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[關(guān)鍵詞]攪拌器；流固耦合；多重參考系法

[中圖分類號(hào)]TQ019[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

0引言

攪拌罐在造紙、化工、石化、制藥、食品加工和生物化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。從其用途來(lái)看可以使物質(zhì)混合均勻，促進(jìn)傳質(zhì)、傳熱現(xiàn)象，加快反應(yīng)速率等。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)攪拌罐內(nèi)流體流動(dòng)展開(kāi)了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，比如畢學(xué)工等[1]使用Fluent對(duì)某鋼廠攪拌工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究槳葉長(zhǎng)度、攪拌頭插入深度及轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌效果的影響。張鎖龍等[2]對(duì)軸流槳及45°三葉折葉槳攪拌流場(chǎng)、功率的測(cè)試進(jìn)行了對(duì)比及分析，得到了槳葉安裝高度對(duì)槳葉性能的影響。侯權(quán)、潘紅良、馮巧波[3]基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)攪拌反應(yīng)罐流場(chǎng)的各影響因素（如槳間距、罐槳徑比等）進(jìn)行分析和研究，最后根據(jù)分析和研究的結(jié)果提出了攪拌反應(yīng)罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向和措施。

本文選用多重參考系法對(duì)攪拌槳進(jìn)行模擬。采用標(biāo)準(zhǔn)k――ε模型進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，得出流場(chǎng)分布及攪拌器的靜力和模態(tài)分析。

1理論基礎(chǔ)

在攪拌器中，當(dāng)葉片與擋板間的相互作用相對(duì)減弱時(shí)，可以使用MRF模型。

標(biāo)準(zhǔn)模型的方程（湍流耗散率ε方程和湍流動(dòng)能k方程）：

2數(shù)值模擬

2.1Gambit幾何模型

下面是槳葉半徑為75 mm，厚度為20 mm，攪拌罐半徑為175 mm，攪拌角速度為w=0.5 rad/s。

2.2網(wǎng)格劃分

本文應(yīng)用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格生成，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)于模型的處理，把攪拌器附近區(qū)域的部分設(shè)為攪拌槳區(qū)見(jiàn)圖1（1），把漿液池中其他區(qū)域設(shè)為槳外區(qū)圖1（2），攪拌槳區(qū)是半徑為80 mm，高40 mm的柱形區(qū)域；槳外區(qū)中心與攪拌區(qū)域相同，槳外區(qū)是半徑為175 mm、高340 mm的柱形區(qū)域。

圖2為葉片表面壓力分布云圖。從壓力分布圖可以看出，在攪拌器槳葉頂部壓力最大，攪拌槳根部壓力較低。

圖3（1）為中間軸截面泥漿濃度分布圖。從顆粒的濃度分布看出，在池底的中心位置和池底角落的固體顆粒濃度最大，池頂部和攪拌槳下方以及整個(gè)大循環(huán)漩渦區(qū)域的固體顆粒濃度低。

圖3（2）為中間軸截面水流速度分布圖。從中可以看出，液流的高速區(qū)主要集中在攪拌槳葉附近，以及在其下方形成的帶狀區(qū)域，這樣更能使固體顆粒不容易沉淀。

從表1可以看出，攪拌葉輪靜態(tài)模態(tài)固有頻率與預(yù)應(yīng)力模態(tài)固有頻率在數(shù)值上相差不大，說(shuō)明流固耦合場(chǎng)對(duì)葉輪固有頻率影響較小。

圖5則給出了葉片的振型圖。從圖5看出，當(dāng)葉片的頻率為72.38 Hz時(shí)，將發(fā)生二階共振，二階共振主要形式為揮舞振動(dòng)，振幅最大處向葉尖轉(zhuǎn)移；當(dāng)頻率為298.5 Hz時(shí)，出現(xiàn)三階共振，三階共振主要形式為擺振，葉片尖部振幅較大。

5結(jié)論

（1）應(yīng)用流固耦合數(shù)值模擬得出攪拌槳葉受到的最大壓力約為0.124 MPa，最大壓差約為0.344 MPa；根據(jù)壓力分布，計(jì)算出攪拌槳葉的最大應(yīng)力和應(yīng)變都在葉根處，最大應(yīng)力為254.89 MPa，最大變形量發(fā)生在攪拌槳葉尖部，攪拌槳葉的葉尖處變形量最大為0.000 327 mm。

（2）對(duì)攪拌槳葉進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，得到了槳葉的前10階固有頻率，當(dāng)葉片的頻率為72.3841 Hz時(shí)，將發(fā)生二階共振，主要形式為揮舞振動(dòng)，振幅最大處向葉尖轉(zhuǎn)移；當(dāng)頻率為298.75 Hz時(shí)，出現(xiàn)三階共振，主要形式為擺振，葉片尖部振幅較大。

（3）對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出攪拌槳葉片的受力分布形態(tài)和規(guī)律，為進(jìn)一步研究疲勞壽命、斷裂分析和風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

參考文獻(xiàn)

[1]畢學(xué)工，岳銳等.基于Fluent的攪拌模擬研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012.

[2]張鎖龍，沈惠平等.JH型軸流式攪拌槳流場(chǎng)分析及設(shè)計(jì)[J].化學(xué)工程，1999，27（5）：26-29.

[3]侯權(quán)，潘紅良，馮巧波.基于Fluent的攪拌反應(yīng)罐流場(chǎng)的優(yōu)化研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2005，21（03）：78-83.

[4]候栓第等.渦輪槳攪拌槽流動(dòng)場(chǎng)數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報(bào)，2001，52（3）：241-246.

[5]何洲.攪拌器內(nèi)部流場(chǎng)特征的數(shù)值模擬研究[D]，華東理工大學(xué)，2010.

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關(guān)鍵詞：船撞橋；撞擊力；HJC動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：R185文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1、引言

1965年-1989年期間，世界范圍內(nèi)平均每年都會(huì)有災(zāi)難性的船撞事故發(fā)生。這些事故造成100多人死亡，巨大的經(jīng)濟(jì)損失，運(yùn)輸服務(wù)損失和其他損害賠償。1980年，美國(guó)弗羅里達(dá)州的坦帕灣上的陽(yáng)光高架橋在一次船撞事故中的倒塌，從此船舶碰撞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在美國(guó)橋梁發(fā)展史上便出現(xiàn)了一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，穿越航道的橋梁安全問(wèn)題出現(xiàn)了，世界上許多國(guó)家開(kāi)始了研究船舶碰撞的問(wèn)題[1]。在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，我國(guó)橋梁的建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。跨越通航江河、海峽的大型橋梁數(shù)量越來(lái)越多，船舶尺寸和排水量逐漸趨于大型化，橋梁遭受船舶撞擊而致?lián)p壞或倒塌的重大事件也逐年增長(zhǎng)[2]。因此，船撞是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。目前國(guó)際范圍內(nèi)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中均將船撞問(wèn)題簡(jiǎn)化為靜力問(wèn)題處理，這在合理性方面存在較大的缺陷[3]。近年二十幾年來(lái)，仿真分析的方法在橋梁碰撞研究中得到了廣泛的應(yīng)用。本文正是在這種背景下進(jìn)行了船撞橋梁的碰撞模擬分析。

2、計(jì)算模型

本文選用的駁船基本尺寸如表1所示，同時(shí)選用兩種不同形狀的橋墩A和B作對(duì)比分析，橋墩的基本尺寸分別如表2和圖1所示。

表1 駁船的主要尺度

圖1橋墩B墩底截面尺寸

駁船與橋墩的有限元模型見(jiàn)圖2-圖4。由于在碰撞過(guò)程中船首是碰撞和吸能的關(guān)鍵部位并且需要表達(dá)復(fù)雜的變形模式，所以對(duì)船艏采用特別精細(xì)的網(wǎng)格。模型的最小單元長(zhǎng)度控制在50mm左右。船首的各層甲板、艙壁板、肋板等采用殼單元SHELL163模擬。由于在整個(gè)撞擊過(guò)程中，只有船艏與橋墩碰撞接觸，船體中后部因遠(yuǎn)離撞擊區(qū)，僅提供剛度和質(zhì)量的影響，因此將船體中后部簡(jiǎn)化為剛體，通過(guò)調(diào)整板的幾何尺寸和材料密度，使整船的重量和重心的位置與實(shí)船相符。船頭材料為低碳鋼，采用能夠考慮應(yīng)變率對(duì)材料屈服強(qiáng)度影響的雙線性塑性隨動(dòng)模型。船舶的航行速度為3m/s。橋墩模型選用solid164實(shí)體單元模擬，在碰撞區(qū)域適當(dāng)將網(wǎng)格加密，材料采用C40混凝土，選用能夠反映混凝土材料在碰撞作用下產(chǎn)生損傷、破碎及斷裂破壞的HJC動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。

圖2 船舶簡(jiǎn)化模型圖3橋墩A簡(jiǎn)化模型 圖4 橋墩B簡(jiǎn)化模型

3、本構(gòu)模型

各向同性、隨動(dòng)硬化或各向同性和隨動(dòng)硬化的混合模型與應(yīng)變率相關(guān)，可考慮失效。應(yīng)

變率用Cowper-Symonds模型來(lái)考慮，用與應(yīng)變率相關(guān)的因數(shù)表示屈服應(yīng)力[4]：

（1）

其中：這里是初始屈服應(yīng)力；是應(yīng)變率；和是Cowper Symonds應(yīng)變率參數(shù)；是有效塑性應(yīng)變；是塑性硬化模量，。

HJC模型是Holmquist TJ、Johnson G R和Cook W H于1993年針對(duì)混凝土在大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高壓強(qiáng)條件下提出的一種計(jì)算本構(gòu)模型，可用于Lagrange和Euler兩種算法。該模型是對(duì)Osborn模型[5]的改進(jìn)，并且考慮了材料的損傷、應(yīng)變率效應(yīng)以及靜水壓力對(duì)于屈服應(yīng)力的影響。HJC模型的屈服面可表述為：

（2）

其中，是標(biāo)準(zhǔn)化等效應(yīng)力（為材料的靜力抗壓強(qiáng)度）。是標(biāo)準(zhǔn)化靜水壓力。是無(wú)量綱的應(yīng)變率（為真實(shí)應(yīng)變率，為參考應(yīng)變率）。、、、和均為材料常數(shù)。表示標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)聚力強(qiáng)度，表示標(biāo)準(zhǔn)化壓力硬化系數(shù)，是壓力硬化指數(shù)，是應(yīng)變率系數(shù)，是混凝土所能達(dá)到的最大標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度。

