聚光太阳能石油减碳虚拟仿真实验的建立与应用

＊陈海飞 刘艳艳 胡考钰 黄华龙 彭明国 周诗岽

（常州大学石油工程学院能源学院 江苏 213100）

随着科技的发展和信息时代的推进，目前的教育方式也发生了深刻的变革，信息技术化教育已经成为现代教育的大趋势。对比现在人才市场的需求，具有实操能力的人才才是如今市场的诉求。所以目前很多高校更加注重对学生实践操作能力的培养，尤其是在理工类专业教学中，课程教学摒弃以往按部就班、就书论书的陋习，将实验基础课程融入课堂。而传统的实验教学受实验场所限制，实验器材不足，专业的实验指导欠缺等因素的影响，往往不能很好地落实。而虚拟仿真技术平台给实施者提供了“实验室”，开辟了“智能+教育”的新途径，使得教学形式多样化[1]。

本文将以学生为中心将模拟太阳能聚光加热输油管道的新型减阻集热实现减碳的方式融入虚拟仿真教学平台的建设和实施中来，以老师指导为辅，学生操作为主，加强锻炼学生实践操作能力的同时，培养其创新能力和探索兴趣[2]。

1.实验金项建设背景

石油作为国家生存和发展不可或缺的战略资源，其生产和运输过程一直受到极大的重视。由于石油是含蜡量比较高的流体，在运输途中温度较低时容易出现滞留现象，传统的管道减阻技术是添加减阻剂，或者使用锅炉预热的形式，需要消耗额外大量的能源，后续处理不当的话会造成环境污染等一系列的负面 问题[3-4]。

利用现代的虚拟仿真技术，能够模拟出石油在管道内流动的全过程，实时跟踪不同设定参数下系统的动态变化过程，根据模拟的反馈结果，通过反复的对比优化，总结出最佳的减阻效果，作为真实实验中的参数依据，达到虚拟与实践教学的完美结合[5-7]。

2.实验金项特点

(1)突破实际石油管道铺设地点的限制

石油输运管道的铺设地受地域限制因素较为明显，较为大型的石油输运管道包括干线管道部分以及经过河流、峡谷、河底等自然障碍时的跨越工程，范围大，距离远，所以增大了实地教学的难度，学生无法直观的接触到实物，对于多元化教学的目的难以实现。然而，通过虚拟仿真技术，学生可以直接在电脑开放端完成实验操作流程，可以系统而全面地提高感官认识，不受实验地点的限制[8]。

(2)突破实验器材价格昂贵、体积庞大的限制

系统所涉及的聚光器、石油运输管道、换热器、集热水箱等装置体积庞大，价格昂贵，学校将其安装在实验室为学生提供实验教学的举措不太现实，而且精密的仪器需要人工看管和维护，后期将花费大量的人力物力财力。而通过虚拟仿真技术，有效地克服了实验机器价格昂贵、体积庞大的限制。石油管道减阻虚拟仿真实验可以基于PC端和移动端面而设计，有效地节约了实验成本，节省了实验空间。

(3)突破传统难以改变工况参数设定值的限制

通过虚拟仿真技术，学生可以自主地设计聚光比、管道长度、太阳强度等参数，并进行线上实验模拟，通过自主设计的实验结果进行前后对比，在线分析，找到最佳的减阻效果。如此可以有效地解决传统实验教学带来的可行性差、学生参与度低、教学效果较差等问题，此外学生也可以通过系统的交流平台，及时对实验中遇到的问题进行交流反馈。

3.太阳能聚光石油减阻虚拟仿真实验平台的建设

建设虚拟实验教学平台的核心是将实验操作的全过程通过虚拟平台进行展示[9]。

(1)平台技术建设

构建虚拟实验教学平台的工具主要是ANSYS Fluent 软件，Fluent软件可以对工业应用中的流动、湍流、热交换和各类反应进行建模，另外还配备了超强的可扩展的高性能计算（HPC）功能，能够快速且经济有效地解决复杂的大型模型计算流体动力学（CFD）仿真问题。其形象的三维造型和实时渲染图形描述的功能，让参与者具有身临其境的体验[10-11]。

