流體動力學模擬理論精選(九篇)
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第1篇：流體動力學模擬理論范文
CMT焊接創新地將送絲運動與熔滴過渡結合，實現了低熱輸入、無飛濺的熔滴過渡，焊接過程是高頻率的“熱—冷”交替過程。研究針對CMT焊接這種獨特的熔滴過渡過程，通過流體動力學方法對CMT熔滴過渡動態過程進行模擬，定量分析焊接工藝參數對熔滴過渡動態過程的影響規律；建立CMT焊接熔池溫度場和流場的三維非穩態模型，定量分析浮力、電磁力、表面張力、熔滴沖擊力，以及相變潛熱及其綜合作用對焊接溫度場、速度場和熔池形態的影響；分析CMT各焊接工藝參數對熔池流體動力學行為的影響規律，建立焊接工藝參數與焊縫形貌、過程熱參數之間關系的數學模型。基于上述研究，針對CMT熔深淺的缺點，研究增大熔深的方法并開展熔滴過渡與熔池流體動力學行為的理論研究。此研究旨在掌握CMT熔滴主動過渡的規律與機理，為實現主動熔滴過渡的焊接智能控制提供理論基礎和基礎數據，具有重要的學術價值和實際意義。
2研究成果
（1） 完成了焊接多信息測試系統平臺的搭建，進行了CMT焊接試驗，同步測試了熔滴過渡動態過程與焊接電參數。
（2）建立了CMT熔滴過渡動態過程的數學模型。結合CMT焊接“引弧—短路—回抽—過渡”的實際特點，在考慮熔滴的表面張力、重力、電磁收縮力、等離子流力及焊絲回抽附加機械力的基礎上利用VOF方法建立了熔滴過渡過程的數值分析模型。
（3）分析了焊接工藝參數對熔滴過渡動態過程的影響規律。
CMT熔滴過渡是通過焊絲機械回抽方式來幫助熔滴脫落，工藝過程可以被精確控制，因而其短路過渡周期恒定，不再受隨機變量的影響，一個熔滴過渡大概需要14.31 ms，過渡頻率大概為70 Hz。
（4）建立了CMT焊接過程溫度場的三維非穩態有限元分析模型，計算結果和測試結果的二者吻合良好，驗證了所建模型的合理性。
（5）根據CMT焊接特點，利用NavierStokes方程和連續性方程，建立了計算CMT流場的計算模型，在模型中充分考慮了焊接熔池中液態金屬所受的電弧力、表面張力、重力、熱流量等的共同作用。
（6）分析了CMT各焊接工藝參數對熔池流體動力學行為的影響規律。焊接過程中焊絲的周期性回抽作用對熔池流場產生較大的影響，在熔池中形成周期性的震蕩作用，改善了焊接質量。
（7）建立了焊縫形貌數據（熔寬、熔深和余高）的BP神經網絡預測模型，能方便地預測出焊縫形貌數據。
3研究成果
已：胡慶賢，王順堯，王艷輝. Process disturbances monitoring and recognition of shortcircuiting GMAW by fuzzy cmeans system[J]. China Welding， 2011，20（4）： 28-33.
第2篇：流體動力學模擬理論范文
【關鍵詞】空氣濾清器；CFD；流阻特性
對進氣系統的研究，過去主要著重于進氣效率、濾清效率以及壓力損失等方面，隨著技術的發展以及對汽車舒適性要求的提高，進氣系統的聲學特性方面的研究也越來越有必要。空氣濾清器除了要有良好的聲學性能外，同時要考慮其動力學性能，以保證發動機有良好的動力性能。
本文基于流體動力學理論，利用CAD三維模型建立計算流體動力學模型（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD），主要計算90m3/h、180m3/h、270m3/h、360m3/h、450m3/h、540m3/h空氣流量下含濾紙濾清器流阻與內部流場。同時，為便于比較分析，還對上述空氣流量下該濾清器空腔本體流阻及內部流場也進行了計算。
1.空氣濾清器內流場分析模型的建立
根據空氣濾清器的三維模型，建立用于CFD計算的該空氣濾清器內腔的三維實體模型，采用四節點四面體單元對該空氣濾清器實體模型進行網格離散，通過收斂性分析確定的合適單元尺寸，得到的內腔網格模型，節點51788個，單元264448個，其實體模型及網格模型不做介紹。
假設空氣濾清器中的流動為恒溫、穩態流動，已知空氣濾清器的流量，在計算中給定入口壓力邊界條件和出口速度邊界條件，濾紙給定多孔介質邊界條件。設定壓力值為101325Pa，空氣流出速度可通過已知流量及出口截面面積等數據計算得到，如表1.1中所列。
表1.1 不同空氣流量下出口平均速度
設定濾紙多孔介質的邊界條件，需要設置粘性阻力系數和慣性阻力系數慣性阻力系數兩個參數，粘性阻力系數1/α=150μ（1-ε）
Dε，慣性阻力系數C2=1.75ρ（1-ε）
Dε，代入多孔介質的流阻特性經驗公式?P=μv
α+C2v2，其中，μ是空氣的粘性阻力系數，D是濾紙的孔隙平均直徑，ε是濾紙的孔隙率。
2.空濾器本體空腔內流場結果
在CFD求解器進行網格檢查和優化處理后，定義流體物理參數、施加進出口邊界條件，不考慮濾紙影響，經過多次計算迭代后得到收斂結果。不同流量下空氣濾清器本體空腔壓力場和速度場結果分別不同。
空氣濾清器內進氣管（插入管）出口沖擊區域壓力較高。出氣管為突然收縮管，在與腔體連接處，壓力損失比較大。
表2.1 不同流量下空氣濾清器本體空腔進出口壓差計算結果
表2.1分別給出不同空氣流量下，濾清器本體空腔、即不含濾紙條件下的進出口壓力差結果。可以看出，進出口壓差隨空氣流量增加而增大，且壓差-流量關系曲線表現出斜率隨空氣流量增加而變大的非線性特征。
3.帶濾紙空濾器內流場結果
給定流體物理參數、進出口邊界條件，設置濾紙區域多孔介質邊界條件，對不同流量下帶濾紙空氣濾清器的內流場分別進行了計算。計算得到的內腔壓力場和速度場也不同。
以360m3/h工況為例，過出口軸線平面內的壓力場分布結果可以看出，濾紙下部腔內壓力較高，濾紙區域自下而上壓力下降明顯；濾紙上部整個腔體內壓力基本相等。由于截面突然收縮，在出口管處壓力梯度較大，壓力損失也較大。
過出口軸線平面內的速度矢量結果、并參考無濾紙濾清器內的速度場結果可以看出，濾紙對速度有阻礙作用，經過濾紙后速度明顯減小，并且加濾紙后速度矢量在濾清器內沒有折返現象。
表3.1 有濾紙空氣濾清器不同流量下進出口壓差計算結果
