虚拟动画技术在输气管道教学中的应用实例

　　近年来，由于具有高热值、储量大、低碳环保等优点，天然气在一次能源中所占的比例不断加大。1987 年，四川建成的北半环管道与南半环管道相接形成我国第一个区域性天然气管网; 1997年，陕京输气管道投产，成为我国天然气管道追赶世界先进水平的起点; 2004 年西气东输天然气干线建成投产，标志着我国油气管道工程建设水平跨入世界先进行列; 2011 年西气东输二线干线建成投产，管径 1219，设计输量 300×108m3/ a，在世界范围内首次大规划模采用 X80 钢。2013 年中缅油气管道建成投产，通过中贵线把中缅天然气管道和西气东输系统连接在一起，同时沟通了新疆地区、长庆气区和四川气区联络的通道。我国天然气管道总里程已超过 3．1×104km，基本形成油气管网格局。在这样的背景下，输气管道设计与管理成为油气储运工程专业最重要的专业课程之一。

　　1 输气管道课程简介

　　油气储运是一个综合性的学科，上到矿场石油天然气开采、运输，下到炼厂码头石油产品的炼制及储存，都属于储运涉猎的范围。输气管道课程的学习目的是使学生全面掌握天然气的物性计算和工艺处理方法及设计，压气站布置等，故需要以一些必修课程为基础。如天然气基本热物性的计算涉及工程热力学、物理化学的知识，天然气传输过程的温度变化规律和热力计算涉及传热学的知识，天然气输送过程中的水力计算、管输工艺的设计涉及流体力学的知识。

　　输气系统主要包括三个大类: 矿场集气、干线输气和城市配气。而输气管道课程的基本内容也是按天然气从上游到下游的所涉及的计算进行讲述。首先介绍天然气物理化学性质的计算及净化工艺。然后由质量守衡、能量守衡和动量定理推导天然气管流计算的基本方程，由基本方程总结推导出输气管在各种工况下的水力计算，由能量守衡和热力学定律推导输气管的温度分布和热力计算，介绍水合物的形成机理和抑制过程，根据压缩机的工作原理给出输气站的工作特性，根据输气管的工况特点和输气站的工作特性分析运行参数变化对工况的影响并对压力站的布置与参数进行优化设计。最后介绍城市配气系统的水力计算及配气管网的设计。

　　2 3Dmax 和 flash 虚拟动画技术

　　3Dmax 全称为 3D Studio Max，是 Autodest 公司开发的基于 PC 系统的三维动画渲染和制作软件。其应用范围很广泛，如游戏动画、建筑动画、室内设计、影视设计等。3Dmax 在场景设计方面具有独到的优势。特别是借助 VＲ 灯光设置，使得它在室内设计和漫游获得广泛的应用。而在建模方面，除了可以导入其它建模软件( 如 Solid-work、AutoCAD、Maya) 的模型之外，3Dmax 还内置三种建模技术: 网格 MESH 建模、多边形 POLY-GON 建模、面片 PATCH 建模、NUＲBS( 非均匀有理 B 样条线) 建模。这三项技术可以互相转换，各有优势。

　　Flash 是一款矢量动画制作软件，以流式控制技术和矢量技术为核心，对影片进行剪辑。Flash动画制作软件的界面分为四个部分:
　　
　　( 1) 舞台。在视频的回放过程中，显示图形、按钮、视频、文字等内容的位置，以方便调整视频中的界面内容。

　　( 2) 时间轴。显示图形及其它元素的时间，方便调整舞台上各个内容的时间长短和分层顺序。

　　( 3) 库面板。显示 flash 文档中媒体元素列表的位置。
　　
　　( 4) Action Script。向 flash 文档的媒体元素添加交互式内容。

　　3 虚拟动画技术在输气管道教学中的应用实例

　　输气管道的课程涉及的一些内容比较抽象，且在日常生活中不易见到。借助虚拟动画技术可以形象地展示这部分内容。如利用 3Dmax 建模技术模拟水合物的结构模型、压缩机的结构原理，管道运行的泄漏工况，输气站的平面布置; 利用flash 动画制作展现天然气节流效应的原理，天然气的分离、除尘、脱水、脱酸工艺，天然气水合物的形成机理，管道的首站压力、末站压力变化对沿线压力分布和管线输量的影响及压缩机组部分或全部停运、管道定期分气集气对运行工况的影响。

　　以天然气水合物( 简称水合物) 为例。水合物是输气管热力计算的一部分内容，教学中的构思分为微观和宏观两个方面。微观上分析水合物结构模型和形成机理，宏观上分析水合物的形成条件并总结预防水合物形成的措施。在这部分教学环节中，基于 3Dmax 建立水合物结构模型，基于 flash 制作水合物形成过程动画。

　　3．1 3Dmax 建模

　　天然气水合物是天然气与水在一定的温度和压力下形成的一种外观像冰的笼形化合物。但水合物的晶体结构与冰不同。目前已确定的天然气水合物晶体结构有 I 型、II 型和 H 型 3 种类型。I型结构由 2 个小笼 6 个大笼组成，小笼为正五边形的十二面体，大笼为 12 个正五边形和 2 个正六边形组成的十四面体。II 型结构由16 个小笼和8个大笼组成，大笼为 12 个正五边形和 4 个正六边形组成的十六面体。H 型结构由 3 个小笼、2 个中笼、1 个大笼组成，大笼为 12 个正五边形和 8个正六边形组成的 20 面体，中笼为 3 个正四边形、6 个正五边形、3 个正六边形组成的 12 面体。

　　利用 3Dmax 中的多边形建模，建立所需要的多边形，然后借助移动、旋转、捕捉、缩放等辅助工具将多边形拼接组合，最后利用 attach 命令合并模型。

　　如图 1。每个笼子的模型建立完毕之后，为了方便观察和学习，可以利用 3Dmax 的场景动画和灯光设置，使每个模型在演示的时候自动缓慢地旋转，也可以手动控制旋转角度。【图1.略】
　　
　　3．2 flash 动画制作

　　在水合物中，水分子作为主体通过氢键网络形成不同形式的笼子，而气体分子作为客体被包络在笼中。一个笼子只能容纳一个气体分子，它们之间通过范德华力相互吸引，形成稳定结构。

　　天然气的形成机理可以总结为 3 个过程: ( 1) 气体分子在水中溶解。( 2) 水分子以氢键形成笼子，与靠近它的气体分子结合，形成稳定的水合物晶核。( 3) 水合物晶核形成后晶体继续增长。通过 flash 的绘图工具绘制每个阶段的结构图，然后利用遮罩、补间动画、逐帧动画等功能虚拟出水合物形成的过程。如图 2。【图2.略】
　　
　　随着天然气管道管网的发展，输气管道的重要性日渐突出。输气管道的教学内容大多为施工类，对在校的学生来说，平时很难有机会到现场学习，而 3Dmax 和 flash 虚拟动画技术在一定程度上解决了这个困扰。作为辅助教学工具，虚拟动画技术在输气管道的教学中具有非常广大的的应用前景。

　　参 考 文 献
　　
　　［1］ 黄维和． 我国油气储运技术的发展［J］． 油气储运，2013，( 6) : 411－415．
　　［2］ 李玉星，姚光镇． 输气管道设计与管理: 第二版［M］． 东营:中国石油大学出版社，2009．