计算机模拟技术的应用

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计算机模拟技术的应用范文第1篇

【关键词】计算机软件 模拟技术 应用问题

1 计算机体系结构软件模拟技术概述

1.1 计算机体系结构软件模拟技术探索阶段

计算机体系结构软件模拟技术所针对的是计算机中重要的组成部分――CPU而开发的。在上世纪八十年代，计算机并没有得到普及，当时所使用的技术是数据驱动技术，这种技术可以在执行海量的计算机操作之后，依照所收集到的数据来对CPU进行检测与分析。在随后的时间里，数据驱动技术在一些创新型分析技术的影响下得到了巨大的进步，在计算机行业中被称为性能分析模式技术。这种新型的分析技术，在CPU的研发中得到了广泛的使用，并且在很大程度上降低了开发的时间、成本以及投资的风险。

1.2 计算机体系结构软件模拟技术研发阶段

随着计算机水平的不断提高，技术工作人员通过前面的探索工作，整理出来了一套全新的软件研发技术。这套技术能够通过性能分析模式，有效地实现对计算机系统的改良，改良后的系统可以在CPU中正常地运用软件模拟技术。这样的软件模拟技术能够让计算机体系结构，不仅实现了性能分析技术的应用，同时还可以有效地控制系统的运转，在很大程度上降低了研发的成本。研究成本降低，研究风险也就相应地得到了减小。由于现在的软件研发越来越看重用户体验，在研究阶段将考虑重点放在技术受用人群以及技术的实用性上。

2 计算机体系结构软件模拟技术应用问题分析

2.1 计算机体系结构软件简介

计算机体系结构模拟技术的出现，可以通过其技术的灵活性与兼容性，在不同等级的计算机中进行模拟运行。除此之外，还可以依照用户需求来制定出相应的模拟系数，可以由用户来设置不同难度等级的模拟系统。计算机体系结构模拟技术结合了传统的CPU性能分析预测，通过利用其分析技术所得出的平均值来提高对计算机体系的动态信息收集以及分析，可以有效地实现对计算机体系的规律进行整理与分析，然后由技术人员对所收集整理的动态信息进行区分，把整个过程划分为初始化运行、稳定运行以及运行终值。这项技术在后续得到了高速的发展，很快就成为了分析技术的主流。

2.2 计算机体系结构模拟技术应用问题

现行的计算机体系结构模拟技术是以传统的性能分析技术为基础而发展的。在一定程度上模拟技术传承了之前技术的一些优点，突出了一些技术特有的优势，但是在某些层面上还存在着一些问题。首先，计算机体系结构模拟器的研发，就当前的技术而言，开发时间以及投入资金都存在有一定的难度。其次，模拟技术的投入使用，在一定程度上缩减了模拟时间，但还是不能更好地满足实际要求，还有一定的改进空间，以此来提升处理器的研发效率，在很大程度上可以降低开发的投入成本与开发周期。最后，虽然经过近几年的发展，模拟结果虽然已经达到了一定的精度，与之前传统的分析结果模拟结果进行对比，有了较大程度的提高，但是同样与实际需求有一定的出入，不能单纯地依靠模拟器自身来实现辅助计算机系统体系结构的设计目标，需要结合一些其它方式来配合完成。

2.3 解决计算机体系结构软件模拟技术应用问题的方法

第一，软件模拟技术中模拟时间较长的问题，可以通过删减测试程序的参考输入参数来解决。把一些没有必要的参数以及一些作用不大的指令集进行删除，这样可以在很大程度上降低模拟运行的时间。通过这种删减法，可以把一些必要的以及在测试中标准的程序指令保留下来，利用参数集的输入数可以有效地进行控制，并且能够缩短模拟时间。采用这种模拟技术，所获取到的模拟结果的精准度能够得到保证，还具有了缩短模拟时间的优点。

第二，计算机模拟主要包括了收集数据、整理数据、构造模拟数据、编写数据并对数据进行验证，最后还包括了软件运行和分析结果（如图1所示）。

数据收集主要是对多个原始评价数据进行收集，数据整理是指依据收集到的数据对数据整体分布情况进行判断。判断整体的分布包括了两步，第一步：依据数值对整体可能的分布进行大致了解，第二步：进行分布函数的拟合检验。直方图法是概率密度的近似求法，直方图以及概率分布在识别一个分布的形状时发挥着较大的作用。

随机变量生成公式的构建必须依靠判断出的数据分布概率密度概述，依照公式形成对应分步的随机变量。比如

是正态分布随机变量产生的模拟模型。为了实现在计算机上进行模拟，应当通过计算机程序语言对数学逻辑模型进行调整，使其成为计算机程序模型。通过调试性模拟对数学逻辑模型的正确性进行验证，进而对模型进行修改，对计算机程序进行调整。

3 结束语

人们对于计算机性能的需求越来越高，虽然计算机体系结构软件模拟技术在一定程度上还无法满足于实际的要求，但是，这也算是一种技术的革新与进步的表现。相信经过技术人员的不断研究，计算机软件模拟技术能够发挥出其巨大的作用，有效地降低开发周期以及投放成本。

参考文献

[1]高向玉，黄振.计算机体系结构软件模拟技术探索[J].产业与科技论坛，2014，（24）.

作者简介

牛兴霞（1981-），女，河北省唐山市人。研究生学历。现为唐山工业职业技术学院讲师，主要从事计算机应用研究工作。

计算机模拟技术的应用范文第2篇

关键词：计算机；技术；港口；设计；应用；模拟；

Abstract: With the social development and progress, increasing emphasis on computer simulation technology, computer simulation technology in port engineering design is of great significance. This paper describes the computer simulation technology in port engineering design applications.