表3.1、給出不同空氣流量下，含濾紙濾清器進出口壓力差計算及實測結果。可以看出，采用濾紙模擬方法計算得到的不同流量下含濾紙空氣濾清器進出口壓差與實測流阻結果基本吻合。含濾紙濾清器進出口壓差隨空氣流量增加而增大，且壓差-流量關系曲線表現出斜率隨空氣流量增加而變大的非線性特征。
由表3.1、中還可看出，雖然隨流量增加、濾紙對空氣流動的阻力會有增長，但濾紙對整個空濾系統流阻的貢獻率卻隨流量的增大而減小。采用CFD仿真結果可以計算得到，濾紙阻力在總流阻中所占比重由90m3/h時的45.83%下降至540m3/h時的7.35%左右。參考不帶濾紙結構本體空腔流阻計算結果可知，該空氣濾清器本體空腔進氣阻力占系統總流阻的主要部分。總體來說，該空氣濾清器在發動機負荷范圍內具有較好的流阻特性，計算最大流量540m3/h下、濾清器出入口最大壓差約為2.4kPa，小于一般工程上最大允許壓差3kPa。
4.結論
本文基于流體動力學理論，利用CAD三維模型建立CFD仿真模型，通過對不同空氣流量下空氣濾清器空腔本體及含濾紙濾清器系統的內部流場進行計算，深入了解該空氣濾清器阻力及內部流場壓力、速度特性，并在此基礎上對其流阻特性進行評估。結果表明，濾清器在發動機負荷范圍內具有較好的流阻特性，計算最大流量540m3/h下、濾清器出入口最大壓差約為2.4kPa，小于一般工程上最大允許壓差3kPa。計算得到了不同流量下濾清器內部流場、壓力場結果，該結果對了解該空氣濾清器實際工作性能與狀態具有重要指導意義。同時，基于多方案的CFD計算可在概念與方案設計階段結構型式與尺寸參數的確定提供數據支持，采用濾紙模擬模型具有較高精度，可在今后公司類似結構濾清器流阻計算中采用。
【參考文獻】
第3篇：流體動力學模擬理論范文
【關鍵詞】風力機；氣動荷載；計算方法
中圖分類號：TK8
文獻標識碼：A
文章編號：1006-0278（2015）05-116-01
水平軸風力機在進行其氣動設計、結構設計以及后續的運行調節中，最重要的任務之一就是獲取作用在轉子上的氣動升力、阻力和俯仰力矩等空氣動力學參數。
一、葉素動量理論
葉素動量理論實際上是兩種理論的耦合：葉素理論和動量理論。葉素理論假設葉片沿展向可分為多個葉素，各葉素相對獨立，互不影響，可視為二維翼型。如此一來，就可以基于當地流動條件計算出各葉素上的氣動力，再將各葉素上的氣動力沿展向積分，從而計算出施加在風力機上的總氣動力和力矩。動量理論假設轉子平面上的壓力或動量損失是由流經葉素的氣流作用而產生，如此一來，即可由流動動量損失計算出軸向與切向誘導速度，而這些誘導速度反過來影響到轉子平而的人流參數，從而進一步影響到作用在葉素上的氣動力。
因此，需要建立一個迭代過程，用以確定相應的氣動力以及轉子附近的誘導速度，這就是葉素理論與動量理論之間的藕合機制，最終體現為葉素動量理論。要計算出葉素上的氣動力，首先要確定入流角。而入流角的確定則是根據誘導速度，同時誘導速度又是氣動力的函數。因此需要用誘導速度和氣動力之間的函數關系進行迭代來得到誘導速度、入流角及氣動力。
二、數值模擬方法
無論是水平軸風力機，還是垂直軸風力機，其空氣繞流機理均通過一系列方程進行描述，大多數采用微分形式或積分形式，揭示了風力機流場的基本特性及物理本質。然而，方程本身井不是我們需要的最終結果，為了得到特定形狀和特定流動狀態的真實流場，必須針對方程求解，從而獲得以空間位置和時間為白變量，以壓力、密度、速度等為因變量的流場參數，然后依據這些參數得到升力、阻力、力矩、功率以及效率等氣動特性。
風力機空氣動力學理論中的方程，無論形式如何變化，均來自流體力學中的基本控制方程，即連續性方程、動量方程和能量方程。這些基本控制方程不僅采用微分形式或積分形式，而且具有高度非線性特征，目前尚無法得到其通用的解析解。為了獲取針對具體問題的有效解，并且對控制方程進行沒有任何幾何外形的簡化，則必須尋求于數值模擬，即數值求解控制流體流動的微分方程，得出流場在連續區域上的的離散分布，從而近似模擬流體的流動情況。
另外在CFD中不得不考慮湍流的影響。湍流屬于很復雜的流動現象，如何去計算它，是湍流數值模擬的關鍵。最理想的模型無疑是能夠白動計算層流、湍流和過渡區域，但目前為止很難實現。盡管如此，為了科學研究及工程應用的實際需要，仍需建立相應的研究方法，用于盡量精確地描述流體流動中渦團與湍流脈動等物理現象，并加以完善。目前常用的湍流模型有以下二種：直接數值模擬（dlfect numerical simula-tion，DNS）、雷諾時均數值模擬（Raynolds-averaged Navier-Stokes，RANS）、大渦模擬（large eddy sunulation，LES）。應根據需要描述的流場特性、求解精度要求以及需要解決的實際問題加以選擇。
三、結論
（一）葉素動量理論的缺陷及修正
葉素動量理論，由于對模型進行了簡化以及做出了諸多假設，葉素動量理論存在相應的局限性，主要體現在：
1.葉素動量理論采用靜態計算，假設圍繞翼型的流場始終是均衡的，并且流體通過瞬間實時加速來響應尾跡漩渦的變化。而事實上，尾跡漩渦的變化來白入流條件或風力機運行工況的改變，而翼型響應這種變化是需要時間的。
2.葉素動量理論假設在平行于轉子的平而內動量是平衡的，因此當葉片存在比較大的撓度以至于偏斜出轉子平而外時，這種空氣動力學模型將會失效。
3.除此以外，葉素動量理論沒有考慮葉尖或輪轂漩渦對誘導速度的影響，對于偏斜人流情況也無能為力。不過這些情況可以通過其他相關模型加以修正。
（二）數值模擬方法所面臨問題
基于目前海上風力機的研究狀況可以看出，使用CFD方法來模擬外部流場荷載無疑會得到更加精確的模擬效果和更多的流場相關信息。然而其對計算機資源的較高要求及計算時間的成本要求也是目前這種方法最大問題。如何在現有技術條件下尋求到計算精度和仿真模擬成本之間的平衡點，將成為現階段科研工作者面臨的一大問題。
參考文獻：
[1]Patrick J， Moriarty，A， Craig Hansen. AeroDyn theory manual：NREL/EL- 500-3 68 81 [R]. Golden： National Renewable Energy Labora-tory， 2005.
