（機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)論文）xyz100型稀油站管路流場(chǎng)數(shù)值模擬.pdf

c l a s s i f i c a t i o ni n d e x t e 9 4 7 u d c 6 2 1 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n g 一一一 n u m e r i c a lsi m u l a t i o nf o rx y z 10 0t h i no i l s t a t i o n sp i p ef l o wf i e l d c a n d i d a t e z o u c h a n g x i n g s u p e r v i s o r p r o f b a p e n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y m e c h a n i s m e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n d e c e m b e r 2 0 0 9 d a t eo fe x a m i n a t i o n m a r c h 2 010 u n i v e r s i t y s h e n y a n gl i g o n gu n i v e r s i t y 日殳日乞匆 剛氣 目欠皆乏匆q 1 右蓊塵f f 臺(tái) 專(zhuān)蓊巖勤 口茸識(shí)華東參刨口暈群琶地詈千斟 周茸識(shí)千進(jìn) 口 茸識(shí)千斟2 瓦槧茸拱 瓦丐事百虧一 刨翱環(huán)有 1 零蠆磊麗 罌鞠不南 舔 i i t 下西輛狐礦硒鼉霉琢乏手丙礓殲麗 目型茸鍥 勝砰朝茸歇擎髯璐聱砘髯翠曷哿y 章翱刨 翕群 封糲幽冒粵 嗚酉 彤夏壬副業(yè)可辨馬 暫硼冒粵身冪箕 犁 群磉茸弓茸嵌碼殺圄審 睡謄勁茸觀碼嘉y 卓赫鱈延擅冒罵半輯 殺性國(guó)串砰群磁 茸鍥墨哿非槧茸觀百嘉y 章 砼載 髀朝目覡 瞠鯛目蔡犟髯攔 犁群壕茸專(zhuān)茸旗再殺國(guó)中 蟛上弓畢y 章 暫丑明剜哿彈茸汾籬當(dāng)鞘縫阿半輯髫國(guó)緊 嬖西髫 珂責(zé)攀勁茸歌碼嘉明軍歌髫圄罾 驊釁暫硼瞠延地胃粵 輯性珊號(hào)暫明智覃勰輯性髦國(guó)瞽掐琶抱馮7 粵半輯雜性國(guó)中 鋒砰群明萃拱珂毒 j 7 出 r r m a k警 f 沈陽(yáng)理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 本論文的所有工作 是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 由作者 本人獨(dú)立完成的 有關(guān)觀點(diǎn) 方法 數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用己在文中指出 并與參 何其他 貢獻(xiàn)的 聲明的 本 的規(guī)定 位論文 大學(xué)可 以采用 一 i 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 稀油站是稀油集中潤(rùn)滑的重要潤(rùn)滑設(shè)備 為c 5 1 0 1 a b 往復(fù)式壓縮機(jī)提供潤(rùn)滑 的x y z 一1 0 0 型稀油站 采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì) 管道通徑選擇過(guò)大 造成設(shè)備體 積龐大 從而使生產(chǎn)制造成本過(guò)高 伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展 有限單元法和有限體積法作為全新的現(xiàn)代設(shè) 計(jì)方法得到廣泛應(yīng)用 a n s y s 軟件和f l u e n t 軟件是基于這兩種方法設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟 件 將這兩種應(yīng)用軟件引入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 可以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期 最大限度的 優(yōu)化出產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案 從而降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本和制造成本 截止閥是x y z 一1 0 0 型稀油站里的重要液壓件 針對(duì)它工作狀態(tài)下的流場(chǎng)特點(diǎn) 論文通過(guò)采用有限單元法和有限體積法 利用計(jì)算機(jī)繪圖軟件p r o e 和a u t o c a d 建立截止閥的三維和二維模型 分別導(dǎo)入a n s y s 軟件和f l u e n t 軟件 對(duì)其進(jìn)行基 于有限單元法 體積法 的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬和基于c f d 技術(shù)的動(dòng)態(tài)流場(chǎng)模擬 得出 截止閥的在x y z 一1 0 0 型稀油站中的流動(dòng)工作狀態(tài)參數(shù) 論文主要工作如下 1 基于有限單元法理論 通過(guò)建立截止閥的三維模型 運(yùn)用a n s y s 軟件模 