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[摘 要]在快速的完成对流化床系统的快速设计基础上介绍如何在流化床床体气速变化时对流化床系统中颗粒运动进行仿真和模拟。
[关键词] VC++；悬浮速度；仿真；
前言
流化床在不同领域中应用时，目的和要求往往有很大的差别，因此在生产流程、操作条件和设备结构上也有很大差别，需要将流化床的各种工业应用加以分类。流化床系统的设计非常复杂，根据不同的工艺要求，需要选择不同的设计方案。
仿真技术研究的主要课题是建模、仿真计算机和仿真软件。建立数学模型和仿真模型是仿真的第一步工作，主要应由专业人员完成。将仿真模型通过专用的仿真语言，编制程序，这自然是软件工作人员的事。而模拟结果的分析，参数的调整，就要靠专业人员与软件人员共同来完成。本文将要介绍如何在流化床床体气速变化时对流化床系统中颗粒运动进行仿真和模拟。
1.1系统仿真过程
对实际系统的仿真过程是一个不断发展和完善的过程，一般可分为以下几步：
①问题的提出：描述所研究问题的定义和求解目标。
②模型的建立：根据所提出的问题及其阐述，将系统抽象为数学上的逻辑关系。
④模型转换：用文字、图形和流程表示的逻辑关系转换为计算机的仿真语句序列。
⑤论证和计划：建立仿真模型和实际系统之间的关系，并为使用模型建立实验条件。
⑥实验：执行仿真模型，输出实验结果，包括数据、表格和图形等。
⑦分析结果：分析仿真的出的结果，求得解决问题的途径。
⑧修改和完善模型：根据仿真输出的结果，分析、修改和完善模型，重复地进行实验和分析，直到取得满意的结果为止。
⑨实施和文档：根据仿真结果作出决策，进行实施，记载模型和它的使用情况。
⑩系统维护：使用模型或仿真结果，形成产品并进行维护。
1.2仿真系统理论模型
使颗粒状物料与流动的气体或液体相接触，并在后者作用下呈现某种类似于流体的状态这就是固体流态化。借助这种流化状态以完成某种处理过程的技术，称为流态化技术。
1.2.1 理想流化床特性
1.固定床阶段
在气体速度较低时，由固体颗粒所组成得的床层静止不动，气体只从颗粒空隙中流过。因此，随着气速的增加，气体通过床层的摩擦阻力也相应增加。 对于随意充填的粒度均匀的颗粒床层.厄根（Ergun）得到求算固定床压强降的半经验公式，即：
当气速增大至某一定值，床层压强降恰等于单位面积床层净重力时，气体在垂直方向上给予床层的作用力刚好能够把全部床层颗粒托起，此时，床层变松并略有膨胀，但固体颗粒仍保持接触而没有流化，如图1.2中BC段所示。
2.流化床阶段
当流速继续增大超过C点时，颗粒就悬浮在流体中自由运动，床层高度随气速的加大而增高。但整个床层压强降却保持不变，仍然等于单位面积的床层净重力。流态化阶段的ΔP与u的关系如图5.2中的CE段所示。如果降低流化床的气速.则床层高度、空隙率也随着降低，ΔP—u关系仍沿EC线返回，当达到C点时，固体颗粒就互相接触而成为静止的固定床。若继续降低流速，床层压强降不再沿CBA折线变化，而是沿CA'线变化。比较AB线与A'C线可见，相同气速下，A'C线的压强降较低，这是因为床层曾被吹松，它比未被吹松过的固定床具有较大的空隙率。与C点相应的流速称为临界流化速度umf，它是最小流化速度。
流化阶段小床层的压强降，可根据颗粒与流体间的摩擦力恰与其净重力平衡的关系求出：
在气—固系统中，ρs與ρg相比较可以忽略，ΔP约等于单位面积床层的重力。
3.气流输送阶段
当流速增大至某一数位后，床层上界面消失，床层空隙率增大，所有颗粒都悬浮在气流中，并被气流带走。这时气流中颗粒浓度降低，由密相转为稀相，形成了两相（气固）同向流动的状态，即进入气流输送阶段。此阶段起点的空塔速度称为悬浮速度，它就是流化床操作所允许的理论上的最大气速。