第4篇：流體動力學模擬理論范文
沖刷腐蝕 又稱為磨損腐蝕， 是金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對運動而引起的金屬損壞現象， 是材料受沖刷和腐蝕交互作用的結果，是一種危害性較大的局部腐蝕，在石油、化工等生產領域廣泛存在。暴露在運動流體中的所有類型的設備如料漿輸送管道、泵的過流部件和閥門等， 都會遭受到沖刷腐蝕的破壞， 尤其是在含固相顆粒的雙相流中， 破壞更為嚴重。因此，沖刷腐蝕問題的研究，引起了人們的高度重視。
沖刷腐蝕是一個很復雜的過程， 影響因素眾多， 概括起來主要包括材料 （冶金）、環境和流體力學三個方面。過去人們通過失重實驗以及各種流動條件下的電化學測量技術， 對前兩方面因素的影響做了較為深入的研究， 并進而開展了沖刷和腐蝕交互作用的研究， 以期揭示沖刷腐蝕的本質。相對而言， 流體力學因素影響規律的研究尚未成熟。因此，無論是對沖刷腐蝕實驗結果的預測， 還是對沖刷腐蝕機理的深入闡述， 都受到限制。
一、流體力學因素的影響機制
流體力學因素一般通過改變沖刷強度或傳質過程來影響沖刷腐蝕作用。其主要條件包括： 流速、流態、沖刷角度、顆粒性質等[1]。
1.流體流速
介質的流動對沖刷腐蝕有兩種作用： 質量傳遞效應和表面切應力效應。因此流體流速在沖刷腐蝕過程中起著重要作用， 并直接影響沖刷腐蝕的機理。對于不具有鈍化特性的金屬，特別是在中性條件下， 氧的存在，將會加速陽極金屬的溶解。因此隨流速的提高， 氧、二氧化碳等腐蝕劑與金屬表面充分地接觸，促進腐蝕； 另外， 液流沖擊金屬表面， 隨流速的提高， 在懸浮固相顆粒作用下， 切力矩作用增強，將腐蝕產物不斷從金屬表面剝離，并且在金屬基體上產生劃痕， 使腐蝕加劇。
2.流體流態
流體的流動狀態有層流與湍流兩種。它不僅取決于流體的流速 ， 而且還取決于流體的性質。（ 如粘度、密度等） 和設備的幾何形狀 （ 如凸出物、縫隙以及突然改變流向的截面） 。不同的流動狀態有不同的運動規律， 故對沖刷腐蝕的影響也不一樣。層流時， 供氧量比較少， 但能形成保護膜， 水體對金屬的剪切應力小， 不能破壞保護膜。此時陰極反應呈現出氧擴散控制特征。沖刷腐蝕受氧的擴散控制，比較緩慢。湍流使金屬與流體介質的接觸更加頻繁， 不僅加速了腐蝕劑的供應和腐蝕產物的轉移， 而且增加了流體與金屬之間的剪切應力。這種應力會將金屬腐蝕產物（ 包括保護膜） 從基體上拉、撕開并沖走， 同時流體中固相顆粒物無規則地劇烈沖擊金屬表面， 促進沖刷腐蝕。
3.沖刷角度
液固兩相流作用在沖刷面上的力可分為水平和垂直分量， 它們的損傷作用不同： 水平分量對沖刷面產生切削作用； 垂直分量產生撞擊。隨著沖刷角度變化， 這兩種損傷機制此消彼長， 交織作用。在小角度沖刷時， 水平分量作用較強， 因而切削機制是材料損失的主要原因； 在大角度沖刷時， 垂直分量作用較強， 固相粒子撞擊材料表面， 這種損傷機制主要由兩部分組成： 一部分是由粒子沖擊形成沖擊坑及周圍的突出唇， 突出唇在隨后的顆粒沖擊下被沖掉。另一部分是粒子沖擊金屬表面， 形成微裂紋， 裂紋擴展使材料呈片狀脫落。因此， 會存在某一沖刷角度， 微切削和沖刷撞擊共同作用產生的損傷最大，從而使材料的沖刷腐蝕失重率達到最大。
4.兩相流體中的固相顆粒因素
懸浮顆粒物對沖刷行為的影響參數主要在于其硬度、鋒利性、粒徑大小及濃度。一般條件下，顆粒硬度越高， 沖刷越嚴重； 多角粒子的切削作用要比圓形粒子的犁削作用產生更大的力學損傷；粒徑越大， 沖刷速率也越大。
顆粒濃度越大， 沖刷腐蝕速率的絕對值越大， 但高濃度條件下顆粒間的相互影響所引起的“屏蔽效應”使得其沖蝕效率降。同時， 流體中顆粒物也影響電極反應的傳質過程。顆粒物通過擴散層時加劇局部水體的攪動， 破壞擴散層狀態， 使得金屬與介質中氧化劑的接觸更為頻繁， 從而促進腐蝕過程。
二、CFD 數值模擬
運用計算流體動力學 CFD（ Computational Fluid Dynamics） ，對流態進行數值仿真模擬計算。盡管這種新的數值計算方法不能完全取代傳統的實驗測試， 但是卻可以減少實驗和設計工作的盲目性和工作量， 降低消耗并增加可靠度，使傳統的實驗方法逐步退化為驗證計算流體力學程序準確性與可靠性的一種手段。
1.數值模擬方法
計算所采用的液體為水，顆粒為砂， 平均直徑為0.01mm， 濃度為 2%。液相在進口為恒定速度邊界條件， 初始值按實際工況直接給定為3m/s；出口為自由出流邊界條件； 壁面為無滑移壁面；進口和出口的紊流強度均取10%。顆粒相在壁面上取為彈性反射條件， 出口為逃逸邊界條件。
2.數值模擬的結果與分析
流動對腐蝕的影響中， 各因素作用的差別很大。直管內速度梯度近乎為零， 因此可以不考慮速度梯度影響； 流形對腐蝕的作用也是通過剪切應力表現為間接影響。剪切應力不斷撕裂、剝落腐蝕產生的保護膜， 產生裂痕（或沖蝕坑）， 若來不及修復則露出新鮮的活性金屬表面， 使痕內外構成 腐蝕原電池而進一步加速腐蝕。因此， 本文的研究認定管道沖蝕主要是壁面剪切應力的作用， 兼考慮其他因素影響。液相與固相顆粒對管道的剪切應力在管道的進口端均達到最大值。液相對管道的動壓力也在管道的進口處出現了最大值。另外， 顆粒的沖擊也會使新的金屬表面發生塑性變形、位錯聚集或誘發微裂紋， 使之處于高能區， 在腐蝕原電池中成為陽極區，從而加速材料的腐蝕。固相顆粒對管道的沖刷量， 在進口端附近最大， 而在管道的中部和出口端幾乎為零。
三、結論
1.因為沖刷和腐蝕的聯合作用， 沖蝕機理比其他類型腐蝕更復雜
液固兩相流中， 固體顆粒不是移去金屬基材， 就是移去腐蝕產物； 而液相中腐蝕介質的作用下， 導致腐蝕發生。高速流體擊穿了緊貼金屬表面幾乎靜止的邊界膜， 一方面加速了氧化劑的供應和陰、陽極腐蝕產物的遷移； 另一方面高速湍流對金屬表面產生了剪應力， 這種剪應力不斷剝離金屬表面的腐蝕產物， 使金屬不斷以金屬離子形式溶入溶液， 從而產生沖刷腐蝕過程。
第5篇：流體動力學模擬理論范文
關鍵詞：濕地水環境；演變機理；生態效應；新思路;研究
引言
濕地是地球上具有多種獨特功能的生態系統，在為人類提供食物、原料和水資源、穩定環境、維持生態平衡、保持生物多樣性等方面均起到重要作用,是人類賴以生存和持續發展的重要基礎,享有“地球之腎”的美譽[1]。近一個世紀以來，由于受盲目圍墾、過度開發和水質污染等人類活動及氣候變化、天然水循環變化的影響，使得濕地水環境和生態空間格局發生變化，進而造成濕地的功能下降、生物多樣性喪失、甚至濕地的消亡[2，3]。
我國自1992年加入《濕地公約》后，對保護濕地開展了一系列富有成效的工作，但濕地保護形勢依然嚴峻，由于對濕地形成演變機理、水環境效應及生態系統結構方面缺乏全面而深刻的了解，往往給保護區的工作造成一定困難，濕地保護研究相對滯后[4]。開展變化環境下濕地水環境演變機理及生態效應研究，對更好的利用和保護濕地有重要意義。
