计算流体力学综述(附大涡模拟在水力机械中的应用)

计算流体力学综述（附大涡模拟在水力机械中的应用）

摘要：本文简单介绍了计算流体力学的发展历程及其应用、湍流模型的数值模拟方法和湍流模型、并简要概述了SPH方法及其计算流体力学通常依赖的几种商业软件。

关键字：计算流体力学发展历程湍流模型 SPH 商业软件

一、计算流体力学的发展发展历程及其应用

1.计算流体力学的发展历程

20纪30年代，由于飞机工业的需要、要求用流体力学理论来了导飞机设计，此时流动模型的制方程为拉普拉斯方程，工作的重点是椭圆型数值解。同一时期许多数学家研究了偏微分方程的数学理论，Courant，Fredric等人研究了偏微分方程的基本特性、数学提法的适定性、物理波的传播特性等问题，发展了双曲型偏微分方程理论。

20世纪40年代，流体力学相关学者建立了非线性双曲型方程守恒定律的数值方法理论，为含有激波的气体流动数值模拟打下了理论基础。

20世纪50年代，仅采用当时流体力学的方法，研究比较复杂的非线性流动现象并不能满足工程需要，特别是不能满足高速发展起来的宇航飞行器绕流流场特性研究的需要。针对这种情况，一些学者开始将基于双曲型方程数学理论基础的时问相关方法用于求解宇航飞行器的气体的定常绕流场问题，这种方法虽然要求花费更多的计算机时，但因数学提法适定，又有较好的理论基础，且能模拟流体运动的非定常过程，所以在60年代这是应用范围较广的一般方法。

进人2O世纪80年代以后，随着计算机硬件技术突飞猛进的发展和人类生产实践活动的不断发展，科学技术的日新月异，一大批高新技术产业对计算流体力学提出了新的要求，同时也为计算流体力学的发展提供了新的机遇。在计算模型方面，又提出了一些新的模型，如新的大涡模拟模型、考虑壁面曲率等效应的新的湍流模式、新的多相流模式、新的飞行器气动分析与热结构的一体化模型等这就使得计算流体力学的计算模型由最初的Euler和Ⅳ—s方程，扩展到包括湍流、两相流、化学非平衡、太阳风等问题研究模型在内的多个模型。其中以考虑更多流动机制，如各向异性的非线性(应力／应变关系)湍流研究为重点。

目前，计算流体力学研究的热点是：研究计算方法，包括并行算法和各种新型算法；

研究涡流运动和湍流，包括可压和不可压湍流的直接数值模拟、大涡模拟和湍流机理；研究网格生成技术及计算机优化设计；研究计算流体力学用于解决实际流动问题，包括计算生物力学、计算声学、微型机械流动、多相流及涡轮机械流动的数值模拟等计算流体力学主要向两个方面发展：一方面是研究流动非定常稳定特性、分叉解及湍流流动的机理，更为复杂的非定常、多尺度的流动特征，高精度、高分辨率的计算方法和并行算法；另一方面是将计算流体力学直接用于模拟各种实际流动，解决工业生产中提出来的各种问题。

2.计算流体力学的应用：

计算流体力学的应用已经从最初的航空航天领域不断地扩展到船舶、海洋、化学、工业设计、城市规划设计、建筑消防设计、汽车多个领域。近几年来计算流体力学在全机流场计算、旋翼计算、航空发动机内流计算、导弹投放、飞机外挂物、水下流体力学、汽车等方面获得广泛应用。

二、湍流模型常用的数值模拟方法和几种常用的模型

1.湍流模型常用的数值模拟方法

目前计算流体力学常用的湍流的数值模拟方法主要有以下三种：

直接模拟（direct numerical simulation, DNS）：直接数值模拟（DNS）特点在湍流尺度下的网格尺寸内不引入任何封闭模型的前提下对 Navier-Stokes方程直接求解。这种方法能对湍流流动中最小尺度涡进行求解，要对高度复杂的湍流运动进行直接的数值计算，必须采用很小的时间与空间步长，才能分辨出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性。基于这个原因，DNS目前仅限于相对低的雷诺数中湍流流动模型。另外，利用DNS模型对湍流运动进行直接的数值模拟对计算工具有很高的要求，计算机的内存及计算速度要非常的高，目前DNS模型还无法应用于工程数值计算，还不能解决工程实际问题。

大涡模拟(large eddy simulation, LES)：大涡模拟（LES）是基于网格尺度封闭模型及对大尺度涡进行直接求解N-S方程，其网格尺度比湍流尺度大，可以模拟湍流发展过程的一些细节，但其计算量仍很大，也仅用于比较简单的剪切流运动及管流。大涡模拟的基础是：湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的，大尺度涡是高度的非各向同性，而且随流动的情形而异。大尺度的涡通过相互作用把能量传递给小尺度的

涡，而小尺度的涡旋主要起到耗散能量的作用，几乎是各向同性的。这些对涡旋的认识基础就导致了大涡模拟方法的产生。Les大涡模拟采用非稳态的N-S方程直接模拟大尺度涡，但不计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模拟来考虑，这种影响称为亚格子Reynolds应力模型。大多数亚格子Reynolds模型都是将湍流脉动所造成的影响用一个湍流粘性系数，既粘涡性来描述。

LES对计算机的容量和CPU的要求虽然仍然很高，但是远远低于DNS方法对计算机的要求，因而近年来的研究与应用日趋广泛。

拓展阅读：大涡模拟在分析水力机械流动中的应用

实际水利工程中的水流流动几乎都是湍流。湍流是流体力学中有名的难题。计算机技术的飞速发展给人们提供了解决湍流问题的新途径，公认比较有前途的是大涡模拟和直接数值模拟。但由于受到计算机速度和容量的限制，直接数值模拟还仅限于低雷诺数的流动，对于高雷诺数的完全数值模拟目前还不可能。而大涡模拟是介于直接数值模拟和湍流模式理论之间的折衷物，由于其具有较少的计算消耗和较高的计算精度，正显示出越来越强的生命力。

大涡模拟发展历史：1963 年Smagorinsky首次提出了大涡模拟模型。由气象学Deardorff在1970 年第一次用于解决工程水流问题，他用大涡模拟法模拟了槽道中的流体流动。70年代之后的一系列相关学者不断修正完善大涡模拟理论，计算机的出现使大涡模拟不断走向成熟。

基本思想：湍流运动是由许多大小不同的旋涡组成的。那些大旋涡对于平均流动有比较明显的影响，而那些小旋涡通过非线性作用对大尺度运动产生影响。大涡模拟思想：把湍流运动分成大尺度和小尺度两部分运动，小尺度量通过模型建立与大尺度量的关系，大尺度量通过数值计算得到。很明显，只要尺度足够小，小尺度量模型将会具有更多的普遍性，大涡模拟更加有效。基本操作为低通滤波，常用的三种滤波函数为：Deardorff的盒式(BOX)滤波函数、富氏截断滤波函数和高斯(Gauss)滤波函数。

