流体动力学模拟理论精选(九篇)

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第1篇：流体动力学模拟理论范文

CMT焊接创新地将送丝运动与熔滴过渡结合，实现了低热输入、无飞溅的熔滴过渡，焊接过程是高频率的“热—冷”交替过程。研究针对CMT焊接这种独特的熔滴过渡过程，通过流体动力学方法对CMT熔滴过渡动态过程进行模拟，定量分析焊接工艺参数对熔滴过渡动态过程的影响规律；建立CMT焊接熔池温度场和流场的三维非稳态模型，定量分析浮力、电磁力、表面张力、熔滴冲击力，以及相变潜热及其综合作用对焊接温度场、速度场和熔池形态的影响；分析CMT各焊接工艺参数对熔池流体动力学行为的影响规律，建立焊接工艺参数与焊缝形貌、过程热参数之间关系的数学模型。基于上述研究，针对CMT熔深浅的缺点，研究增大熔深的方法并开展熔滴过渡与熔池流体动力学行为的理论研究。此研究旨在掌握CMT熔滴主动过渡的规律与机理，为实现主动熔滴过渡的焊接智能控制提供理论基础和基础数据，具有重要的学术价值和实际意义。

2研究成果

（1） 完成了焊接多信息测试系统平台的搭建，进行了CMT焊接试验，同步测试了熔滴过渡动态过程与焊接电参数。

（2）建立了CMT熔滴过渡动态过程的数学模型。结合CMT焊接“引弧—短路—回抽—过渡”的实际特点，在考虑熔滴的表面张力、重力、电磁收缩力、等离子流力及焊丝回抽附加机械力的基础上利用VOF方法建立了熔滴过渡过程的数值分析模型。

（3）分析了焊接工艺参数对熔滴过渡动态过程的影响规律。

CMT熔滴过渡是通过焊丝机械回抽方式来帮助熔滴脱落，工艺过程可以被精确控制，因而其短路过渡周期恒定，不再受随机变量的影响，一个熔滴过渡大概需要14.31 ms，过渡频率大概为70 Hz。

（4）建立了CMT焊接过程温度场的三维非稳态有限元分析模型，计算结果和测试结果的二者吻合良好，验证了所建模型的合理性。

（5）根据CMT焊接特点，利用NavierStokes方程和连续性方程，建立了计算CMT流场的计算模型，在模型中充分考虑了焊接熔池中液态金属所受的电弧力、表面张力、重力、热流量等的共同作用。

（6）分析了CMT各焊接工艺参数对熔池流体动力学行为的影响规律。焊接过程中焊丝的周期性回抽作用对熔池流场产生较大的影响，在熔池中形成周期性的震荡作用，改善了焊接质量。

（7）建立了焊缝形貌数据（熔宽、熔深和余高）的BP神经网络预测模型，能方便地预测出焊缝形貌数据。

3研究成果

已：胡庆贤，王顺尧，王艳辉. Process disturbances monitoring and recognition of shortcircuiting GMAW by fuzzy cmeans system[J]. China Welding， 2011，20（4）： 28-33.

第2篇：流体动力学模拟理论范文

【关键词】空气滤清器；CFD；流阻特性

对进气系统的研究，过去主要着重于进气效率、滤清效率以及压力损失等方面，随着技术的发展以及对汽车舒适性要求的提高，进气系统的声学特性方面的研究也越来越有必要。空气滤清器除了要有良好的声学性能外，同时要考虑其动力学性能，以保证发动机有良好的动力性能。

本文基于流体动力学理论，利用CAD三维模型建立计算流体动力学模型（Computational Fluid Dynamics，简称CFD），主要计算90m3/h、180m3/h、270m3/h、360m3/h、450m3/h、540m3/h空气流量下含滤纸滤清器流阻与内部流场。同时，为便于比较分析，还对上述空气流量下该滤清器空腔本体流阻及内部流场也进行了计算。

1.空气滤清器内流场分析模型的建立

根据空气滤清器的三维模型，建立用于CFD计算的该空气滤清器内腔的三维实体模型，采用四节点四面体单元对该空气滤清器实体模型进行网格离散，通过收敛性分析确定的合适单元尺寸，得到的内腔网格模型，节点51788个，单元264448个，其实体模型及网格模型不做介绍。

假设空气滤清器中的流动为恒温、稳态流动，已知空气滤清器的流量，在计算中给定入口压力边界条件和出口速度边界条件，滤纸给定多孔介质边界条件。设定压力值为101325Pa，空气流出速度可通过已知流量及出口截面面积等数据计算得到，如表1.1中所列。

表1.1 不同空气流量下出口平均速度

设定滤纸多孔介质的边界条件，需要设置粘性阻力系数和惯性阻力系数惯性阻力系数两个参数，粘性阻力系数1/α=150μ（1-ε）

Dε，惯性阻力系数C2=1.75ρ（1-ε）

Dε，代入多孔介质的流阻特性经验公式?P=μv

α+C2v2，其中，μ是空气的粘性阻力系数，D是滤纸的孔隙平均直径，ε是滤纸的孔隙率。

2.空滤器本体空腔内流场结果

在CFD求解器进行网格检查和优化处理后，定义流体物理参数、施加进出口边界条件，不考虑滤纸影响，经过多次计算迭代后得到收敛结果。不同流量下空气滤清器本体空腔压力场和速度场结果分别不同。

空气滤清器内进气管（插入管）出口冲击区域压力较高。出气管为突然收缩管，在与腔体连接处，压力损失比较大。

表2.1 不同流量下空气滤清器本体空腔进出口压差计算结果

表2.1分别给出不同空气流量下，滤清器本体空腔、即不含滤纸条件下的进出口压力差结果。可以看出，进出口压差随空气流量增加而增大，且压差-流量关系曲线表现出斜率随空气流量增加而变大的非线性特征。

3.带滤纸空滤器内流场结果

给定流体物理参数、进出口边界条件，设置滤纸区域多孔介质边界条件，对不同流量下带滤纸空气滤清器的内流场分别进行了计算。计算得到的内腔压力场和速度场也不同。

以360m3/h工况为例，过出口轴线平面内的压力场分布结果可以看出，滤纸下部腔内压力较高，滤纸区域自下而上压力下降明显；滤纸上部整个腔体内压力基本相等。由于截面突然收缩，在出口管处压力梯度较大，压力损失也较大。

过出口轴线平面内的速度矢量结果、并参考无滤纸滤清器内的速度场结果可以看出，滤纸对速度有阻碍作用，经过滤纸后速度明显减小，并且加滤纸后速度矢量在滤清器内没有折返现象。