1國內外研究現狀及分析
1.1研究方法
濕地的定量模擬研究是當前生態學、水文學和濕地科學的一個熱點研究領域[5]。濕地建模、情勢重建是理解濕地形成演變機理、水環境效應、生態系統結構的重要途徑。目前，國內外對濕地的模型與研究方法已經取得了較大的進展，現綜述如下：
（1）圖表分析法與經驗統計法：傳統濕地生態水文學采用圖表分析法與經驗統計法研究濕地生態水文問題。從研究手段上看，在水文水質調查、濕地生物調查的基礎上，引入遙測信息。方法原理是通過宏觀尺度上濕地水文、生態調查，從植被生態的水文適應性角度，根據收集的信息，通過統計分析或采用制圖方式進行濕地水文景觀分類、生物結構、生物量和生物多樣性分析；在此基礎上，根據經驗方法估算生態環境需水總量[6]。由于這類方法未能充分表達濕地生態演替的階段性、濕地的基本特征、形成機理和動態過程，缺乏深入的物理機制剖析，研究水平較低，研究的角度相對狹窄。
（2）濕地水文模型：水文過程是濕地中最重要的過程,是決定產生和維持濕地典型類型和濕地過程的重要因素，是濕地研究的核心內容，在濕地形成、發育、演替直至消亡全過程中起重要作用。濕地水文模型可用以定量地評價濕地開發活動及保護管理活動帶來的環境影響和生態效應；可用作預測濕地水文及其它“動力”特征的變化規律；可用作檢驗濕地的概念、理論和濕地研究基本實測數據；也可用作輔助設計工具,在濕地的重新自然化和人工濕地的建造工程中用于輔助設計工程設施的結構、形式和參數等[7]。
近年來，濕地水文模擬技術得到了快速發展，特別是在水庫或洪泛濕地方面，如加拿大Waterloo大學提出一個蓄水～出流函數模型用于模擬濕地徑流響應[8]；英國Birmingham大學改進MODFLOW模型，在British 洪泛平原濕地成功地模擬了以年或季為水文周期的濕地水位變化[9]。國際上已成功開發了適合濕地的分布水文模型, Zacharias等認為濕地是一個水文、水環境系統，強調要加強濕地水資源綜合管理，結合GIS和RS發展了一個有物理基礎的水文模型來管理湖泊濕地水資源[10]；Da Paz等認為水循環對濕地生態系統起著重要作用，采用了二維平面水動力模型在Mangueira湖泊和Taim濕地中的應用[11]。我國濕地模擬研究起步不久，但模型研究仍然以概念性水文模型、地下水模型為主，濕地分布水文模型缺乏，有待加強。
（3）濕地監測和高新技術應用：美國從二十世紀70年代初就開始關注濕地監測和高新技術應用。Grapes, TR監測了chalk流域濕地的洪水和地下水，分析了濕地地下水流與河渠水位關系，以及壤中流和垂直水分通量變化規律[12]。國內王茜等人利用3S技術對洪湖濕地的結構類型進行監測，在分析研究洪湖濕地現狀(水文、土壤、植被、地形地貌、土壤、經濟發展、開發等內容)的基礎上,根據國際濕地分類的原則和實際情況,考慮遙感上的可操作性,設計出研究區域的濕地遙感分類系統[13]。
（4）濕地水環境流體模型研究：國內外有關科學工作者從70 年代后期開始從環境科學的角度對濕地進行研究, 取得了大量研究成果,為濕地保護和合理開發提供了重要的科學依據。如國外60年代開始研究河流水量水質、水量泥沙耦合模型。70～80 年代,國內外研究者較多地研究應用了一維、二維水量水質模型(如Baca and Arnett，1977)，90 年代國外三維水量水質模型研究比較成熟(如Simons, et al，1977)。例如美國國家環境保護局提出的多參數綜合水質模型(WASP，1996)和環境流體動力學模型（EFDC，2001），丹麥水力學研究所Mike水質模型等。國外環境流體動力學模型在我國應用研究也取得了很大進展，目前已廣泛應用在河流、水庫、湖泊、河口、港灣以及濕地等水環境生態系統中[14]。我國的湖泊工作者和環境工作者從70 年代后期開始, 進行了大量湖泊環境保護方面的研究工作, 在湖泊、水庫水質預測、污染物遷移轉化規律、總量控制等方面取得了一批重要成果[15]。
（5）濕地生態環境需水研究：90年代后環境需水量和生態需水量開始成為人們關注的焦點[16]。到目前為止，國外有關生態環境需水量研究內容主要有：河道流量與魚類生息環境關系研究[17]；河流流量、水生生物與溶解氧三者關系研究[18～20]；水生生物指示物與流量之間的關系研究；濕地調度考慮生態需水量的優化配置研究；環境用水與經濟用水關系研究等[21，22]。研究方法有：流量增量法、蒙大拿法、7Q10法、流量歷時曲線分析法、濕周法、棲息地排水法、BBM法、水利額定法等。對水庫、湖泊、濕地的生態環境需水還沒有成熟的理論、指標體系和計算方法[23]。從國內外對生態環境用水的研究來看，定性描述的多，理論推求的少，河流描述多，濕地研究少。總量估算多，過程計算少。另外，在確定生態環境需水時，時問尺度和空間尺度不明確，水量和水質耦合研究缺乏，各生態需水量重復計算，可操作性差，研究結果與實際應用還存在相當差距。所以，濕地生態環境需水估算仍然研究不足。
濕地水文生態模型與新興交叉學科和地學信息技術耦合是未來發展的必然趨勢。但至今我國濕地模型的研究才剛剛起步，研究進展緩慢原因是：有物理基礎的分布水文模型建模因涉及多學科有較高的難度，另外我國濕地監測與實驗資料缺乏，在今后的研究中，還有待進一步加強和完善。
我國目前濕地保護才剛剛起步，很多問題有待深入研究，如濕地的水文水環境效應研究不深入，有物理基礎的濕地模型缺乏；濕地健康評價指標體系和生態需水過程估算方法還不完善；濕地生態環境流體動力學研究不足；濕地建設與濕地管理缺乏系統成熟的技術方案等。
1.2評價方法
國內外已經發展了較成熟的濕地評價方法。在眾多濕地分類方法中有代表性的方法包括Cow ardin 等于1979 年提出的分類體系[24]和Brinson 于1993 年提出的水文地貌學分類方法[25]。美國農業部濕地研究所推薦一套濕地評價水文模型DRAINMOD和濕地水文識別準則[26]。國外Sutula, MA等應用一種濕地快速評估方法(RAMs)評價濕地系統，介紹了RAMs方法的發展[27]。國內賈忠華等人采用美國農業部推薦的濕地評價水文模型DRAINMOD,探討西安干旱與半干旱地區不同來水量對濕地地下水位變化的影響，分析了該區形成臨界濕地水文條件所需的臨界水量[28]。袁軍等運用多級模糊模式評價模型對黑龍江洪河國家級保護區不同年份的濕地水文功能進行評價[29]。