下面几个例子是大涡模拟在水力机械中的应用，文献参见：

https://www.wendangku.net/doc/b89386283.html,putational Fluid Dynamics of Cavitating Flow in Mixed Flow Pump with Closed

Type Impeller

https://www.wendangku.net/doc/b89386283.html,rge Eddy Simulation of a High Reynolds Number Swirling Flow in a Conical

Diffuser

3.Prediction of Unsteady Hydraulic Force in a Mixed-Flow Pump with Volute Casing

by U sing Large Eddy Simulation

常见的几种机械传动方式

常见的几种机械传动方式 机械传动按传力方式分，可分为摩擦传动和啮合传动，摩擦传动又分为摩擦轮传动和带传动等，啮合传动可分为齿轮传动、涡轮蜗杆传动、链传动等等；按传动比又可分为定传动比和变传动比传动。 1.1皮带传动 皮带传动是由主动轮、从动轮和紧张在两轮上的皮带所组成。由于张紧，在皮带和皮带轮的接触面间产生了压紧力，当主动轮旋转时，借摩擦力带动从动轮旋转，这样就把主动轴的动力传给从动轴。 皮带传动分为平皮带传动和三角皮带传动$G 皮带传动的特点： 1）可用于两轴中心距离较大的传动。 2）皮带具有弹性、可缓冲和冲击与振动，使传动平稳、噪声小。3）当过载时，皮带在轮上打滑，可防止其它零件损坏。 4 )结构简单、维护方便。 5）由于皮带在工作中有滑动，故不能保持精确的传动比。 外廓尺寸大，传动效率低，皮带寿命短。\ 三角皮带的断面国家规定为O、A、B、C、D、E、F、T等8种，从O

到T皮带剖面的面积逐渐增大，传动的功率也逐渐增大。 在机械传动中常碰到传动动比的概念，什么是传动比呢？它是指主动轮的转速n1与从动轮的转速n2之比，用I表示：即I=n1/n2。由于皮带传动中存在“弹性滑动”现象，上述传动比公式只是个近似公式，那么皮带传动中这种“弹性滑动”现象是怎样表现的呢？概括如下：在主动轮处，传动带沿带轮的运动是一面绕进，一面向后收缩：在从动轮处，传动带沿带轮的运动是一面绕进，一面向前伸展。| 1.2齿轮传动 齿轮传动是由分别安装在主动轴及从动轴上的两个齿轮相互啮合而成。齿轮传动是应用最多的一种传动形式，它有如下特点 1）能保证传动比稳定不变。 2）能传递很大的动力。 3) 结构紧凑、效率高。+ 4)制造和安装的精度要求较高。 5)当两轴间距较大时，采用齿轮传动就比较笨重 齿轮的种类很多，按其外形可分为圆柱齿轮和圆锥齿轮两大类。 圆柱齿轮的外形呈圆柱形、牙齿分布在圆柱体的表面上，按照牙齿

流体力学的发展现状

流体力学的发展和现状 作为物理的一部分，流体力学在很早以前就得到发展。在19世纪，流体力学沿着两个方面发展，一方面，将流体视为无粘性的，有一大批有名的力学数学家从事理论研究，对数学物理方法和复变函数的发展，起了相当重要的作用; 另一方面，由于灌溉、给排水、造船，及各种工业中管道流体输运的需要，使得工程流体力学，特别是水力学得到高度发展。将二者统一起来的关键是本世纪初边界层理论的提出，其中心思想是在大部分区域，因流体粘性起的作用很小，流体确实可以看成是无粘的。这样，很多理想流体力学理论就有了应用的地方。但在邻近物体表面附近的一薄层中，粘性起着重要的作用而不能忽略。边界层理论则提供了一个将这两个区域结合起来的理论框架。边界层这样一个现在看来是显而易见的现象，是德国的普朗特在水槽中直接观察到的。这虽也是很多人可以观察到的，却未引起重视，普朗特的重大贡献就在于他提出了处理这种把两个物理机制不同的区域结合起来的理论方法。这一理论提出后，在经过约10年的时间，奠定了近代流体力学的基础。 流体力学又是很多工业的基础。最突出的例子是航空航天工业。可以毫不夸大地说，没有流体力学的发展，就没有今天的航空航天技术。当然，航空航天工业的需要，也是流体力学，特别是空气动力学发展的最重要的推动力。就以亚音速的民航机为例，如果坐在一架波音747飞机上，想一下这种有400多人坐在其中，总重量超过300吨，总的长宽有大半个足球场大的飞机，竟是由比鸿毛还轻的空气支托着，这是任何人都不能不惊叹流体力学的成就。更不用说今后会将出现更大、飞行速度更快的飞机。 同样，也不可能想象，没有流体力学的发展，能设计制造排水量超过50万吨的船舶，能建造长江三峡水利工程这种超大规模工程，能设计90万kW汽轮机组，能建造每台价值超过10亿美元的海上采油平台，能进行气候的中长期预报，等等。甚至天文上观测到的一些宇宙现象，如星系螺旋结构形成的机理，也通过流体力学中形成的理论得到了解释。近年来从流体力学的角度对鱼类游动原理的研究，发现了采用只是摆动尾部（指身体大部不动）来产生推进力的鱼类，最好的尾型应该是细长的月牙型。这正是经过几亿年进化而形成的鲨鱼和鲸鱼的尾型，而这些鱼类的游动能力在鱼类中是最好的。这就为生物学进化方面提供了说明，引起了生物学家的很大兴趣。 所以很明显，流体力学研究，既对整个科学的发展起了重要的作用，又对很多与国计民生有关的工业和工程，起着不可缺少的作用。它既有基础学科的性质，又有很强的应用性，是工程科学或技术科学的重要组成部分。今后流体力学的发展仍应二者并重。 本世纪的流体力学取得多方面的重大进展，特别是在本世纪下半叶，由于实验测试技术、数值计算手段和分析方法上的进步，在多种非线性流动以及力学和其他物理、化学效应相耦合的流动等方面呈现了丰富多采的发展态势。 在实验方面，已经建立了适合于研究不同马赫数、雷诺数范围典型流动的风洞、激波管、弹道靶以及水槽、水洞、转盘等实验设备，发展了热线技术、激光技术、超声技术和速度、温度、浓度及涡度的测量技术，流动显示和数字化技术的迅猛发展使得大量数据采集、处理和分析成为可能，为提供新现象和验证新理论创造了条件。 流体力学是在人类同自然界作斗争，在长期的生产实践中，逐步发展起来的。早在几千年前，劳动人民为了生存，修水利，除水害，在治河防洪，农田灌溉，河道航运，水能利用等方面总结了丰富的经验。我国秦代李冰父子根据“深淘滩，低作堰”的工程经验，修建设计的四川都江堰工程具有相当高的科学水平，反映出当时人们对明渠流和堰流的认识已经达