表3.1 有滤纸空气滤清器不同流量下进出口压差计算结果

表3.1、给出不同空气流量下，含滤纸滤清器进出口压力差计算及实测结果。可以看出，采用滤纸模拟方法计算得到的不同流量下含滤纸空气滤清器进出口压差与实测流阻结果基本吻合。含滤纸滤清器进出口压差随空气流量增加而增大，且压差-流量关系曲线表现出斜率随空气流量增加而变大的非线性特征。

由表3.1、中还可看出，虽然随流量增加、滤纸对空气流动的阻力会有增长，但滤纸对整个空滤系统流阻的贡献率却随流量的增大而减小。采用CFD仿真结果可以计算得到，滤纸阻力在总流阻中所占比重由90m3/h时的45.83%下降至540m3/h时的7.35%左右。参考不带滤纸结构本体空腔流阻计算结果可知，该空气滤清器本体空腔进气阻力占系统总流阻的主要部分。总体来说，该空气滤清器在发动机负荷范围内具有较好的流阻特性，计算最大流量540m3/h下、滤清器出入口最大压差约为2.4kPa，小于一般工程上最大允许压差3kPa。

4.结论

本文基于流体动力学理论，利用CAD三维模型建立CFD仿真模型，通过对不同空气流量下空气滤清器空腔本体及含滤纸滤清器系统的内部流场进行计算，深入了解该空气滤清器阻力及内部流场压力、速度特性，并在此基础上对其流阻特性进行评估。结果表明，滤清器在发动机负荷范围内具有较好的流阻特性，计算最大流量540m3/h下、滤清器出入口最大压差约为2.4kPa，小于一般工程上最大允许压差3kPa。计算得到了不同流量下滤清器内部流场、压力场结果，该结果对了解该空气滤清器实际工作性能与状态具有重要指导意义。同时，基于多方案的CFD计算可在概念与方案设计阶段结构型式与尺寸参数的确定提供数据支持，采用滤纸模拟模型具有较高精度，可在今后公司类似结构滤清器流阻计算中采用。

【参考文献】

第3篇：流体动力学模拟理论范文

【关键词】风力机；气动荷载；计算方法

中图分类号：TK8

文献标识码：A

文章编号：1006-0278（2015）05-116-01

水平轴风力机在进行其气动设计、结构设计以及后续的运行调节中，最重要的任务之一就是获取作用在转子上的气动升力、阻力和俯仰力矩等空气动力学参数。

一、叶素动量理论

叶素动量理论实际上是两种理论的耦合：叶素理论和动量理论。叶素理论假设叶片沿展向可分为多个叶素，各叶素相对独立，互不影响，可视为二维翼型。如此一来，就可以基于当地流动条件计算出各叶素上的气动力，再将各叶素上的气动力沿展向积分，从而计算出施加在风力机上的总气动力和力矩。动量理论假设转子平面上的压力或动量损失是由流经叶素的气流作用而产生，如此一来，即可由流动动量损失计算出轴向与切向诱导速度，而这些诱导速度反过来影响到转子平而的人流参数，从而进一步影响到作用在叶素上的气动力。

因此，需要建立一个迭代过程，用以确定相应的气动力以及转子附近的诱导速度，这就是叶素理论与动量理论之间的藕合机制，最终体现为叶素动量理论。要计算出叶素上的气动力，首先要确定入流角。而入流角的确定则是根据诱导速度，同时诱导速度又是气动力的函数。因此需要用诱导速度和气动力之间的函数关系进行迭代来得到诱导速度、入流角及气动力。

二、数值模拟方法

无论是水平轴风力机，还是垂直轴风力机，其空气绕流机理均通过一系列方程进行描述，大多数采用微分形式或积分形式，揭示了风力机流场的基本特性及物理本质。然而，方程本身井不是我们需要的最终结果，为了得到特定形状和特定流动状态的真实流场，必须针对方程求解，从而获得以空间位置和时间为白变量，以压力、密度、速度等为因变量的流场参数，然后依据这些参数得到升力、阻力、力矩、功率以及效率等气动特性。

风力机空气动力学理论中的方程，无论形式如何变化，均来自流体力学中的基本控制方程，即连续性方程、动量方程和能量方程。这些基本控制方程不仅采用微分形式或积分形式，而且具有高度非线性特征，目前尚无法得到其通用的解析解。为了获取针对具体问题的有效解，并且对控制方程进行没有任何几何外形的简化，则必须寻求于数值模拟，即数值求解控制流体流动的微分方程，得出流场在连续区域上的的离散分布，从而近似模拟流体的流动情况。

另外在CFD中不得不考虑湍流的影响。湍流属于很复杂的流动现象，如何去计算它，是湍流数值模拟的关键。最理想的模型无疑是能够白动计算层流、湍流和过渡区域，但目前为止很难实现。尽管如此，为了科学研究及工程应用的实际需要，仍需建立相应的研究方法，用于尽量精确地描述流体流动中涡团与湍流脉动等物理现象，并加以完善。目前常用的湍流模型有以下二种：直接数值模拟（dlfect numerical simula-tion，DNS）、雷诺时均数值模拟（Raynolds-averaged Navier-Stokes，RANS）、大涡模拟（large eddy sunulation，LES）。应根据需要描述的流场特性、求解精度要求以及需要解决的实际问题加以选择。

三、结论

（一）叶素动量理论的缺陷及修正

叶素动量理论，由于对模型进行了简化以及做出了诸多假设，叶素动量理论存在相应的局限性，主要体现在：

1.叶素动量理论采用静态计算，假设围绕翼型的流场始终是均衡的，并且流体通过瞬间实时加速来响应尾迹漩涡的变化。而事实上，尾迹漩涡的变化来白入流条件或风力机运行工况的改变，而翼型响应这种变化是需要时间的。

2.叶素动量理论假设在平行于转子的平而内动量是平衡的，因此当叶片存在比较大的挠度以至于偏斜出转子平而外时，这种空气动力学模型将会失效。

3.除此以外，叶素动量理论没有考虑叶尖或轮毂漩涡对诱导速度的影响，对于偏斜人流情况也无能为力。不过这些情况可以通过其他相关模型加以修正。

（二）数值模拟方法所面临问题

基于目前海上风力机的研究状况可以看出，使用CFD方法来模拟外部流场荷载无疑会得到更加精确的模拟效果和更多的流场相关信息。然而其对计算机资源的较高要求及计算时间的成本要求也是目前这种方法最大问题。如何在现有技术条件下寻求到计算精度和仿真模拟成本之间的平衡点，将成为现阶段科研工作者面临的一大问题。