診斷濕地生態系統健康是水聚濕地保護的重要手段之一。開展濕地生態系統健康評價方法可分為：物種指示法和結構功能指標法[30，31]。Costanza等1997提出了基于系統層次的生態健康指數(Health Index，HI)[32]。此外，也有學者提出了基于河流水文學、物理構造特征、河岸區狀況、水質及水生生物等5方面共計22項指標體系計分基礎上的溪流狀況指數(Index of Stream Condition，ISC) 。隨著對湖泊生態系統研究的深入，最近幾年物理指標、壓力指標等也被考慮在內，使健康診斷指標不斷完善。
2研究思路創新
分析理解濕地水文、水質與生態三者之間的相互作用關系，對變化環境下濕地水循環規律、水環境效應、污染物遷移轉化機理和生態格局演變規律進行單獨研究并做集成研究；構建一個變集水區尺度、基于RS和GIS、反映濕地特征的、有物理基礎的、多尺度集成、多要素耦合的“變網格”技術支持下濕地分布式生態水文模型范式，以便于增加對濕地水循環、污染物遷移轉化、濕地的消長與退化、濕地生態環境需水過程的理解和認識；對濕地消長過程、濕地生態需水變化過程、環境需水變化過程的模擬與預測，包括預測坡地、濕地、河流之界面水循環過程；開展濕地水流場、濃度場和生物量的情景預測等等，對于理解濕地水環境效應及生態修復功能有指導作用。
3結語及展望
我國濕地保護當前所面臨的主要問題，以生態水文學、環境生態學、水動力學等理論為指導，以洪泛濕地為典型研究對象，以自然與人類相互作用為核心，強調流域坡地、濕地、河流、湖泊、大氣、地表林冠層、包氣帶、地下飽和水帶等不同空間尺度上和界面上的水循環、N-P物質循環等自然過程的相互作用研究；揭示變動水文情勢下濕地水循環規律、水環境效應、水環境演變機理和生態格局演化規律；了解濕地水文、水質與生態三者之間的相互作用關系；基于對過程理解的模型研究，以生境濕度特征為核心，預測生態環境過程，診斷典型濕地生態環境健康，檢測典型濕地可持續發展中人為作用與自然作用的關系，探討實現濕地可持續發展的途徑，提出濕地生態系統保護規劃及水污染治理規劃的生態、水利雙重調控對策。豐富濕地生態水文學理論和方法，為濕地水資源、水環境生態保護提供參考借鑒。
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第6篇：流體動力學模擬理論范文
Abstract： The widely use of CFD technology in research and application of hydraulic mechanical property are systematically introduced， corresponding conclusions and recommendations are made for design and analysis and improvement and development of the hydraulic turbine impeller， which is the key part in the energy recovery， and plays a key role in the turbine power generation.
P鍵詞：CFD技術；液力透平；葉輪；綜述
Key words： CFD technologies；hydraulic turbine；impeller；review
中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）04-0106-04
0 引言
液力透平是針對高壓余能進行能量回收并具有長遠經濟效益的節能裝置。伴隨國家經濟飛速發展，由于存在能源利用率低下、資源消耗過渡的現狀，節能裝置的開發利用作用更較突顯出來。近年來，伴隨計算機技術的成熟和發展[1]，在能量回收領域關于液力透平設計的發展有了較大突破，得益于人們對CFD技術的借鑒和應用，人們已從原始數據測量和真機實驗延伸到數值模擬和模型試驗上，為水力設計帶來更有效的研究手段。設計人員伴隨CFD技術的進一步完善，可以通過流場特性分析得到的數據，針對液力透平特點進行有效修改，完善透平裝置的設計和優化，豐富了液力透平設計的理論和辦法。
1 CFD技術概述
1.1 CFD技術介紹
CFD技術是計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics）的簡稱[2]，CFD技術的迅速崛起與計算機技術的快速發展密切相關，研發人員經過幾十年的探索與開發，使得今天CFD技術已廣泛應用到科學研究的諸多領域中，是一門在包含流體力學分析、數值計算方法和計算機圖形處理分析的綜合技術[3]。其基本原理是利用能量守恒偏微分方程求解流體運動的基本運動規律的數值模擬。從而通過分析計算結果來近似模擬模型流動區域的流體流動情況。CFD技術由4部分構成，即：數值建模、網格劃分、CFD求解和后處理。數值建模是CFD技術的基礎，在液力透平設計中以基本參數為參考建立幾何模型并計算分析模擬結果得到了直觀的參數分析因素，能夠真實模擬液力透平內部流場復雜的流動情況，并提供可視化效果，使其科研人員更方便的進行流場運動分析，完善設計中的缺陷。
在流體流動問題的研究中，新興的CFD技術與過去傳統理論分析分析方法、實驗校核測量分析方法相結合組成一套完整體系[4]。理論分析方法計算結果雖具有普遍性，但通常是在經驗公式和理論的基礎上獲得的結果，因此所得結果不能保證在各種情況下結果的準確性。試驗測量方法通過實驗數據結果驗證問題，所得到的試驗結果真實有效，從而為理論分析和數值方法的研究奠定了基礎。然而，試驗多受到外界條件限制，所得結果很難與實驗理想目標相統一。而CFD技術恰好能有效的解決兩者缺陷并在有效時間內完成實驗結果的研究和分析，并能精確的描述設備與過程，解決了實驗結果數據表現形式的單一性。
利用CFD研究流體運動，對液力透平內部流場進行分析和研究，是泵行業未來發展的重要方向，但目前研究方法尚不成熟，且應用到工程實際中需要一定周期，因此開展此項工作必須建立在總結以往的設計方法、經驗和科研成果的基礎上，結合試驗研究并理論聯系實際，反復研究整理才能得到合理的設計理論和設計方法。
1.2 CFD技術商業性軟件
近些年，CFD技術的迅速發展，使得其在流體力學中應用得到廣泛應用，人們意識到在處理相關問題時，它的作用不容忽視。常用的CFD軟件有兩類，一類是以有限體積法為核心，如FLUENT、STAR-CD、PHOENICS，另一類是以有限元法為核心，如FIDAP。還有的是將兩類方法結合在一起，如CFX-TASCflow采用基于有限元理論的有限體積法。目前在水力機械中使用最廣泛的CFD軟件是FLUENT、CFX―TASCflow和STAR-CD[5]。
而CFD技術經過四十年發展，出現多種數值解法。FEM的并行是當前和將來應用的一個不錯的方向。對于水力機械，還可計算得到任意兩個過水斷面間的水力損失、泵的揚程，預測葉輪上的扭矩及泵的水力效率。而CFD技術精度問題一直困擾研究人員，準確判斷其準確性和正確性是有待解決的現實問題。因在處理同一物理問題上所采用的建立幾何模型和計算方法的不同，而得到不同的計算結果。