擬分析x y z 一1 0 0 型稀油站中三維截止閥的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)流場(chǎng) 得出速度 壓力等流場(chǎng) 云圖 2 基于有限體積法理論 通過(guò)建立截止閥的二維模型 運(yùn)用f l u e n t 軟件模 擬分析截止閥閥盤(pán)關(guān)閉過(guò)程中的動(dòng)態(tài)過(guò)程 得出閥盤(pán)處在不同開(kāi)口度下的流場(chǎng)特 性 得到閥道內(nèi)各種液流現(xiàn)象和壓力損失的模擬圖形 3 基于有限體積法理論 運(yùn)用f l u e n t 模擬分析x y z 1 0 0 型稀油站冷卻器的 溫度場(chǎng)分布 得出冷卻水進(jìn)水速度參數(shù)對(duì)溫度分布的影響狀況 關(guān)鍵詞 x y z 一1 0 0 型稀油站 截止閥 a n s y s 軟件 c f d 技術(shù) f l u e n t 軟件 8 o p t i m i z e db yt h eg r e a t s te x t e n tf o rr e d u c i n gp r o d u c td e s i g nc o s t sa n dm a n u f a c t u r i n g c o s t s s h u t o f fv a l v ei sam a j o rh y d r a u l i cp a r t so fx y z 一10 0t h i no i ls t a t i o n a c c o r d i n gt o t h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sw h e ni ti sw o r k i n g e m p l o y i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d f i n i t ev o l u m em e t h o d u s i n gc o m p u t e rg r a p h i c ss o f t w a r ep r o ea n da u t o c a dt o e s t a b l i s h i n gb i d i m e n s i o n a la n dt r i d i m e n s i o n a lm o d e l sa b o u ts h u t o f fv a l v e a n dt h e n r e s p e c t i v e l y m a k et h es t e a d y s t a t en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dd y n a m i cb a s e dc f d t e c h n o l o g ys i m u l a t i o no ff l o wf i e l db a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d v o l u m em e t h o d b yi m p o r t i n gi n t oa n s y ss o f t w a r ea n df l u e n ts o f t w a r e a n dd e r i v e dt h ef l o ws t a t e p a r a m e t e r so fs h u t o f fv a l v e i n t h ex y z 10 0t h i no i ls t a t i o n t h e s i sa r ea sf o l l o w s 1 b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d e s t a b l i s ht h et r i d i m e n s i o n a lm o d e lo f s h u t o f fv a l v e s i m u l a t i o na n a l y s i st h es t e a d y s t a t ef l o wf i e l da b o u tt h et r i d i m e n s i o n a l m o d e lo fs h u t o f fv a l v eo fx y z 10 0t h i no i ls t a t i o n s r e a c hf l o wf i e l dc l o u dc h a r t s a b o u tt h es p e e d p r e s s u r ee t c 2 b a s e do nt h ef i n i t ev o l u m em e t h o d e s t a b l i s ht h eb i d i m e n s i o n a lm o d e lo f 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 s h u t o f fv a l v e s i m u l a t i o na n a l y s i st h ep r o c e s so fd y n a m i ca n a l y s i sw h e nt h ev a v l ed i s c i so f fu s i n gt h ef l u e n ts o f t w a r e a r r i v ea tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o wf i e l dw h e nt