Keywords：computer; technology; port; design; application; simulation;

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

引言

模拟是以影响系统行为的主要元素及其相互关系来建立系统模型，研究和运行模型从而对系统的行为做出可靠预测的模型化方法。对于简单的系统，可以建立具有解析解的数学模型进行模拟研究；而具有多个相互关联随机变量或动态行为非常复杂的系统，往往难以或不可能建立这样的模型。随着计算机技术的发展，在50年代初，计算机模拟技术开始被用来建立这类系统的模拟模型。目前，在发达国家，计算机模拟技术已经成为广泛使用的为系统提供决策信息的有效手段之一。

1、模拟技术简介

模拟(simulation)也称作仿真，传统意义上的模拟包括连续型模拟和离散型模拟2类，本文中的“模拟”专指离散型模拟(discrete event simulation)。近年来模拟技术在国外的应用涉及工业、商业、交通运输、军事等诸多领域。被用于系统的分析、设计、诊断评估和预测等各个方面。模拟技术研究的是“系统”，其通常具有复杂性(构成元素多且动态联系复杂)、随机性(系统中包括大量随机因素)和不可试验性(在设计阶段不可能通过物理模型进行试验研究)等特点。在应用模拟技术对某个系统进行研究时，大致可概括为以下步骤：

1)系统分析。对构成系统的每个元素进行数学规律上的描述及系统规则的定量化；

2)模型构造，基于系统分析结果提出概念模型。并利用计算机语言将其转变为仿真模拟模型；

3)模拟试验．仿真模拟模型一般需要通过多次试验的对比来寻求问题的最佳答案．可结合求最小综合成本的方法实现设计方案的优化．当计算成本有困难时．也可通过直接考察系统的运行效果来进行设计方案的比选。

建立模拟模型时所需的辅助支撑软件包括：用于复杂编程的一般高级语言。如VC、VB等；用于简单编程的专用语言，如GPSS、SIMAN等；无需编程的可视化建模技术。如Arena等。从表现形式上可分为数值模拟和动画模拟．动画模拟又可分为二维动画和三维动画。与普通动画软件(如3DS)不同。其显示画面由仿真模拟模型驱动．随系统中各构成单元状态的变化而改变，形成动画的效果。

2、港口码头系统计算机模拟技术的应用要求及开发语言

反映实际系统内部的逻辑和数量关系，通过操作或改变这些关系，可以得到确定的运算结果的数学关系，即是通常意义上的数学模型。通常所说的系统模拟模型有别于这类模型，其具有一个或多个与时间相关或者随机变化的变量，给出的结果具有一定的随机性，只是模型所代表的实际系统的真实特性的近似反映。港口码头系统计算机模拟就是，要在综合考虑影响港口运作的随机性因素和动态变化的因素的基础上，建立反映港口内部实际操作和管理规则的逻辑和数量关系的模型，在模型上进行有关试验，以研究港口的有关问顾。

2.1用户与用户要求

一般说来，港口码头系统模拟模型有两类用户，一类是港口码头的设计规划和营运管理人员；另一类是港口码头集疏运工具所有者为代表的港口码头客户。设计规划人员利用模拟模型对规划设计中的系统进行研究，以合理配置各有关系统元件，选定各有关要素的值，使系统各部分完全协调和整体效益充分发挥，并确认系统的性能。营运管理人员可利用模拟模型做以下几方面的工作：对现有系统进行分析，剖析系统的运行过程，分析运行过程的合理性，找出系统的“瓶颈”所在，为优化系统的各个环节提供依据；可作为预测器，在系统运行前，向港口码头客户提供系统运行后关于系统服务水平和可能产生的现象的有关信息，以便用户修订计划或决策；可作为观测器，在系统运行时，向港口码头系统客户提供有关系统过去、现在或未来的运行信息，以便港口码头系统客户能够实时作出正确的决策:可作为训练器，训练管理决策能力。对港口码头系统而言，设计规划、营运管理人员关心的是以系统效益的最佳发挥作为决策依据，设计规划人员进行多方案比较时，关心的是图1所示盈亏平衡点A；营运管理人员关心的是图2所示的最佳港口吞吐量位置B；港口码头系统客户关心的是以集疏运工具在港时间为主要衡量标准的港口服务水平。

2.2模拟支撑语言

综观计算机模拟技术的发展历史，它所依赖的理论基础并没有多大的发展和变化，主要是建立计算机模拟模型的工具和手段的发展变化推动着计算机模拟技术的应用和普及。建立计算机模拟模型的重要工具是计算机语言，据统计，1982年以前的一段时期，所有模拟模型都以通用语言FORTRAN和专用模拟语言GPSS完成。1982年以后，出现了许多新的计算机模拟语言，而且可视化交互模拟技术应用渐渐广泛。与通用计算机语言相比较，计算机模拟专用语言提供了大部分建立模拟模型所需要的手段，如随机数发生、模拟时间推进、从事件表中确定下一个事件并将其置于合适的程序模块控制之下等；更自然的描述模型的方法；运行过程中的动态存储配置功能；程序的可读性进一步加强。可视化交互模拟技术应用使得开发动画模拟模型成为可能。

据近年有关统计，共有54种完全商业化的计算机模拟专用语言，其中的37种具有程度不同的动画模拟功能。表1列出了适用于交通系统的计算机模拟语言的有关情况(其中AUDTION目前还没有完全商业化)，表中Y表示具有该项功能，N表示不具有该项功能。