参考文献：

[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：流体动力学模拟理论范文

冲刷腐蚀 又称为磨损腐蚀， 是金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象， 是材料受冲刷和腐蚀交互作用的结果，是一种危害性较大的局部腐蚀，在石油、化工等生产领域广泛存在。暴露在运动流体中的所有类型的设备如料浆输送管道、泵的过流部件和阀门等， 都会遭受到冲刷腐蚀的破坏， 尤其是在含固相颗粒的双相流中， 破坏更为严重。因此，冲刷腐蚀问题的研究，引起了人们的高度重视。

冲刷腐蚀是一个很复杂的过程， 影响因素众多， 概括起来主要包括材料 （冶金）、环境和流体力学三个方面。过去人们通过失重实验以及各种流动条件下的电化学测量技术， 对前两方面因素的影响做了较为深入的研究， 并进而开展了冲刷和腐蚀交互作用的研究， 以期揭示冲刷腐蚀的本质。相对而言， 流体力学因素影响规律的研究尚未成熟。因此，无论是对冲刷腐蚀实验结果的预测， 还是对冲刷腐蚀机理的深入阐述， 都受到限制。

一、流体力学因素的影响机制

流体力学因素一般通过改变冲刷强度或传质过程来影响冲刷腐蚀作用。其主要条件包括： 流速、流态、冲刷角度、颗粒性质等[1]。

1.流体流速

介质的流动对冲刷腐蚀有两种作用： 质量传递效应和表面切应力效应。因此流体流速在冲刷腐蚀过程中起着重要作用， 并直接影响冲刷腐蚀的机理。对于不具有钝化特性的金属，特别是在中性条件下， 氧的存在，将会加速阳极金属的溶解。因此随流速的提高， 氧、二氧化碳等腐蚀剂与金属表面充分地接触，促进腐蚀； 另外， 液流冲击金属表面， 随流速的提高， 在悬浮固相颗粒作用下， 切力矩作用增强，将腐蚀产物不断从金属表面剥离，并且在金属基体上产生划痕， 使腐蚀加剧。

2.流体流态

流体的流动状态有层流与湍流两种。它不仅取决于流体的流速 ， 而且还取决于流体的性质。（ 如粘度、密度等） 和设备的几何形状 （ 如凸出物、缝隙以及突然改变流向的截面） 。不同的流动状态有不同的运动规律， 故对冲刷腐蚀的影响也不一样。层流时， 供氧量比较少， 但能形成保护膜， 水体对金属的剪切应力小， 不能破坏保护膜。此时阴极反应呈现出氧扩散控制特征。冲刷腐蚀受氧的扩散控制，比较缓慢。湍流使金属与流体介质的接触更加频繁， 不仅加速了腐蚀剂的供应和腐蚀产物的转移， 而且增加了流体与金属之间的剪切应力。这种应力会将金属腐蚀产物（ 包括保护膜） 从基体上拉、撕开并冲走， 同时流体中固相颗粒物无规则地剧烈冲击金属表面， 促进冲刷腐蚀。

3.冲刷角度

液固两相流作用在冲刷面上的力可分为水平和垂直分量， 它们的损伤作用不同： 水平分量对冲刷面产生切削作用； 垂直分量产生撞击。随着冲刷角度变化， 这两种损伤机制此消彼长， 交织作用。在小角度冲刷时， 水平分量作用较强， 因而切削机制是材料损失的主要原因； 在大角度冲刷时， 垂直分量作用较强， 固相粒子撞击材料表面， 这种损伤机制主要由两部分组成： 一部分是由粒子冲击形成冲击坑及周围的突出唇， 突出唇在随后的颗粒冲击下被冲掉。另一部分是粒子冲击金属表面， 形成微裂纹， 裂纹扩展使材料呈片状脱落。因此， 会存在某一冲刷角度， 微切削和冲刷撞击共同作用产生的损伤最大，从而使材料的冲刷腐蚀失重率达到最大。

4.两相流体中的固相颗粒因素

悬浮颗粒物对冲刷行为的影响参数主要在于其硬度、锋利性、粒径大小及浓度。一般条件下，颗粒硬度越高， 冲刷越严重； 多角粒子的切削作用要比圆形粒子的犁削作用产生更大的力学损伤；粒径越大， 冲刷速率也越大。

颗粒浓度越大， 冲刷腐蚀速率的绝对值越大， 但高浓度条件下颗粒间的相互影响所引起的“屏蔽效应”使得其冲蚀效率降。同时， 流体中颗粒物也影响电极反应的传质过程。颗粒物通过扩散层时加剧局部水体的搅动， 破坏扩散层状态， 使得金属与介质中氧化剂的接触更为频繁， 从而促进腐蚀过程。

二、CFD 数值模拟

运用计算流体动力学 CFD（ Computational Fluid Dynamics） ，对流态进行数值仿真模拟计算。尽管这种新的数值计算方法不能完全取代传统的实验测试， 但是却可以减少实验和设计工作的盲目性和工作量， 降低消耗并增加可靠度，使传统的实验方法逐步退化为验证计算流体力学程序准确性与可靠性的一种手段。

1.数值模拟方法

计算所采用的液体为水，颗粒为砂， 平均直径为0.01mm， 浓度为 2%。液相在进口为恒定速度边界条件， 初始值按实际工况直接给定为3m/s；出口为自由出流边界条件； 壁面为无滑移壁面；进口和出口的紊流强度均取10%。颗粒相在壁面上取为弹性反射条件， 出口为逃逸边界条件。

2.数值模拟的结果与分析

流动对腐蚀的影响中， 各因素作用的差别很大。直管内速度梯度近乎为零， 因此可以不考虑速度梯度影响； 流形对腐蚀的作用也是通过剪切应力表现为间接影响。剪切应力不断撕裂、剥落腐蚀产生的保护膜， 产生裂痕（或冲蚀坑）， 若来不及修复则露出新鲜的活性金属表面， 使痕内外构成 腐蚀原电池而进一步加速腐蚀。因此， 本文的研究认定管道冲蚀主要是壁面剪切应力的作用， 兼考虑其他因素影响。液相与固相颗粒对管道的剪切应力在管道的进口端均达到最大值。液相对管道的动压力也在管道的进口处出现了最大值。另外， 颗粒的冲击也会使新的金属表面发生塑性变形、位错聚集或诱发微裂纹， 使之处于高能区， 在腐蚀原电池中成为阳极区，从而加速材料的腐蚀。固相颗粒对管道的冲刷量， 在进口端附近最大， 而在管道的中部和出口端几乎为零。