机械传动技术的改进与发展

机械传动技术的改进与发展 机械系统由原动机、传动机构和执行机构3部分组成，其中，原动机为系统的运动提供动力。而执行机构随机器功能的不同其运动方式和结构形式也不同，其是实现具体功能的执行器。正是由于动力机构比较单一、简单，而执行机构相对复杂多变，所以才需要用传动机构将动力源提供的动力进行相应的变化，以适应不同的执行机构。因此，只要有运动的地方，就一定会有传动机构存在。机械传动技术作为机械制造业研究的重要领域之一，其发展必将极大地推进机械行业的振兴。 随着当今科技的发展，机械传动形式已经不仅仅局限于传统的齿轮传动等接触式传动，也出现了像电磁轴承、电磁传动等非接触式传动，大大扩宽了机械传动的研究范畴。对机械传动技术的研究，我们一方面应该着眼于继续寻找新的传动形式，但更为重要的一方面，我们应该更加注重对现有传动形式进行优化和改进。改进的目标有以下2个方面：首先是要提高承载能力和传动效率，同时要尽可能降低传动机构的成本；其次，要使传动机构的适应性更强，可以在特殊环境下完成任务，比如在狭小空间中传动，甚至是在高温或强腐蚀环境中实现非接触式的传动。因此，本文重点介绍一种传统的机械传动方式——蜗轮蜗杆传动的发展，以及一种新的机械传动方式——电磁非接触传动的研究情况。 1、蜗轮蜗杆传动 蜗轮蜗杆传动是一种传统的传动方式，它的优点在于可以实现很大的传动比，而且机构非常紧凑，传动平稳，噪音小。但是，它也存在着致命的缺点，如：传动效率低，寿命不长，成本较高等。近年来，涡轮传动的研究主要着眼于涡轮材料以及涡轮蜗杆的加工工艺。 1.1 探索更好的蜗轮材料 关于蜗轮材料，国内外做过很多研究工作。通过改善蜗轮的材料，可以减小蜗轮蜗杆接触面

计算流体力学软件CFD在燃烧器设计中的应用探讨

计算流体力学软件CFD在燃烧器设计中的应用探讨[摘要]本文通过对目前燃烧器的现状与技术发展的研究，探讨计算流体力学 软件CFD在燃烧器设计中应用的必要性和可行性，以CFD(计算流体力学)软件为工具，以普通大气式燃烧器为研究对象，采用实验和理论相结合的方法，充分利用现代计算机技术，达到降低燃烧器设计成本和研制费用的目的。 [关键词]燃烧器数值模拟计算流体力学 一、燃烧器的发展现状 1.部分预混式燃烧器的产生及其原理 燃烧的方法被分为扩散式燃烧、部分预混式燃烧和完全预混式燃烧。扩散式燃烧易产生不完全燃烧产物，燃烧温度很低，并未充分利用燃气的能量；而一旦预先混入一部分空气后火焰就会变的清洁，燃烧温度也可以提高，燃烧较充分。完全预混燃烧（无焰燃烧）要求事先按照化学当量比将燃气和空气均匀混合（实际应用中空气系数要大于1），燃烧充分，火焰温度很高，但稳定性较差，易回火。所以民用燃具多采用部分预混式燃烧。 1855年工程师本生发明了一种燃烧器，能从周围大气中吸入一些空气和燃气预混，在燃烧时形成不发光的蓝色火焰，这就是实验室常用的本生灯（单火孔燃烧器）。这种燃烧技术就被称作部分预混式燃烧。 本生灯燃烧所产生的火焰为部分预混层流火焰（俗称本生火焰）。它由内焰，外焰及燃烧区域外围肉眼看不见的高温区组成。火焰一般呈锥体状。燃气—空气的混合气体先在内锥燃烧，中间产物及未燃尽的部分便从锥内向外流出，且混合气体出流的速度与内锥表面火焰向内传播速度相互平衡，此外便形成一个稳定的焰面，呈蓝色。而未燃烧尽的混合气体残余物继续与大气中的空气进行二次混合燃烧，形成火焰外锥。如图1所示，完成燃烧后产生高温co2和水进而在外焰的外侧形成外焰膜（肉眼看不见的高温层）: 图1. 本生灯示意图 如果混合气流是处于层流状态，则外焰面呈较光滑的锥形；如果处于紊流状态，则外焰面产生褶皱，直至产生强烈扰动，气团不断飞散、燃尽。

机械传动技术问题探究

机械传动技术问题探究 传动机构是机械设备的重要组成部分。作为机械加工制造业长期关注的重点领域，机械传动技术始终处于发展变化之中。当前关于机械传动技术的研究主要集中于两个方面，一是新型传动机构形式的发明，二是对已有传动机构形式的改进、增强和完善。文章围绕机械传动技术有关问题进行探讨，分别介绍了蜗轮蜗杆传动技术和磁力传动技术的研究现状。 标签：机械传动；蜗轮蜗杆；非接触传动 引言 机械设备的大规模使用是现代社会的重要特征之一，时至今日，机械设备已经发展出成千上万的种类。但无论什么机械设备，从功能来说，其结构都可以分为三个部分，既提供动力的原动机，传递动力的传动机构以及负责具体执行环节的执行机构。相对于形式较为单一的原动机，执行机构随着具体功能的变化，其形式也各种各样，而将特性差异显著的原动机和执行结构联系到一起，使之构成一个有机整体，发挥机械设备应有效用的就是传动机构。传动机构同时对应原动机和执行结构，将原动机提供的动力转换为适应执行机构的形式，并传递给执行结构，从而推动执行结构正常工作。无论形式如何，只要机械设备中存在运动，就有传动机构的存在。基于传动机构的重要意义，机械传动技术一直是机械加工领域的重要内容。传动技术的革新与发展，是机械设备领域发展的不绝动力。机械设备的进步，离不开传动技术的改进。随着科学技术的不断进步，机械传动技术的实现形式已经从传动的以齿轮传动技术为代表的接触式传动发展到非接触式传动与接触式传动并存的阶段。现代社会，以电磁轴承、电磁传动为代表的非接触式传动成为了机械设备传动方式的重要发展方向。新型传动技术的出现，极大地拓宽了传动技术的应用范围，推动了机械设备的发展与进步。随着研究的逐步深入，人们发现，机械设备传动技术的研究方向主要有两个方向，一是传动机构形式的拓展，也就是增添更多的新型传动机构，二是已有传动形式的优化与提高。由于新型传动机构形式的发明周期长，成本高，从可行性上看，对已有传动结构的改进和优化，提高其工作效率，使之适应更加广泛更加易行，也更容易产生经济效益。在改进已有传动机构工作方面，一是要在控制传动机构生产成本的基础上，注意增强其承载能力和传动效率。二是要扩大传动机构的适应范围，尤其要提高在复杂、严苛环境下的适用性能，例如在空间限制较大的狭小空间内实现传动，或者是在高温、强腐蚀性介质中进行传动，一般这种情况下非接触式传动应用较好。下面，作者结合多年实践经验，对接触式传动技术中的重要种类——蜗轮蜗杆传动与非接触式传动技术——电磁传动相关研究工作进行探讨，希望可以让大家对机械传动技术有所了解和把握，便于更好的开展日常工作。 1 蜗轮蜗杆传动 在传统传动方式中，蜗轮蜗杆传动占据着很大比例。凭借着高传动比，结构紧凑、工作稳定、低噪音等优点，蜗轮蜗杆传动技术广泛应用在各个生产领域，