AUDITION是一个具有动画和基于对象等特点的模拟专用语言系统。该系统由加拿大的KMA技术公司于80年代初开发，后经交通工程部长期应用和改造，现已成为一个可以比较方便地应用来开发交通系统动画模拟模型的支撑语言工具。因为AUDITION具有基于对象的特点，利用AUDITION开发模拟模型时，可以将被模拟系统划分为彼此相互独立的一系列的对象分别进行处理。这除了使得对系统的描述更加自然外，还使得模型易于按用户要求扩展、修改；复杂模型的开发周期缩短；模型对象的移动、增删和移植变得极其方便；程序更具可读性。此外，这一技术更使得开发适应一类系统的通用计算机模拟模型成为可能。加拿大Sandwell Inc.利用AUDITION开发的有关港口码头系统模拟模型列于表2。

计算机模拟技术的应用范文第3篇

关键词：数值模拟 矿井涌水量 水文地质 陕北矿区

中图分类号：P641.4

一、 前 言

陕北矿区煤层赋存稳定，地质结构简单，充水水源包括地表水、松散含水层水、基岩含水层水和采空区积水等。陕北矿区大多矿井的主要水害威胁来自基岩风氧化裂隙水，其补给条件较为复杂，补给源丰富、宽泛，大多无法采取常规的堵、截等措施，只能采取强行疏排的方式。为了有效指导矿井疏排工作，确保煤矿安全生产，杜绝由于排水能力不够引发水害事故的发生，就需要对主要含水层的水文地质条件进行进一步分析，尽量准备的计算矿机开采过程中的矿井涌水量，从而使矿井排水系统的设计依据更加充分、科学。

二、 数学模型与数值方法

采用国际上先进的三维有限差分软件Visual MODFLOW来模拟陕北某煤矿S1210工作面放水试验过程（放水I、II、III、 IV及水位恢复阶段）地下水系统的动态变化，通过放水试验成果进一步校正模型，进而以校正模型为基础预测地下水流场发展趋势与涌水量计算预测，分析矿井水文地质条件和水害问题。

1、三维流数学模型

根据地下水流动的水文地质概念模型，区内放水试验过程中含水系统地下水流动的三维非稳定流数学模型可描述如下：

边界条件：

式中， x，y，z为笛卡尔坐标轴；t为时间；H0为初始统测水头，H为已知水头；Kxx为坐标轴方向的主渗透系数；？s为比弹性给水度；？d为重力给水度；W为单位体积井流量，抽水时取负号；Γ1为第一类边界；Γ2-1为潜水面边界；Γ2-2为零流量边界；ε’为降雨入渗补给量。

2、 数值方法

有限差分方法（FDM）是计算机数值模拟最早采用的方法，至今仍被广泛运用。该方法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。有限差分法以Taylor级数展开等方法，用网格节点上的函数值的差商代替控制方程中的导数进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。基于质量守恒（水流连续性方程）与渗流基本定律（达西定律）的有限差分与有限元技术的数学微分方程（数学模型）表达式相同。

有限差分方法的基本思想是：用渗流区内的有限个离散点的集合代替连续的渗流区，在离散点上用差商近似代替微商，将微分方程及其定解条件化为未知函数在离散点上的近似值为未知量的代数方程，然后求解差分方程，进而得到微分方程的解在离散点上的近似值。该方法是根据地下水流动的连续性方程进行的，按照连续性方程，流入和流出某个计算单元的水量之差等于该单元储水量的变化。

地下水连续性方程可表示为：

式中：――单位时间内流进或流出该计算单元的水量；

SS――含水层的贮水率；

――计算单元的体积；

――单位时间内水头的变化。

将渗流区进行剖分离散后，可以确定计算单元，根据连续性方程及达西公式：

可以得到在行方向上由计算单元（i，j-1，k）流入单元（i，j，k）的流量，表达为：

式中：――水头在格点（i，j，k）处的值；

――水头在格点（i，j-1，k）的值；

――通过格点（i，j，k）和格点（i，j-1，k）之间界面的流量（L3 T-1）；

―― 格点（i，j，k）和格点（i，j-1，k）之间的渗透系数（LT-1）；

―― 横断面面积（L2）；

――格点（i，j，k）和格点（i，j-1，k）之间的距离（L）。

通过其他五个界面的地下水流量，均可类推，例如，沿行方向的格点（i，j+1，k）至格点（i，j，k）的地下水流量为

同理，可依次得出：

以上公式表示了通过计算单元（i，j，k）的六个界面的地下水流量，将格点间距和渗透系数合并为一个变量，成为水力传导系数：

将水力传导系数（12）应用于公式（6）～（11）得到：

这些公式用来计算单元（i，j，k）的六个边界面流入的地下水流量，此外，还需要考虑其他各种外部源和汇对计算单元的影响，例如河流，沟渠，生产井，注水井，蒸发蒸腾等，这些源汇流入单元的量可用一个通式表达：

