引言

在能源转型与节能降耗的时代背景下，动力工程热力系统作为电力生产、工业供热等领域的核心组成部分，其高效稳定运行已成为行业关注的焦点。热力系统内部存在复杂的热传导、热对流、热辐射及流体流动等耦合现象，传统实验方法难以全面捕捉系统内部的动态变化规律，且存在成本高、周期长、操作难度大等局限性。

一、动力工程热力系统与数值模拟技术概述

（一）动力工程热力系统的组成与运行特性

动力工程热力系统是由多个热力设备和管路组成的复杂系统，主要涵盖锅炉、汽轮机、换热器、冷凝器、水泵、风机等核心设备，以及连接各设备的管道、阀门等辅助部件。各设备通过能量传递与物质交换形成有机整体，实现能源从一种形式到另一种形式的转化，或完成热量的输送与分配。

（二）数值模拟技术的核心原理

数值模拟技术的核心原理是通过建立能够描述热力系统物理过程的数学模型，利用数值计算方法求解模型中的控制方程，进而获得系统内部各物理量的分布与变化规律。其核心流程包括物理问题抽象、数学模型建立、控制方程离散、数值求解、结果验证等关键环节。

（三）热力系统数值模拟的常用方法与软件

热力系统数值模拟的常用方法包括有限差分法、有限元法、有限体积法等。有限差分法通过将控制方程在离散点上进行差分近似，具有原理简单、计算效率高的特点，适用于结构规则的热力系统模拟。有限元法将物理域划分为有限个单元，通过单元插值函数逼近真实解，具有适应性强、精度高的优势，可用于复杂结构热力系统的模拟。有限体积法基于守恒定律，通过对控制体进行积分建立离散方程，兼具有限差分法的高效性与有限元法的适应性，是当前热力系统数值模拟中应用最广泛的方法之一。

二、动力工程热力系统数值模拟的建模流程

（一）研究对象确定与边界条件设定

数值模拟建模的首要环节是明确研究对象，根据分析目的确定热力系统的研究范围，合理划分系统的核心部件与辅助部件。在确定研究对象时，需综合考虑分析精度要求与计算成本，避免因研究范围过大导致计算量激增，或因研究范围过小导致关键物理过程被忽略。边界条件设定是数值模拟建模的关键步骤，直接影响模拟结果的准确性。边界条件包括热力边界、水力边界、几何边界等，需根据热力系统的实际运行情况进行合理设定。热力边界主要涉及温度、热流密度等参数的设定，水力边界主要包括压力、流量等参数的设定，几何边界则明确研究对象的空间范围与形状。

（二）几何建模与网格划分

几何建模是根据热力系统的实际结构，利用数值模拟软件的建模工具构建三维几何模型的过程。几何建模需严格遵循系统的实际尺寸与结构特征，确保模型能够真实反映系统的物理形态。在建模过程中，可对系统的复杂结构进行适当简化，去除对模拟结果影响较小的细节特征，以降低网格划分难度与计算量。网格划分是将几何模型划分为有限个离散单元的过程，网格质量直接影响数值计算的精度与效率。网格划分需根据模型的结构特征与物理过程的复杂程度选择合适的网格类型，常见的网格类型包括结构化网格与非结构化网格。结构化网格具有网格排列规则、计算效率高的特点，适用于结构规则的模型；非结构化网格具有适应性强的优势，适用于结构复杂的模型。

（三）物理模型选择与控制方程确定

物理模型选择需根据热力系统内部的核心物理过程进行确定，如针对热传递过程需选择合适的传热模型，针对流体流动过程需选择合适的流动模型。对于复杂的热力系统，可能需要同时选择多种物理模型，以全面描述系统内部的耦合物理过程。在选择物理模型时，需综合考虑物理过程的实际特征与模拟精度要求，避免选择过于简化的模型导致模拟结果精度不足，或选择过于复杂的模型导致计算量过大。控制方程是描述物理过程的数学表达式，需根据选择的物理模型确定相应的控制方程。