湍流模型发展综述

湍流模型发展综述 摘要：在概述了湍流问题的基础上，本文简要介绍了湍流的四种模型，对湍流模型在不同情况下的模拟能力进行了对比，最后简述了湍流模型的发展方向。 关键词：湍流模型；Navier-Stokes方程组；J-K模型 Abstract：On the basis of introducing the problems of turbulence, this paper briefly analyzed four kinds of turbulence models and compared their ability of simulation in different situations. At last, the paper expounded the development direction of the turbulence model. Key words：Turbulence model; Navier-Stokes equations; J-K model 一、引言 湍流又称紊流,是自然界中常见的一种很不规则的流动现象。当粘性阻尼无法消除惯性的影响时,自然界中的绝大部分流动都是湍流。 湍流运动的实验研究表明，虽然湍流结构十分复杂，但它仍然遵循连续介质的一般动力学规律，湍流流动的各物理量的瞬时值也应该服从一般的N-S方程。对粘性流体服从的N-S方程进行时均化，就可以得到雷诺平均方程。与定常的N-S方程相比，不同之处是在该式右边多了九项与脉动量有关的项，这脉动量的乘积的平均值与密度的乘积是湍流流动中的一种应力，称为湍流应力或雷诺应力。其中，法向雷诺应力和切向雷诺应力各有三个。 湍流问题就是在给定的边界条件下解雷诺方程。由于雷诺平均方程中未知数个数远多于方程个数而出现了方程不封闭的问题，这就需要依据各种半经验理论提出相应的补充方程式，即各种湍流模型。一般按照所用湍流量偏微分方程的物理含义或者数量进行区分，分别称为梅罗尔—赫林方法和雷诺方法。而后者又将湍流模型分成四类。（1）零方程模型；（2）一方程模型；（3）二方程模型；（4）应力方程模型。下面就对这些模型进行简单的描述。 二、湍流模型简介 1、零方程模型 最初的湍流模型只考虑了一阶湍流计算统计量的动力学微分方程，即平均方程，没有引进高阶统计量的微分方程，因而称之为一阶封闭模式或零方程模型。零方程模型又称为代数模型，代数模型又可以分成以下几种模型：（1）Cebeci —Smith 模型，（2）Baldwin—Lomax 模型，（3）Johnson—King 模型。 其中，B-L与C-S模型的不同之处在于外层湍流粘性系数取法不同。后者适用于湍流边界层，而前者则可用于 N-S方程的计算。此两模型已在工程计算中

计算流体力学常用数值方法简介[1]

计算流体力学常用数值方法简介 李志印　熊小辉　吴家鸣 (华南理工大学交通学院) 关键词　计算流体力学　数值计算 一　前　言 任何流体运动的动力学特征都是由质量守恒、动量守恒和能量守恒定律所确定的,这些基本定律可以由流体流动的控制方程组来描述。利用数值方法通过计算机求解描述流体运动的控制方程,揭示流体运动的物理规律,研究流体运动的时一空物理特征,这样的学科称为计算流体力学。 计算流体力学是一门由多领域交叉而形成的一门应用基础学科,它涉及流体力学理论、计算机技术、偏微分方程的数学理论、数值方法等学科。一般认为计算流体力学是从20世纪60年代中后期逐步发展起来的,大致经历了四个发展阶段:无粘性线性、无粘性非线性、雷诺平均的N-S方程以及完全的N-S方程。随着计算机技术、网络技术、计算方法和后处理技术的迅速发展,利用计算流体力学解决流动问题的能力越来越高,现在许多复杂的流动问题可以通过数值计算手段进行分析并给出相应的结果。 经过40年来的发展,计算流体力学己经成为一种有力的数值实验与设计手段,在许多工业领域如航天航空、汽车、船舶等部门解决了大量的工程设计实际问题,其中在航天航空领域所取得的成绩尤为显著。现在人们已经可以利用计算流体力学方法来设计飞机的外形,确定其气动载荷,从而有效地提高了设计效率,减少了风洞试验次数,大大地降低了设计成本。此外,计算流体力学也己经大量应用于大气、生态环境、车辆工程、船舶工程、传热以及工业中的化学反应等各个领域,显示了计算流体力学强大的生命力。 随着计算机技术的发展和所需要解决的工程问题的复杂性的增加,计算流体力学也己经发展成为以数值手段求解流体力学物理模型、分析其流动机理为主线,包括计算机技术、计算方法、网格技术和可视化后处理技术等多种技术的综合体。目前计算流体力学主要向二个方向发展:一方面是研究流动非定常稳定性以及湍流流动机理,开展高精度、高分辩率的计算方法和并行算法等的流动机理与算法研究;另一方面是将计算流体力学直接应用于模拟各种实际流动,解决工业生产中的各种问题。 二　计算流体力学常用数值方法 流体力学数值方法有很多种,其数学原理各不相同,但有二点是所有方法都具备的,即离散化和代数化。总的来说其基本思想是:将原来连续的求解区域划分成网格或单元子区

电气传动技术应用报告

2009秋机电一体化（工业控制PLC）专科 《电气传动技术及应用》 课程设计任务书 姓名：xxx 学号：xxxxxxxx 校区：南汇分校 上海电视大学 2011年12月