4、船撞仿真計(jì)算結(jié)果及分析

船舶從不同方向撞擊橋墩時(shí)對(duì)橋墩造成的不同程度損傷體現(xiàn)在船撞力的大小。不同形狀的橋墩受到相同的船舶撞擊而產(chǎn)生不同程度的損傷也體現(xiàn)在船撞力的大小。圖6和圖7 分別給出了駁船正撞與側(cè)撞橋A和駁船正撞橋A與橋B的船撞力時(shí)程曲線。圖 6顯示了駁船撞擊橋A時(shí)正撞力峰值為側(cè)撞力峰值的0.46倍。正撞時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)撞擊力峰值，第一個(gè)出現(xiàn)在0.28s時(shí)刻，其值為12.6MN，第二個(gè)出現(xiàn)在0.44s時(shí)刻，其值為0.96MN，由此可以看出在第一次撞擊峰值出現(xiàn)后，橋墩碰撞區(qū)域混凝土由于發(fā)生了顯著的破壞與船艏的接觸面積變小，從而使得撞擊力減小并延長(zhǎng)了撞擊時(shí)間。圖7顯示了駁船正撞橋B時(shí)撞擊力峰值為正撞橋B時(shí)撞擊力峰值的1.5倍。表明墩的形狀對(duì)船撞力的大小存在較大的影響。

圖5 駁船撞擊橋A船撞力時(shí)程曲線圖6 駁船正撞橋A和橋B船撞力時(shí)程曲線

5、結(jié)論

（1）、非線性有限元技術(shù)能夠?qū)Υ矘虻恼麄€(gè)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，從而可以得到整個(gè)階段的船撞力和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程曲線，進(jìn)行能夠較全面的分析碰撞過(guò)程，這是靜力分析方法所不能做到的。

（2）、分析表明，采用HJC模型能較好的模擬混凝土在受到?jīng)_擊荷載下發(fā)生的破碎、斷裂等破壞行為，能夠得到出橋墩碰撞區(qū)域的損傷分布狀況，為橋梁建成后的維護(hù)工作提供了一定的參考價(jià)值。

（3）、福建流域上諸多大橋自建成以來(lái)都曾發(fā)生過(guò)幾次小的船撞事故，雖然沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，但是對(duì)橋墩的混凝土造成了不同程度的損傷，這種損傷累積在一定程度上降低了橋梁在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)的承載力和耐久性，對(duì)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)存在一定的隱患。

參考文獻(xiàn)

[1]AASHTO 1991，Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges，American Association of State Highway and Transportation Official，Washington D.C.

[2]楊渡軍，橋梁的防撞保護(hù)系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)[M]，人民交通出版社，1990.7

[3]王君杰，范立礎(chǔ)，建立橋梁船撞動(dòng)力設(shè)計(jì)理論與方法的建議[J]，

[4]尚曉江，蘇建宇，王化鋒等編著，ANSYS LS-DYNA動(dòng)力分析方法與工程實(shí)例[M]，中國(guó)水利水電出版社，2008.6

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1受力特點(diǎn)概述

在地形陡峻的深谷山坡及巖溶發(fā)達(dá)地區(qū)修建橋基，常遇到基礎(chǔ)一部分已到基巖，一部分還懸空很多的情況。若加深基礎(chǔ)將大大增加工程數(shù)量，以至于出現(xiàn)高邊坡而影響安全，若加墊塊又嫌太大太深。于是將基礎(chǔ)一部分置于明挖地基上，一部分置于樁基上。這種形式通稱為半邊樁基礎(chǔ)［1］。目前計(jì)算這種基礎(chǔ)多采用近似法，如變形法、換算慣性矩法、剩余彎矩法、等代面積法等。雖然以上方法部分已應(yīng)用到設(shè)計(jì)當(dāng)中，但局限于對(duì)半邊樁基礎(chǔ)近似的計(jì)算分析，目前為止尚未有可靠的方法對(duì)此類基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力情況做系統(tǒng)而詳細(xì)的分析。本文將采用有限元法對(duì)半邊樁基礎(chǔ)部分受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，通過(guò)分析得出有用的結(jié)論以便于為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。從半邊樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算圖(圖1)可以看出，基巖邊緣必然產(chǎn)生基底反力，豎向載荷由基巖接觸面反力合力與樁基反力共同作用來(lái)平衡，水平載荷由基巖接觸面摩擦力與樁基水平抗力來(lái)平衡。樁基抗力及橋梁上部結(jié)構(gòu)水平抗力是一定的，基礎(chǔ)分析的關(guān)鍵將是基巖接觸面的反力及其影響因素。但在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)中，基底下邊坡外側(cè)巖層邊緣，經(jīng)多次反復(fù)受力，很可能導(dǎo)致巖層節(jié)理松動(dòng)而沉陷或剝落，導(dǎo)致基巖承壓面積逐漸發(fā)生變化，這將導(dǎo)致應(yīng)力分布發(fā)生變化。另外因基底受水侵入，摩擦系數(shù)亦相應(yīng)降低，但影響程度難以確定［2］。因此有必要分析基巖摩擦系數(shù)、接觸面大小、基巖的硬度對(duì)基礎(chǔ)受力的影響。

2變形法及有限元法計(jì)算

2.1算例［3］某中橋橋臺(tái)位于陡坡之上，且沖刷嚴(yán)重，孔跨采用(16+32+16)mT形梁，基礎(chǔ)為挖孔灌注樁，橋臺(tái)基礎(chǔ)部份落在中等風(fēng)化凝灰?guī)r(［σ］＞1000kPa)，部份懸空，采用半邊樁基礎(chǔ)，見(jiàn)圖1。

2.2計(jì)算方法1)變形法根據(jù)樁的長(zhǎng)度和樁身應(yīng)力，以及樁身混凝土彈性模量、巖層的基床系數(shù)求出樁頂?shù)淖冃?。由基底巖層對(duì)承臺(tái)總反力的平衡方程式，經(jīng)整理即可計(jì)算出樁頂總水平力［1］。2)有限元法［4-6］采用有限元方法進(jìn)行模擬計(jì)算，承臺(tái)、樁基及基巖均采用實(shí)體單元模擬。承臺(tái)與基巖接觸方式通過(guò)非線性接觸單元模擬，接觸方式:面—面，承臺(tái)底面作為目標(biāo)面，基巖作為接觸面。樁基與基巖固結(jié)，短樁周邊土體作用可忽略。有限元模型及計(jì)算結(jié)果示意圖見(jiàn)圖2。計(jì)算工況分別以接觸面摩擦系數(shù)、接觸面長(zhǎng)度、基巖彈性模量及基巖泊松比為影響因素，分別計(jì)算各因素在限值范圍內(nèi)變化引起半邊樁基礎(chǔ)的受力變化。

2.3計(jì)算結(jié)果各影響因素計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2和表3。

3半邊樁受力影響因素分析

從表1中變形法與有限元法計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，樁頂豎向力相差約1.5%，計(jì)算結(jié)果基本吻合，基巖邊緣對(duì)基底的應(yīng)力相差約20%，另外樁頂彎矩和樁頂剪力相差較大。本次有限元法計(jì)算考慮了基巖及基礎(chǔ)的共同變形及摩擦力，以及非線性因素，結(jié)果更可靠。根據(jù)有限元法的計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表1，表2，表3)，對(duì)半邊樁各影響因子進(jìn)行分析，可知承臺(tái)底摩擦系數(shù)與基礎(chǔ)彈性模量的變化對(duì)承臺(tái)及樁基的受力影響很小;承臺(tái)底接觸面長(zhǎng)度對(duì)半邊樁基礎(chǔ)受力影響很大，是直接影響因素。而三種工況承臺(tái)底的最大位移均小于0.15mm(在《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定化學(xué)侵蝕環(huán)境H4對(duì)應(yīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫計(jì)算寬度最大限值0.15mm)［6］，因此承臺(tái)位移變化值滿足規(guī)范要求。

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【關(guān)鍵詞】 海洋數(shù)值模擬；課程實(shí)習(xí)；教學(xué)實(shí)踐

一、《海洋數(shù)值模擬》課程實(shí)習(xí)內(nèi)容設(shè)置的必要性

《海洋數(shù)值模擬》是海洋科學(xué)專業(yè)重要的專業(yè)方向課程，其內(nèi)容主要專注于海洋數(shù)值模擬的基礎(chǔ)理論、基本方法、實(shí)施過(guò)程及結(jié)果校驗(yàn)四個(gè)方面。該課程的教學(xué)目的主要是使學(xué)生學(xué)會(huì)根據(jù)海洋數(shù)值模擬的具體需要，建立控制方程及邊界條件，選取合適的相關(guān)參數(shù)，對(duì)方程及邊界條件進(jìn)行離散化處理，編程實(shí)施，調(diào)試、修改模式，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)與分析。同時(shí)，該課程還要介紹海流、海浪、風(fēng)暴潮等常用海洋數(shù)值模式的歷史演進(jìn)、現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展方向。學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)不光要注重于其基本理論及方法的掌握，更重要的是要在該課程附設(shè)的實(shí)習(xí)中通過(guò)上手實(shí)踐對(duì)海洋數(shù)值模擬有直觀的認(rèn)識(shí)和熟練的掌握，在以后的工作和研究中能夠觸類旁通，使用數(shù)值模式解決海洋業(yè)務(wù)及科研方面的問(wèn)題。因此，該課程實(shí)習(xí)內(nèi)容的設(shè)置對(duì)于學(xué)生完整地學(xué)習(xí)該課程內(nèi)容，以及加深掌握的程度非常重要。

二、課程實(shí)習(xí)內(nèi)容設(shè)置的原則

1、緊扣課程學(xué)習(xí)內(nèi)容

需涵蓋海洋數(shù)值模擬的關(guān)鍵內(nèi)容。

2、難度不宜太大

要使學(xué)生在一定難度范圍內(nèi)對(duì)該課程的關(guān)鍵內(nèi)容及環(huán)節(jié)進(jìn)行上手實(shí)踐，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)海洋數(shù)值模擬相關(guān)理論、相關(guān)方法、實(shí)施過(guò)程、編程調(diào)試技巧等方面的掌握程度。

