聚光太陽能石油減碳虛擬仿真實驗的建立與應用

＊陳海飛 劉艷艷 胡考鈺 黃華龍 彭明國 周詩崠

（常州大學石油工程學院能源學院 江蘇 213100）

隨著科技的發展和信息時代的推進，目前的教育方式也發生了深刻的變革，信息技術化教育已經成為現代教育的大趨勢。對比現在人才市場的需求，具有實操能力的人才才是如今市場的訴求。所以目前很多高校更加注重對學生實踐操作能力的培養，尤其是在理工類專業教學中，課程教學摒棄以往按部就班、就書論書的陋習，將實驗基礎課程融入課堂。而傳統的實驗教學受實驗場所限制，實驗器材不足，專業的實驗指導欠缺等因素的影響，往往不能很好地落實。而虛擬仿真技術平臺給實施者提供了“實驗室”，開辟了“智能+教育”的新途徑，使得教學形式多樣化[1]。

本文將以學生為中心將模擬太陽能聚光加熱輸油管道的新型減阻集熱實現減碳的方式融入虛擬仿真教學平臺的建設和實施中來，以老師指導為輔，學生操作為主，加強鍛煉學生實踐操作能力的同時，培養其創新能力和探索興趣[2]。

1.實驗金項建設背景

石油作為國家生存和發展不可或缺的戰略資源，其生產和運輸過程一直受到極大的重視。由于石油是含蠟量比較高的流體，在運輸途中溫度較低時容易出現滯留現象，傳統的管道減阻技術是添加減阻劑，或者使用鍋爐預熱的形式，需要消耗額外大量的能源，后續處理不當的話會造成環境污染等一系列的負面 問題[3-4]。

利用現代的虛擬仿真技術，能夠模擬出石油在管道內流動的全過程，實時跟蹤不同設定參數下系統的動態變化過程，根據模擬的反饋結果，通過反復的對比優化，總結出最佳的減阻效果，作為真實實驗中的參數依據，達到虛擬與實踐教學的完美結合[5-7]。

2.實驗金項特點

(1)突破實際石油管道鋪設地點的限制

石油輸運管道的鋪設地受地域限制因素較為明顯，較為大型的石油輸運管道包括干線管道部分以及經過河流、峽谷、河底等自然障礙時的跨越工程，范圍大，距離遠，所以增大了實地教學的難度，學生無法直觀的接觸到實物，對于多元化教學的目的難以實現。然而，通過虛擬仿真技術，學生可以直接在電腦開放端完成實驗操作流程，可以系統而全面地提高感官認識，不受實驗地點的限制[8]。

(2)突破實驗器材價格昂貴、體積龐大的限制

系統所涉及的聚光器、石油運輸管道、換熱器、集熱水箱等裝置體積龐大，價格昂貴，學校將其安裝在實驗室為學生提供實驗教學的舉措不太現實，而且精密的儀器需要人工看管和維護，后期將花費大量的人力物力財力。而通過虛擬仿真技術，有效地克服了實驗機器價格昂貴、體積龐大的限制。石油管道減阻虛擬仿真實驗可以基于PC端和移動端面而設計，有效地節約了實驗成本，節省了實驗空間。

(3)突破傳統難以改變工況參數設定值的限制

通過虛擬仿真技術，學生可以自主地設計聚光比、管道長度、太陽強度等參數，并進行線上實驗模擬，通過自主設計的實驗結果進行前后對比，在線分析，找到最佳的減阻效果。如此可以有效地解決傳統實驗教學帶來的可行性差、學生參與度低、教學效果較差等問題，此外學生也可以通過系統的交流平臺，及時對實驗中遇到的問題進行交流反饋。

3.太陽能聚光石油減阻虛擬仿真實驗平臺的建設

建設虛擬實驗教學平臺的核心是將實驗操作的全過程通過虛擬平臺進行展示[9]。

(1)平臺技術建設

構建虛擬實驗教學平臺的工具主要是ANSYS Fluent 軟件，Fluent軟件可以對工業應用中的流動、湍流、熱交換和各類反應進行建模，另外還配備了超強的可擴展的高性能計算（HPC）功能，能夠快速且經濟有效地解決復雜的大型模型計算流體動力學（CFD）仿真問題。其形象的三維造型和實時渲染圖形描述的功能，讓參與者具有身臨其境的體驗[10-11]。