一、课程设计概述 电气传动技术课程是本专业的一门专业课，主要讲述交、直流电动机原理及其应用，是一门实践性很强的课程，通过电气传动技术的课程设计，掌握在工厂设备中电动机的选择、校验和计算。 课程设计模拟工厂常用的生产流水线，设计一条电动机驱动的输送带，根据加工工艺要求，在输送带上的工件大小和重量是变化的，输送的位置和距离根据不同的要求，有所变化，要求正确的选择电动机的额定功率、转速、工作制以及考虑生产现场的实际条件，需要采取的措施。 二、课程设计任务 有一条生产流水线的输送带如下图所示，在装料点0，按生产节拍依次装上各种电动机的零配件：A转子、B定子、C前端盖、D后端盖、E底座。分别要求送到工位1、工位2、工位3、工位4、工位5进行加工装配。输送带采取带上无零配件的空载启动，在传送中，自动控制系统使输送带上始终只有一个零配件，而且两个零配件传送过程中无间隔、停顿。各种零配件依次送完后，再重复循环传送，…。传动系统设计参数： 空载负载力矩T L0 = 400N·m 输送带的输送速度ν= 12m/min； 输送带的加速度dv/dt = s2； 电源供电电压3相380V、变压器容量20Kva 电压波动安全系数。

传动系统的减速装置第一级减速采用皮带轮，第二和第三级采用齿轮减速箱，参数见表1： 工艺要求送料的次序和位置见表2： 假设四极交流电动机转速1470 r/min、六极970 r/min，功率以分档，Tst/T N=，Tmax/T N=2，电源电压波动安全系数。（计算中保留两位小数点）

计算流体力学课程大作业

《计算流体力学》课程大作业 ——基于涡量-流函数法的不可压缩方腔驱动流问题数值模拟 张伊哲 航博101 1、 引言和综述 2、 问题的提出，怎样使用涡量-流函数方法建立差分格式 3、 程序说明 4、 计算结果和讨论 5、 结论 1引言 虽然不可压缩流动的控制方程从形式上看更为简单，但实际上，目前不可压缩流动的数值方法远远不如可压缩流动的数值方法成熟。 考虑不可压缩流动的N-S 方程： 01()P t νρ??=? ? ??+??=-?+???? U U UU f U (1.1) 其中ν是运动粘性系数，认为是常数。将方程组写成无量纲的形式： 01()Re P t ??=?? ??+??=-?+????U U UU f U (1.2) 其中Re 是雷诺数。 从数学角度看，不可压缩流动的控制方程中不含有密度对时间的偏导数项，方程表现出椭圆-抛物组合型的特点；从物理意义上看，在不可压缩流动中，压力这一物理量的波动具有无穷大的传播速度，它瞬间传遍全场，以使不可压缩条件在任何时间、任何位置满足，这就是椭圆型方程的物理意义。这就造成不可压缩的N-S 方程不能使用比较成熟的发展型．．．偏微分方程的数值求解理论和方法。 如果将动量方程和连续性方程完全耦合求解，即使使用显示的离散格式，也将会得到一个刚性很强的、庞大的稀疏线性方程组，计算量巨大，更重要的问题是不易收敛。因此，实际应用中，通常都必须将连续方程和动量方程在一定程度上解耦。 目前，求解不可压缩流动的方法主要有涡量-流函数法，SIMPLE 法及其衍生的改进方法，有限元法，谱方法等，这些方法各有优缺点。其中涡量-流函数法是解决二维不可压缩流动的有效方法。作者本学期学习了研究生计算流体课程，为了熟悉计算流体的基本方法，选择使用涡量-流函数法计算不可压缩方腔驱动流问题，并且对于不同雷诺数下的解进行比较和分析，得出一些结论。 本文接下来的内容安排为：第2节提出不可压缩方腔驱动流问题，并分析该问题怎样使用涡量-流函数方法建立差分格式、选择边界条件。第3节介绍程序的结构。第4节对于不同雷诺数下的计算结果进行分析，并且与U.GHIA 等人【1】的经典结论进行对比，评述本

计算流体力学软件Fluent在烟气脱硫中的应用

计算流体力学软件Fluent在烟气脱硫中的应用 ０引言 污染最为有效的方法之一，而石灰石—石膏湿烟气脱硫是目前能大规模控制燃煤造成ＳＯ ２ 法脱硫技术以其脱硫效率高、吸收剂来源丰富、成本低廉、技术成熟和运行可靠等优点获得广泛应用．从气液两相流体力学和化学反应动力学的观点看，脱硫吸收塔内流体流动的目的是强化气液两相的混合和质量传递、延长气液两相在塔内的接触时间、增大气液两相的接触面积并尽量减小吸收塔的阻力．合理的塔内流场分布对提高脱硫效率、降低脱硫投资和运行成本都具有重要意义． 目前，国内外对烟气脱硫吸收塔进行大量研究，主要采用实验方法，如研究塔的阻力特性、液滴运动速度沿塔高变化和ＴＣＡ塔内温度场分布等，这些研究对指导工业应用具有重要意义，但其结果往往只针对特定的设备或结构，具有较大的局限性．随着计算机技术的迅速发展，计算流体力学（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃ，ＣＦＤ）已成为研究三维流动的重要方法：周山明等［４］利用ＦＬＵＥＮＴ计算空塔和喷淋状态下的塔热态流场，结果表明脱硫吸收塔入口处流场变化最剧烈、压降损失最大，并根据计算结果改造来流烟道；孙克勤等采用混合网格和随机颗粒生成模型对烟气脱硫吸收塔的热态流场进行数值模拟；郭瑞堂等采用ＦＬＵＥＮＴ结合非稳态反应传质－反应理论对湿法脱硫液柱冲的吸收进行数值模拟． 击塔内的流场和ＳＯ ２ 本文尝试应用ＦＬＵＥＮＴ对某脱硫吸收塔内烟气脱硫过程进行初步数值模拟，通过对内部流场进行分析验证本文模拟的合理性，进而对脱硫过程中脱硫吸收塔内是否存在湿壁现象进行深入分析研究． １基于ＲＡＮＳ求解器的ＣＦＤ数值模拟 方法 １．１控制方程 时均的不可压缩连续性方程和Ｎ Ｓ方程 （ＲＡＮＳ方程）如下： １．２湍流模型和多相流模型