在處理流體流動問題上，商業軟件的廣泛開發應用極大的推動了針對泵技術研究和優化問題，有效的縮短在實驗研究階段因對泵內部流場分析數據手段不足而限制研究進度，進而增強設計研發人員的主觀能動性。
1.3 CFD技術應用現狀
目前對液力透平的研究，仍多以泵反轉式透平為主，由于反轉泵效率低于正常泵工作效率，因而泵的結構優化顯得尤為重要。國內學者楊軍虎、袁亞飛等在泵反轉做透平以及結合CFD技術對液力透平的研究為泵技術的理論成果提供了大量技術資料與經驗，其中通過對葉片泵增加導葉和優化葉片等措施，實現了不同工況條件的液力透平效率的改善。國外學者則通過對水輪機的研究，利用CFD技術對比實驗所得數據對液力透平及透平泵的改進提出了可貴意見。
由于CFD技術可以結合目前三維軟件模型進行數值模擬，通過對三位實體模型的網格劃分與求解，在CFD后處理軟件中可以通過強大的數據分析與可視化操作，將液力透平的傳統設計進行全新的系統升級，改善了以往實驗型結果分析單一性，大大縮短了在設計過程中的時間與物力人力消耗。王福軍在CFD軟件原理與應用中詳細介紹了CFD技術在當前各領域的運用與擴展。袁壽其、劉厚林等學者通過總結泵類流體機械研究進展與展望，對現代泵理論的研究具有重要意義[6]。
目前在湍流模型的選擇中，FLUENT軟件提供了標準的k～ε模型、k～ω模型、雷諾應力模型（RSM），不同的湍流分析應選擇則合適的湍流模型[7]。而在流體分析計算中由于計算流體力學流場實驗研究難度和耗費均比較大，因此在有些使用過程中不能對計算結果和計算精度做出深入研究，而是修正驗計算結果，所以使CFD計算的準確缺乏可信度。另外在CFD使用過程中缺少認識和深入理解，無法針對軟件缺陷提出可靠性建議，在軟件二次研發上不能有所突破。目前使用的網格主要有結構化網格、非結構化網格以及混合網格等[8]。并且在劃分網格的使用中，針對非結構化網格的流體粘性解決辦法不能有效解決，是當前CFD技術應用面臨的困難問題。
2 葉輪設計分析
2.1 建立方程和建模
第三步如圖3所示進行網格化分，設置相關參數，其節點為120598，單元數有153386，并在ICEM CFD中進行邊界設置，主要以進出口與壁面為主。
完成相關操作后，在FLUENT中進行計算求解，本模型選擇穩定性好與計算精度高的標準k～ε模型，選擇介質為清水，給定進口速度為4.5m/s，進口初始壓力4.8MPa，出口壓力為10MPa。
如圖4所示設置求解參數，并選擇SIMPLE算法，初始化流場參數，保存文件并進行迭代計算，觀察分析結果并保存數據。
由以上迭代殘差圖分析可得，計算500步后各項數據大致趨于收斂。如圖5～圖7所示分別為葉輪內部速度大小與矢量，葉輪內部動壓力和總壓力分布情況。從圖7中分析可得，葉輪內部流速均勻，未產生壓力過大產生的渦流現象。
2.3 結論及建議
通過對高揚程液力透平葉輪數值建模分析，得出在設計高揚程液力透平過程中，需要對葉輪模型的葉片形狀、進出口安放角、葉片厚度做出合理設計[11]，并通過改善液力透平模型的進出口角度以及葉輪轉速調節液力透平回收效率，改善高揚程液力透平性能[12]。
進行液力透平設計必須要對內部流場特性進行分析，通過觀測表明，水力機械內部流動在多數情況下處于湍流狀態，流場由各種不同尺度的湍流渦疊合而成[13]。這些渦具有旋轉結構，渦的大小及旋轉軸的方向分布是隨機的[14，15]。由于湍流的復雜性，很難通過試驗來掌握水力機械內部的湍流狀態，而近幾年快速發展起來的計算流體動力學（CFD）理論和方法，給我們認識水力機械湍流流動提供了一種新的途徑，對揭示水力機械流場流動特性與結構動力特性間的復雜關系，具有潛在的優勢。未來CFD技術發展格局，更多面向解決工程實際應用問題，優化計算系統，實現數值模擬和流體分析運算有機結合，實現計算結果的優化，完成對工藝設備的優化升級，在液力透平研究中，實現節能裝置的產業信息化，提升二次能源利用率；建立高效、實用、精確、便捷的復雜網格化分技術，實現云計算在CFD技術中的有效應用，將是未來CFD技術的發展趨勢；發展CFD集成技術，實現其與CAD/CAM/SOLIDWORKS/PORE無縫銜接，建立一體化平臺，針對不同物理量的分析運算建立不同分析模塊，提高應用效率；為了提高CFD技術在液力透平研究與設計的應用，應逐步建立評判標準體系。
3 結語
CFD技術發展趨于多元化、高精度、高適應性、集成化與模塊化、建立統一的應用發展平臺勢在必行，在計算機飛速發展大勢影響下，CFD技術工程實際應用在不斷投入實踐，是為社會實現高效、準確的科研實踐提供有效措施，逐步帶動實現信息化處理產業高速發展。通過對高揚程液力透平葉輪設計分析得出在針對特定工況要求下液力透平關鍵部件研究為改善能量回收效率及透平發電中有建設性論據，為流體分析計算提供良好的解決方案不斷優化科研實踐中難題。
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第7篇：流體動力學模擬理論范文
關鍵詞：多物質ALE算法；ANSYS/LS—DYNA程序；TNT炸藥；數值模擬；
Based on the ALE algorithm TNT explosive substance，Numerical simulation analysis
Cai Xiao—hong
（ Xi''an Shenzhou Aerospace Architectural Design Institute， 710025 ）
Abstract： Based on the ANSYS/LS—DYNA dynamic nonlinear finite element program， using arbitrary Lagrange Euler （ ALE ） method，As well as the substance of fluid—solid coupling method on soil under explosive loading are studied by numerical simulation， reached the following conclusions： TNT after the explosion， the formation of spherical shock front， and spread outwards， shock wave pressure is reduced gradually. From the bottom of the soil at various points in the speed is gradually increased.