3、實(shí)習(xí)的目標(biāo)應(yīng)具有一定的新穎性

之所以這樣，是為了能夠使得學(xué)生在完成實(shí)習(xí)的主要內(nèi)容之后，在模擬結(jié)果中加深對(duì)海洋科學(xué)相關(guān)理論的認(rèn)識(shí)。

為了達(dá)到《海洋數(shù)值模擬》實(shí)習(xí)的目標(biāo)，下文中將結(jié)合作者的教學(xué)實(shí)踐對(duì)該課程實(shí)習(xí)的內(nèi)容設(shè)置及實(shí)施的技巧進(jìn)行一些探索。

三、實(shí)習(xí)內(nèi)容的設(shè)置

《海洋數(shù)值模擬》實(shí)習(xí)的內(nèi)容主要涉及以下幾個(gè)方面：

1．對(duì)所模擬的海洋現(xiàn)象進(jìn)行提煉分析，總結(jié)出該現(xiàn)象的主要特征及所處環(huán)境，確定各種環(huán)境參數(shù)，并由此對(duì)控制方程組及邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化、改造，以得到既能抓住該海洋現(xiàn)象的主要特征又簡(jiǎn)單的控制方程組及邊界條件；

2．根據(jù)研究海域的特征選取合適的空間離散化方案，根據(jù)該現(xiàn)象的時(shí)間演變特征選擇合適的時(shí)間積分方案，最終確定整個(gè)數(shù)值方案；

3．對(duì)簡(jiǎn)化后的控制方程組及邊界條件進(jìn)行離散化，得到模式積分使用的代數(shù)方程；

4．根據(jù)離散化的代數(shù)方程組編程；

5．調(diào)試程序并對(duì)原程序進(jìn)行必要的修正，以得到能夠正常積分的代碼；

6．根據(jù)研究現(xiàn)象設(shè)定積分長(zhǎng)度，進(jìn)行模式積分；

7．對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，以確定模擬能夠正確再現(xiàn)該海洋現(xiàn)象，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)該現(xiàn)象的特征進(jìn)行歸納總結(jié)。

在作者的教學(xué)實(shí)踐中，選取熱帶海洋的風(fēng)生流及赤道波動(dòng)作為研究對(duì)象，根據(jù)熱帶海洋的特點(diǎn)建立了一個(gè)1.5層的海洋模式，設(shè)定兩套試驗(yàn)方案，分別再現(xiàn)熱帶海域的風(fēng)生流系統(tǒng)及赤道波動(dòng)的傳播特征。該模式簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，不僅能夠再現(xiàn)海洋內(nèi)部的流及波動(dòng)的形成機(jī)制及演變特征，而且能夠再現(xiàn)大氣對(duì)海洋的作用機(jī)制及結(jié)果。因此，選用該模式作為實(shí)習(xí)的主要內(nèi)容，不僅能夠可行地帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)踐海洋數(shù)值模擬的整套環(huán)節(jié)，而且可以通過(guò)模擬結(jié)果給學(xué)生以直觀的物理海洋學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。這種直觀認(rèn)識(shí)對(duì)于加深學(xué)生對(duì)《海洋數(shù)值模擬》的掌握、對(duì)物理海洋現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)以及在今后的模式應(yīng)用都非常重要。

該1.5層海洋模式將海洋在垂直方向上分為兩層，即混合層和深層。物理海洋學(xué)的調(diào)查證實(shí)，海水的運(yùn)動(dòng)和海洋要素的變化主要存在于混合層，深層則相對(duì)靜止和變化較小，海洋中重要的波動(dòng)也主要存在于混合層。因此，可以通過(guò)兩維的混合層模擬再現(xiàn)風(fēng)生海流及海洋中重要的波動(dòng)現(xiàn)象。

該模式疊加了邊界條件的控制方程如下，只考慮混合層的厚度以及混合層垂直平均的經(jīng)向、緯向速度。模式的空間差分格式取C網(wǎng)格，混合層厚度、經(jīng)向速度及緯向速度空間網(wǎng)格相互交錯(cuò)，在總網(wǎng)格點(diǎn)有限的情況下得到更高的空間分辨率。時(shí)間差分格式取蛙跳格式，該格式具有較好的積分穩(wěn)定度和較高的數(shù)值求解精度。模式的初始條件取速度為零，混合層厚度為100米。外部強(qiáng)迫為12月的氣候態(tài)風(fēng)應(yīng)力。研究區(qū)域取熱帶太平洋（30S-30N），經(jīng)向61個(gè)格點(diǎn)，緯向171個(gè)格點(diǎn)?？剖蠀?shù)取β平面近似。邊界取無(wú)滑動(dòng)側(cè)邊界條件。

模式代碼分為8個(gè)模塊，共同完成模式的數(shù)據(jù)讀入、積分、后處理及數(shù)據(jù)輸出等過(guò)程。

（1）海陸分布及風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù)的讀入模塊；（2）風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù)的插值模塊；（3）經(jīng)向、緯向速度格點(diǎn)上科氏參數(shù)的計(jì)算模塊；（4）經(jīng)向速度的積分模塊；（5）緯向速度的積分模塊；（6）溫躍層深度的積分模塊；（7）各要素積分結(jié)果的時(shí)間平滑模塊；（8）數(shù)據(jù)的輸出及繪圖模塊。

根據(jù)上述內(nèi)容，可以完成模式的建模以及積分計(jì)算。

四、實(shí)習(xí)中應(yīng)注意的問(wèn)題

實(shí)習(xí)過(guò)程中，應(yīng)首先將該模式選取的背景以及特點(diǎn)向?qū)W生講述清楚，著重講解該模式由方程組的簡(jiǎn)化設(shè)定到結(jié)果分析的思路及關(guān)鍵點(diǎn)。建模實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)讓學(xué)生通過(guò)結(jié)合課堂內(nèi)容的學(xué)習(xí)自主開(kāi)拓，并通過(guò)教師的引導(dǎo)建立完整的思路。

實(shí)習(xí)的時(shí)間安排應(yīng)合理，留有足夠的時(shí)間給學(xué)生自主探索和討論，讓學(xué)生在探索過(guò)程中領(lǐng)會(huì)海洋數(shù)值模擬的要點(diǎn)及技巧。學(xué)生在實(shí)習(xí)過(guò)程中的相互討論和借鑒往往能起到意想不到的結(jié)果，不僅能夠鍛煉學(xué)生之間的團(tuán)體協(xié)作能力，而且可以起到鼓勵(lì)先進(jìn)同學(xué)、激勵(lì)后進(jìn)同學(xué)的效果。

教師在實(shí)習(xí)過(guò)程中應(yīng)能夠掌握整個(gè)實(shí)習(xí)進(jìn)程的節(jié)奏與進(jìn)度，重點(diǎn)放在建模思路的建立和模擬現(xiàn)象的分析引導(dǎo)上。教師還應(yīng)將實(shí)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生將來(lái)可能的工作相結(jié)合，說(shuō)明實(shí)習(xí)的重要性，以提高學(xué)生實(shí)習(xí)的積極性，保證完成實(shí)習(xí)的預(yù)設(shè)目標(biāo)。

五、結(jié)語(yǔ)

該課程實(shí)習(xí)的最終目標(biāo)是使得學(xué)生掌握海洋數(shù)值模擬的理論框架和實(shí)施方案，為他們將來(lái)的工作及研究提供基礎(chǔ)。因此，在實(shí)習(xí)的過(guò)程中應(yīng)切實(shí)教給學(xué)生一個(gè)完整的內(nèi)容和實(shí)施方案，提高他們的動(dòng)手能力，給他們建立起一個(gè)直觀的感性認(rèn)識(shí)。

《海洋數(shù)值模擬》實(shí)習(xí)課程的設(shè)置在國(guó)內(nèi)的發(fā)展還處于有待發(fā)展的階段，作者所在學(xué)校的課程也處于探索階段。因此，該課程實(shí)習(xí)內(nèi)容的選取以及實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的設(shè)置還有待進(jìn)一步的發(fā)展，可以通過(guò)借鑒國(guó)外著名高校的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況和現(xiàn)實(shí)需要，對(duì)這些工作加以改進(jìn)。

【參考文獻(xiàn)】

篇5

本次設(shè)計(jì)利用模擬軟件對(duì)拉深過(guò)程進(jìn)行仿真分析，研究其拉深過(guò)程中的等效應(yīng)力、應(yīng)變及破壞情況，初步擬定落料、拉深、沖孔及切邊等工序，并為生產(chǎn)出的零件實(shí)現(xiàn)表面平整無(wú)拉裂、起皺提供理論依據(jù)。由圖4可知，零件第一次成形拉深過(guò)程中凸模圓角破壞最嚴(yán)重，是極易發(fā)生拉裂的部位。

這與拉深理論相符，表明仿真結(jié)果符合實(shí)際。該零件破壞最大處為2.3＜49.9，說(shuō)明該模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，符合設(shè)計(jì)要求；由圖5第二次成形過(guò)程云圖同樣可知模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，符合要求。由圖6可知，零件第一次成形拉深過(guò)程中等效應(yīng)變發(fā)生在筒壁和凸模圓角部分。原因在于筒壁部分是由材料塑性流動(dòng)轉(zhuǎn)移而成，而凸模圓角部分承受著徑向和切向拉應(yīng)力的作用，因此變薄現(xiàn)象比筒壁部分嚴(yán)重得多。圖示處也是筒壁和凸模圓角部分等效應(yīng)變最大，最大值1.55＜10.6，說(shuō)明模具符合設(shè)計(jì)要求；由圖7第二次成形仿真云圖中，同樣可知模具設(shè)計(jì)符合要求。

由圖8可知，零件等效應(yīng)力最大處在凸模圓角部分。該部分承受徑向和切向拉應(yīng)力作用，同時(shí)在厚度方向因受凸模壓力和彎曲作用而受到壓應(yīng)力作用。仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，再據(jù)圖中所示最大應(yīng)力606MPa＜615MPa，不會(huì)產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象，說(shuō)明模具符合設(shè)計(jì)要求；由圖9同樣可知模具設(shè)計(jì)符合要求。

2模具設(shè)計(jì)

2.1模具結(jié)構(gòu)