流体力学综述

流体力学综述 奇妙的流体力学：流体力学是研究流体在受到一系列力和边界条件作用时流体的运动和内部应力的科学。生活中我们与流体力学息息相关，很多貌似很奇怪、很难理解的现象，如河流中沙丘的形成、浴帘效应、杯中水的涡旋等现象，都可以用流体力学的只是来解释 流体力学的特点： 1、研究对象范围广：大到宇宙中的天体星云，小到人体内的毛细血管大气运动、沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等)乃至地球深处熔浆的流动，都属于流体力学的研究范畴。 2、研究历史悠久：流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。公元前2000余年中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等，这都是人们对于自然的探索与改造。箭弩的发明反映了原始人对箭头的流线型降低摩阻及尾翅的稳定性问题的探索。 3、对整个自然科学贡献大：流体力学为自然科学的研究提供里一个完整的体系，并且对整个自然科学的一些根本性的东西产生了重要的影响。作为与量子力学、相对论相齐名的一个重大科学理论，混沌理论自产生以来产生的巨大影响同时也被广泛应用于各领域。 流体力学的研究内容： 1、流体静力学：主要研究流体处于静止状态时的力和平衡关系。 ? 浮力规律的探讨—阿基米德（十七世纪以前） 对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德，静力学和流体静力学的奠基人，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。他的著作《论浮体》相当详细地讨论了正回旋抛物体在流体中的稳定性，研究了不同的高与底的比、具有不同的比重及在流体中处于不同位置时这种立体的性态。 ? 帕斯卡原理（静压传递原理）（1651-1654） 其基本内容是加在密闭液体任何一部分上 const 2g 2 =+g v p ρ 的压强，必然按照其原来的大小由液体向各个方向传递。帕斯卡的著作《论液体的平衡和空气的重力》代表了十七世纪力学发展的里程碑。静压传递原理是液压与气压传动的基础，在液压千斤顶、液压机等机械上有非常广泛的应用。 F1／F2（F 为施加的力）＝S2／S2（S 指大小活塞的面积） 2、 理想流体的运动学和动力学 ：流体动力学中主要研究无粘性不可压缩流体在绕过物体时的流动和管内流动规律的一个分支，又称经典流体动力学。这一学科分支的任务是求解流场中的速度、压力分布和物体受力。它忽略了真实流体的粘性和压缩性，也不考虑表面张力，从而大大简化了复杂的流体动力学问题，故常作为近似处理许多工程问题的依据。 牛顿、伯努利、欧拉、拉格朗日、拉普拉斯、纳维、柯西、泊松、圣维南、斯托克斯、雷诺等科学家对流体力学的发展都做出了巨大贡献。 ? 牛顿-站在巨人的肩上：他的著作《自然哲学的数学原理》发表于1687年，牛顿内摩擦定律-第一个系统研究流体力学的人。他所研究的流体我们定义为“牛顿流体”，是指在受力

两相流体力学研究综述

两相流体力学研究综述 1. 引言 两相流是以工程热物理学为基础,为满足能源、动力、化工、石油、航空、电子、医药等工业进步的要求,而与数学、力学、信息、生物、环境、材料、计算机等学科相互融合交叉而逐步形成和发展起来的一门新兴交叉学科。两相流早日形成统一的学术理论和成熟的应用技术,对21世纪全球所面临的生态环境和能源资源两个焦点问题的解决将有很大的推动作用,是人类在21世纪可持续发展中面临的重大技术问题之一。该工程领域的突破能促进全球能源与环境经济的进步。 在瓦特(Watt)发明蒸汽机以后,随着工业技术的发展,两相流的研究开始得到重视。1877年Boussines系统研究了明渠水流中泥沙的沉降和输运问题,1910年,Mallock研究了声波在泡沫液体介质中传播时强度的衰减过程。20世纪40年代前,一些有价值的气液两相流不稳定性以及锅炉水循环中气液两相流问题的经典论文,以及研究成果分散在各工业部门,很少系统研究成果。两相流的术语在20世纪30年代首先出现于美国的一些研究生论文中;1943年,苏联首先将这一术语应用于正式出版的学术刊物上;其后1949年在J.Ap-pl.Phys杂志上也出现了两相流(two-phase flow)这一名词。中国对于两相流的研究起步于20世纪60年代。20世纪80年代以来,除相关论文以外,陆续出版了一些关于两相流的教材和专著,如陈之航(1983)、佟庆理(1982)、陈学俊、林宗虎、张远君等(1987)、方丁酉(1988)、周强泰(1990)、周力行、李海青(1991)、吕砚山(1992)、刘大猷(1993)、郭烈锦(2002)、林建忠(2003)等。 虽然有如此多的文献和著作,但两相流的研究历史还不是很长,对于两相流的理论研究尚处于发展阶段,大量的问题还是靠试验和经验来解决,严格地从数学角度建立数学模型来解决问题,是两相流成为系统的科学还需要一个过程。 2. 两相流分类 相是具有相同成分和相同物理、化学性质的均匀物质部分,即相是物质的单一状态,如固态、液态和气态。在两相流动的研究中通常称为固相、液相和气相。一般来说,各相有明显的分界面。两相流就是指物质两相同时并存且具有明显相界面的混合流动。相的概念在不同学科中界定有所不同。 在物理学中:物质分固、液、气和等离子体四相或四态。单相物质及两相混合均匀的气体或液体的流动都属于单相流;同时存在两种或两种以上相态的物质混合体的流动称为两相或多相流。 在多相流体力学中:从力学的观点来看,不同速度、不同温度和不同尺寸的颗粒、液滴或气泡具有不同的力学特性,因此可以是不同的相。对于颗粒相大小很分散的两相流,可以按颗粒大小相近的原则分组而使其动力学性质相似,不同的组用不同的动力学方程来描述,这样的两相流也称为多相流。从物态的角度来看,不同物态、不同化学组成、不同尺寸和形状的物质也可能属于不同的相。 两相流动中,把物质分为连续介质和离散介质。气体和液体属于连续介质,称为连续相或流体相;固体颗粒、液滴和气泡属于离散介质,称为分散相或颗粒相。流体相和颗粒相组成的流动称为两相流。这里颗粒相可以是不同物态、不同化学组成和不同尺寸的颗粒,从而使复杂的多相流动简化。两相及多相流广泛存在于自然界和工程中,常见的分为气液两相流、气固两相流、液固两相流、液液两相流及多相流。 3. 两相流的研究方法 两相流的研究方法同单相流体力学的研究方法一样,也分为理论研究、实验研究和数值计算三种方法。对于两相流体力学而言,由于许多两相流动现象、机理和过程目前还不甚清