三、数值模拟在热力系统性能分析中的核心应用

（一）热力系统运行性能评估

数值模拟技术可通过模拟热力系统在不同运行工况下的温度场、压力场、速度场等关键参数分布，全面评估系统的运行性能。通过分析模拟结果，可明确系统内部能量传递与转换的效率，识别系统运行过程中的能量损失环节。例如，通过模拟换热器内部的温度分布与流体流动状态，可评估换热器的换热效率，判断是否存在换热不均、局部过热等问题。此外，数值模拟技术还可用于评估热力系统在变工况运行下的性能稳定性。通过模拟不同负荷、不同环境条件下系统的运行状态，分析系统参数的动态变化规律，判断系统是否能够在变工况下稳定运行，为系统的运行调控提供依据。

（二）热力系统参数优化

参数优化是提升热力系统运行效率与经济性的重要手段，数值模拟技术为热力系统参数优化提供了高效的技术途径。通过建立热力系统的数值模型，可模拟不同参数组合下系统的运行性能，分析各参数对系统性能的影响规律，进而确定最优的参数组合。参数优化的范围包括运行参数与结构参数，运行参数如流体流量、进出口温度、压力等，结构参数如设备的几何尺寸、内部构件的布置方式等。在参数优化过程中，可采用单因素优化或多因素优化的方法。单因素优化通过固定其他参数，改变某一参数的值，分析该参数对系统性能的影响，确定该参数的最优值；多因素优化则综合考虑多个参数的相互影响，通过多目标优化算法求解最优的参数组合。数值模拟技术能够快速、高效地完成不同参数组合下的模拟计算，大幅缩短参数优化周期，降低优化成本。

（三）热力系统故障预判与诊断

热力系统在长期运行过程中，可能因设备磨损、结垢、腐蚀等问题引发故障，影响系统的正常运行。数值模拟技术可通过模拟故障状态下系统的运行特性，实现对热力系统故障的预判与诊断。通过建立包含故障特征的数值模型，模拟故障发生时系统内部参数的变化规律，可提前识别可能发生的故障类型与故障位置。当热力系统出现故障时，可通过将实际运行参数与数值模拟结果进行对比，分析参数偏差的原因，精准定位故障位置，判断故障严重程度，并提出相应的故障处理方案。例如，通过模拟锅炉结垢状态下的温度分布与热流密度变化，可预判锅炉结垢故障的发展趋势，为锅炉的清洗维护提供指导。数值模拟技术的应用，能够有效提升热力系统故障诊断的准确性与及时性，降低故障造成的损失。

四、热力系统数值模拟存在的问题与影响因素

（一）数值模拟结果的精度问题

数值模拟结果的精度是制约其在热力系统性能分析中应用的关键因素之一。影响数值模拟精度的因素众多，包括数学模型的简化程度、网格质量、数值计算方法的选择、边界条件的设定等。在建立数学模型时，为降低计算难度，往往会对复杂的物理过程进行简化，若简化过度，可能导致模型无法真实反映实际物理过程，进而影响模拟精度。网格质量不佳，如网格畸变、网格密度不足等，会导致数值计算过程中出现误差，降低模拟结果的准确性。此外，数值计算方法的精度限制、边界条件设定的偏差等，也会对模拟结果的精度产生不利影响。目前，数值模拟结果的精度验证主要依赖于与实验数据或理论分析结果的对比，但由于热力系统实际运行过程的复杂性，实验数据的获取往往存在一定难度，且实验过程中也会存在测量误差，这给数值模拟结果的精度验证带来了挑战。

（二）复杂耦合物理过程的模拟难度

动力工程热力系统内部往往存在热传递、流体流动、相变、化学反应等多种物理过程的耦合，这些耦合过程相互影响、相互制约，增加了数值模拟的难度。传统的数值模拟方法往往难以全面、精准地描述复杂耦合物理过程的动态变化规律，需要建立更复杂的数学模型，采用更高效的数值计算方法。例如，在锅炉燃烧过程中，存在燃料燃烧、热辐射、热对流、流体流动等多种物理过程的强烈耦合，各过程之间的相互作用机制复杂，需要同时考虑多个物理场的耦合计算，这不仅增加了建模难度，还大幅提升了计算量，对计算机硬件性能提出了更高的要求。