三、结论

1.因为冲刷和腐蚀的联合作用， 冲蚀机理比其他类型腐蚀更复杂

液固两相流中， 固体颗粒不是移去金属基材， 就是移去腐蚀产物； 而液相中腐蚀介质的作用下， 导致腐蚀发生。高速流体击穿了紧贴金属表面几乎静止的边界膜， 一方面加速了氧化剂的供应和阴、阳极腐蚀产物的迁移； 另一方面高速湍流对金属表面产生了剪应力， 这种剪应力不断剥离金属表面的腐蚀产物， 使金属不断以金属离子形式溶入溶液， 从而产生冲刷腐蚀过程。

第5篇：流体动力学模拟理论范文

关键词：湿地水环境；演变机理；生态效应；新思路;研究

引言

湿地是地球上具有多种独特功能的生态系统，在为人类提供食物、原料和水资源、稳定环境、维持生态平衡、保持生物多样性等方面均起到重要作用,是人类赖以生存和持续发展的重要基础,享有“地球之肾”的美誉[1]。近一个世纪以来，由于受盲目围垦、过度开发和水质污染等人类活动及气候变化、天然水循环变化的影响，使得湿地水环境和生态空间格局发生变化，进而造成湿地的功能下降、生物多样性丧失、甚至湿地的消亡[2，3]。

我国自1992年加入《湿地公约》后，对保护湿地开展了一系列富有成效的工作，但湿地保护形势依然严峻，由于对湿地形成演变机理、水环境效应及生态系统结构方面缺乏全面而深刻的了解，往往给保护区的工作造成一定困难，湿地保护研究相对滞后[4]。开展变化环境下湿地水环境演变机理及生态效应研究，对更好的利用和保护湿地有重要意义。

1国内外研究现状及分析

1.1研究方法

湿地的定量模拟研究是当前生态学、水文学和湿地科学的一个热点研究领域[5]。湿地建模、情势重建是理解湿地形成演变机理、水环境效应、生态系统结构的重要途径。目前，国内外对湿地的模型与研究方法已经取得了较大的进展，现综述如下：

（1）图表分析法与经验统计法：传统湿地生态水文学采用图表分析法与经验统计法研究湿地生态水文问题。从研究手段上看，在水文水质调查、湿地生物调查的基础上，引入遥测信息。方法原理是通过宏观尺度上湿地水文、生态调查，从植被生态的水文适应性角度，根据收集的信息，通过统计分析或采用制图方式进行湿地水文景观分类、生物结构、生物量和生物多样性分析；在此基础上，根据经验方法估算生态环境需水总量[6]。由于这类方法未能充分表达湿地生态演替的阶段性、湿地的基本特征、形成机理和动态过程，缺乏深入的物理机制剖析，研究水平较低，研究的角度相对狭窄。

（2）湿地水文模型：水文过程是湿地中最重要的过程,是决定产生和维持湿地典型类型和湿地过程的重要因素，是湿地研究的核心内容，在湿地形成、发育、演替直至消亡全过程中起重要作用。湿地水文模型可用以定量地评价湿地开发活动及保护管理活动带来的环境影响和生态效应；可用作预测湿地水文及其它“动力”特征的变化规律；可用作检验湿地的概念、理论和湿地研究基本实测数据；也可用作辅助设计工具,在湿地的重新自然化和人工湿地的建造工程中用于辅助设计工程设施的结构、形式和参数等[7]。

近年来，湿地水文模拟技术得到了快速发展，特别是在水库或洪泛湿地方面，如加拿大Waterloo大学提出一个蓄水～出流函数模型用于模拟湿地径流响应[8]；英国Birmingham大学改进MODFLOW模型，在British 洪泛平原湿地成功地模拟了以年或季为水文周期的湿地水位变化[9]。国际上已成功开发了适合湿地的分布水文模型, Zacharias等认为湿地是一个水文、水环境系统，强调要加强湿地水资源综合管理，结合GIS和RS发展了一个有物理基础的水文模型来管理湖泊湿地水资源[10]；Da Paz等认为水循环对湿地生态系统起着重要作用，采用了二维平面水动力模型在Mangueira湖泊和Taim湿地中的应用[11]。我国湿地模拟研究起步不久，但模型研究仍然以概念性水文模型、地下水模型为主，湿地分布水文模型缺乏，有待加强。

（3）湿地监测和高新技术应用：美国从二十世纪70年代初就开始关注湿地监测和高新技术应用。Grapes, TR监测了chalk流域湿地的洪水和地下水，分析了湿地地下水流与河渠水位关系，以及壤中流和垂直水分通量变化规律[12]。国内王茜等人利用3S技术对洪湖湿地的结构类型进行监测，在分析研究洪湖湿地现状(水文、土壤、植被、地形地貌、土壤、经济发展、开发等内容)的基础上,根据国际湿地分类的原则和实际情况,考虑遥感上的可操作性,设计出研究区域的湿地遥感分类系统[13]。

（4）湿地水环境流体模型研究：国内外有关科学工作者从70 年代后期开始从环境科学的角度对湿地进行研究, 取得了大量研究成果,为湿地保护和合理开发提供了重要的科学依据。如国外60年代开始研究河流水量水质、水量泥沙耦合模型。70～80 年代,国内外研究者较多地研究应用了一维、二维水量水质模型(如Baca and Arnett，1977)，90 年代国外三维水量水质模型研究比较成熟(如Simons, et al，1977)。例如美国国家环境保护局提出的多参数综合水质模型(WASP，1996)和环境流体动力学模型（EFDC，2001），丹麦水力学研究所Mike水质模型等。国外环境流体动力学模型在我国应用研究也取得了很大进展，目前已广泛应用在河流、水库、湖泊、河口、港湾以及湿地等水环境生态系统中[14]。我国的湖泊工作者和环境工作者从70 年代后期开始, 进行了大量湖泊环境保护方面的研究工作, 在湖泊、水库水质预测、污染物迁移转化规律、总量控制等方面取得了一批重要成果[15]。

（5）湿地生态环境需水研究：90年代后环境需水量和生态需水量开始成为人们关注的焦点[16]。到目前为止，国外有关生态环境需水量研究内容主要有：河道流量与鱼类生息环境关系研究[17]；河流流量、水生生物与溶解氧三者关系研究[18～20]；水生生物指示物与流量之间的关系研究；湿地调度考虑生态需水量的优化配置研究；环境用水与经济用水关系研究等[21，22]。研究方法有：流量增量法、蒙大拿法、7Q10法、流量历时曲线分析法、湿周法、栖息地排水法、BBM法、水利额定法等。对水库、湖泊、湿地的生态环境需水还没有成熟的理论、指标体系和计算方法[23]。从国内外对生态环境用水的研究来看，定性描述的多，理论推求的少，河流描述多，湿地研究少。总量估算多，过程计算少。另外，在确定生态环境需水时，时问尺度和空间尺度不明确，水量和水质耦合研究缺乏，各生态需水量重复计算，可操作性差，研究结果与实际应用还存在相当差距。所以，湿地生态环境需水估算仍然研究不足。

