確定的變量。最終得到的方程組是可以使用方程組來求得的，同時也可以分析這些方程組的構(gòu)成，需找合適的方法來加快解題速度。下圖給出了求解此問題的MATLAB程序流程圖。

三、流體·輸送過程當(dāng)中的實驗數(shù)據(jù)計算機輔助處理

流體輸送實驗的主要目的就是測定管路的阻力，得到離心泵的特性曲線。為了使結(jié)果相對精確，就需要對大量的數(shù)據(jù)進行處理，這個過程中涉及到了極其繁瑣的計算，非常容易出現(xiàn)錯誤。借助計算機軟件Excel很夠極大程度地減少繁瑣的計算，獲得較為精確的圖表。同時Excel提供了大量的數(shù)學(xué)函數(shù)，擁有強大的數(shù)據(jù)處理能能力，使用它對大量數(shù)據(jù)進行整合不僅效率高，而且非常準確。借助上述思路，針對離心泵特性曲線測定實驗，將實驗獲得數(shù)據(jù)分別填入到了Excel表格中，然后在公示欄中填入了相應(yīng)的計算公式，最后時候Excel進行了自動計算，下圖是當(dāng)中一個有關(guān)功率同流量的關(guān)系圖。

四、結(jié)論

化工原理流體輸送過程中涉及到的數(shù)據(jù)量和運算方法非常多，計算迭代的次數(shù)也非常多，對于實驗數(shù)據(jù)如何處理一直是一個令人頭痛但不得不面對的問題。實際上，計算機軟件擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以高效地完成這些任務(wù)，其中MATLAB和Excel是其中的代表，它們不僅能夠高效地完成計算任務(wù)，還能夠提高計算機的實際應(yīng)用能力，提高工作效率都有著巨大的幫助。

參考文獻：

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