2.1.1第一套模具

（1）模架及導(dǎo)向模具結(jié)構(gòu)如圖10所示，該零件筒形件要求較高，為保證零件精度要求，采用復(fù)合模。為方便加工及降低成本，采用標(biāo)準(zhǔn)模架，模具采用后側(cè)導(dǎo)柱滑動(dòng)導(dǎo)向模架，包括后導(dǎo)向滑動(dòng)導(dǎo)向組件（主導(dǎo)柱22、導(dǎo)套21）、上模座17、模柄14、下模座4。上模部分由上模座17、上墊板19、凸凹模固定板11、卸料板24等組成，其中上模座、上墊板、上模固定板通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)緊固件和定位銷聯(lián)為一體。為保證模具制造精度和裝配精度，卸料板采用4根卸料螺釘，另外，主導(dǎo)套與上模座采用厭氧膠粘接固定，以適當(dāng)降低導(dǎo)套孔的加工精度，避免內(nèi)孔處導(dǎo)向組件重復(fù)定位，保證模具的整體裝配精度。下模部分由下模座4、落料凹模8、下墊板6、拉深凸模27、拉伸凸模固定板7等組成并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)緊固件和定位銷聯(lián)為一體。

（2）定位和導(dǎo)料該復(fù)合模具為卷料供料生產(chǎn)，板料在模具中必須有正確的位置，才能保證沖裁出外形完整的合格零件，正確的位置是依靠定位零件來(lái)保證的。前端用固定擋料銷保證條料的步距。送料粗定距依靠送料機(jī)送料精度，精確定位由模內(nèi)的擋料銷完成，由于采用復(fù)合模，因此只需保證送料步距精度即可，其定位累積誤差可控制在0.02mm以內(nèi)。此道工序不采用側(cè)壓裝置，由兩個(gè)導(dǎo)料銷保證條料的正確送進(jìn)。

（3）壓料與卸料模具壓料與卸料彈力由推件塊23、壓邊圈25及卸料板24組成，三個(gè)部件都能起卸料作用，其中推件塊和壓邊圈既起推件作用又起壓邊作用。通過(guò)調(diào)節(jié)下端的止付螺母1的位置可以調(diào)節(jié)壓料彈簧的預(yù)壓力，從而實(shí)現(xiàn)壓料力的平衡調(diào)節(jié)。另外，利用分別安裝在上下模座上的限位柱來(lái)控制閉模間隙，其既能為防止工作時(shí)因壓力過(guò)大而導(dǎo)致料帶嚴(yán)重壓薄，又可避免初始送料時(shí)模具尾端無(wú)料帶而引起的模具不平衡，從而保護(hù)模具。

2.1.2第二套模具

（1）模架及導(dǎo)向模具結(jié)構(gòu)如圖11所示，同第一套模具一樣采用復(fù)合模，采用后側(cè)導(dǎo)柱滑動(dòng)導(dǎo)向模架，包括后導(dǎo)向滑動(dòng)導(dǎo)向組件（導(dǎo)柱12、導(dǎo)套11）、上模座8、模柄9、下模座3。上模部分主要有上模座8、拉伸凹模6并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)緊固件和定位銷聯(lián)為一體。主導(dǎo)套與上模座同樣采用厭氧膠粘接固定。下模部分由下模座4、拉伸凸模5等組成并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)緊固件和定位銷聯(lián)為一體。

（2）定位和頂料該復(fù)合模具為單個(gè)進(jìn)行生產(chǎn)，定位基本由拉伸凸模完成。模具閉合沖裁一次完成后由頂桿13將成形的工件從拉伸凸模頂出，頂出機(jī)構(gòu)主要由聚酯塊2、托板16、頂桿13等組成。通過(guò)調(diào)節(jié)下端的止付螺母1的位置可以調(diào)節(jié)壓料彈簧的預(yù)壓力，從而實(shí)現(xiàn)壓料力的平衡調(diào)節(jié)。另外，利用分別安裝在上下模座上的限位柱來(lái)控制閉模間隙，其既能為防止工作時(shí)因壓力過(guò)大而導(dǎo)致料帶嚴(yán)重壓薄，又可避免初始送料時(shí)模具尾端無(wú)料帶而引起的模具不平衡，從而保護(hù)模具。

2.2模具設(shè)計(jì)解決的主要問(wèn)題

（1）拉裂。由于拉深件有一定錐度，凸模接觸面積小，壓力集中，容易引起局部變薄，出現(xiàn)拉裂的情況，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大壓邊力。

（2）起皺。工件壁較薄，且拉深凸緣部分寬大，極易引起起皺，故采用壓邊圈防止起皺。

（3）第二次拉深的定位。經(jīng)第一次拉深，零件已有了一定的形狀，因此在進(jìn)行第二次拉深時(shí)，使壓邊圈與毛胚的內(nèi)形完全吻合。沖壓時(shí)，將毛胚套在壓邊圈上進(jìn)行定位，同時(shí)為了防止壓邊圈將毛胚壓得過(guò)緊，采用了限位螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)，使壓邊圈和拉深凹模之間保持一定的距離，壓邊力不致隨著行程的加大而加大。

3結(jié)束語(yǔ)

篇6

關(guān)鍵詞：土釘；錨桿；數(shù)值模擬

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為滿足日益增長(zhǎng)的商業(yè)、停車等功能的需要，在用地緊張的密集城市中心，開(kāi)發(fā)大型地下空間開(kāi)挖深基坑已成為一種必然。但由于設(shè)計(jì)不當(dāng)而導(dǎo)致深基坑事故時(shí)有發(fā)生，因此對(duì)深基坑支護(hù)體系進(jìn)行研究具有重要意義。

2.FLAC3D工程模擬

模型的建立如：①計(jì)算所使用的坐標(biāo)系垂直方向?yàn)閥軸，水平方向?yàn)閤軸，軸向?yàn)閦軸。②由于斜坡的變形和破壞主要發(fā)生在坡體的淺部，構(gòu)造應(yīng)力在長(zhǎng)期的地質(zhì)過(guò)程中已松弛殆盡。因此，模型邊界只考慮自重應(yīng)力的作用。③軸向變形可以忽略，故計(jì)算屬于平面應(yīng)變問(wèn)題。④計(jì)算中不考慮地下水及地震的影響。

根據(jù)上述原則，挖深約12.5m，1：0.8的坡度，建立模型，如圖1。進(jìn)行基坑開(kāi)挖的模擬，基坑開(kāi)挖共分六步進(jìn)行，每層開(kāi)挖至錨桿位置向下0.5m，再施工土釘或錨桿。

3.模擬結(jié)果分析

FLAC模擬基坑開(kāi)挖后，對(duì)土釘錨桿軸力進(jìn)行分析。[1～4]

第一層開(kāi)挖后植入土釘，土釘軸力剛開(kāi)始并不大。開(kāi)挖完第二層土、植入第二排錨桿后，第一排土釘軸力迅速增大。第三層土開(kāi)挖后對(duì)第一排土釘內(nèi)力影響最大，其次是第四步開(kāi)挖對(duì)土釘內(nèi)力的影響，最后兩步對(duì)土釘影響較小，土釘內(nèi)力趨向穩(wěn)定。本基坑第一層土釘由于開(kāi)挖后土的隆起以及二排錨桿的影響，土釘軸力為壓應(yīng)力，并呈兩頭小中間大的拋物線狀分布?；又胁康腻^桿受力較大，受預(yù)應(yīng)力的影響，預(yù)應(yīng)力錨桿所受內(nèi)力分布為從自由段到錨固段逐漸減小，如圖2-圖6。開(kāi)挖完成后最后一層土釘軸力達(dá)到最大值。

4.結(jié)論

通過(guò)FLAC的數(shù)值模擬，詳細(xì)的分析了土釘錨桿的變化情況：土釘軸力隨基坑開(kāi)挖不斷增加，大致形狀不變，都是兩端較??；錨桿由于有預(yù)應(yīng)力錨固段不斷減小；土釘有效地發(fā)揮了作用，有效地組止了土體滑裂面的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉玲霞.深基坑土釘支護(hù)加固機(jī)理及受力分析研究[D].鄭州：華北水利水電學(xué)院，2007

[2] 張循當(dāng).土釘支護(hù)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2004，14（5）

篇7

關(guān)鍵詞：火災(zāi)科學(xué)數(shù)值模擬 火災(zāi)調(diào)查 火災(zāi)動(dòng)力學(xué)

1、火災(zāi)調(diào)查中的問(wèn)題

火災(zāi)是現(xiàn)代社會(huì)造成損失最大的安全問(wèn)題，火災(zāi)一旦發(fā)生，不僅造成大量的人員傷亡，還會(huì)造成巨額的財(cái)產(chǎn)損失。隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的越來(lái)越發(fā)達(dá)，火災(zāi)對(duì)人員的生命安全和財(cái)產(chǎn)造成的損失也更加巨大，給人民生活帶來(lái)了慘痛的教訓(xùn)。火災(zāi)調(diào)查結(jié)果的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到能否依法處理追究事故的責(zé)任者或犯罪分子。因此，確定火災(zāi)發(fā)生的起火原因，什么原因引起的火災(zāi)，防止類似的情況再次發(fā)生；同時(shí)，還可獲得相關(guān)的證據(jù)，不斷增加火災(zāi)調(diào)查經(jīng)驗(yàn)，研究火災(zāi)發(fā)生發(fā)展規(guī)律，為預(yù)防和滅火提供科學(xué)依據(jù)。

在我國(guó)，火災(zāi)調(diào)查主要是消防總隊(duì)、支隊(duì)的相關(guān)人員對(duì)發(fā)生的火災(zāi)事故進(jìn)行火災(zāi)起火原因、起火點(diǎn)的認(rèn)定調(diào)查。然而，由于火災(zāi)發(fā)生的不確定性以及火災(zāi)形勢(shì)的多樣化，目前我國(guó)的火災(zāi)調(diào)查工作遇到前所未有的挑戰(zhàn)，有關(guān)的火災(zāi)訴訟案件也日益增多。這要求我國(guó)的火災(zāi)調(diào)查人員必須具備相關(guān)的法律知識(shí)和技能技術(shù)，盡快查明火災(zāi)發(fā)生原因，明確事故責(zé)任。因此，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)被逐漸應(yīng)用到火災(zāi)事故的調(diào)查工作當(dāng)中，輔助火災(zāi)調(diào)查人員獲取相關(guān)的證據(jù)，并且這種應(yīng)用被普遍接受和認(rèn)可。