湿地水文生态模型与新兴交叉学科和地学信息技术耦合是未来发展的必然趋势。但至今我国湿地模型的研究才刚刚起步，研究进展缓慢原因是：有物理基础的分布水文模型建模因涉及多学科有较高的难度，另外我国湿地监测与实验资料缺乏，在今后的研究中，还有待进一步加强和完善。

我国目前湿地保护才刚刚起步，很多问题有待深入研究，如湿地的水文水环境效应研究不深入，有物理基础的湿地模型缺乏；湿地健康评价指标体系和生态需水过程估算方法还不完善；湿地生态环境流体动力学研究不足；湿地建设与湿地管理缺乏系统成熟的技术方案等。

1.2评价方法

国内外已经发展了较成熟的湿地评价方法。在众多湿地分类方法中有代表性的方法包括Cow ardin 等于1979 年提出的分类体系[24]和Brinson 于1993 年提出的水文地貌学分类方法[25]。美国农业部湿地研究所推荐一套湿地评价水文模型DRAINMOD和湿地水文识别准则[26]。国外Sutula, MA等应用一种湿地快速评估方法(RAMs)评价湿地系统，介绍了RAMs方法的发展[27]。国内贾忠华等人采用美国农业部推荐的湿地评价水文模型DRAINMOD,探讨西安干旱与半干旱地区不同来水量对湿地地下水位变化的影响，分析了该区形成临界湿地水文条件所需的临界水量[28]。袁军等运用多级模糊模式评价模型对黑龙江洪河国家级保护区不同年份的湿地水文功能进行评价[29]。

诊断湿地生态系统健康是水聚湿地保护的重要手段之一。开展湿地生态系统健康评价方法可分为：物种指示法和结构功能指标法[30，31]。Costanza等1997提出了基于系统层次的生态健康指数(Health Index，HI)[32]。此外，也有学者提出了基于河流水文学、物理构造特征、河岸区状况、水质及水生生物等5方面共计22项指标体系计分基础上的溪流状况指数(Index of Stream Condition，ISC) 。随着对湖泊生态系统研究的深入，最近几年物理指标、压力指标等也被考虑在内，使健康诊断指标不断完善。

2研究思路创新

分析理解湿地水文、水质与生态三者之间的相互作用关系，对变化环境下湿地水循环规律、水环境效应、污染物迁移转化机理和生态格局演变规律进行单独研究并做集成研究；构建一个变集水区尺度、基于RS和GIS、反映湿地特征的、有物理基础的、多尺度集成、多要素耦合的“变网格”技术支持下湿地分布式生态水文模型范式，以便于增加对湿地水循环、污染物迁移转化、湿地的消长与退化、湿地生态环境需水过程的理解和认识；对湿地消长过程、湿地生态需水变化过程、环境需水变化过程的模拟与预测，包括预测坡地、湿地、河流之界面水循环过程；开展湿地水流场、浓度场和生物量的情景预测等等，对于理解湿地水环境效应及生态修复功能有指导作用。

3结语及展望

我国湿地保护当前所面临的主要问题，以生态水文学、环境生态学、水动力学等理论为指导，以洪泛湿地为典型研究对象，以自然与人类相互作用为核心，强调流域坡地、湿地、河流、湖泊、大气、地表林冠层、包气带、地下饱和水带等不同空间尺度上和界面上的水循环、N-P物质循环等自然过程的相互作用研究；揭示变动水文情势下湿地水循环规律、水环境效应、水环境演变机理和生态格局演化规律；了解湿地水文、水质与生态三者之间的相互作用关系；基于对过程理解的模型研究，以生境湿度特征为核心，预测生态环境过程，诊断典型湿地生态环境健康，检测典型湿地可持续发展中人为作用与自然作用的关系，探讨实现湿地可持续发展的途径，提出湿地生态系统保护规划及水污染治理规划的生态、水利双重调控对策。丰富湿地生态水文学理论和方法，为湿地水资源、水环境生态保护提供参考借鉴。

参 考 文 献：

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第6篇：流体动力学模拟理论范文

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键词：CFD技术；液力透平；叶轮；综述

Key words： CFD technologies；hydraulic turbine；impeller；review

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）04-0106-04

0 引言

液力透平是针对高压余能进行能量回收并具有长远经济效益的节能装置。伴随国家经济飞速发展，由于存在能源利用率低下、资源消耗过渡的现状，节能装置的开发利用作用更较突显出来。近年来，伴随计算机技术的成熟和发展[1]，在能量回收领域关于液力透平设计的发展有了较大突破，得益于人们对CFD技术的借鉴和应用，人们已从原始数据测量和真机实验延伸到数值模拟和模型试验上，为水力设计带来更有效的研究手段。设计人员伴随CFD技术的进一步完善，可以通过流场特性分析得到的数据，针对液力透平特点进行有效修改，完善透平装置的设计和优化，丰富了液力透平设计的理论和办法。

1 CFD技术概述

1.1 CFD技术介绍

CFD技术是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）的简称[2]，CFD技术的迅速崛起与计算机技术的快速发展密切相关，研发人员经过几十年的探索与开发，使得今天CFD技术已广泛应用到科学研究的诸多领域中，是一门在包含流体力学分析、数值计算方法和计算机图形处理分析的综合技术[3]。其基本原理是利用能量守恒偏微分方程求解流体运动的基本运动规律的数值模拟。从而通过分析计算结果来近似模拟模型流动区域的流体流动情况。CFD技术由4部分构成，即：数值建模、网格划分、CFD求解和后处理。数值建模是CFD技术的基础，在液力透平设计中以基本参数为参考建立几何模型并计算分析模拟结果得到了直观的参数分析因素，能够真实模拟液力透平内部流场复杂的流动情况，并提供可视化效果，使其科研人员更方便的进行流场运动分析，完善设计中的缺陷。