(2)平台功能模块建设

我校太阳能聚光石油减阻虚拟仿真教学平台的功能模块体系如图1所示，其中包括两个主要模块区，分别是学生实验平台区和教师管理平台区。在学生实验平台区，学生可以实现课堂签到，完成实验具体的操作，之后根据实验测得的实验数据完成实验报告，实验后通过完成实验练习和考核进行流程的巩固，帮助学生全面掌握石油管道减阻的相关知识。在教师管理平台区任课教师可以利用管理系统，对学生的考勤情况、具体操作、实验报告、练习、考核等情况进行实时监测，全面客观地评价学生在实际操作过程中对系统的整体掌握情况，并发现其中的不足，及时对学生的错误进行指导纠正，有效地弥补传统教学中仅仅凭借学生的实验报告数据对学生进行优良评定的不足[12]。

图1 太阳能聚光石油减阻虚拟仿真实验平台体系

4.实验金项具体实践

(1)登陆虚拟仿真系统

学生用户首先根据账号密码登陆进入操作系统，按照系统提示要求进行课堂签到，然后按照操作界面的指示阅读太阳聚光石油减阻虚拟仿真的项目背景、项目目的、整个工作流程、操作注意事项等，为接下来的具体操作做好准备。

(2)虚拟实验操作

实验中假设石油为不可压缩流体，且处于稳态紊流，运用系统中的ANSYS Fluent软件，采用标准湍流数学模型模拟石油在输油管路中的温度场和速度场的分布规律。同时实验平台包含理论计算模块，基本方程已经系统自动设定，实验者可通过改变相应的参数，系统可自动弹出理论计算的结果。

①基本模型的建立

根据输油管道的几何和物理特性，运用ICEMCFD软件绘制管道的网格模型图，并且根据输运管道的参数特性，得到简化版的三维模型图，如图2所示，系统中已经进行网格模块数验证，保证实验的准确性。

图2 管道模型简图

②控制方程与条件加载

在三维稳态条件下建立了输油管道模型，首先利用CFD方法对油品运输管道的性能进行数学模拟，然后利用压力的有限体积法（FVM）对连续性、动量和能量的控制方程进行离散化求解；采用较简单的压力—速度耦合进行计算；采用二阶迎风法解得能量方程和动量方程；收敛的标准可以利用连续方程、动量方程和能量方程的残差值来得到。

③模拟结果分析

根据实验者阅读实验参考资料对实验参数进行基本了解，对实验的数据进行参数设定，具体分析所得的速度和温度分布图，总结实验模拟结果。

如图3所示，假设石油进口温度为20℃、进口流速为2m/s、太阳强度为600W/m2，通过改变聚光器的聚光比实验者可以研究石油出口温度随着聚光比的变化关系。可以看到随着聚光比的增加石油出口温度呈现等比例上升，另外，可以在管道出口末端安装换热设备，收集石油多余的热量，做到能量的高效利用。

图3 理论温度和模拟温度随聚光比的变化关系

如图4所示，实验者可以在软件中选择不同的油品种类进行比较。从图4可以看出，不同油品的摩阻系数随着温度的上升而降低，这就给升温减阻提供了现实的可能性。从图中还可以发现，五种油品根据温度的不同，其摩阻系数也各不相同，如此可以根据实际运输油品的种类选择合适的管道长度、聚光比等设计参数，使得其摩阻系数达到最小，实现最佳的减阻效果。

图4 摩阻系数与温度的关系

通过系统不同设计参数的设定，利用仿真软件的数值模拟模块以及理论计算模块，可以得到以下结论：输油管路的出口温度随着聚光比的增加而上升，在实际的工程中，并不需要太高温度的石油，只要达到管道减阻的目的即可，在实际运用中可以根据需要的温度改变聚光比；输油管路的出口温度随着太阳强度的增加而上升，当太阳强度较高时，仅需要在管道的前段部分聚光，可以简化管线的结构的同时又节省了成本；模拟得出摩阻系数与温度的关系曲线，不同油品的摩阻系数随着温度的升高而降低，实验者可以根据不同油品达到最佳减阻效果设计加热管长、聚光器的聚光比等参数。

5.结论

国家“十四五”规划中对石油化工为重点的行业推进节能大改造，利用太阳能聚光加热输油管道的新型减阻集热方式，实现传统能源与新能源的有效对接、节能降碳的同时，加强了行业的革新，具有重要的研究意义。而将虚拟仿真技术融入多元化教学之中，建设太阳能聚光石油减阻虚拟仿真实验平台，更好地为学生提供解决石油输运减阻的相关问题，走出了传统实验教学的窘境，拓展了相关专业学生学习知识的广度和深度，大力培养学生自我学习的兴趣，挖掘其自主创新能力。