机械传动装置的发展与应用

机械传动装置的发展与应用 发表时间：2018-11-19T10:16:08.187Z 来源：《科技研究》2018年9期作者：程磊[导读] 本文从齿轮传动装置、液力传动装置、静液压传动装置等方面，对机械传动装置的分类进行了说明，并分析了机械传动装置的发展趋势 焦作市第一中学河南焦作 454150 摘要：本文从齿轮传动装置、液力传动装置、静液压传动装置等方面，对机械传动装置的分类进行了说明，并分析了机械传动装置的发展趋势，阐述了机械传动装置的应用，以期为促进机械传动装置的良好应用及长远发展提供参考。 关键词：机械传动装置；发展；应用 引言：随着我国经济及科技的飞速发展，各个领域之中的机械设备的应用愈加广泛，进而促进了机械传动装置的发展，并使之在各个领域之中发挥重要作用，但就当前阶段的发展状况而言，我国在机械传送装置方面的技术还未能达到成熟，需对国外的技术加以引进，并在此基础上加以创新，以此来推动我国机械传动装置的良好发展与应用。 一、机械传动装置的分类 齿轮传动装置 齿轮传动装置的应用较为广泛，其主要应用于具有使用要求较低及主机成本较低的特点的工程起重、压实、铲土运输等方面的机械的变速器、轮边减速器及驱动桥主传动之中。就齿轮变速器本身而言，将其依照结构形式进行划分，则通常可以划分为行星式、定轴式这两个类型。而驱动桥遵照其自身所具有的功能进行划分，则通常可分为转向、刚性及贯通式三个类型。 液力传动装置 液力传动装置通常在使用要求较高且对主机性能方面的要求也较高的内燃叉车及铲土运输机械之中，其中底盘动力传送之中所具有的动力换挡变速器及液力变矩器作为无级变速元件，可有效提升主机的操作性能及自动适应性能。 静液压传动装置 静液压传动装置主要是在液压挖掘机，及在主机性能方面有较高要求的装载机、推土机、压路机及内燃叉车等机械产品的工作装置、转向系统及静液压变速之中，可有效提升主机的操作性能及无级变速能力。 二、机械传动装置的发展趋势及应用 首先，就我国现阶段的工程发展模式来看，齿轮传动装置缺乏完备的技术水平，仍需要投入更多的研究力量。应当着重从现有的设计方法入手，确保能够将齿轮传动装置中的关键零件进行改良设计，如齿轮、轴类等，提高材料质量、优化制造工艺、减轻零件重量、缩减零件体积。同时，还可以针对换挡元件与方式进行创新，有效降低作业劳动强度，将动力中断的时间压缩至最低，从而有效提高作业效率。现阶段国内已经逐步引进新型变速器，应当针对变速器的设计方式进行充分借鉴，并研究其零部件设计方式，使其在工程机械生产中得到广泛应用。 其次，现阶段我国的大部分轮胎式工程机械所应用的液力变矩器与动力变速器仍然具有较强的局限性，液力变矩器的扭矩比较大，两档变速器要借助手动方式进行变档，不仅提高了使用成本，也会导致作业效率难以提高。基于此，我国工程机械领域应当积极引进美、德等国家的先进技术，将以往的手动控制系统更新为电—液控制系统，在促使系统发热量有效降低的同时也有助于节约经济成本，优化作业条件，提高作业效率。在此基础上，还应当积极推动液力机械传动装置的联合兼并发展，建设专业化、系统化的液力机械行业体系，进一步推动液力机械产品在行业市场上的健康发展。最后，为有效提升我国工程机械驱动桥的技术水平，应当着力推进以下两种机械装置在该领域的推广与应用：其一是自锁式防滑差速器，该装置可以自主分配左右车轮间的扭矩，有效借助车辆的牵引力，使其越野性能得到显著提升；其二是湿式制动器，可以利用该装置自身所具备的充足制动容量与良好的耐用性，充分提升车辆的制动性能。 第一点，在许多发达国家之中，静液压传动叉车已经得到了极为广泛的应用，而就我国而言，在近年来的发展之中，我国对于部分的工厂、仓库、码头等部门在叉车使用方面对其的性能、噪声等方面在不断的提升要求，这就使得静液压叉车在我国的这些部门中的应用在逐渐的提升。因此，在这种发展趋势下，我国国内市场的叉车及液压元件生产企业可以从此种窥见商机，在这种良好的发展前景之下，相关的企业及部门应共同努力，采取联合研究开发的方式，来不断的研究，同时也可与国际上的静液压元件制造公司加强合作，进而能够加快开发的速度，从而生产出具有工作可靠、先进性高、价格适宜的产品，以此来满足市场的需求。 第二点，就机械传送装置应用最为广泛的中小型多功能工程机械而言，其本身的功能较多，包含了装载、挖掘、起重、叉装等多方面的功能，使得其在许多发达国家之中得到了极为广泛的应用。而就我国儿研所，随着近年来城市化建设的不断推进，中小型多功能工程机械设备必然在其中得到推广，且因静液压传送装置本身所具有的优势，则其中必然将之作为主要的传动装置。在这种发展背景之下，我国应将国内外静液压元件生产企业进行融合合作，共同开展静液压元件生产的开发与研究工作，以此来推进中小型多功能工程机械在我国的更好应用。 第三点，就我国而言，大型铲土运输及起重机械之中齿轮传动装置的应用较为广泛，但其本身存在主机性能不足方面的问题，但在配套的静液压传动装置及电子控制元件生产方面存在技术难度较大、生产价格较高等方面的问题，致使我国在此类机械使用方面的用户难以对此进行接收。因此，在此类机械的研究及开发方面应待以后技术的发展足够成熟之后开展。 结论：总而言之，在当前阶段的发展之中，对于机械传动装置所应用的机械设备方面的要求在不断的提升，因此对于机械传动装置方面应加大研发力度，综合国内外的研发及生产力量，力求将机械传送装置更好的应用于机械设备之中，促进我国机械行业的整体发展。 参考文献： [1]王硕.大型风电液力机械传动装置的分析与研究[J].科技资讯,2017,15(19):49-50. [2]王瑞兵.提高采煤机机械传动装置的可靠性[J].机械管理开发,2016,31(09):35-36+42. [3]崔俊星.行走机械液压传动装置的特点分析[J].科技经济导刊,2016(16):80.