在流体流动问题的研究中，新兴的CFD技术与过去传统理论分析分析方法、实验校核测量分析方法相结合组成一套完整体系[4]。理论分析方法计算结果虽具有普遍性，但通常是在经验公式和理论的基础上获得的结果，因此所得结果不能保证在各种情况下结果的准确性。试验测量方法通过实验数据结果验证问题，所得到的试验结果真实有效，从而为理论分析和数值方法的研究奠定了基础。然而，试验多受到外界条件限制，所得结果很难与实验理想目标相统一。而CFD技术恰好能有效的解决两者缺陷并在有效时间内完成实验结果的研究和分析，并能精确的描述设备与过程，解决了实验结果数据表现形式的单一性。

利用CFD研究流体运动，对液力透平内部流场进行分析和研究，是泵行业未来发展的重要方向，但目前研究方法尚不成熟，且应用到工程实际中需要一定周期，因此开展此项工作必须建立在总结以往的设计方法、经验和科研成果的基础上，结合试验研究并理论联系实际，反复研究整理才能得到合理的设计理论和设计方法。

1.2 CFD技术商业性软件

近些年，CFD技术的迅速发展，使得其在流体力学中应用得到广泛应用，人们意识到在处理相关问题时，它的作用不容忽视。常用的CFD软件有两类，一类是以有限体积法为核心，如FLUENT、STAR-CD、PHOENICS，另一类是以有限元法为核心，如FIDAP。还有的是将两类方法结合在一起，如CFX-TASCflow采用基于有限元理论的有限体积法。目前在水力机械中使用最广泛的CFD软件是FLUENT、CFX―TASCflow和STAR-CD[5]。

而CFD技术经过四十年发展，出现多种数值解法。FEM的并行是当前和将来应用的一个不错的方向。对于水力机械，还可计算得到任意两个过水断面间的水力损失、泵的扬程，预测叶轮上的扭矩及泵的水力效率。而CFD技术精度问题一直困扰研究人员，准确判断其准确性和正确性是有待解决的现实问题。因在处理同一物理问题上所采用的建立几何模型和计算方法的不同，而得到不同的计算结果。

在处理流体流动问题上，商业软件的广泛开发应用极大的推动了针对泵技术研究和优化问题，有效的缩短在实验研究阶段因对泵内部流场分析数据手段不足而限制研究进度，进而增强设计研发人员的主观能动性。

1.3 CFD技术应用现状

目前对液力透平的研究，仍多以泵反转式透平为主，由于反转泵效率低于正常泵工作效率，因而泵的结构优化显得尤为重要。国内学者杨军虎、袁亚飞等在泵反转做透平以及结合CFD技术对液力透平的研究为泵技术的理论成果提供了大量技术资料与经验，其中通过对叶片泵增加导叶和优化叶片等措施，实现了不同工况条件的液力透平效率的改善。国外学者则通过对水轮机的研究，利用CFD技术对比实验所得数据对液力透平及透平泵的改进提出了可贵意见。

由于CFD技术可以结合目前三维软件模型进行数值模拟，通过对三位实体模型的网格划分与求解，在CFD后处理软件中可以通过强大的数据分析与可视化操作，将液力透平的传统设计进行全新的系统升级，改善了以往实验型结果分析单一性，大大缩短了在设计过程中的时间与物力人力消耗。王福军在CFD软件原理与应用中详细介绍了CFD技术在当前各领域的运用与扩展。袁寿其、刘厚林等学者通过总结泵类流体机械研究进展与展望，对现代泵理论的研究具有重要意义[6]。

目前在湍流模型的选择中，FLUENT软件提供了标准的k～ε模型、k～ω模型、雷诺应力模型（RSM），不同的湍流分析应选择则合适的湍流模型[7]。而在流体分析计算中由于计算流体力学流场实验研究难度和耗费均比较大，因此在有些使用过程中不能对计算结果和计算精度做出深入研究，而是修正验计算结果，所以使CFD计算的准确缺乏可信度。另外在CFD使用过程中缺少认识和深入理解，无法针对软件缺陷提出可靠性建议，在软件二次研发上不能有所突破。目前使用的网格主要有结构化网格、非结构化网格以及混合网格等[8]。并且在划分网格的使用中，针对非结构化网格的流体粘性解决办法不能有效解决，是当前CFD技术应用面临的困难问题。

2 叶轮设计分析

2.1 建立方程和建模

第三步如图3所示进行网格化分，设置相关参数，其节点为120598，单元数有153386，并在ICEM CFD中进行边界设置，主要以进出口与壁面为主。

完成相关操作后，在FLUENT中进行计算求解，本模型选择稳定性好与计算精度高的标准k～ε模型，选择介质为清水，给定进口速度为4.5m/s，进口初始压力4.8MPa，出口压力为10MPa。

如图4所示设置求解参数，并选择SIMPLE算法，初始化流场参数，保存文件并进行迭代计算，观察分析结果并保存数据。

由以上迭代残差图分析可得，计算500步后各项数据大致趋于收敛。如图5～图7所示分别为叶轮内部速度大小与矢量，叶轮内部动压力和总压力分布情况。从图7中分析可得，叶轮内部流速均匀，未产生压力过大产生的涡流现象。

2.3 结论及建议

通过对高扬程液力透平叶轮数值建模分析，得出在设计高扬程液力透平过程中，需要对叶轮模型的叶片形状、进出口安放角、叶片厚度做出合理设计[11]，并通过改善液力透平模型的进出口角度以及叶轮转速调节液力透平回收效率，改善高扬程液力透平性能[12]。

进行液力透平设计必须要对内部流场特性进行分析，通过观测表明，水力机械内部流动在多数情况下处于湍流状态，流场由各种不同尺度的湍流涡叠合而成[13]。这些涡具有旋转结构，涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的[14，15]。由于湍流的复杂性，很难通过试验来掌握水力机械内部的湍流状态，而近几年快速发展起来的计算流体动力学（CFD）理论和方法，给我们认识水力机械湍流流动提供了一种新的途径，对揭示水力机械流场流动特性与结构动力特性间的复杂关系，具有潜在的优势。未来CFD技术发展格局，更多面向解决工程实际应用问题，优化计算系统，实现数值模拟和流体分析运算有机结合，实现计算结果的优化，完成对工艺设备的优化升级，在液力透平研究中，实现节能装置的产业信息化，提升二次能源利用率；建立高效、实用、精确、便捷的复杂网格化分技术，实现云计算在CFD技术中的有效应用，将是未来CFD技术的发展趋势；发展CFD集成技术，实现其与CAD/CAM/SOLIDWORKS/PORE无缝衔接，建立一体化平台，针对不同物理量的分析运算建立不同分析模块，提高应用效率；为了提高CFD技术在液力透平研究与设计的应用，应逐步建立评判标准体系。