式中： ―― 第n项外部源对计算单元（i，j，k）的补给量（L3 T-1）；

，――常数。单位为（L2 T-1），（L3 T-1）。

考虑计算单元的六个相邻的格点以及该单元中所包含的所有源汇项，可将连续性方程公式（4）表示为：

式中：―水头对于时间的偏导数之差分近似表达式；―计算单元的贮水率（L-1）；

――计算单元的体积（L3）。

将公式（13）～（18）以及（19）代入（20）：

将水头对时间的偏导数用差商近似表示：

则所有流量项均以某一时间段的结束时间tm为准，则（21）变为：

对以上方程进行迭代求解，开始时，对每个水头未知的计算单元赋给初始水头或者估计水头，每次迭代的结果，用于下一次的计算。

根据差分方程，可以写出方程组得矩阵形式：

式中：[A]――水头的系数矩阵；{h}――所求水头矩阵；

[q]――各个方程的中包含的所有常数项和已知项。

在MODFLOW中，系数矩阵和右侧项是通过各个软件包逐步建立起来的，最后MODFLOW根据这两个矩阵，通过迭代对{h}进行求解。

通过资料分析和本次水位实测， S1210工作面砂岩裂隙含水层水主径流方向为：由西至东，南北两侧基本均为排泄边界。因此，根据对矿井充水条件的分析，综合本次放水试验成果认识，定义模拟区北部以可可乌素河为界定义为一类河流边界（根据实际河流地表水体的标高），南部以芦草沟为界定义为一类河流边界，东西两侧根据本次放水试验周边水文水位标高实测与动态信息（水位稳定，变幅小），定义距离模拟区边界300～500m处为定义为人为水头边界（在模拟区内无自然边界或者已知流量边界时，一般在边界外主径流方向上选取3～5倍的含水层厚度的距离，定义为水头边界，可以较好的降低边界条件对模拟区流场的干扰）；其它未定义边界类型区段均为零通量边界。模型的顶部以保德组红土为界及下部以2-2煤层底板由于均存在稳定的相对隔水层，故处理为零通量边界。

3、 模型分层与剖分

通过充分收集井田南翼各时期施工的入2-2煤的150个地质钻孔信息，将研究区含水层结构进行了三维剖分分层，采用矩形六面体（上、下两平面不一定平行）剖分，在垂向上对应于（自上而下）含水层岩性的变化把砂岩裂隙含水层与2-2煤之间垂向上共剖分了三个单元层，四个结点层。第一层：直罗组含水层，为本次主要模拟计算层位，第二层：延安组含水层，为砂岩裂隙裂隙相对较弱的含水层。第三层：2-2煤层，为相对弱的含水层。在资料缺乏区或一些钻孔中某些地质单元层缺失的地区，为了自动剖分与结点单元编号的连续性，进行差值剖分，图8.3是根据模拟区内各钻孔资料进行分层，绘制保德组隔水层底板标高等值线图并导入模型分层，作为模型的第一层的上边界，绘制直罗组底板标高等值线图并导入模型分层，作为模型的第一层的下边界，较好的控制了直罗组含水层的空间结构特征，以此统计绘制各地质地层标高信息导入模型，构建模拟区的三维地质模型（图2-1）。

在平面上剖分结点400*500个。整个模型共计剖分单元80万个。如图2-2所示：在S1210工作面内各放水孔及水位观测孔位置，为了提高计算精度，以实际的孔位为基础，进一步增加结点，进行加密剖分，以提高计算精度。

4、参数及分区

模型在垂向上根据地质岩性结构特征划分了3个对应的参数分区，分别为直罗组、延安组、煤层三个地质分层。平面上，根据收集到井田南翼30个水文地质钻孔资料的水文地质参数信息在平面上根据统计资料绘制渗透系数等值线图（图2-3），将渗透系数通过插值计算导入模型，作为模型的计算预赋值，其后再根据直罗组含水层地层对接关系、岩性分布特征，帷幕注浆区段和地下水补给、径流、排泄等，将放水试验周边分为14个水文地质参数分区（图2-4）。通过本次放水试验数据反演得出研究区的水文地质参数。

5、 模型的运行

模型运行即为模型核心计算过程，分为稳定流模拟与非稳定流模拟。稳定流主要进行现状的模拟计算，非稳定流主要模拟地下水水位时空动态特征，该试验为非稳定放水过程，故对整个放水试验以小时为时间步长进行非稳定流模拟，而在预测矿井涌水量时，以水平标高（以地段直罗组含水层底板标高水平）为水头约束条件，进行流场的稳定流模拟，达到对涌水量预测。

经过反复计算调参，反演得出试验区砂岩裂隙含水层主要计算水文地质参数，14个计算渗透系数分区参数如下表2.1所示：

三 、三维有限差分流场模拟及涌水量计算

1放水试验流场模拟

通过模型的识别与校正，对区内的各项水文地质参数进行了反演输出，较好的反演了放水试验的全过程。随着放水量的增加和放水区段的延伸，总体上水位降低趋势明显，但由于大流量放水区段的集中程度不够，计算水位集中漏斗区主要以S1210工作面的目前的采空区涌水段为漏斗中心，采空区南部由于帷幕注浆成果，水力梯度增加明显。

2 含水层流场与工作面涌水量预测

通过数值模型对放水试验整个过程的反演与水位拟合，校正得出合理的模拟区水文地质参数，在该校正后的数值模型的基础上，根据工作面开采中地段的煤层顶板含水层底板水平标高为基本约束条件，进行模型的稳定流模拟，即在模型中反复调试疏降水量使计算区砂岩裂隙地下水位保持在各水平之下，从而预测工作面不同范围2-2煤顶板疏涌水量特征。按照此预测方案，反复调试疏降水量来拟合地下水位，最终计算得到各范围的涌水量（疏降水量）值。

四、总结

1、通过数值模拟计算所得的工作面涌水量与实际较为接近。

2、但通过对实测水头和计算水头拟合对比，肯定了该模型可靠与合理性，能较好的反映试验区砂岩裂隙含水层的水动力特征，计算结果具有较高的参考价值。

计算机模拟技术的应用范文第4篇

关键词：计算机模拟； 媒介； 建筑师； 知识结构

Abstract:Computer simulation is an efficacious media tool for ecological architecture in the in the Era of Pictures Reading. It requires much more knowledge than before as an architect. This article provides an overview of the history of computer simulation and the use of simulation in the process of the architecture design. Then through the case studies, the article proposes fore fundamental points to the architects about the architecture design with the help of computer simulation.