Key words： multiple substance ALE algorithm； ANSYS/LS—DYNA； TNT explosive； numerical simulation；
1.引言
爆炸是能量短期內急劇釋放的過程，具有短時高速高壓的特點，在礦山爆破、金屬爆炸成型、水下爆破排淤等軍事與民用領域有著極為廣泛的應用，研究結構在爆炸荷載作用下的動力響應，對于我國防護工程、爆破工程的發展具有十分重要的意義[1]。然而爆炸動力學過程十分復雜，很難進行解析分析，常采用數值模擬分析及模型實驗法。
爆炸過程的數值模擬方法有很多種方式，最簡單的方式是將爆炸荷載簡化為隨時間變化的節點力施加到結構上。更精確的模擬方法是利用JWL狀態方程描述爆炸過程中壓力與體積的關系[2]。對于接觸爆炸問題，若采用Lagrange算法描述，可以采用公用節點的方式將炸藥單元和結構單元聯系起來；也可以在炸藥單元和結構單元之間定義接觸來考慮其相互作用，然而，由于炸藥單元爆炸過程中產生嚴重畸變，不僅需要進行網格重構，而且還嚴重地影響數值解的精度，很容易因為步長過小而中斷或誤差過大而失真。近些年發展起來ALE方法以及多物質流固耦合方法也可以用來模擬爆炸問題，對炸藥、空氣、土壤、水以及破壞后的巖石采用ALE網格，對其他固體結構采用Lagrange網格，炸藥單元和和結構單元之間通過流固耦合來定義彼此之間的連接，由于材料物質在網格中可以流動，因此不存在單元畸變問題[3]。流固耦合的主要特點是：在建立有限元模型時，結構和流體的網格可以重疊在一起，通過一定的約束方法將結構與流體耦合在一起，模擬分析時，往往對Lagrange網格進行約束，將結構的相關力學參量的傳遞給流體單元。LS—DYNA程序中流固耦合的算法主要約束方法有加速度約束、加速度和速度約束和速度法向約束及罰函數約束等[4，5]。
本文利用有限元程序LS—DYNA，采用ALE算法以及多物質流固耦合方法對爆炸荷載作用下的數值模擬研究，通過對在土中一定深度放置一定質量的TNT炸藥引爆過程的數值模擬，分析土中爆炸空腔的形成、擴展以及鼓包運動的過程。
2.ALE算法的理論基礎
2.1 ALE算法理論基礎
任意拉格朗日—歐拉算法（Arbitrary Lagrangian Eulerian，簡稱ALE）最初用于模擬流體動力學問題有限差分方法，兼有Lagrange方法和Euler方法二者的長處，即在結構邊界運動的處理上引入Lagrange方法的特點，能夠有效的跟蹤物質結構便捷的運動；在內部網格的劃分上，又吸收了Euler方法的長處，使得內部網格單元獨立與物質實體而存在，同時網格可以根據定義的參數在求解過程中適當調整位置而不致出現嚴重畸變。目前，ALE法廣泛用于求解流固耦合、接觸、大變形、液體大幅晃動等移動邊界、接觸問題的研究[3]。
不可壓縮Navier—Stocks流體的控制方程可以描述為：
此外，在ALE方法描述中，還需要引入第三個任意參照坐標，與參照坐標相關材料的微商可以表示為
式中， 為拉格朗日坐標， 為歐拉坐標， 為相對速度。其中 ， 示物質速度，而 表示網格速度。
LS—DYNA程序是一款可以在個人計算機上穩定運行的，便于模擬爆炸、高速碰撞過程的國際著名非線性顯式動力分析有限元軟件。
2.2 JWL狀態方程
炸藥爆轟過程中的壓力和比容關系被稱為JWL狀態方程：
第8篇：流體動力學模擬理論范文
關鍵詞：工業廠房；煤氣泄漏；火災模擬；煙氣流動
中圖分類號：X92 文獻標識碼:A
1 概述
隨著工業化發展的不斷提高，工業用火、用電、用氣和化學物品的應用也日益廣泛，工業建筑物火災的危險性和危害性大大增加，伴隨而來的火災發生的頻率也越來越高，尤其在工業廠房內，一旦有火災發生就會對人員的生命財產造成直接的危害，嚴重的情況下會導致巨大的人員傷亡和財產損失。
例如以簡化的廠房空間為研究對象，借助大型專業化計算流體力學軟件FLUENT, 對單室內由于煤氣泄漏引起的火災及煙氣蔓延過程進行數值模擬，得到了火場中溫度場和燃燒產物二氧化碳濃度場的直觀顯示，為人們了解火災發生和發展的過程提供了新的方法和手段，也為工業建筑防火設計和消防安全評估提供了新的科學工具，是消防安全工程學和性能化設計的重要基礎。
2本文設定的場景與幾何建模
實驗房間幾何尺寸為長6.0m，寬3.3m，高4.5m，房間墻壁有一高1.2m，寬2.0m的窗戶，窗戶對面是一高2.0m，寬0.8m的房門，在一側壁中央位置距地面高1.0m有一處煤氣泄漏點，本文考慮的泄漏危險源是沿墻鋪設的煤氣匯流排管道有一處泄漏，形成直徑為1cm的圓形泄漏噴口，泄漏流量為0.1413m3/h（即泄漏速度為0.5m/s），泄漏煤氣的主要成分為甲烷。如圖2.1所示為在GAMBIT幾何建模軟件中建立的實驗房間幾何模型。
2.1 實驗房間幾何模型
3建立數學物理模型
火災的場模擬理論基礎是基于質量守恒、動量守恒、能量守恒、化學組分平衡的微分方程，而場模擬的過程就是對這些方程組進行數值求解。然而這些方程組是不封閉的，為了使方程組封閉，就必須引入湍流的附加方程，然后借助計算機對封閉方程組進行求解，就可以得出火災過程中各種參數的詳細空間分布及其隨時間的變化。
3.1湍流平均量方程
火災中燃燒的湍流過程影響著整個流體的流動，要想求解方程組就必須正確處理湍流過程。計算湍流粘性系數Ut的方法就是所謂的湍流模型，湍流模型種類很多，本文引用應用范圍較廣的k-epslion雙方程模型：
3.2邊界條件
FLUENT軟件包含了更為廣泛的邊界條件設置類型，本文僅結合所研究的實際問題進行討論。
（1）流體進口邊界條件：本文對于著火廠房設置了兩個流體進口，一個是燃料進口，另一個是空氣進口。其中甲烷的泄漏速度為0.5m/s，溫度為300K；窗戶進風速度始終為0.5m/s，溫度300K。
（2）流體出口界面：本文場景中廠房的房門為出流口。
（3）壁面：本文的研究中采用絕熱、無滲透、無滑移壁面。
4模擬結果及分析