3 结语

CFD技术发展趋于多元化、高精度、高适应性、集成化与模块化、建立统一的应用发展平台势在必行，在计算机飞速发展大势影响下，CFD技术工程实际应用在不断投入实践，是为社会实现高效、准确的科研实践提供有效措施，逐步带动实现信息化处理产业高速发展。通过对高扬程液力透平叶轮设计分析得出在针对特定工况要求下液力透平关键部件研究为改善能量回收效率及透平发电中有建设性论据，为流体分析计算提供良好的解决方案不断优化科研实践中难题。

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第7篇：流体动力学模拟理论范文

关键词：多物质ALE算法；ANSYS/LS—DYNA程序；TNT炸药；数值模拟；

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

爆炸是能量短期内急剧释放的过程，具有短时高速高压的特点，在矿山爆破、金属爆炸成型、水下爆破排淤等军事与民用领域有着极为广泛的应用，研究结构在爆炸荷载作用下的动力响应，对于我国防护工程、爆破工程的发展具有十分重要的意义[1]。然而爆炸动力学过程十分复杂，很难进行解析分析，常采用数值模拟分析及模型实验法。

爆炸过程的数值模拟方法有很多种方式，最简单的方式是将爆炸荷载简化为随时间变化的节点力施加到结构上。更精确的模拟方法是利用JWL状态方程描述爆炸过程中压力与体积的关系[2]。对于接触爆炸问题，若采用Lagrange算法描述，可以采用公用节点的方式将炸药单元和结构单元联系起来；也可以在炸药单元和结构单元之间定义接触来考虑其相互作用，然而，由于炸药单元爆炸过程中产生严重畸变，不仅需要进行网格重构，而且还严重地影响数值解的精度，很容易因为步长过小而中断或误差过大而失真。近些年发展起来ALE方法以及多物质流固耦合方法也可以用来模拟爆炸问题，对炸药、空气、土壤、水以及破坏后的岩石采用ALE网格，对其他固体结构采用Lagrange网格，炸药单元和和结构单元之间通过流固耦合来定义彼此之间的连接，由于材料物质在网格中可以流动，因此不存在单元畸变问题[3]。流固耦合的主要特点是：在建立有限元模型时，结构和流体的网格可以重叠在一起，通过一定的约束方法将结构与流体耦合在一起，模拟分析时，往往对Lagrange网格进行约束，将结构的相关力学参量的传递给流体单元。LS—DYNA程序中流固耦合的算法主要约束方法有加速度约束、加速度和速度约束和速度法向约束及罚函数约束等[4，5]。

本文利用有限元程序LS—DYNA，采用ALE算法以及多物质流固耦合方法对爆炸荷载作用下的数值模拟研究，通过对在土中一定深度放置一定质量的TNT炸药引爆过程的数值模拟，分析土中爆炸空腔的形成、扩展以及鼓包运动的过程。

2.ALE算法的理论基础

2.1 ALE算法理论基础

任意拉格朗日—欧拉算法（Arbitrary Lagrangian Eulerian，简称ALE）最初用于模拟流体动力学问题有限差分方法，兼有Lagrange方法和Euler方法二者的长处，即在结构边界运动的处理上引入Lagrange方法的特点，能够有效的跟踪物质结构便捷的运动；在内部网格的划分上，又吸收了Euler方法的长处，使得内部网格单元独立与物质实体而存在，同时网格可以根据定义的参数在求解过程中适当调整位置而不致出现严重畸变。目前，ALE法广泛用于求解流固耦合、接触、大变形、液体大幅晃动等移动边界、接触问题的研究[3]。

不可压缩Navier—Stocks流体的控制方程可以描述为：

此外，在ALE方法描述中，还需要引入第三个任意参照坐标，与参照坐标相关材料的微商可以表示为

式中， 为拉格朗日坐标， 为欧拉坐标， 为相对速度。其中 ， 示物质速度，而 表示网格速度。

LS—DYNA程序是一款可以在个人计算机上稳定运行的，便于模拟爆炸、高速碰撞过程的国际著名非线性显式动力分析有限元软件。

2.2 JWL状态方程

炸药爆轰过程中的压力和比容关系被称为JWL状态方程：

第8篇：流体动力学模拟理论范文

关键词：工业厂房；煤气泄漏；火灾模拟；烟气流动

中图分类号：X92 文献标识码:A

1 概述

随着工业化发展的不断提高，工业用火、用电、用气和化学物品的应用也日益广泛，工业建筑物火灾的危险性和危害性大大增加，伴随而来的火灾发生的频率也越来越高，尤其在工业厂房内，一旦有火灾发生就会对人员的生命财产造成直接的危害，严重的情况下会导致巨大的人员伤亡和财产损失。

例如以简化的厂房空间为研究对象，借助大型专业化计算流体力学软件FLUENT, 对单室内由于煤气泄漏引起的火灾及烟气蔓延过程进行数值模拟，得到了火场中温度场和燃烧产物二氧化碳浓度场的直观显示，为人们了解火灾发生和发展的过程提供了新的方法和手段，也为工业建筑防火设计和消防安全评估提供了新的科学工具，是消防安全工程学和性能化设计的重要基础。

2本文设定的场景与几何建模

实验房间几何尺寸为长6.0m，宽3.3m，高4.5m，房间墙壁有一高1.2m，宽2.0m的窗户，窗户对面是一高2.0m，宽0.8m的房门，在一侧壁中央位置距地面高1.0m有一处煤气泄漏点，本文考虑的泄漏危险源是沿墙铺设的煤气汇流排管道有一处泄漏，形成直径为1cm的圆形泄漏喷口，泄漏流量为0.1413m3/h（即泄漏速度为0.5m/s），泄漏煤气的主要成分为甲烷。如图2.1所示为在GAMBIT几何建模软件中建立的实验房间几何模型。

2.1 实验房间几何模型

3建立数学物理模型

火灾的场模拟理论基础是基于质量守恒、动量守恒、能量守恒、化学组分平衡的微分方程，而场模拟的过程就是对这些方程组进行数值求解。然而这些方程组是不封闭的，为了使方程组封闭，就必须引入湍流的附加方程，然后借助计算机对封闭方程组进行求解，就可以得出火灾过程中各种参数的详细空间分布及其随时间的变化。

3.1湍流平均量方程

火灾中燃烧的湍流过程影响着整个流体的流动，要想求解方程组就必须正确处理湍流过程。计算湍流粘性系数Ut的方法就是所谓的湍流模型，湍流模型种类很多，本文引用应用范围较广的k-epslion双方程模型：