计算流体力学的发展及应用

计算流体力学的发展及应用 计算流体力学的发展： 20世纪30年代，由于飞机工业的需要、要求用流体力学理论来了解和指导飞机设计，当时由于飞行速度很低，可以忽略粘性和旋涡，因此流动的模型为拉普拉斯方程，研究工作的重点是椭圆型方程的数值解。利用复变函数理论和解的迭加方法来求解析解。随着飞机外形设计越来越复杂，出现了求解奇异边界积分方程的方法。以后为了考虑粘性效应，有了边界层方程的数值计算方法，并发展成以位势方程为外流方程，与内流边界层方程相结合，通过迭代求解粘性干扰流场的计算方法。同一时期许多数学家研究了偏微分方程的数学理论，Courant，Fredric等人研究了偏微分方程的基本特性、数学提法的适定性、物理波的传播特性等问题，发展了双曲型偏微分方程理论。以后，Courant，Fredric，Lowy等人发表了经典论文，证明了连续的椭圆型、抛物型和双曲型方程组解的存在性和唯一性定理，并针对线性方程的初值问题，首先将偏微分方程离散化，然后证明了离散系统收敛到连续系统，最后利用代数方法确定了差分解的存在性；他们还给出了著名的稳定性判别条件：CFL条件。这些工作是差分方法的数学理论基础。20世纪40年代，V onNeumann，Richmyer，Hopf，Lax和其他一些学者建立了非线性双曲型方程守恒定律的数值方法理论，为含有激波的气体流动数值模拟打下了理论基础。

在20世纪50年代，仅采用当时流体力学的方法，研究比较复杂的非线性流动现象是不够的，特别是不能满足高速发展起来的宇航飞行器绕流流场特性研究的需要。针对这种情况，一些学者开始将基于双曲型方程数学理论基础的时问相关方法用于求解宇航飞行器的气体的定常绕流场问题，这种方法虽然要求花费更多的计算机时，但因数学提法适定，又有较好的理论基础，且能模拟流体运动的非定常过程，所以在60年代这是应用范围较广的一般方法。以后由Lax、Kais和其他著者给出的非定常偏微分方程差分逼近的稳定性理论，进一步促进了时间相关方法。当时还出现了一些针对具体问题发展起来的特殊算法。 进人2O世纪80年代以后，计算机硬件技术有了突飞猛进的发展，计算机逐渐进人人们的实践活动范围。随着计算方法的不断改进和数值分析理论的发展高精度模拟已不再是天方夜谭。同时随着人类生产实践活动的不断发展，科学技术的日新月异，一大批高新技术产业对计算流体力学提出了新的要求，同时也为计算流体力学的发展提供了新的机遇。实践与理论的不断互动，形成计算流体力学的新热点、新动力，从而推动计算流体力学不断向前发展。首先，在计算模型方面，又提出了一些新的模型，如新的大涡模拟模型、考虑壁面曲率等效应的新的湍流模式、新的多相流模式、新的飞行器气动分析与热结构的一体化模型等这就使得计算流体力学的计算模型由最初的Euler和Ⅳ—s方程，扩展到包括湍流、两相流、化学非平衡、太阳风等问题研究模型

流体力学文献综述

文献综述 题目流体力学概述 学院机电工程学院专业机械工程及自动化班级10机自本一学号10113003336 学生姓名徐石明任课教师李振哲 温州大学教务处制

一、前言部分： 1、前言 大千世界，被冠之以“流体”的流动介质无所不在.流体力学研究在各种力的作用下，流体的静止和运动状态以及流体和其他物体有相对运动时的相互作用和流动规律.流体力学既是探索自然规律的基础学科，也是解决工程实际问题的应用学科，它在现代科学中占有重要的地位。事实上，它已成为当今科学和工程技术的基础之一。 为了造就力学人才，我国许多理工科院校都开设了流体力学课程，因为在中国目前看来，还缺少这方面的拔尖人才。 2、相关概念及综述范围 2.1 概念：流体力学，是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和高等数学、物理学、化学的基础知识。 2.2 综述范围 除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，汽车制造，以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促进了它不断地发展。1950年后，电子计算机的发展又给予流体力学以极大的推动。 二、主题部分： 1、历史 17世纪，力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。之后，法国皮托发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水动力学这个名词并作为书名。欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。1822年，纳维建立了粘性流体的基本运动方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基础导出了这个方程，并将其所涉及的宏观力学基本概念论证得令人信服。这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程)，它是流体动力学的理论基础。20世纪初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗特等为代表的科学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展，它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。以这些理论为基础，流体力学又发展了许多分支，如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相(气液或气固)流等等。1935年以后，人们概括了水力学

计算流体力学_CFD_的通用软件_翟建华

第26卷第2期河北科技大学学报Vol.26,No.2 2005年6月Journal of Hebei University of Science and T echnology June2005 文章编号:100821542(2005)022******* 计算流体力学(CFD)的通用软件 翟建华 (河北科技大学国际交流与合作处,河北石家庄050018) 摘要:对化学工程领域中的通用CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟软件Phoenics,Flu2 ent,CFX等的具体特点和应用情况进行了综述,指出了他们各自的结构特点、特有模块、包含的数学模型和成功应用领域;给出了选用CFD软件平台的7项准则,对今后CFD技术的发展进行了预测,指出,今后CFD研究的主要方向将集中在数学模型开发、工程改造和新设备开发及与工艺软件的匹配连用等方面。 关键词:计算流体力学;模拟软件;CFX;FLUENT;PH OENICS 中图分类号:T Q015.9文献标识码:A Review of commercial CFD software ZH AI Jian2hua (Department of Int ernation Exchange and Cooperation,H ebei University of Science and Technology,Shijiazhuang H ebei 050018,China) Abstr act:The paper summar izes the features and application of the CF D simulation software like Phoenics,F luent and CFX etc in chemical engineering,and discusses their str ucture features,special modules,mathematical models and successful application areas.It also puts forward seven r ules for the good choice of commercial CF D code for the CF D simulation resea rcher s.Based on t he predict ion of the technology development,it points out the possible r esear ch direction for CF D in the future will focus on the development of mathematical model,project transformat ion,new equipment and their matching application with technologi2 cal softwa re. Key words:CF D;simulation software;CF X;FLUENT;P HOENICS CFD(Computational Fluid Dynamics)软件是计算流体力学软件的简称,是用来进行流场分析、计算、预测的专用工具。通过CFD模拟,可以分析并且显示流体流动过程中发生的现象,及时预测流体在模拟区域的流动性能,并通过各种参数改变,得到相应过程的最佳设计参数。CFD的数值模拟,能使我们更加深刻地理解问题产生的机理,为实验提供指导,节省以往实验所需的人力、物力和时间,并对实验结果整理和规律发现起到指导作用。随着计算机软硬件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟,出现了基于现有流动理论的商用CFD软件。这使许多不擅长CFD工作的其他专业研究人员能够轻松地进行流体数值计算,从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来,以更多的精力投入到研究问题的物理本质、问题提法、边界(初值)条件和计算结果的合理解释等重要方面上,充分发挥商用CFD软件开发人员和其他专业研究人员各自的智力优势,为解决实际工程问题开辟了道路。 CFD研究走过了相当漫长的过程。早期数值模拟阶段,由于缺乏模拟工具,研究者一般根据自身工作性质和研究过程,自行编制模拟程序,其优点是针对性强,对具体问题的解决有一定精度,但是,带来的问题 收稿日期:2004208221;修回日期:2004211221;责任编辑:张军 作者简介:翟建华(19642),男,河北平乡人,教授,主要从事化工CFD、高效传质与分离和精细化工方面的研究。