1.3 仿真系统建立
1.3.1仿真主界面的建立
根据上面一节中所提到的理论模型，在VC++平台下建立流化床颗粒运动及压力降仿真系统。在建立仿真系统之前，先在VC++6.0下建立一个单文档可执行文件，具体步骤在第四章中有详述，这里就不再赘述了。在建立好的文件的菜单栏中添加“仿真”菜单，再在其下方添加“自动演示”和“动态演示”，其中“自动演示”选项模拟了管道中流化气体气速不断增加时流化床床体内颗粒的运动状况，而“动态演示”则模拟的是管道内流化气体的气速维持在一定值时流化床床体内颗粒的运动状况。其界面如图1.3。图中的左半部分是流化床系统的各部件，而右边的部分则为ΔP-u关系图。下面将介绍如何在视图中添加代码，制作此界面。
（1）由于此界面上，诸如标题，流化床系统各部件，lgΔP-lgu双对数坐标和U型管压差计可以将其视为静止不动的图片，所以可用windows自带的附件中的画笔程序，分别完成以上贴图的制作，然后点击“Insert”菜单下的“Resource”，将鼠标选择“Bitmap”使之在蓝色阴影下，然后点击“Import”按钮，选择图片导入，其ID号为IDB_BITMAP1，IDB_BITMAP2，IDB_BITMAP3 ，IDB_BITMAP4；
（2）在Mainview.h中添加变量 CBitmap m_Bitmap1，m_Bitmap2， m_Bitmap3，m_Bitmap4，用于指向这些图片；
（3）添加变量CRect m_ball[5][20]和CPoint point[1000]，前者用于在Mainview类里画颗粒，而后者则用于画lgΔP-lgu中的曲线图； （4）在Mainview.cpp文件的OnDraw（CDC* pDC）函数中添写代码，在合理的位置插入以上四个图片；
（5）同样在OnDraw（CDC* pDC）函数中添写代码，定义一个Cpen类的变量penline，完成对流化床床体和物料颗粒的制作。流化床床体按锥形床上部直径200mm，下部直径80mm，床体高400mm的比例制作，而物料颗粒则按直径2mm来制作。
（6） 点击“Insert”菜单下的“Resource”，选择“Dialog”，插入一个新的对话框，ID号为IDD_show，双击对话框建立一个新的类，类名为CshowDlg，然后在对话框中添加各个控件，添写相应的ID号和名称，具体如图1.4。
通过以上6步就可以完成流化床仿真系统主界面的建立了，但是光有主界面还是远远不够的，我们还需要根据理论模型和原理添加代码，完善其功能。
1.4 仿真系统的运行
仿真系统建立完毕之后，编译执行，用户就可以使用这个仿真系统，在运行时，仿真演示界面如图1.5。
通过此仿真系统，用户可以非常容易的看到在不同流化气速下物料颗粒在流化床中的运动以及其相对应的压力降，使研究更加直观和实验可预测，大大方便了开发和实验工作。
总结
通过基于VC++6.0平台建立的快速设计和仿真系统可以直观的看到整个设计过程中各项参数对流化床系统的影响，同時通过不断的整合和补充可以使得本程序能够为设计人员提供快速和详实的设计参数。
参考文献
[1]方媛媛，曹荣生，张智.基于VC++的起落架的三维仿真系统实现，应用科技，2009（05）：16
[2]王兰美，赵继成，秦华东.Open GL及其在VC++开发环境下的编程实现，山东理工大学学报（自然科学版）， 2006，（04）：10
[3].朱学军，吕芹，叶世超.振动流化床床层压降理论分析与实验研究，四川大学学报（工程科学版），2007（01）：15
[4] 幸贵川.基于VC++的物料悬浮速度的可视化快速计算，科技信息（学术研究），2008（12）：262