(2)平臺功能模塊建設

我校太陽能聚光石油減阻虛擬仿真教學平臺的功能模塊體系如圖1所示，其中包括兩個主要模塊區，分別是學生實驗平臺區和教師管理平臺區。在學生實驗平臺區，學生可以實現課堂簽到，完成實驗具體的操作，之后根據實驗測得的實驗數據完成實驗報告，實驗后通過完成實驗練習和考核進行流程的鞏固，幫助學生全面掌握石油管道減阻的相關知識。在教師管理平臺區任課教師可以利用管理系統，對學生的考勤情況、具體操作、實驗報告、練習、考核等情況進行實時監測，全面客觀地評價學生在實際操作過程中對系統的整體掌握情況，并發現其中的不足，及時對學生的錯誤進行指導糾正，有效地彌補傳統教學中僅僅憑借學生的實驗報告數據對學生進行優良評定的不足[12]。

圖1 太陽能聚光石油減阻虛擬仿真實驗平臺體系

4.實驗金項具體實踐

(1)登陸虛擬仿真系統

學生用戶首先根據賬號密碼登陸進入操作系統，按照系統提示要求進行課堂簽到，然后按照操作界面的指示閱讀太陽聚光石油減阻虛擬仿真的項目背景、項目目的、整個工作流程、操作注意事項等，為接下來的具體操作做好準備。

(2)虛擬實驗操作

實驗中假設石油為不可壓縮流體，且處于穩態紊流，運用系統中的ANSYS Fluent軟件，采用標準湍流數學模型模擬石油在輸油管路中的溫度場和速度場的分布規律。同時實驗平臺包含理論計算模塊，基本方程已經系統自動設定，實驗者可通過改變相應的參數，系統可自動彈出理論計算的結果。

①基本模型的建立

根據輸油管道的幾何和物理特性，運用ICEMCFD軟件繪制管道的網格模型圖，并且根據輸運管道的參數特性，得到簡化版的三維模型圖，如圖2所示，系統中已經進行網格模塊數驗證，保證實驗的準確性。

圖2 管道模型簡圖

②控制方程與條件加載

在三維穩態條件下建立了輸油管道模型，首先利用CFD方法對油品運輸管道的性能進行數學模擬，然后利用壓力的有限體積法（FVM）對連續性、動量和能量的控制方程進行離散化求解；采用較簡單的壓力—速度耦合進行計算；采用二階迎風法解得能量方程和動量方程；收斂的標準可以利用連續方程、動量方程和能量方程的殘差值來得到。

③模擬結果分析

根據實驗者閱讀實驗參考資料對實驗參數進行基本了解，對實驗的數據進行參數設定，具體分析所得的速度和溫度分布圖，總結實驗模擬結果。

如圖3所示，假設石油進口溫度為20℃、進口流速為2m/s、太陽強度為600W/m2，通過改變聚光器的聚光比實驗者可以研究石油出口溫度隨著聚光比的變化關系。可以看到隨著聚光比的增加石油出口溫度呈現等比例上升，另外，可以在管道出口末端安裝換熱設備，收集石油多余的熱量，做到能量的高效利用。

圖3 理論溫度和模擬溫度隨聚光比的變化關系

如圖4所示，實驗者可以在軟件中選擇不同的油品種類進行比較。從圖4可以看出，不同油品的摩阻系數隨著溫度的上升而降低，這就給升溫減阻提供了現實的可能性。從圖中還可以發現，五種油品根據溫度的不同，其摩阻系數也各不相同，如此可以根據實際運輸油品的種類選擇合適的管道長度、聚光比等設計參數，使得其摩阻系數達到最小，實現最佳的減阻效果。

圖4 摩阻系數與溫度的關系

通過系統不同設計參數的設定，利用仿真軟件的數值模擬模塊以及理論計算模塊，可以得到以下結論：輸油管路的出口溫度隨著聚光比的增加而上升，在實際的工程中，并不需要太高溫度的石油，只要達到管道減阻的目的即可，在實際運用中可以根據需要的溫度改變聚光比；輸油管路的出口溫度隨著太陽強度的增加而上升，當太陽強度較高時，僅需要在管道的前段部分聚光，可以簡化管線的結構的同時又節省了成本；模擬得出摩阻系數與溫度的關系曲線，不同油品的摩阻系數隨著溫度的升高而降低，實驗者可以根據不同油品達到最佳減阻效果設計加熱管長、聚光器的聚光比等參數。

5.結論

國家“十四五”規劃中對石油化工為重點的行業推進節能大改造，利用太陽能聚光加熱輸油管道的新型減阻集熱方式，實現傳統能源與新能源的有效對接、節能降碳的同時，加強了行業的革新，具有重要的研究意義。而將虛擬仿真技術融入多元化教學之中，建設太陽能聚光石油減阻虛擬仿真實驗平臺，更好地為學生提供解決石油輸運減阻的相關問題，走出了傳統實驗教學的窘境，拓展了相關專業學生學習知識的廣度和深度，大力培養學生自我學習的興趣，挖掘其自主創新能力。