（三）计算成本与计算效率的制约

计算成本与计算效率是热力系统数值模拟过程中需要重点考虑的问题。随着热力系统模型复杂度的提升与模拟精度要求的提高，数值模拟的计算量大幅增加，需要消耗大量的计算资源，包括计算机硬件资源与时间资源。对于复杂的热力系统数值模型，一次模拟计算可能需要数小时甚至数天的时间，这不仅影响了模拟分析的效率，还增加了计算成本。目前，虽然计算机硬件性能不断提升，数值计算方法不断优化，但对于一些超大规模、超高精度的热力系统数值模拟，计算成本与计算效率仍然存在较大制约。

五、提升热力系统数值模拟质量的优化策略

（一）优化数学模型与数值计算方法

提升数值模拟质量的关键在于优化数学模型与数值计算方法。针对不同类型的热力系统与物理过程，需建立更精准的数学模型，减少模型简化带来的误差。例如，对于存在复杂相变过程的热力系统，可采用更精细的相变模型，准确描述相变过程中的能量传递与物质转换规律。同时，需加强对耦合物理过程建模方法的研究，建立能够全面反映多物理场耦合机制的数学模型。在数值计算方法方面，需选择精度更高、稳定性更好的数值计算方法，优化数值求解算法，减少数值离散误差与迭代误差。例如，可采用高阶差分格式、有限体积法的改进算法等，提升数值计算的精度；通过优化迭代求解策略，加快收敛速度，提升计算效率。此外，还可结合新兴的计算技术，开发适用于热力系统数值模拟的高效计算方法，进一步提升模拟质量。

（二）提升网格划分质量与适应性

网格质量对数值模拟结果的精度与计算效率具有重要影响，提升网格划分质量与适应性是优化数值模拟质量的重要途径。在网格划分过程中，需根据热力系统的结构特征与物理过程的分布规律，采用自适应网格划分技术，实现网格密度的智能调整。在物理过程变化剧烈的区域，自动加密网格，确保能够准确捕捉参数的变化细节；在物理过程变化平缓的区域，自动稀疏网格，降低计算量。同时，需加强对网格质量的检测与优化，采用网格质量评估指标，如网格畸变率、aspect比等，对划分后的网格进行全面检测，及时修正质量不佳的网格。此外，还可开发针对复杂热力系统结构的专用网格划分工具，提升网格划分的效率与质量，为数值模拟的精准性提供保障。

（三）强化模拟结果的验证与校准

强化模拟结果的验证与校准是提升数值模拟可靠性的重要手段。建立完善的模拟结果验证体系，综合采用实验验证、理论验证、交叉验证等多种验证方法，确保模拟结果的准确性。在实验验证方面，需加强对热力系统关键运行参数的实验测量，积累丰富的实验数据，为模拟结果的验证提供可靠依据。同时，需减小实验测量误差，提升实验数据的精度。在模拟结果校准方面，可采用参数反演方法，根据实验数据调整数值模型的参数，使模拟结果与实验数据保持一致。通过不断优化模型参数，提升数值模型的适用性与准确性。此外，还可建立数值模拟结果的不确定性分析方法，量化各类因素对模拟结果的影响程度，为模拟结果的合理应用提供参考。

结束语

数值模拟技术作为一种高效、精准的分析工具，在动力工程热力系统性能分析中发挥着越来越重要的作用。本文系统阐述了动力工程热力系统与数值模拟技术的相关理论，梳理了热力系统数值模拟的建模流程，深入探讨了数值模拟在热力系统运行性能评估、参数优化、故障预判与诊断等方面的核心应用，分析了当前数值模拟技术应用过程中存在的精度、复杂耦合模拟、计算成本与效率等问题，并提出了相应的优化策略。

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