3.2边界条件

FLUENT软件包含了更为广泛的边界条件设置类型，本文仅结合所研究的实际问题进行讨论。

（1）流体进口边界条件：本文对于着火厂房设置了两个流体进口，一个是燃料进口，另一个是空气进口。其中甲烷的泄漏速度为0.5m/s，温度为300K；窗户进风速度始终为0.5m/s，温度300K。

（2）流体出口界面：本文场景中厂房的房门为出流口。

（3）壁面：本文的研究中采用绝热、无渗透、无滑移壁面。

4模拟结果及分析

数值模拟计算采用FLUENT软件进行，使用分离解方法。求解过程中，燃烧控制方程具有较好的收敛记录。

图4.1 60秒时温度等值线图

图4.2 60秒时CO2浓度等值线图

结果分析

高温烟气对人体的危害如果烟气层面高于人眼的特征高度时（人眼的特征高度通常为1.2～1.8m，一般取1.5m），其烟气层的热辐射强度就会伤害人，而当烟气层面低于人眼的特征高度时，对人的危害将是直接烧伤或由于吸入热气体而对呼吸系统的破坏。由60s时图4.1可以看出，房间窗户下沿1.8m处烟气温度已经达到180℃左右，此时可对人体造成辐射伤害，在房间中后部烟气高度已接近1.5m，将对人体构成直接伤害。所以，人置身于煤气泄漏的火场时，要在短时间内逃离，以防热烟气层的沉积造成高温烟气的辐射、灼伤而阻碍逃生。

CO2浓度在60秒时有明显的增长趋势。主要是厂房空间内原有的氧气和窗户的进风使煤气燃烧充分，生成较多的CO2，几乎在短时间内就弥漫了厂房的上半层空间，图4.2可以看出，厂房的大部分空间已经弥漫了浓度较高的CO2，并且在生成CO2的同时消耗了大量的氧气，CO2对人体的危害主要是窒息作用。

结论

采用专业化计算流体力学软件FLUENT对工业厂房的煤气泄漏火灾进行了模拟，把火灾数值模拟技术应用于实际，实现了火场中的物理量，如温度、生成物组分二氧化碳浓度随泄漏时间变化的直观显示，为厂房内危险区域的划分及灾害控制提供了参考依据，也为厂房结构空间的性能化设计和煤气泄漏火灾的防治提供了理论依据。

参考文献

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第9篇：流体动力学模拟理论范文

【关键词】CFD 空气调节 教学课件 素材

【中图分类号】G622【文献标识码】A【文章编号】1009-9646(2008)08-0187-02

建筑环境与设备工程专业的《空气调节》这门专业课机理抽象、复杂,且与工程实际现象紧密结合。学生学习这门专业课程时,普遍反映理论知识比较抽象,不容易理解,且不能与具体现象相结合。由于教学条件的限制,专业课教师无法具体动态地将现象讲授给学生,使专业课的理论知识讲解与实际现象脱节[1]。

随着计算机技术的普及,课堂组织教学形式呈现出多样性发展趋势。多媒体教学课件具有直观、形象、生动等特点,目前正被广泛应用于教学,推动着教学的改革。教学课件依赖于多媒体素材的优劣。传统上采用FLASH、3DMAX等处理软件制作多媒体素材,这类素材具有动态显示、容易制作等优点,但缺少和实际模型的结合,往往仅是定性演示,无法做到定量数据现身说法的效果。

本文结合建筑环境与设备工程专业特点,利用CFD技术构思并制作了“空气调节”教学课件素材,以供大家探讨。

1 CFD简介

随着多媒体教学的改革实践和理论探索,越来越多的教学课件制作教师要求课件素材的真实性、可靠性。虽然一些企业和商家开发研制出大批多媒体教学素材,但是由于开发人员具有的专业知识面比较狭窄,使得总体情况并不令人十分乐观,能满足课堂教学要求的多媒体素材仍然占少数。

CFD是计算流体动力学(Computational fluid Dynamics)的简称,是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测。通过CFD,可以分析并且显示发生在流场中的现象,在比较短的时间内,能预测模拟对象性能。 随着计算机技术的发展和数值模拟计算方法的日趋成熟,出现了基于现有流体力学理论的商用CFD软件。商用CFD软件使许多不擅长CFD的其它专业研究人员能够轻松地进行流动数值计算,为解决实际工程问题开辟了道路[2]。

CFD同FLASH、3DMAX等处理软件对比而言,具有以下优点[3]:

(1)投入低、速度快,而传统的FLASH、3DMAX等处理软件需要专业教师投入较多的时间学习非专业知识;

(2)可以相对准确地反映出流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场或浓度场分布的时变特性;

(3)CFD模拟要比FLASH、3DMAX等处理软件更自由、更灵活,还能对结果做出定量分析;

(4)CFD数值具有很好的估计性,重复性,条件易于控制,可以重复模拟过程,更容易得到某些规律性的素材。

鉴于CFD技术的优点,利用商用CFD软件开发多媒体教学课件素材可以创设逼真的情境,帮助学生掌握和理解难懂的内容。同时由于参数设置比较贴近实际,可以做到定量分析问题,让学生对教学环节产生兴趣。

2 制作素材过程

以“某实验室房间室内污染物浓度分布”为例,具体阐述一下制作过程。

已知条件:采用8m*6m*4m的房间模型,在三维模拟中,房间布置四个回风口和八个送风口,尺寸均为0.5m*0.5m。房间有七个实验台,实验台顶面各有一个CO污染源,散发速度为0.1m/s。X方向为房间长度8m,Z方向为房间宽度6m,Y方向为房间高度4m。三维图形及尺寸见图1。

要使用CFD软件,首先明确研究对象性质,建立研究对象物理模型,并在此基础上建立研究对象数学模型;然后将流体流动的物理特性应用到模拟计算模型;最后通过CFD软件输出所需的流体性质。

(1)根据已知条件,建立空调房间室内污染物浓度分布模型,划分网格,给出边界条件,并导出网格和边界条件数据文件。

(2)将网格和边界条件数据文件导入CFD软件,设置边界条件参数,进行数值计算,并导出数值模拟结果数据文件。数值计算结果如图2示。

(3)为了便于探讨室内污染物动态分布情况,可以将导出数值模拟结果数据文件导入数据处理软件进行动画处理,处理结果如图3所示。

3 结语

利用CFD软件可以开发《空气调节》多媒体教学课件素材,贴近实际情况,有助于学生掌握和理解难懂的内容。

参考文献

[1] 李援英.空气调节与技术应用[M].北京机械工业出版社,2002.