數值模擬計算采用FLUENT軟件進行，使用分離解方法。求解過程中，燃燒控制方程具有較好的收斂記錄。
圖4.1 60秒時溫度等值線圖
圖4.2 60秒時CO2濃度等值線圖
結果分析
高溫煙氣對人體的危害如果煙氣層面高于人眼的特征高度時（人眼的特征高度通常為1.2～1.8m，一般取1.5m），其煙氣層的熱輻射強度就會傷害人，而當煙氣層面低于人眼的特征高度時，對人的危害將是直接燒傷或由于吸入熱氣體而對呼吸系統的破壞。由60s時圖4.1可以看出，房間窗戶下沿1.8m處煙氣溫度已經達到180℃左右，此時可對人體造成輻射傷害，在房間中后部煙氣高度已接近1.5m，將對人體構成直接傷害。所以，人置身于煤氣泄漏的火場時，要在短時間內逃離，以防熱煙氣層的沉積造成高溫煙氣的輻射、灼傷而阻礙逃生。
CO2濃度在60秒時有明顯的增長趨勢。主要是廠房空間內原有的氧氣和窗戶的進風使煤氣燃燒充分，生成較多的CO2，幾乎在短時間內就彌漫了廠房的上半層空間，圖4.2可以看出，廠房的大部分空間已經彌漫了濃度較高的CO2，并且在生成CO2的同時消耗了大量的氧氣，CO2對人體的危害主要是窒息作用。
結論
采用專業化計算流體力學軟件FLUENT對工業廠房的煤氣泄漏火災進行了模擬，把火災數值模擬技術應用于實際，實現了火場中的物理量，如溫度、生成物組分二氧化碳濃度隨泄漏時間變化的直觀顯示，為廠房內危險區域的劃分及災害控制提供了參考依據，也為廠房結構空間的性能化設計和煤氣泄漏火災的防治提供了理論依據。
參考文獻
[1]王福軍.計算流體動力學分析[M].清華大學出版社，2004.
[2]韓占先，徐寶林，霍然等.火災科學與消防工程[M].山東科學技術出版社，2001.
[3]霍然等.建筑火災中煙氣蔓延的動態顯示[J].火災科學，1995，Vol.4，No.3.
[4]范維澄，萬躍鵬.流體及燃燒的模型與計算[M].北京：中國科學技術大學出版社，1992.
第9篇：流體動力學模擬理論范文
【關鍵詞】CFD 空氣調節 教學課件 素材
【中圖分類號】G622【文獻標識碼】A【文章編號】1009-9646(2008)08-0187-02
建筑環境與設備工程專業的《空氣調節》這門專業課機理抽象、復雜,且與工程實際現象緊密結合。學生學習這門專業課程時,普遍反映理論知識比較抽象,不容易理解,且不能與具體現象相結合。由于教學條件的限制,專業課教師無法具體動態地將現象講授給學生,使專業課的理論知識講解與實際現象脫節[1]。
隨著計算機技術的普及,課堂組織教學形式呈現出多樣性發展趨勢。多媒體教學課件具有直觀、形象、生動等特點,目前正被廣泛應用于教學,推動著教學的改革。教學課件依賴于多媒體素材的優劣。傳統上采用FLASH、3DMAX等處理軟件制作多媒體素材,這類素材具有動態顯示、容易制作等優點,但缺少和實際模型的結合,往往僅是定性演示,無法做到定量數據現身說法的效果。
本文結合建筑環境與設備工程專業特點,利用CFD技術構思并制作了“空氣調節”教學課件素材,以供大家探討。
1 CFD簡介
隨著多媒體教學的改革實踐和理論探索,越來越多的教學課件制作教師要求課件素材的真實性、可靠性。雖然一些企業和商家開發研制出大批多媒體教學素材,但是由于開發人員具有的專業知識面比較狹窄,使得總體情況并不令人十分樂觀,能滿足課堂教學要求的多媒體素材仍然占少數。
CFD是計算流體動力學(Computational fluid Dynamics)的簡稱,是專門用來進行流場分析、流場計算、流場預測。通過CFD,可以分析并且顯示發生在流場中的現象,在比較短的時間內,能預測模擬對象性能。 隨著計算機技術的發展和數值模擬計算方法的日趨成熟,出現了基于現有流體力學理論的商用CFD軟件。商用CFD軟件使許多不擅長CFD的其它專業研究人員能夠輕松地進行流動數值計算,為解決實際工程問題開辟了道路[2]。
CFD同FLASH、3DMAX等處理軟件對比而言,具有以下優點[3]:
(1)投入低、速度快,而傳統的FLASH、3DMAX等處理軟件需要專業教師投入較多的時間學習非專業知識;
(2)可以相對準確地反映出流體流動的細節,如速度場、壓力場、溫度場或濃度場分布的時變特性;
(3)CFD模擬要比FLASH、3DMAX等處理軟件更自由、更靈活,還能對結果做出定量分析;
(4)CFD數值具有很好的估計性,重復性,條件易于控制,可以重復模擬過程,更容易得到某些規律性的素材。
鑒于CFD技術的優點,利用商用CFD軟件開發多媒體教學課件素材可以創設逼真的情境,幫助學生掌握和理解難懂的內容。同時由于參數設置比較貼近實際,可以做到定量分析問題,讓學生對教學環節產生興趣。
2 制作素材過程
以“某實驗室房間室內污染物濃度分布”為例,具體闡述一下制作過程。
已知條件:采用8m*6m*4m的房間模型,在三維模擬中,房間布置四個回風口和八個送風口,尺寸均為0.5m*0.5m。房間有七個實驗臺,實驗臺頂面各有一個CO污染源,散發速度為0.1m/s。X方向為房間長度8m,Z方向為房間寬度6m,Y方向為房間高度4m。三維圖形及尺寸見圖1。
要使用CFD軟件,首先明確研究對象性質,建立研究對象物理模型,并在此基礎上建立研究對象數學模型;然后將流體流動的物理特性應用到模擬計算模型;最后通過CFD軟件輸出所需的流體性質。
(1)根據已知條件,建立空調房間室內污染物濃度分布模型,劃分網格,給出邊界條件,并導出網格和邊界條件數據文件。
(2)將網格和邊界條件數據文件導入CFD軟件,設置邊界條件參數,進行數值計算,并導出數值模擬結果數據文件。數值計算結果如圖2示。
(3)為了便于探討室內污染物動態分布情況,可以將導出數值模擬結果數據文件導入數據處理軟件進行動畫處理,處理結果如圖3所示。
3 結語
利用CFD軟件可以開發《空氣調節》多媒體教學課件素材,貼近實際情況,有助于學生掌握和理解難懂的內容。
參考文獻
[1] 李援英.空氣調節與技術應用[M].北京機械工業出版社,2002.