[5] 秦成虎，向文国，徐祥，沈来宏，肖军.流化床锅炉虚拟表示研究，2004，21（11）：72
[关键词] VC++；悬浮速度；仿真；
前言
流化床在不同领域中应用时，目的和要求往往有很大的差别，因此在生产流程、操作条件和设备结构上也有很大差别，需要将流化床的各种工业应用加以分类。流化床系统的设计非常复杂，根据不同的工艺要求，需要选择不同的设计方案。
仿真技术研究的主要课题是建模、仿真计算机和仿真软件。建立数学模型和仿真模型是仿真的第一步工作，主要应由专业人员完成。将仿真模型通过专用的仿真语言，编制程序，这自然是软件工作人员的事。而模拟结果的分析，参数的调整，就要靠专业人员与软件人员共同来完成。本文将要介绍如何在流化床床体气速变化时对流化床系统中颗粒运动进行仿真和模拟。
1.1系统仿真过程
对实际系统的仿真过程是一个不断发展和完善的过程，一般可分为以下几步：
①问题的提出：描述所研究问题的定义和求解目标。
②模型的建立：根据所提出的问题及其阐述，将系统抽象为数学上的逻辑关系。
④模型转换：用文字、图形和流程表示的逻辑关系转换为计算机的仿真语句序列。
⑤论证和计划：建立仿真模型和实际系统之间的关系，并为使用模型建立实验条件。
⑥实验：执行仿真模型，输出实验结果，包括数据、表格和图形等。
⑦分析结果：分析仿真的出的结果，求得解决问题的途径。
⑧修改和完善模型：根据仿真输出的结果，分析、修改和完善模型，重复地进行实验和分析，直到取得满意的结果为止。
⑨实施和文档：根据仿真结果作出决策，进行实施，记载模型和它的使用情况。
⑩系统维护：使用模型或仿真结果，形成产品并进行维护。
1.2仿真系统理论模型
使颗粒状物料与流动的气体或液体相接触，并在后者作用下呈现某种类似于流体的状态这就是固体流态化。借助这种流化状态以完成某种处理过程的技术，称为流态化技术。
1.2.1 理想流化床特性
1.固定床阶段
在气体速度较低时，由固体颗粒所组成得的床层静止不动，气体只从颗粒空隙中流过。因此，随着气速的增加，气体通过床层的摩擦阻力也相应增加。 对于随意充填的粒度均匀的颗粒床层.厄根（Ergun）得到求算固定床压强降的半经验公式，即：
当气速增大至某一定值，床层压强降恰等于单位面积床层净重力时，气体在垂直方向上给予床层的作用力刚好能够把全部床层颗粒托起，此时，床层变松并略有膨胀，但固体颗粒仍保持接触而没有流化，如图1.2中BC段所示。
2.流化床阶段
当流速继续增大超过C点时，颗粒就悬浮在流体中自由运动，床层高度随气速的加大而增高。但整个床层压强降却保持不变，仍然等于单位面积的床层净重力。流态化阶段的ΔP与u的关系如图5.2中的CE段所示。如果降低流化床的气速.则床层高度、空隙率也随着降低，ΔP—u关系仍沿EC线返回，当达到C点时，固体颗粒就互相接触而成为静止的固定床。若继续降低流速，床层压强降不再沿CBA折线变化，而是沿CA'线变化。比较AB线与A'C线可见，相同气速下，A'C线的压强降较低，这是因为床层曾被吹松，它比未被吹松过的固定床具有较大的空隙率。与C点相应的流速称为临界流化速度umf，它是最小流化速度。
流化阶段小床层的压强降，可根据颗粒与流体间的摩擦力恰与其净重力平衡的关系求出：
在气—固系统中，ρs與ρg相比较可以忽略，ΔP约等于单位面积床层的重力。
3.气流输送阶段
当流速增大至某一数位后，床层上界面消失，床层空隙率增大，所有颗粒都悬浮在气流中，并被气流带走。这时气流中颗粒浓度降低，由密相转为稀相，形成了两相（气固）同向流动的状态，即进入气流输送阶段。此阶段起点的空塔速度称为悬浮速度，它就是流化床操作所允许的理论上的最大气速。
1.3 仿真系统建立
1.3.1仿真主界面的建立
