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摘 要：化工原理課程中的一個(gè)最基礎(chǔ)部分就是流體的輸送，此過(guò)程計(jì)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(yǔ)言具有強(qiáng)大的繪圖能力和數(shù)值計(jì)算功能，對(duì)于流體流動(dòng)的模擬有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。本文借助典型例題，提出使用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算流體流動(dòng)過(guò)程的計(jì)算方法和數(shù)值處理思路。另外，也淺要探討了計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(dòng)過(guò)程單元轉(zhuǎn)化成學(xué)生易于理解的計(jì)算機(jī)計(jì)算流程，從而大大增強(qiáng)了教學(xué)的可視性。

關(guān)鍵詞：化工原理；流體流動(dòng) ；計(jì)算機(jī)輔助

一、緒論

諸如化工、輕化工程等課程都屬于過(guò)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?；ぴ碚n程起到了橋梁的過(guò)程，是學(xué)生利用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的初次探索。實(shí)際中，此課程包含了眾多的公式、繁雜的概念，計(jì)算過(guò)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(duì)實(shí)際過(guò)程有清晰的理解，所以必須要嘗試新的授課手段來(lái)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)化工原理課程的理解。同時(shí)，也必須考慮到學(xué)生使用復(fù)雜多變的理論知識(shí)或者經(jīng)驗(yàn)公式解決實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候，仍然感覺(jué)計(jì)算過(guò)于繁瑣，這個(gè)時(shí)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(jì)算過(guò)程和細(xì)節(jié)的要求下輕易地完成工程計(jì)算。

在新提出的過(guò)程類專業(yè)改革過(guò)程中，明確將計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)作為一項(xiàng)重點(diǎn)改革內(nèi)容，提出要多使用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行工程計(jì)算。這確實(shí)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(yǔ)言或者FORTRAN，用這兩種語(yǔ)言編寫的程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流程多變，學(xué)生需要很長(zhǎng)的一段時(shí)間才能初步掌握。MATLAB作為一種數(shù)值計(jì)算常用的數(shù)學(xué)軟件，在數(shù)學(xué)建模等方面有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而且還具有開(kāi)發(fā)效率高、界面友好等特點(diǎn)，因此使用MATLAB進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)是一種不錯(cuò)的選擇。本文以MATLAB工具作為計(jì)算機(jī)輔助平臺(tái)，以化工原理中常見(jiàn)的基礎(chǔ)單元操作—流體輸送過(guò)程作為研究對(duì)象，并且對(duì)一些典型例題進(jìn)行了分析，然后給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法。最后使用MATLAB和EXCEL來(lái)對(duì)處理實(shí)驗(yàn)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(dá)出計(jì)算的結(jié)果。MATLAB是一種有效而高效的計(jì)算機(jī)輔助手段。

二、流體輸送過(guò)程當(dāng)中的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算

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

1.管路計(jì)算

管路計(jì)算的主要內(nèi)容其實(shí)就是綜合運(yùn)行伯努利方程、連續(xù)性方程式以及能量損失計(jì)算式，根據(jù)輸入的已知量和未知量來(lái)確定不同的算法。管路可以分為簡(jiǎn)單管路和復(fù)雜管路，這是根據(jù)整個(gè)流線上是否存在多條管線來(lái)區(qū)分的。計(jì)算簡(jiǎn)單管路一般有兩種方法，一種是操作型計(jì)算，另一種是設(shè)計(jì)型計(jì)算，這兩種計(jì)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(jì)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(biāo)時(shí)使用；設(shè)計(jì)型計(jì)算則是在管路尚不存在時(shí)按照給定的輸送任務(wù)進(jìn)行管路設(shè)計(jì)，選擇合理的路線保證設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。這兩個(gè)問(wèn)題可以歸結(jié)為流體流速或者管路路徑未知，無(wú)法根據(jù)已知條件判斷出流體的類型，也就無(wú)法獲得流體的摩擦系數(shù) ，也不能獲得Re的值。在工程計(jì)算上常常是使用試差法來(lái)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行處理。

2.計(jì)算中使用到的方程：

（1）使用伯努利方程來(lái)衡算流體流動(dòng)中的機(jī)械能

（2）自由度分析

以上求解方程組共涉及到了5個(gè)方程，變量個(gè)數(shù)為11，因此自由度是6。在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中，都是可以測(cè)量獲得的已知量，所以實(shí)際需要確定的變量只有一個(gè)，也就是說(shuō)可以從中選擇一個(gè)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(lái)求得的，同時(shí)也可以分析這些方程組的構(gòu)成，需找合適的方法來(lái)加快解題速度。下圖給出了求解此問(wèn)題的MATLAB程序流程圖。

三、流體·輸送過(guò)程當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)輔助處理

流體輸送實(shí)驗(yàn)的主要目的就是測(cè)定管路的阻力，得到離心泵的特性曲線。為了使結(jié)果相對(duì)精確，就需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這個(gè)過(guò)程中涉及到了極其繁瑣的計(jì)算，非常容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。借助計(jì)算機(jī)軟件Excel很夠極大程度地減少繁瑣的計(jì)算，獲得較為精確的圖表。同時(shí)Excel提供了大量的數(shù)學(xué)函數(shù)，擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能能力，使用它對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合不僅效率高，而且非常準(zhǔn)確。借助上述思路，針對(duì)離心泵特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)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(jì)算公式，最后時(shí)候Excel進(jìn)行了自動(dòng)計(jì)算，下圖是當(dāng)中一個(gè)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(guò)程中涉及到的數(shù)據(jù)量和運(yùn)算方法非常多，計(jì)算迭代的次數(shù)也非常多，對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何處理一直是一個(gè)令人頭痛但不得不面對(duì)的問(wèn)題。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)軟件擁有強(qiáng)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(jì)算任務(wù)，還能夠提高計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用能力，提高工作效率都有著巨大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

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