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热力系统的动态建模与仿真

热力系统是指由热力学原理和传热、传质现象共同组成的系统，
广泛应用于化工、能源、生命科学等领域。为了研究热力系统的
行为和性能，建立动态建模和仿真模型成为了必要的工作之一。

本文将在此基础上，探讨热力系统的动态建模与仿真技术。

一、热力系统的数学建模

热力系统的数学建模是建立热力学模型和控制模型的基础。首
先需要了解系统的物理构成和过程，掌握热力学基本原理和传热
传质现象，建立数学模型，通常使用的方法为利用基本方程组和

状态方程描述系统。

热力学基本方程组包括能量守恒方程、质量守恒方程和动量守
恒方程，其描述了系统内各物质成分的质量、热量、动量转移过

程。状态方程包括理想气体状态方程、vanderWaals等温线方程、
Antoine关系式等。热力学模型的确定和更改应根据实验数据和资

源变化进行调整。

二、建立系统模型

热力系统的建模方法有多种，如物理建模、模型平衡方法、时

间变化模型等。基于以上方法的一些实用案例，描述如下：

1.物理建模法
物理建模法是基于热力学基本原理，建立对应热力学模型，编
制数学模型。通常需要结合实验数据对模型进行校正。模型建立
的关键在于选择适合实验数据的模型，可以通过实验数据拟合模

型参数。

例如，将热电联用发电机系统的燃气轮机燃烧室进行建模。以
动力学方程应用体积平衡、能量平衡和质量守恒原始方程，考虑

到燃气涡轮机和电化学电池的耦合效应。

2.模型平衡方法

模型平衡方法将系统中各组分作为平衡状态，以应用热力学理
论对系统进行建模。通常采用多级次的方法，包括平衡计算和动

态模拟。

例如，预测烟气的组成，使用HSCChemistry软件进行模拟，
将燃烧烟气放入系统中，对各组分的约束进行处理，获得最终结

果。

3.时序模型法

时序模型法以气动力学平衡、燃烧和传热等关键参数作为模型
输入，然后从中计算出系统中各变量的变化情况，并用数学模型
予以描述。时序模型法的优点在于不需要对系统中各组分作平衡

处理。
例如，对真空达到稳态的计算，建立了时间变化模型，通过有

限体积法计算控制体积内的参数，进而获得真空的时间变化曲线。

三、仿真模型

热力学系统的仿真模型可以反映物理系统在实际运行中所表现
的行为及其性能。为了达到仿真模型的精确性，需要在建模时考

虑到粘度、热扩散和物理积分等诸多因素。

仿真模型主要可以分为两大类：离散事件仿真模型和连续仿真

模型。

1.离散事件仿真模型

离散事件仿真模型采用离散事件概率模型，模拟物理系统中事
件的产生与消失过程。这类模型适用于描述系统中较慢变化的发
生事件，如系统或炉子的开启和关闭，振动，高温切削和焊接过

程等。

2.连续仿真模型

连续仿真模型是基于微分方程的模型，它描述了物理系统变量
在不断变化的过程中的行为以及系统的性能和响应能力。这类模

型主要适用于热力学系统内部的决策和控制问题。
例如，使用动力学方程和函数模拟蒸发过程。凭借式递推的数
值计算方法，可以得到充分模拟纯液体系统和液体混合物系统的

蒸发过程。

四、热力系统仿真应用案例

仿真模型可应用于广泛的工业和实际场景。以下是几个典型应

用案例：

1.工业燃气轮机系统中的控制策略

在燃气轮机系统的过程控制中，ACC(压缩空气加热)通常为
影响整个系统性能的主要因素之一。描述了ACC系统的热学模型，

并对其进行仿真研究，建立了ACC的控制策略。

2.蒸汽涡轮发电机组的建模与仿真

蒸汽涡轮发电机组中的热力系统设计对丰富电力市场功能有重
要意义。建立蒸汽涡轮机系统的动态仿真模型，对其涡轮转速、

温度等运行参数进行研究和优化，获得更高效能的发电系统。

3.溶剂减压升华精制技术

采用基于分质段导热和混合流体动力学模拟的高速工艺，探索
了溶剂减压升华技术进行有机颗粒物制备的可能性。此外，利用
不同种类的有机分子的物性数据和动力学参数，建立溶剂减压升

华系统的数学模型，并进行了模拟和优化分析。
结论

在热力学系统中，动态建模和仿真技术是非常重要的应用领域，
通过正确选择合适的模型和仿真模型，为热力学系统的操作和调
节带来新的机会和方法。未来，随着计算机仿真和建模技术的迅
速发展，热力学系统的建模与仿真技术将出现更加广泛和深入的

应用。