2、火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件簡(jiǎn)介

火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件(FDS)由著名的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）開(kāi)發(fā)，是一個(gè)對(duì)火災(zāi)引起流動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，是專門(mén)從數(shù)值計(jì)算方面解決一系列適合于熱驅(qū)動(dòng)、低速流動(dòng)的Navier-Stokes方程，重點(diǎn)適用于火災(zāi)導(dǎo)致的熱煙傳播和蔓延的數(shù)值模擬。FDS利用了大渦流流體力學(xué)模型（Large Eddy Simulation，LES）來(lái)處理火場(chǎng)流體的紊態(tài)流動(dòng)。專家和學(xué)者通過(guò)對(duì)真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)景的模擬研究證明FDS具有有很高的準(zhǔn)確性和可信性?；馂?zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在火災(zāi)科學(xué)的研究和火災(zāi)事故調(diào)查的證據(jù)。

3、數(shù)值模擬在火災(zāi)調(diào)查工作中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外應(yīng)用研究

Daniel Madrzykowski等人應(yīng)用FDS火災(zāi)模擬軟件模擬了美國(guó)華盛頓的一起真實(shí)的室內(nèi)火災(zāi)?；馂?zāi)模擬的資料是根據(jù)火災(zāi)調(diào)查機(jī)構(gòu)提供的真實(shí)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況為依據(jù)，確定了火災(zāi)熱釋放速率、特殊部位的溫度、火場(chǎng)中煙氣的流動(dòng)方向和速度、氧氣濃度、室內(nèi)壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)。起火建筑為三層，根據(jù)火災(zāi)調(diào)查報(bào)告的認(rèn)定，發(fā)生火災(zāi)是由位于地下室天花板內(nèi)的電器設(shè)備引起的，開(kāi)始在地下室內(nèi)蔓延并且在地下室內(nèi)發(fā)生了轟然，從地下室通向樓梯處的門(mén)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，使一層建筑有了煙氣和熱量的積累。從FDS模擬的結(jié)果來(lái)看，火勢(shì)是沿著天花板開(kāi)始蔓延，散落下的火星引燃了室內(nèi)的其他可燃物，直至地下室內(nèi)的氧氣被消耗盡。

2005年6月NIST利用FDS軟件成功再現(xiàn)了“911”恐怖事件中世貿(mào)雙塔被飛機(jī)撞擊后次生火災(zāi)的煙氣流動(dòng)和火球爆況。模擬的結(jié)果與事件中的影像資料相當(dāng)吻合。該模擬測(cè)算的溫度和煙氣濃度給事故報(bào)告提供了重要依據(jù)。

3．2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用研究

李一涵等學(xué)者對(duì)FDS 源程序進(jìn)行了改進(jìn)，并利用改進(jìn)后程序計(jì)算火災(zāi)過(guò)程中壁面熱解形成圖痕，作為火災(zāi)調(diào)查的方法之一，初步分析壁面燒損痕跡發(fā)展特征。該方法可以根據(jù)火災(zāi)場(chǎng)景、壁面材料、起火點(diǎn)功率的不同，計(jì)算研究壁面燃燒痕跡形成規(guī)律，并提出使用該方法對(duì)火災(zāi)調(diào)查提供理論依據(jù)的可行性和重大意義。

姚曉波利用FDS模擬軟件重現(xiàn)了一個(gè)大型學(xué)生宿舍樓火災(zāi)場(chǎng)景。通過(guò)FDS的模擬結(jié)果和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況相比較，驗(yàn)證了采用FDS來(lái)重構(gòu)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的可行性，同時(shí)，通過(guò)比較外墻使用“可燃材料”和外墻使用“不可燃材料”兩個(gè)不同火災(zāi)場(chǎng)景的模擬結(jié)果，分析研究了對(duì)于外墻使用不同性質(zhì)的建筑材料對(duì)火災(zāi)后果可能造成的影響。

4．?dāng)?shù)值模擬技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查工作中的應(yīng)用前景研究

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)火災(zāi)事故類型的分析通常由專業(yè)人員采用長(zhǎng)期工作積累的經(jīng)驗(yàn)、或采用半經(jīng)驗(yàn)的方式，很少有數(shù)值模擬手段應(yīng)用于火災(zāi)調(diào)查。通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者、專家以及火災(zāi)調(diào)查工作者在火災(zāi)事故調(diào)查工作中對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用證明，F(xiàn)DS能夠很好的重現(xiàn)真實(shí)的火災(zāi)場(chǎng)景。利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS建立實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景的數(shù)學(xué)模型，對(duì)真實(shí)的火災(zāi)事故進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬對(duì)火災(zāi)事故結(jié)果的準(zhǔn)確性是一種很好的研究方法。在建模時(shí)需要清晰知道起火建筑物的詳細(xì)資料，包括建筑物尺寸及材料、內(nèi)部裝修材料、建筑物的開(kāi)口大小、當(dāng)時(shí)的通風(fēng)及天氣狀況、周圍建筑物的布局等，這些資料可通過(guò)火災(zāi)調(diào)查機(jī)構(gòu)或部門(mén)、氣象部門(mén)獲得。通過(guò)采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件（FDS），對(duì)可能的起火點(diǎn)、起火原因建立火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬，可以計(jì)算火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵部位的火場(chǎng)溫度、可見(jiàn)度、煙氣層溫度及高度、氧氣和一氧化碳濃度等數(shù)據(jù)與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘探的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，排除不合理的起火點(diǎn)、起火原因及人員死亡原因，為火災(zāi)調(diào)查人員提供合理的依據(jù)，解決了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)看勘察很難確定的問(wèn)題，進(jìn)一步完善了火災(zāi)調(diào)查報(bào)告的準(zhǔn)確性。對(duì)模擬過(guò)程中的火災(zāi)蔓延趨勢(shì)的再現(xiàn)，也為采取消防保護(hù)措施提供了依據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和人們對(duì)火災(zāi)事故調(diào)查的嚴(yán)密性，數(shù)值模擬技術(shù)將能將廣泛用來(lái)輔助火災(zāi)事故調(diào)查。

5．總結(jié)

通過(guò)對(duì)火災(zāi)調(diào)查現(xiàn)狀和火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件介紹分析及國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用分析，F(xiàn)DS在對(duì)有焰燃燒的火災(zāi)事故模擬，較真實(shí)的重現(xiàn)火災(zāi)場(chǎng)景，并且已經(jīng)成為火災(zāi)事故調(diào)查不可或缺的技術(shù)手段，能夠很好的輔助火災(zāi)調(diào)查工作人員進(jìn)行火災(zāi)事故調(diào)查，對(duì)有異議的火災(zāi)事故結(jié)論提供更加可信的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳琨, 舒慧慧. FDS 數(shù)值模擬技術(shù)在某“商住合用”建筑火災(zāi)調(diào)查中的應(yīng)用. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2008, (7): 64-67

篇8

【關(guān)鍵詞】CFD;數(shù)值模擬;沉淀池

引 言

沉淀池作為水廠的常規(guī)水處理構(gòu)筑物，在水處理廠中發(fā)揮重要的作用。沉淀即利用水中懸浮顆粒的沉降性能，在重力場(chǎng)的作用下產(chǎn)生下沉作用，以達(dá)到固液分離的一種過(guò)程。一直以來(lái)，對(duì)沉淀池的設(shè)計(jì)主要是依據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范，對(duì)沉淀池的研究主要采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，存在選取參數(shù)略有差異的問(wèn)題，無(wú)法通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式精確預(yù)測(cè)沉淀池處理效果。沉淀池中某些條件的變化（如進(jìn)出口形狀和大小、擋板尺寸等），對(duì)沉淀池的處理效果可能會(huì)有較大影響，而這些影響難以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定來(lái)逐一檢驗(yàn)。

因此，利用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，縮寫(xiě)為CFD）方法研究沉淀池的水力特性，結(jié)合沉淀池基本原理建立沉淀池模擬和分析的數(shù)學(xué)模型，對(duì)沉淀池的設(shè)計(jì)和運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，將為沉淀池的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行開(kāi)辟一條新的思路和方法。

1. CFD模型

應(yīng)用于沉淀池設(shè)計(jì)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型以基本流體力學(xué)原理為基礎(chǔ)，是一種較為成熟的數(shù)值模擬技術(shù)。它把沉淀池幾何體分成許多小單元，以網(wǎng)格形式描述問(wèn)題，并對(duì)網(wǎng)格內(nèi)的每個(gè)單元建立質(zhì)量、能量、動(dòng)量和固體濃度方程，包括一些化學(xué)或生物反應(yīng)，

利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解，最終通過(guò)數(shù)值模擬獲得流體在特定條件下的有關(guān)信息（如速度分布、能量分布等），兼有理論性和實(shí)踐性的雙重特點(diǎn)[1]。目前CFD軟件包較多，包括Phoenics、CFX、Fluent、Start-CD等。其中Fluent的應(yīng)用最為廣泛，占美國(guó)市場(chǎng)的60%左右[2]。

沉淀池中的流體流速相對(duì)其它處理工藝單元來(lái)說(shuō)較小，但有時(shí)雷諾數(shù)很高，屬于湍流。沉淀池內(nèi)湍流流主要是由進(jìn)水和池內(nèi)流體混合、固體邊界的影響和水面的風(fēng)剪切力引起的。沉淀池?cái)?shù)值模擬中使用大量的CFD紊流模型，主要包括零方程模型、單方程模型、雙方程模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM）、代數(shù)應(yīng)力模型（ASM）等等[3]。

2. CFD技術(shù)在沉淀池中的應(yīng)用

沉淀池可分為普通沉淀池和斜板（管）沉淀池。按池內(nèi)水流方向的不同，普通沉淀池可分為平流式、豎流式和輻流式3種;沉淀池按其在水處理流程中的位置，主要分為初沉池和二沉池。

CFD技術(shù)在沉淀池中的應(yīng)用主要是在模擬水流的速度分布以及懸浮物濃度分布的基礎(chǔ)上，分析不同形狀及尺寸的沉淀池的沉淀效果，分析進(jìn)出口尺寸、擋板位置等邊界條件對(duì)流態(tài)以及懸浮物濃度分布的影響，進(jìn)而對(duì)沉淀池的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提出優(yōu)化方案，以提高沉淀池的處理能力和出流水質(zhì)。沉淀池中的模型主要是二維或三維的兩相模型。近年來(lái)，CFD技術(shù)在沉淀池中廣泛應(yīng)用。