h ev a l v e d i s ci si nt h e d e f f r e n to p e n i n gd e g r e e sa n dd i f f e r e n tv a r i o u sf l o wp h e n o m e n aa n d p r e s s u r el o s so ft h es i m u l a t i o ng r a p l l i c s 3 b a s e do nt h ef i n i t ev o l u m em e t h o d u s i n gt h ef l u e n ts i m u l a t i o na n a l y s i s t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ec o o l e ro fx y z 一10 0t h i no i ls t a t i o n o b t a i n e dt h e c o n d i t i o n sa b o u tt h er a t ep a r a m e t e r so fi n t a k ev e l o c i t yo fc o o l i n gw a t e ri m p a c tt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n k e y w o r d s x y z 10 0t h i ni o ls t a t i o n s h u t o f fv a l v e a n s y ss o f t w a r e c f dt e c h n o l o g y f l u e n ts o f t w a r e 2 目錄 目錄 第1 章緒論 一1 1 1 課題背景 1 1 2 機(jī)械潤(rùn)滑現(xiàn)狀發(fā)展及其稀油站介紹 2 1 2 1 機(jī)械潤(rùn)滑現(xiàn)狀及發(fā)展 2 1 2 2 稀油站介紹 3 1 3 有限單元法元軟件a n s y s 和c f d 軟件f l u e n t 概述 5 1 3 1a n s y s 軟件簡(jiǎn)述 5 1 3 2f l u e n t 軟件簡(jiǎn)述 5 1 4 本課題的研究意義和研究方法 6 第2 章有限單元法及有限體積法理論 7 2 1 前言 7 2 2 設(shè)計(jì)方法發(fā)展 7 2 3 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 8 2 4 有限單元法 f e m 9 2 4 1 有限單元法的基本思想 9 2 4 3 有限單元法的計(jì)算步驟 1 0 2 5 有限體積法 f v m 1 2 2 5 1 有限體積法的基本思想 1 2 2 5 2 有限體積法的計(jì)算步驟 1 3 第3 章a n s y s 的f l o t r a n 模塊介紹 1 5 3 1f l o t r a n 分析的概念 1 5 3 2f l o t r a n 模塊的的基本屬性 1 6 3 3f l o t r a n 分析的基本原理及步驟 18 第4 章基于有限元技術(shù)的截止閥流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)模擬 2 1 4 1 前言 2 1 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 2 截止閥概述 2 2 4 3 1 分析求解區(qū)域 2 3 4 3 2 確定流體的狀態(tài) 2 4 4 3 3 生成有限元網(wǎng)格 2 5 4 3 4 施加邊界條件 2 7 4 3 5f l o t n 分析參數(shù)設(shè)置 2 9 4 4 計(jì)算收斂性分析 3 1 4 5 截止閥流場(chǎng)分析 3 2 4 5 1 速度分布云圖 3 2 4 5 2 壓力分析云圖 3 4 4 6 對(duì)f l o t r a n 分析進(jìn)行評(píng)價(jià) 3 6 第5 章c f d 技術(shù)基礎(chǔ)及f l u e n t 軟件介紹 3 7 5 1 前言 3 7 5 2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s c f d 3 8 5 2 1 流體運(yùn)動(dòng)描述的方法 3 8 5 2 2c f d 模型基本控制方程 3 9 5 3f l u e n t 軟件介紹 4 1 5 4 相關(guān)模型 4 4 5 4 1 湍流模型 4 4 5 4 2 動(dòng)網(wǎng)格模型 4 7 第6 章基于c f d 技術(shù)的截止閥流場(chǎng)動(dòng)態(tài)模擬 5 1 6 1 前言 51 6 2 前處理及計(jì)算過(guò)程 51 6 2 1 模擬分析流體區(qū)域 5 1 6 2 2 劃網(wǎng)和動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置 5 2 6 2 3 邊界條件和屬性設(shè)置 5 4 6 3 截止閥閉合過(guò)程的動(dòng)態(tài)分析 5 4 6 3 1 網(wǎng)格移動(dòng)過(guò)程 5 4 6 3 2 閥道內(nèi)速度分布 5 4 5 7 5 8 5 9 5 9 6 0 6 1 6 2 7 1 冷卻器概述 6 2 7 1 1 前言 6 2 7 1 2 冷卻器的計(jì)算 6 3 7 1 3 冷卻器的安裝 6 5 7 2 冷卻器有限元模型 一 6 6 7 3 冷卻水不同流速下的溫度分布 6 8 7 3 1 邊界條件 6 8 7 3 2 