Keywords:computer simulation；media；architect; structure of knowledge

中图分类号：TU201.4

文献标识码：A

文章编号：1008-0422（2009）06-0054-03

随着信息技术的飞速发展，我们的社会已经步入了读图时代。计算机模拟技术是读图时代下绿色建筑设计的新媒介，它的出现对建筑师提出了新的要求，建筑师的知识结构亟待更新。时代呼唤“升级版建筑师”。

1计算机模拟出现的时代背景

20世纪中期，能源、环境成为了全球关注的热点问题。一部著作――《成长的极限》、两次能源危机，打破了欧伯罗斯的神话，自然给人类敲醒了警钟。作为全球能耗大户的建筑行业开始反思对自身对环境的影响，节能、环保成为了当代建筑师共同肩负的社会责任。

建筑设计中，能源、环境是建筑师和工程师都必须考虑的因素。20世纪60年代，一些工程师尝试利用计算机将不可见的环境、能源因素可视化，并希望通过理性的科学分析与大量的数据计算使建筑物理环境的设计更加精准化，从而达到节约能源的目的。计算机模拟技术就是这种时代背景下的产物。最早计算机模拟技术主要用于照明、暖通空调、通风等方面的节能模拟。第二次石油危机过后，对节能的激励减弱了，加之电脑技术的局限，计算机模拟一段时间内销声匿迹。90年代初期，个人电脑的计算能力和储存能力增强，计算机模拟得以发展普及，并越来越多地引起了建筑师的关注。于是在建筑和自然之间，计算机成了一种新的更为便捷的设计媒介工具，它通过对建筑信息、环境信息、计算模型的设计与运算，将不可见的物理环境通过图示颜色等可视化方式表现出来，绿色建筑也步入了“读图时代”。

2计算机模拟的类型及其在建筑设计中的应用

随着模拟技术的日趋成熟，建筑物理环境的模拟已经成为绿色建筑设计过程中不可或缺的媒介工具，环境模拟正在从工程师的“专利技术”变为建筑师的必备素质。目前，众多模拟技术中能够直接介入设计易操作的主要以下几种（见图表2）。这些模拟软件按其在建筑设计中的作用不同可以分为参考性模拟和评价性模拟两种。参考性模拟主要应用在建筑设计的过程，其主要作用是预测建筑周边的物理环境并使之图示化。参考性模拟的主要目的是为建筑师提供设计依据，避免由建筑设计原因导致的“不舒适”环境，如CFD风环境模拟软件、ECOTECH建筑环境分析软件等等。评价性模拟的应用有两类，一是对重大项目设计阶段结束之后施工阶段开始之前，尤其是对建筑物理环境有特殊要求的建筑进行物理环境的准确模拟。其主要作用是对建筑设计进行检验性评价，在施工之前提出合理化改进意见。二是对已建成建筑进行能耗模拟分析，其主要作用是对建筑做出合理评价，提取有效数据，为以后的建筑设计积累经验。这些模拟技术介入设计全过程，他们在优化设计的同时对建筑师在建筑物理环境方面的基本修养提出了更高的要求。

3建筑师与计算机模拟

计算机模拟技术的介入更新了传统建筑设计的流程，除了在方案功能、流线、形体、结构、材料和经验性环境预测等方面反复推敲外，设计流程多了计算机这一相对客观的评价要素（设计流程如图表4）。然而，计算机模拟犹如建筑师手中的欧伯罗斯魔杖，如何能够使其发挥积极作用，给建筑师提出了更高的要求。

首先，建筑师必须对建筑周边环境的进行详细的调研分析。基地调研是建筑设计的基础，更是将计算机模拟技术运用到建筑设计中的基础。建筑师必须根据建筑所在环境的背景资料，气象数据进行分析，得出项目必须解决和重点考虑的环境问题，决定是否需要进行模拟，具体运用什么软件进行模拟计算。下图是笔者在一次国际生态住宅设计竞赛中的获奖方案。该方案选址在马来西亚的一个小镇。基地气候终年湿热，降水丰富，地处静风区，除偶遇台风外，年均风速小于5m/s。在这里解决生态的关键问题是风环境的设计，良好的自然通风有利于潮湿空气蒸发，从而带走部分热量。因而方案从规划到单体，十分注重通风环境的设计，并运用CFD软件分别对整体规划的风环境和单体建筑室内风环境进行模拟，借此优化建筑微环境。

其次，建筑师应该对建筑物理环境的基本评价指标有所了解，也就是说建筑师要能读图、读懂图。在还没有出现计算机技术以前，建筑师关注自然环境，通过自己和他人的亲身体验，模糊的定义建筑物理环境的好坏。这种情况下建筑师通过长期的生活体验，能够直观地对建筑微环境的物理指标给出感性评价。计算机模拟技术出现后，冷、热、干、湿等一系列形容词一下子变成了色块和阿拉伯数字。建筑师能否正确的、适当地解读模拟图的含义成为计算机模拟能否物尽其用的关键因素。下图是对某生态建筑屋顶遮阳的计算机模拟，分析不同的遮阳形式对大厅室内各层热舒适状况的影响。该项目所用的评价指标为美国供热制冷空调工程师协会（ASHRAE）推荐的标准有效温度SET，其可表示人在太阳辐射条件下对应的冷热感觉及健康状况。当SET大于30℃的时候，一般认为不舒适。建筑师只有对模拟图充分理解，计算机模拟才能够对建筑设计真正起到指导作用。