2.1 在平流式沉淀池中的應(yīng)用

Krebs等對(duì)平流式沉淀池的進(jìn)口幾何形狀進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)進(jìn)口孔徑位置的設(shè)計(jì)改進(jìn)與折合進(jìn)口流速有關(guān)。利用數(shù)值模型，改進(jìn)的進(jìn)口結(jié)構(gòu)可以提高流體進(jìn)入進(jìn)口后的動(dòng)能耗散，改善進(jìn)口區(qū)內(nèi)的絮凝性能，提高沉淀池內(nèi)的總固體去除率。

王曉玲等[4]建立了平流式沉淀池三維歐拉兩相流模型，并通過(guò)與Imam的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了數(shù)值模擬求解的可行性。發(fā)現(xiàn)沉淀池內(nèi)水流的流速并不是均勻分布的，沉淀池內(nèi)沿寬度方向的頂部水流由中心面分別向兩邊壁流動(dòng)，底部水流流向中心面，中心面上速度較小。

2.2 在輻流式式沉淀池中的應(yīng)用

Fan等采用雙流體模型對(duì)一城市廢水處理系統(tǒng)中的輻流式二沉池內(nèi)兩相流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)仿真了沉淀池內(nèi)擋板位置和擋板高度的變化對(duì)池內(nèi)流場(chǎng)和顆粒物濃度分布的影響。

王磊磊等[5]為改善超大型周邊進(jìn)水、周邊出水沉淀池的水力性能，利用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)工程初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行水力性能模擬。結(jié)果表明，周進(jìn)周出式沉淀池采用豎向流的進(jìn)水方式較優(yōu)，有利于提高沉淀池縱斷面不同深度的流速分布，增大沉淀池內(nèi)部的環(huán)流區(qū)域。

2.3 在其它沉淀池中的應(yīng)用

屈強(qiáng)等[6]對(duì)回流比為零和75%情況下折流式沉淀池內(nèi)流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)均存在嚴(yán)重的短流和較大的死區(qū)。將池型改成尺寸相同的平流式沉淀池后重新進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)改型后的流態(tài)較為合理，短流和死區(qū)均較小。

劉強(qiáng)等[7]用Fluent對(duì)新型氣浮-沉淀池運(yùn)行沉淀工藝時(shí)的固液兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，及粒徑、密度值與去除率的關(guān)系曲線。

展 望

CFD技術(shù)應(yīng)用于沉淀池設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，不僅豐富了沉淀池領(lǐng)域研究的手段，而且能夠利用數(shù)值模擬的方法，分析沉淀池的運(yùn)行狀況， 對(duì)于減少物理模擬必要性，節(jié)約研究資金和時(shí)間，都有著重要的價(jià)值;同時(shí)還有助于解決某些由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段限制，難以進(jìn)行測(cè)試的問(wèn)題。

今后CFD模型的發(fā)展應(yīng)根據(jù)情況適當(dāng)?shù)脑黾幽Ｐ偷木S度與相數(shù)，應(yīng)適當(dāng)考慮沉淀池內(nèi)的生化反應(yīng)，加強(qiáng)對(duì)不同沉降類型模型的研究，更加充分的考慮沉淀池內(nèi)的影響因素。這樣可以真正實(shí)現(xiàn)CFD技術(shù)在沉淀池的有效應(yīng)用，精確模擬沉淀過(guò)程，為優(yōu)化沉淀池設(shè)計(jì)和運(yùn)行，強(qiáng)化沉淀池的處理效果提供有利的支持。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 江帆，黃鵬.Fluent進(jìn)階教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析――CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3] 華祖林.湍流模型在環(huán)境水力學(xué)研究中的應(yīng)用[J].水科學(xué)發(fā)展，2001，12（3）.

[4] 王曉玲，楊麗麗，張明星，曹月波.平流式沉淀池水流三維CFD模擬[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，40（8）：921-930.

[5] 王磊磊，許光明，陳俊等.超大型周進(jìn)周出沉淀池優(yōu)化設(shè)計(jì)中的水力性能數(shù)值模擬[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，40（2）：168-172.

篇9

關(guān)鍵詞： 注塑成形； 氣體反壓； 熔體； 流動(dòng)形態(tài)； 剪切應(yīng)變速率

中圖分類號(hào)： TQ316.33文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

塑料具有質(zhì)輕、加工易、精度高、成本低、成形自由度大、技術(shù)發(fā)展成熟等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用日益廣泛，但在石油資源緊張、原材料成本提高、環(huán)保要求等條件下，為提高塑料制品的附加值，除在塑料材料的改性技術(shù)上有所突破外，更需要在成形技術(shù)方面有所創(chuàng)新.氣體反壓（Gas Counter Pressure， GCP）技術(shù)[14]是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，其能夠有效降低塑料熔體前沿的壓力差，實(shí)現(xiàn)均勻充填，改善塑料制品的機(jī)械性能[12]和表面缺陷[34]，減小翹曲變形[5]及提高制品成形質(zhì)量[6]等.

為提高超臨界微孔發(fā)泡注射成形制品的表面質(zhì)量，研發(fā)人員曾用變模溫感應(yīng)加熱[23]、絕熱模具層[7]、表面貼膜工藝[89]等方法，以拓展微孔注塑工藝的應(yīng)用.在目前的工程實(shí)踐中，GCP技術(shù)在超臨界微孔發(fā)泡注射成形中的應(yīng)用最為常見(jiàn).在超臨界微孔發(fā)泡注射成形時(shí)，型腔內(nèi)充滿一定帶壓氣體抑制氣泡生成的反壓法能有效控制表面氣泡流痕（見(jiàn)圖1）.當(dāng)超臨界流體（Super Critical Fluid， SCF）溶解于高分子熔體中，且熔體前沿受反壓氣體作用時(shí)，因GCP壓力大小不同，可能出現(xiàn)3種情況：當(dāng)沒(méi)有GCP壓力時(shí)，在熔體充填階段發(fā)泡將自然發(fā)生而導(dǎo)致有銀絲留痕缺陷產(chǎn)生于制品表面；如果GCP壓力大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓但小于維持SCF所需的臨界壓力時(shí)，發(fā)泡將受到限制；當(dāng)GCP壓力大于臨界壓力時(shí)，熔體將在反壓作用期間維持為單相泡核而無(wú)泡孔產(chǎn)生.[14]

圖 1GCP技術(shù)示意

Fig.1Schematic of GCP technology

作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，數(shù)值模擬技術(shù)在注塑成形加工領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛.從開(kāi)始僅能模擬熔體注塑充填[10]，到集成化模型模擬充填、保壓，再到冷卻成形全過(guò)程[11]，進(jìn)而發(fā)展氣體輔助注塑成形等雙相流動(dòng)的模擬[12]以及成形質(zhì)量預(yù)測(cè)等.相對(duì)于注塑GCP技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究成果，反壓技術(shù)的數(shù)值模擬迄今鮮有人研究.

超臨界微孔發(fā)泡注射成形涉及到泡孔成長(zhǎng)的空氣力學(xué)，與常規(guī)注射成形相比較復(fù)雜，為便于模擬，本文只考慮帶反壓的常規(guī)注塑成形工藝，用數(shù)值方法對(duì)GCP技術(shù)進(jìn)行探索.利用有限元軟件ANSYS CFX平臺(tái)，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，建立高分子材料的CrossWLF七參數(shù)黏度模型，定義模擬所需要的材料，改變平板注塑制品成形過(guò)程的GCP壓力，對(duì)成形充填過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，討論GCP壓力對(duì)熔體充填流動(dòng)的影響.

1模型與算法

在注塑成形過(guò)程中，熔體充填階段的數(shù)學(xué)模型滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒三大定律.熔體在充填過(guò)程中，流動(dòng)前沿上受到GCP的作用，形成氣熔界面.根據(jù)工藝特點(diǎn)，對(duì)氣熔邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化和假設(shè)：1）氣體在熔體充填過(guò)程中假設(shè)為不可壓縮流體；2）因?yàn)槿垠w黏度遠(yuǎn)大于氣體黏度，假設(shè)氣體黏度為0；3）氣體的比熱容遠(yuǎn)小于熔體，不計(jì)氣體內(nèi)部的能量交換；4）氣體密度遠(yuǎn)小于塑料熔體，忽略其重力；5）氣熔界面兩側(cè)物質(zhì)不發(fā)生能量交換.

1.1平板制件

以平板注塑件為例，模擬注塑成形過(guò)程中GCP壓力對(duì)塑料熔體流動(dòng)的影響，制品的幾何尺寸為4 mm×4 mm×1 mm，形狀見(jiàn)圖2a.澆口為側(cè)澆口，尺寸為1 mm×1 mm×1 mm.對(duì)幾何模型用四面體網(wǎng)格單元離散，網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)定為0.1 mm，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為7 846，單元總個(gè)數(shù)為30 246，見(jiàn)圖2b.制品成形工藝參數(shù)見(jiàn)表1.

a）制件尺寸示意圖，mb）有限元網(wǎng)格圖，m圖 2平板制品的尺寸及網(wǎng)格示意

Fig.2Schematic of size and mesh of plate product

表 1注塑成形工藝參數(shù)

Tab.1Injection molding processing parameters參數(shù)值模具溫度/℃60熔體溫度/℃230入口速率/（m/s）1參數(shù)值模壁傳熱系數(shù)/（W/（m2?k））25 000GCP壓力/MPa0， 1， 2

在塑料熔體充填開(kāi)始前，型腔內(nèi)充滿帶壓氣體，然后改變GCP壓力大小，采用數(shù)值方法分析塑料熔體流動(dòng)前沿位置、充填時(shí)間、熔體流動(dòng)速率和剪切應(yīng)變速率等相關(guān)模擬結(jié)果，量化分析GCP壓力對(duì)注塑成形中塑料熔體流動(dòng)狀態(tài)的影響.

1.2材料的黏度模型

ANSYS CFX的材料庫(kù)提供理想空氣、水、銅、鋁、鋼鐵和煙煤等材料參數(shù)，但沒(méi)有聚合物材料.為研究聚合物材料的流動(dòng)，通過(guò)軟件接口添加.聚丙烯PP的CrossWLF七參數(shù)黏度模型見(jiàn)式（1），材料屬性用CEL語(yǔ)言定義完成.η（T，（γ?P））=η0（T，P）1+η0（γ?/τ）1-n

η0（T，P）=D1exp-A1（T-T～）A2+（T-T～）（1）式中：n為非牛頓指數(shù)；T～為材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，T～=D2+D3P；D1，D2，D3為材料常數(shù)；τ*為剪切變稀行為開(kāi)始時(shí)的剪應(yīng)力；A1和A～2為材料常數(shù)，A2=A～2+D3P.