根据上面一节中所提到的理论模型，在VC++平台下建立流化床颗粒运动及压力降仿真系统。在建立仿真系统之前，先在VC++6.0下建立一个单文档可执行文件，具体步骤在第四章中有详述，这里就不再赘述了。在建立好的文件的菜单栏中添加“仿真”菜单，再在其下方添加“自动演示”和“动态演示”，其中“自动演示”选项模拟了管道中流化气体气速不断增加时流化床床体内颗粒的运动状况，而“动态演示”则模拟的是管道内流化气体的气速维持在一定值时流化床床体内颗粒的运动状况。其界面如图1.3。图中的左半部分是流化床系统的各部件，而右边的部分则为ΔP-u关系图。下面将介绍如何在视图中添加代码，制作此界面。
（1）由于此界面上，诸如标题，流化床系统各部件，lgΔP-lgu双对数坐标和U型管压差计可以将其视为静止不动的图片，所以可用windows自带的附件中的画笔程序，分别完成以上贴图的制作，然后点击“Insert”菜单下的“Resource”，将鼠标选择“Bitmap”使之在蓝色阴影下，然后点击“Import”按钮，选择图片导入，其ID号为IDB_BITMAP1，IDB_BITMAP2，IDB_BITMAP3 ，IDB_BITMAP4；
（2）在Mainview.h中添加变量 CBitmap m_Bitmap1，m_Bitmap2， m_Bitmap3，m_Bitmap4，用于指向这些图片；
（3）添加变量CRect m_ball[5][20]和CPoint point[1000]，前者用于在Mainview类里画颗粒，而后者则用于画lgΔP-lgu中的曲线图； （4）在Mainview.cpp文件的OnDraw（CDC* pDC）函数中添写代码，在合理的位置插入以上四个图片；
（5）同样在OnDraw（CDC* pDC）函数中添写代码，定义一个Cpen类的变量penline，完成对流化床床体和物料颗粒的制作。流化床床体按锥形床上部直径200mm，下部直径80mm，床体高400mm的比例制作，而物料颗粒则按直径2mm来制作。
（6） 点击“Insert”菜单下的“Resource”，选择“Dialog”，插入一个新的对话框，ID号为IDD_show，双击对话框建立一个新的类，类名为CshowDlg，然后在对话框中添加各个控件，添写相应的ID号和名称，具体如图1.4。
通过以上6步就可以完成流化床仿真系统主界面的建立了，但是光有主界面还是远远不够的，我们还需要根据理论模型和原理添加代码，完善其功能。
1.4 仿真系统的运行
仿真系统建立完毕之后，编译执行，用户就可以使用这个仿真系统，在运行时，仿真演示界面如图1.5。
通过此仿真系统，用户可以非常容易的看到在不同流化气速下物料颗粒在流化床中的运动以及其相对应的压力降，使研究更加直观和实验可预测，大大方便了开发和实验工作。
总结
通过基于VC++6.0平台建立的快速设计和仿真系统可以直观的看到整个设计过程中各项参数对流化床系统的影响，同時通过不断的整合和补充可以使得本程序能够为设计人员提供快速和详实的设计参数。
参考文献
[1]方媛媛，曹荣生，张智.基于VC++的起落架的三维仿真系统实现，应用科技，2009（05）：16
[2]王兰美，赵继成，秦华东.Open GL及其在VC++开发环境下的编程实现，山东理工大学学报（自然科学版）， 2006，（04）：10
[3].朱学军，吕芹，叶世超.振动流化床床层压降理论分析与实验研究，四川大学学报（工程科学版），2007（01）：15
[4] 幸贵川.基于VC++的物料悬浮速度的可视化快速计算，科技信息（学术研究），2008（12）：262
[5] 秦成虎，向文国，徐祥，沈来宏，肖军.流化床锅炉虚拟表示研究，2004，21（11）：72