再次，建筑师要担当起总体把握设计方案、理性分析环境条件、合理选择技术手段的重任。一个建筑是否合理、是否节能不是单凭计算机软件算出来。优秀的建筑设计是其成为一个绿色建筑典范的前提。如果方案设计理念就有悖于节能环保，即使再出色的计算机模拟也只能是亡羊补牢。有一段时期，我国北方出现了大量的全玻璃的绿色建筑。众所周知，我国北方地区冬天寒冷，节能重点在于冬季的保温隔热。而一般用于结构的玻璃隔热系数远远小于混凝土，这决定了玻璃建筑在保温方面存在天生缺陷。玻璃建筑晶莹的表皮带来的是大量的空调能耗和经济花销，而非绿色节能。近几年，我国与意大利合作设计了一座很有影响力的绿色建筑。下图是设计过程中利用日照软件进行优化设计的模拟图。勿庸质疑，在方案设计中该项目运用了先进的模拟技术，经过了仔细的计算与分析。然而再高明的模拟技术也无法避免通体的玻璃幕墙带来的空调能耗和过亿的造价。

最后要说的是一个态度问题。建筑师对计算机模拟技术的使用应该有一个科学的客观的态度。当代的一些建筑实践中，对建筑模拟有两种有失偏颇的看法：一种认为现阶段建筑的设计周期短，建筑师要考虑的因素多，计算机模拟是对建筑师提出的额外要求，增加了建筑师的工作量；另一种观点认为计算机模拟的结果是准确的，并且给建筑设计提供了有力的科学依据，比主观的审美趣味更具说服力，可以用计算机“算”出建筑。这两种观点在目前的建筑实践中都不是对计算机模拟的客观评价。计算机模拟仅仅是一种媒介工具，他的适用性需要建筑师凭借理性分析和经验来判定，并且在建筑中始终是辅助设计的手段。这很像建筑表现中的透视，精美帅气的透视图固然能够在一定程度上解决建筑的不可实验性带来的设计困难，从而提高了建筑设计的质量。但是，透视图却无法表现佛罗伦萨的沧桑和爱琴海边小镇的宁静。计算机模拟可以成为建筑师设计灵感的源泉，但绝不能成为束缚建筑师创造力的缰绳。

4结语

建筑是艺术与技术共同作用的产物。从原始棚屋起，建筑技术发展的过程中经历了以拱券结构和城市基础设施建设为主要成就，关注建筑结构特征的古罗马时代，也经历了工业革命带来的新材料、新能源的大规模运用，现在又迎来了以计算机媒介技术为主要标志的读图时代。模拟技术展示了以前不可见的环境和过程因素，建筑改变了他的不可试验性。媒介手段的改善必将会在设计方法、施工方法、设计理念等诸多方面打破传统的建筑设计范式，相应地也会改变建筑师的工作方法和知识结构。这样的时代背景呼唤着兼具节能工程师和设计师双重能力的建筑师

参考文献：

[1] 赖德林著.绿色建筑.[M].台湾，詹氏书局，2006年10月.

[2] 林波荣.清华大学建筑环境模拟辅助设计课件.研究生课程，2006年.

计算机模拟技术的应用范文第5篇

【关键词】 计算机模拟技术 石油工程 运用 黑油模型 裂缝模型

1 计算机模拟系统在钻井工作中的应用

1.1 钻井概述

所谓钻井就是在油田开采之前，选择相应的地表位置进行向上或一侧的打孔，直至到油层的位置。根据对钻井的目的分类大致可分为区域普查井、探井、开发井以及特殊用途井等；根据钻井的钻入角度的不同，可以大致分为直井、定向井、水平井等；根据对钻井的钻入深度不同进行分类大致可分为浅井、深井、中深井、超深井以及特超深井等。

1.2 钻井的发展史

钻井最开始时期是人们想获得地下的盐，以供人们生活所使用，在偶然的情况下获得了地下的石油，为此人们也将利用钻井的形式来获取地下更多的石油，这也是我国石油工程中的第一口油井。在1521年之前钻井的方法都是采用人工掘井的方式，从这以后才研制出人力冲击钻的钻井方法，一直到1859年科技不停的发展，也研制出我国第一台冲钻机械，到现今为止，钻井发展中经历了旋转钻、自动化冲钻机械等一直到当今油田工程中所使用的计算机模拟系统的钻井方法，为石油工程的发展创造出更有利的条件。

1.3 影响钻井的主要因素

在钻进下钻的过程中，会出现很多因素影响下钻的工作效率，大致可分为可控制因素和不可控制因素，每一种影响钻井的因素都可能决定钻井的成功与否。可控制因素，主要是指通过一些手段和技术能对其控制的因素，比如，在钻井中使用的钻头类型、下钻钻压、器械的转速、泵机的压力、以及地表机泵的设备等；不可控制因素，主要是只客观存在的通过设备和技术无法改变的因素，例如，储油层的深度、所钻地层的可钻性、所钻地层的压力、所钻地层的岩性以及研磨性等。钻井的成功率是石油企业重点关注的问题，为了能提高钻井的成功率就需要对可控制的因素进行不断的优化，而优化的基本策略要根据钻井中所涉及到的可研性、地应力、岩性等进行相关的优化，尤其是对所钻地层的参数，这将决定在钻井过程是否能精确的达到相应的油层位置。