選擇Shell公司生產(chǎn)的牌號(hào)為XM 6700S的PP材料，式（1）中的材料參數(shù)值以及PP材料的模型參數(shù)分別見(jiàn)表2和3.

表2PP材料參數(shù)

Tab.2PP material parameters參數(shù)數(shù)值熔化溫度/°C135熔體密度/（kg/m3）775參數(shù)數(shù)值比熱容/（J/kg?℃）2 830熱傳導(dǎo)系數(shù)/（W/m?℃）0.19

表3PP材料的模型參數(shù)

Tab.3Model parameters of PP material七參數(shù)變量數(shù)值七參數(shù)變量數(shù)值n0.209 8D1/（Pa?s）6.93×1011τ*/Pa30 354D2/℃-10A126.507D3/（℃/Pa）0A～2/℃-221.55

1.3邊界條件

選用流動(dòng)區(qū)域內(nèi)熔體氣體兩相均一模型進(jìn)行模擬，即熔體、氣體有共同的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，而熔體的物理性質(zhì)參數(shù)取決于兩組分的變化.

模擬注射成形充填過(guò)程的邊界條件：1）入口為速度邊界條件，熔體速度和溫度已知，入口聚合物熔體組份等于1，空氣為0；2）模壁處熔體速度為零，屬無(wú)滑移邊界條件，壁面接觸處的傳熱系數(shù)取值為25 000 W/（m2?℃）；3）出口處為壓力邊界條件，相對(duì)壓力設(shè)置為0；4）熔體前沿僅考慮表面張力，忽略熱交換；5）GCP壓力通過(guò)型腔內(nèi)空氣壓力變化表示，分別取0，1和2 MPa進(jìn)行模擬，GCP壓力為0相當(dāng)于傳統(tǒng)（常規(guī)）注塑成形.

2結(jié)果與討論

2.1GCP壓力對(duì)熔體前沿的影響

在不同的GCP壓力作用下，塑料制品熔體完成充填所需時(shí)間不同，同一時(shí)刻塑料熔體的充填體積分?jǐn)?shù)也不同.為驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性，取GCP壓力為0時(shí)（即傳統(tǒng)注塑成形）PP熔體的充填體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化情況，見(jiàn)圖3.

a） t=0.01 sb） t=0.10 sc） t=0.15 sd） t=0.20 s圖 3傳統(tǒng)注塑成形中體積分?jǐn)?shù)隨充填時(shí)間的變化

Fig.3Change of volume fraction with filling time

during conventional injection molding

由圖3可知：PP熔體在型腔中的充填體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化比較均勻；靠近澆口中心位置熔體的充填速度較快；靠近模具壁處，由于模具壁溫度低，塑料熔體的溫度接觸模具壁面后迅速降低，熔體形成冷凝層，影響熔體的流動(dòng)，充填較慢.改變GCP壓力為1和2 MPa，依次完成數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)GCP壓力為0時(shí)PP充填滿整個(gè)型腔約0.3 s，GCP壓力為1 MPa時(shí)充填時(shí)間為1.0 s，GCP壓力為2 MPa時(shí)充填時(shí)間為2.0 s.由此可知：GCP壓力增大時(shí)，PP熔體充填滿整個(gè)型腔所需時(shí)間也相應(yīng)增加，表明反壓氣體會(huì)影響對(duì)塑料熔體在型腔中的流動(dòng).

考慮GCP壓力變化時(shí)，從模擬結(jié)果提取給定時(shí)刻PP熔體的流動(dòng)前沿的位置和形狀，可直觀觀察GCP壓力對(duì)熔體流動(dòng)的影響.不同GCP壓力下給定時(shí)刻熔體的流動(dòng)前沿見(jiàn)圖4.由圖4可知：當(dāng)GCP壓力增加時(shí)，熔體前沿面受的GCP壓力增大，熔體流動(dòng)需克服較大的壓力， PP充滿型腔所需的時(shí)間增加；當(dāng)熔體前沿有1或2 MPa反壓氣體的壓力作用時(shí)，熔體前沿形狀發(fā)生變化，與傳統(tǒng)注塑成形相比，曲面曲率變大，表明該截面處的速度梯度變小，利于熔體型腔的均勻充填.

a） P=0， t=0.10 sb） P=0， t=0.30 sc） P=1 MPa， t=0.10 sb） P=1 MPa， t=0.30 se） P=2 MPa， t=0.10 sf） P=2 MPa， t=0.30 s圖 4指定時(shí)刻時(shí)不同GCP壓力下的流動(dòng)前沿位置

Fig.4Flow front position at given times under

different GCP pressures

流動(dòng)方向截面處的SEM結(jié)果見(jiàn)圖5.對(duì)比圖3和5，發(fā)現(xiàn)ANSYS CFX模擬的塑料熔體充填過(guò)程與實(shí)驗(yàn)中熔體型腔中的流動(dòng)前沿形狀趨勢(shì)一致，模擬結(jié)果合理.由圖5b可知：當(dāng)型腔有GCP壓力后，熔體前沿類似拋物線形狀的線條變得密集均勻，熔體前沿的曲率變小，與圖4的模擬結(jié)果趨勢(shì)一致.

a） 傳統(tǒng)注塑成形b） 反壓注塑成形圖 5不同成形工藝下熔體流動(dòng)方向截面處的

掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果

Fig.5Scanning electron microscope view results of cross section in melt flow direction under different molding processes

2.2GCP壓力對(duì)熔體速度的影響

為量化GCP壓力對(duì)熔體速度的影響，選定澆口附近固定位置為參考點(diǎn)，提取模擬結(jié)果中指定位置處不同GCP壓力下的熔體速度，見(jiàn)圖6.在充填0.10 s時(shí)，GCP壓力為0，1和2 MPa時(shí)的熔體速度分別為0.52，0.48和0.45 m/s，最大降幅為13.5%.此模擬結(jié)果與圖5類似，即GCP壓力增大時(shí)，熔體沿流動(dòng)方向上的速度有減小趨勢(shì).

為便于直觀觀察反壓技術(shù)對(duì)充填的影響，通過(guò)氣體輔助注塑工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn).圖7a中，氣體內(nèi)部壓力為3 MPa，外部反壓氣壓為0，相當(dāng)于常規(guī)的氣體輔助注塑成形；圖7b中，外部GCP壓力為5 MPa，相當(dāng)于2 MPa反壓條件下的常規(guī)的氣體輔助注塑成形.在給定的時(shí)刻，GCP壓力為2 MPa（外部壓力為5 MPa）時(shí)氣體的流動(dòng)長(zhǎng)度（圖7b）小于GCP壓力為0的長(zhǎng)度（圖7a）.實(shí)驗(yàn)結(jié)果間接證明GCP壓力可降低熔體和氣體的速度.由于GCP壓力相當(dāng)于增加熔體的保壓壓力，使得熔體的密度增大，在內(nèi)氣體積近似相等的條件下，內(nèi)壓力相同的氣體穿透長(zhǎng)度明顯減小.

圖 6不同GCP壓力下熔體沿流動(dòng)方向的速度曲線

Fig.6Melt velocity curves along flow direction

under different GCP pressures

a） 內(nèi)部氣壓3 MPa，外部氣壓0

b） 內(nèi)部氣壓3 MPa，外部氣壓5 MPa

圖 7不同GCP壓力下充填速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig.7Experimental results of filling velocity under

different GCPpressures

2.3GCP壓力對(duì)剪切應(yīng)變速率的影響

剪切應(yīng)變速率對(duì)熔體取向、熔體破裂和殘余應(yīng)力等影響顯著，GCP壓力對(duì)剪切應(yīng)變速率的影響可作為評(píng)價(jià)成形工藝參數(shù)是否合理及GCP技術(shù)優(yōu)劣的指標(biāo)之一.澆口附近位置處不同GCP壓力下纖維增強(qiáng)塑料試樣中纖維取向的測(cè)量與模擬結(jié)果見(jiàn)圖8.由此可知：在GCP壓力作用下，近澆口處厚度方向的纖維取向小于無(wú)GCP壓力作用下的傳統(tǒng)注塑制品，試樣性能更均勻；在GCP壓力作用下，試樣厚度方向的纖維取向差異更小，取向張量Azy在皮層與芯層的最大差值為0.12；無(wú)反壓時(shí)，Azy在皮層與芯層的最大差值為0.21.目前無(wú)法模擬反壓作用下的纖維取向.傳統(tǒng)注塑的纖維模擬取向結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，但忽略材料彈性的黏性本構(gòu)方程使得模擬結(jié)果偏大.

圖 8不同GCP壓力下近澆口位置處纖維取向的

測(cè)量和模擬結(jié)果

Fig.8Measurement and simulation results of fiber orientation

near gate under different GCP pressures

澆口附近熔體的剪切應(yīng)變速率隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖9.由此可知：隨著時(shí)間的增加，熔體的剪切應(yīng)變速率先升高后下降，表明熔體流動(dòng)前沿到達(dá)選定的參考點(diǎn)位置時(shí)該處熔體的剪切應(yīng)變速率可認(rèn)為是熔體前沿所受的最大剪切應(yīng)變速率；當(dāng)GCP壓力為2 MPa時(shí)，熔體剪切應(yīng)變速率變化相對(duì)平緩，便于成形過(guò)程中所制備產(chǎn)品性能的均勻性，與圖8中測(cè)量的纖維取向結(jié)果一致.GCP壓力為0，1和2 MPa時(shí)熔體的最大剪切應(yīng)變速率分別為6.1×106，5.8×106和2.6×106 s-1.與傳統(tǒng)注塑成形相比，GCP壓力為2 MPa時(shí)最大剪切應(yīng)變速率下降42.7%，可有效改善成形加工中的分子（纖維）的取向，使垂直于流動(dòng)方向的制品性能得到提高.