1.4 计算机模拟系统在钻井中的应用

利用传统的钻井方式在钻井的过程中，对所钻位置的地质情况、深度等没有较好的数据分析，就算是有合理的管理制度，有效的指挥措施，但是在不知情的情况下进行钻井，也会对钻井的效益产生一定的影响，岩层地质的复杂性是无法想象的，因此，要运用钻进技术和优化钻进的手段来提高钻进的工作效率。通过对多方面的优化研究表明，利用计算机模拟系统将其应用到钻井工作中会为钻井工作带来很大的帮助，尤其是对不可控制因素的了解更明显。计算机模拟系统主要针对钻井施工所在地的地质情况分析；施工方案的模拟；注水泥设计的模拟；对下钻工具的力度掌控；对实际井眼偏离设计井眼轨道的修正；对钻井控制的模拟；对所钻地质的倒向控制；对钻头和其他器械的选择和参数上的配置；钻井模拟教学等。

2 计算机油藏模拟技术的应用

随着社会科技的不断进步，油田行业的发展也在不断的加速，同时在油田开发和勘探方面的费用也越来越高，不仅需要掌握油田开发地质的各种参数数据，还要根据不同的地质特征来制定相关的分布图的模型，尤其是油藏的位置模型非常重要，要采用相关的油藏技术对其进行三维空间定量的研究，才能有效的描述油藏的位置，进而制作模型。所谓油藏技术，就是对油藏的流体、沉积、构造等特征进行三维油藏地质的模拟。因此，油藏技术可以说是在油田开采行业中占有非常重要的地位，促进油田行业的发展，还需要从优化油藏技术的角度出发。根据当今形式的发展，我国将计算机技术与油藏技术相互结合的使用称为计算机油藏模拟技术，更进一步优化油藏技术，为油田行业做出巨大的贡献。其中利用计算机油藏模拟技术制作较为常用的模型有黑油模型、裂缝模型、组份模型、蒸汽驱模型、化学驱模型等。

2.1 黑油模型

黑油模型被油田行业广泛的应用，其中在砂岩油气田的开发中经常用到，黑油模型由三组份形成的三维三相模型，其中三组份主要包括水、气、油等三部分组成。根据当今的发展趋势，传统的开发方案已经不足以满足现在油田开发的需求，尤其是对油田新区的开发，需要对开放方案进行处理和优化，而通过计算机模拟技术开发的黑油模型能有效的满足当今油田开发的需求，在油田新区的开发中得到广泛的应用，另外黑油模型还可利用到油田老区，用来确定油田老区开采之后剩余油资源的分布，进而达到增加油产量，提高油田开发的效果。除此之外，黑油模型还在地下水层储气等油矿方面得到广泛的应用。根据它的使用情况可以推断出，黑油模型不仅是油藏模拟技术中使用的最广泛的模型，同时它还是其他油矿开采模型发展的基础，在油田行业中的应用极大。

2.2 裂缝模型

油气藏的种类多种多样，裂缝油气藏的开采是比较多的，根据名字大概可以分析出存在裂缝之间的油气藏。事实就是如此，裂缝性油气藏是由渗透性比较强的自然裂缝和岩层延性紧密的基质岩块组成的，由此可以看出，这类油气藏的开采相对比较困难一些，并不是由单一性质的孔隙介质组成的油气藏，对于此类油田的开采措施也做了相应的优化策略。根据计算机模拟技术的应用，针对这类裂缝油气藏的开采建立了裂缝模型的开采模式，裂缝模型主要是采用双重介质渗流的开采模式，对于这样特殊的油气藏模拟来说是非常有效的。主要应用于华北、四川等地，根据我国的油气藏分布情况来看，大多数的裂缝性油气藏都处在华北、四川等一带。较为常见的裂缝油气藏主要由花岗岩、石灰岩、变质岩等物质构成。

2.3 组份模型

随着计算机技术的不断发展，在石油工程中应用的计算机模拟技术也针对各种不同的油气藏制定相应的模拟技术。尤其是在针对开采难度较大轻质油藏、凝析油气藏以及挥发性较强的油气藏等，由于这些油气藏的油质极其的不稳定，甚至会出现物化反应的情况。因此，针对这种不稳定的油气藏仅仅采用以上的模拟方式是无法来完成的，在利用油、水、气等采用多孔介质来描述流体流动的情况的基础上，还需要对油气相中的烃类成分瞬间相变的程度做以了解，这种模拟技术的形式又叫组份模型。组份模型主要应用范围在带油环和低水的凝析油气藏以及纯凝气藏等开采难度比较困难的油气藏中。组份模型在计算机模拟技术的研究领域中是比较复杂的一项研究，模拟研究内容主要包括干气、氮气、二氧化碳等气体注入以及循环注气开采、衰竭开采等方向的研究，通过多项的研究可以解决在油气藏开采中遇到的相关问题，比如：对类型的准确判断性、开采方式的选择合理性、对流体的评介、地面分离工艺、确定开工程序、最后开采的收益情况估计等多种的分析以及相关的解决方式，对于油气藏开采工程师来说，这无疑是给予他们最有力的依据，并做出正确的开采方针。从此看来，计算机模拟技术为石油工程领域做出了重大的贡献，充分促进了石油工业的发展。

2.4 蒸汽驱模型

在多种多样的油气藏中，其中有一种油气藏是非常特殊的，稠油油田的油气藏中的油质粘稠度是非常大的，有些油气藏的油质稠度甚至不会出现流动，对于这类的油气藏开采是十分复杂而麻烦的，而且，最重要的是不能充分的对这类油气藏进行开采。据统计，我国所有油田的油气藏中有10%的油气藏属于这种稠油型的油气藏，对于这种稠油油田的开采如果继续使用常规的办法的话，会非常浪费资源、人力以及物力，而且还不能有效的进行开采，比正常开采的利润要降低的很多，依靠注水和天然的能量来开发这种类型的油田根本得不到多大的利润。稠油油田的开采已经被国家列为重点关注的问题，为此做出了相应的研究成果。利用蒸汽驱的热力学原理和蒸馏的作用，来对这种油质稠度较大的油气藏进行开发，实现降低油气藏油质的稠度，提高油质的流动性，进而达到油田开采高利润的目的，这种方式名为蒸汽驱模型。很明显通过计算机模拟技术研制的蒸汽驱模型的利用，在稠油油田开采中取得了很大的成就。蒸汽驱模型的原理是在采用方法上除了采用一般油田注热水的方法外，还采用蒸汽驱和蒸汽吞吐的方法来实现降低油质的稠度。蒸汽吞吐主要是应用在油质稠度较大但还达不到没有流动性程度的油气藏开采中，应用很广泛，而蒸汽驱的应用则是继蒸汽吞吐更深一层的工作，主要应用在油质稠度特别大，甚至失去流动性的油气藏的开采中。就使用程度上来说，蒸汽驱的使用条件要高于蒸汽吞吐的使用条件，在使用蒸汽驱的过程中，要求油气藏的埋藏深度不得过深，而且油气藏的厚度要保证在10米以下，要保证在开采位置的泥岩夹层较少的地方进行工作，否则将会对蒸汽驱造成一定的影响。因此，这也是蒸汽驱由于要求过高很少进行实地试验的原因。另外，蒸汽驱模型的应用还可对油田开采中蒸汽吞吐的效果进行预测以及对蒸汽吞吐设计最佳的吞吐周期。因此，蒸汽驱模型的采用，大大促进了石油工业的发展，为油田工业创造了更多的利润。

2.5 化学驱模型

在石油工程中，采油量与产业利益有着直接联系，如何在原有的方式上增加产油量是我国石油工程中重点研究的课题。终于不负众望，在经过长时间的实验和研究之后，通过利用化学的原理达到在原有的程度上增加油产量，名为化学驱模型。化学驱模型主要是通过对注入水中加入一些化学溶剂，目的是为了降低地下相互之间的界面张力，由于在油气藏中有很多部分的原油都会由于界面张力的作用，使这些原油无法被开采出来，而化学驱模型可以解决这个问题，降低地表下相应的界面张力，使得在地下被束缚的原油有重新的流动被开采出来，直接增加了原油的采收率，这也是通过矿场实地试验以及试验室模拟实验充分证实的，是能有效增加原油产量的一种重要方法。但是，在使用化学驱模型的过程中还需要注意最关键的环节，就是对化学溶剂的调制，要根据不同油田的不同特点进行调制，化学溶剂的调制要根据计算机模拟技术中所提供的相关参数进行计算，如：液相粘度、渗透率、原油的饱和度等相关的计算，同时要结合地下的界面张力进行分析，这个计算过程是比较繁琐的，而后达成的目的就是要控制驱替相与被驱替相两者之间界面张力的变化，同时还需要注意在通过化学溶剂实现到较小的张力之后所存在的岩石之间相互吸附的问题。

根据现今石油工程开采的情况分析，很多油气藏在开采的过程中的吸附过程都会对聚合物或活性剂造成一定的损耗，在此同时也降低了段塞驱替该有的效果，而且还增加了驱动水带的推进速度直接超过段塞的推进速度，这种情况之下极有可能出现驱动水超越的现象，这对油气藏开采也会造成一定的影响。据统计，我国石油工程开采中，只有极少一部分油气藏在采用这种方式进行开采，其主要是因为化学驱模型的驱替过程比较繁琐复杂，而且由于很多油气藏开采工作都受到技术和经济的限制，使得化学驱模型很少被应用，而大多的研究成果都是从实验室和理论研究上得来的。但是，可以断定的是化学驱模型确实能有效的帮助油田工程解决两大难题。一，可以利用化学驱模型对开采碱水驱、微乳液驱、聚合物驱、活性水驱等相关的过程进行模拟，预测相关因素的开采条件，优化相应的开采工作，从而达到提高开采效率的目的，是作为开采方案设计的有力依据；二，对油气藏开采中使用的驱油机的相关因素进行了解，如，压力的分布情况、驱油的特性、饱和度的分布情况等都是与驱油机息息相关的因素，了解这些才能掌握驱油机的整个驱油过程，进而促进石油工程的良好进行。

3 结束语

本文针对于计算机模拟技术在石油工程中的运用进行了具体的分析和研究，通过本文的探讨，我们了解到，通过有效的运用计算机模拟技术，能够解决石油工程中的很多难题，能够节省大量的时间，并且有助于促进石油开采的效率，使石油企业能够获得更大的经济效益，促进石油企业的长远发展，进而推动我国社会经济的长远发展。

参考文献

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[2]李春雨.计算机在石油工程地质中的应用[J]. 石油工业计算机应用,2006(02).

[3]张天雷,曹邦功,王卫平,蒋多元.计算机系统资源管理在石油勘探领域中的应用[J]. 勘探地球物理进展,2008(06).

作者简介

张海波（1971-），男，满族，吉林省松原市人。现为吉林省镇赉县大屯镇英台采油厂工程师。主要研究方向为石油工程。