圖 9不同GCP壓力下澆口附近熔體剪切應(yīng)變

速率時(shí)間曲線

Fig.9Curves of shear rate variation against time of melt

near gate under different counter pressures

3結(jié)束語(yǔ)

初步實(shí)現(xiàn)GCP技術(shù)的數(shù)值模擬，以平板制品為例，研究GCP壓力對(duì)塑料熔體充填過(guò)程中流動(dòng)狀態(tài)的影響.從模擬結(jié)果看：GCP壓力對(duì)熔體的流動(dòng)形態(tài)有明顯影響；GCP壓力不同，熔體的流動(dòng)速度、最大剪切應(yīng)變速率也發(fā)生變化，并且隨著GCP壓力的提高熔體的流動(dòng)速度、剪切應(yīng)變速率都呈下降的趨勢(shì).模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的趨勢(shì)吻合.

由于反壓工藝使用方式多樣，本文沒(méi)有考慮GCP壓力的保持時(shí)間且簡(jiǎn)化較多，為更精確模擬GCP技術(shù)，還需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，進(jìn)一步完善數(shù)學(xué)模型與模擬方法.

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篇10

【關(guān)鍵詞】同軸旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)；雷諾數(shù)

1.前言

旋轉(zhuǎn)流體運(yùn)動(dòng)是流體力學(xué)中一個(gè)重要的研究課題， 其中的兩旋轉(zhuǎn)柱體間隙區(qū)域上的流動(dòng)問(wèn)題在軍事方面、能源與動(dòng)力工程方面等方面有著廣泛的應(yīng)用。拉格朗日-歐拉方法（以下簡(jiǎn)寫(xiě)LE）是流體力學(xué)領(lǐng)域中比較常用的計(jì)算方法。LE方法中使用的是多邊形網(wǎng)格，是通過(guò)將整個(gè)求解區(qū)域按Voronoi規(guī)則劃分得到的，這種劃分流場(chǎng)的方式可確保流動(dòng)單元在流場(chǎng)中沿流線做連續(xù)、平滑的運(yùn)動(dòng)。在流動(dòng)發(fā)生一段時(shí)間之后，各流動(dòng)單元及其相鄰點(diǎn)的位置發(fā)生變化，還要按該規(guī)則重新劃分流場(chǎng)。LE方法在構(gòu)造差分格式時(shí)，流動(dòng)單元的應(yīng)變率、應(yīng)力和壓力都定義在多邊形的中心，而速度分別定義在多邊形的中心和頂點(diǎn)上。

在使用L-E方法時(shí)，可以對(duì)其中流動(dòng)網(wǎng)格的生成和邊界條件的處理等內(nèi)容做了進(jìn)一步改進(jìn)，使之能夠處理各種復(fù)雜邊界條件下流體的流動(dòng)問(wèn)題。

2.數(shù)值模擬圓臺(tái)間流體流動(dòng)

2.1基本數(shù)學(xué)模型

考慮一個(gè)同軸旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)，圓臺(tái)中充滿不可壓縮流體，內(nèi)、外圓臺(tái)均以一定的角速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)t=0時(shí)，流體由頂面入口處流入，入口和出口是自由面。流體滿足N-S方程：，其中 分別表示流體的速度、密度、壓力和運(yùn)動(dòng)學(xué)粘性系數(shù)。邊界條件為：，，， ， 其中∑1、∑2、 ∑top和∑base分別表示內(nèi)、外圓臺(tái)的壁面，圓臺(tái)裝置的頂部和底部表面。

用計(jì)算機(jī)軟件模擬出圓臺(tái)間的流體后，將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到處理器中，然后沿著旋轉(zhuǎn)軸Z軸截面取值，從而得到每一個(gè)Z軸值所對(duì)應(yīng)的速度和壓力值：

，其中分別為zi面上三個(gè)方向的速度矢量值，Pij為zi面上的壓力值， n表示在zi面上總共取到的點(diǎn)的數(shù)目。

2.2畫(huà)出圓臺(tái)網(wǎng)格

本文中對(duì)旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器進(jìn)行模擬，先建立一個(gè)外圓臺(tái)，然后再建立一個(gè)同軸的內(nèi)圓臺(tái)作為轉(zhuǎn)子。模型尺寸按照真實(shí)旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器的尺寸進(jìn)行構(gòu)建。

在對(duì)指定的問(wèn)題進(jìn)行圓臺(tái)流體模擬之前，首先將要計(jì)算的區(qū)域離散化，即把空間商連續(xù)的區(qū)域劃分成許多個(gè)子區(qū)域，并確定每個(gè)子區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)位置及該節(jié)點(diǎn)所代表的控制容積，從而生成網(wǎng)格。

2.3模擬條件的設(shè)定

（1）根據(jù)雷諾數(shù)公式算出在固定Re值下的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。上部為流體入口，下部為出口，外部圓臺(tái)在不同的情況下設(shè)為不同的邊界條件。在低雷諾數(shù)時(shí)，采用層流模型。

（2）臨界流量的概念 ：一定間隙與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速條件下的這一固定的流體加入速度為臨界流量。在一定的間隙和轉(zhuǎn)速情況下，流體只能以某一固定的流速加入到反應(yīng)器中間，由于反應(yīng)器上部的入口處是一個(gè)開(kāi)放的體系，與大氣相通，因此當(dāng)流體的加入速度小于這一固定流量時(shí)，旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器的反應(yīng)空間中會(huì)被帶入大量的空氣，導(dǎo)致圓臺(tái)內(nèi)部的流體不再為單一流體，使研究的流體運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確；而當(dāng)流體的加入速度大于此值時(shí)，流體會(huì)從反應(yīng)器的入口處溢流出反應(yīng)器外界。在本次模擬中，將初始速度設(shè)為0.015m/s.

（3）計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格化以后，用有限數(shù)目的離散點(diǎn)的值來(lái)表示連續(xù)的計(jì)算域，微分方程即可以轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組。本文數(shù)值模擬采用有限體積法、分離式穩(wěn)態(tài)算法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，它在每個(gè)控制容積中對(duì)控制方程進(jìn)行積分，導(dǎo)出離散方程，采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。將控制方程離散變?yōu)榇鷶?shù)方程后，即可開(kāi)始求解。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次模擬均是低雷諾數(shù)條件下，對(duì)圓臺(tái)間流體流動(dòng)進(jìn)行的數(shù)值模擬計(jì)算。內(nèi)圓臺(tái)到外圓臺(tái)之間的流動(dòng)非常規(guī)則和均勻，同時(shí)側(cè)面的流動(dòng)亦是如此，由此我們可以斷定在Re=50時(shí)，流動(dòng)是穩(wěn)定的層流。

3.1內(nèi)、外圓臺(tái)同向旋轉(zhuǎn)

根據(jù)基本模型： 。當(dāng)內(nèi)、外圓臺(tái)同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，雷諾數(shù)為：。如同2.3的模擬計(jì)算流程，其中外圓臺(tái)的雷諾數(shù)設(shè)置的數(shù)值是100，內(nèi)圓臺(tái)設(shè)置的數(shù)值是50，因此這次模擬的雷諾數(shù)值是50。下面是所得到的結(jié)果圖：

左圖是內(nèi)圓臺(tái)的速度等值線，右圖是外圓臺(tái)的速度等值線。從圖中可以看出：內(nèi)圓臺(tái)的速度等值線整體小于外圓臺(tái)的值。

下面再來(lái)研究壓力、速度和Z軸的關(guān)系。

從圖中可以看出：在內(nèi)、外圓臺(tái)同向旋轉(zhuǎn)的情況下，壓力和速度與Z軸的近似線性關(guān)系仍是很好。與內(nèi)圓臺(tái)旋轉(zhuǎn)、外圓臺(tái)固定情況不同的是，速度和壓力的值都有所增大。雖然兩種情況的整體雷諾數(shù)值是相同的，但是在外圓臺(tái)也旋轉(zhuǎn)情況下，流體的速度和壓力的值都改變了，值變大了。

3.2內(nèi)、外圓臺(tái)異向旋轉(zhuǎn)

根據(jù)基本數(shù)學(xué)模型：。當(dāng)內(nèi)、外圓臺(tái)異向旋轉(zhuǎn)時(shí)，雷諾數(shù)為： 。其中外圓臺(tái)的雷諾數(shù)設(shè)置的數(shù)值是50，內(nèi)圓臺(tái)設(shè)置的數(shù)值是50，因此這次模擬的雷諾數(shù)值是100。

當(dāng)內(nèi)、外圓筒異向旋轉(zhuǎn)時(shí)，存在一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)是穩(wěn)定的層流。對(duì)于圓臺(tái)裝置，經(jīng)過(guò)模擬分析，我們發(fā)現(xiàn)在低雷諾數(shù)時(shí)，圓臺(tái)間的流體的流動(dòng)狀態(tài)也是穩(wěn)定的層流。

經(jīng)由處理得到的壓力、速度和Z軸關(guān)系圖如下：

3.3三種模擬情況的對(duì)比

我們將上述兩種模擬結(jié)果與“內(nèi)圓臺(tái)旋轉(zhuǎn)，外圓臺(tái)固定”的情況作對(duì)比。

從上圖可以看出：三種情況下的速度遞減斜率幾乎相同。壓力的遞減斜率變化則比較大。

3.4展望

我們已經(jīng)知道流體的臨界流量對(duì)流體流動(dòng)模擬的重要性，因此可以研究圓臺(tái)入口給出流體的入口速度。雷諾數(shù)Re、圓臺(tái)半徑R1、R2的關(guān)系，可以經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的數(shù)值模擬，得到流速與以上幾個(gè)參數(shù)的無(wú)量綱化后給出。這對(duì)現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)研究有著很重要的應(yīng)用意義。

4.結(jié)論

通過(guò)對(duì)同軸旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)間流體的運(yùn)動(dòng)做數(shù)值模擬，將模擬的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行處理后，畫(huà)出流體壓力和流速等關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸Z軸的關(guān)系圖。結(jié)果表明：在低雷諾數(shù)時(shí)，內(nèi)圓臺(tái)旋轉(zhuǎn)、外圓臺(tái)固定，流體的流動(dòng)狀態(tài)是穩(wěn)定的層流；當(dāng)內(nèi)、外圓臺(tái)同向或者異向旋轉(zhuǎn)時(shí)，只要保持低雷諾數(shù)，流體就也仍是穩(wěn)定的層流；并且當(dāng)內(nèi)外圓臺(tái)同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓力和速度的值變化斜率較大，外圓臺(tái)固定時(shí)的壓力和速度的值變化斜率較小。

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