求解過(guò)程 6 8 7 3 3 收斂特性分析 6 9 7 3 4 溫度場(chǎng)分布 7 l 7 3 5 結(jié)果數(shù)據(jù) 7 2 7 3 6 出口溫度曲線 7 3 結(jié)論 7 5 參考文獻(xiàn) 7 7 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和獲得的科研成果 8 0 弱c 謝 8 1 第1 章緒論 1 1 課題背景 第1 章緒論 摩擦 磨損的問(wèn)題存在于一切機(jī)械設(shè)備中 解決好該問(wèn)題是現(xiàn)代化工業(yè)中確 保設(shè)備連續(xù)正常運(yùn)行的首要條件之一 一個(gè)產(chǎn)品的磨損大致可分為三個(gè)階段 即 磨合階段 穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段 如圖1 1 磨 損 量 圖卜1 機(jī)件的磨損量與工作時(shí)間的關(guān)系 磨損睦線 減少機(jī)器磨損的主要方法是潤(rùn)滑 給存在摩擦的機(jī)械設(shè)備提供潤(rùn)滑的方法包 括 1 油潤(rùn)滑 指用手工油壺或者油槍向注油杯內(nèi)注油 有以下幾種形式 滴油潤(rùn)滑 油環(huán)潤(rùn)滑 飛濺潤(rùn)滑 壓力循環(huán)潤(rùn)滑 2 脂潤(rùn)滑 稀油站潤(rùn) 滑屬于油潤(rùn)滑 它是稀油集中潤(rùn)滑方法的設(shè)備 在工業(yè)基礎(chǔ)各個(gè)部門(mén)都有廣泛應(yīng) 用 稀油站的設(shè)計(jì)一般采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 即根據(jù)主機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油流量 壓力參數(shù) 的需要和一定的工況需求按照傳統(tǒng)或經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)出一套包含電機(jī) 液壓油泵 冷卻器 過(guò)濾器等液壓主件并含有必要液壓控制閥和壓力開(kāi)關(guān)等液壓供油系統(tǒng) 采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ) 依據(jù)力學(xué)和數(shù)學(xué)建立的理論公式 和經(jīng)驗(yàn)公式 運(yùn)用數(shù)表 圖形和手冊(cè)等技術(shù)資料 進(jìn)行方案擬定 設(shè)計(jì)計(jì)算 繪圖和編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 該種方法設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)周期長(zhǎng) 設(shè)計(jì)成本高 現(xiàn)代設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品為總目標(biāo)的一系列種類(lèi)繁多的現(xiàn)代設(shè)計(jì)法和技術(shù)的 綜合運(yùn)用 生產(chǎn)技術(shù)的需要和先進(jìn)設(shè)計(jì)手段的出現(xiàn) 必須促進(jìn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的改 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 革和發(fā)展 對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)幾乎是更新?lián)Q代 傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法受到很 大沖擊 用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法代替經(jīng)驗(yàn)的 類(lèi)比的設(shè)計(jì)方法已勢(shì)在必行 縮短 設(shè)計(jì)周期 提高設(shè)計(jì)質(zhì)量 發(fā)展設(shè)計(jì)理論 改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)及方法已成為當(dāng)前 機(jī)械設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì) 由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快 數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確 存儲(chǔ)量大和具有邏輯判斷 功能等特點(diǎn) 因此 它已經(jīng)成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中分析 計(jì)算 綜合 決策 數(shù)據(jù)處理 圖形處理和與各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)的不可替代的重要工具 有限元法 有限體積法 作為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的一種 基本概念是用較簡(jiǎn)單的 問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解 它將求解域看成是由許多稱(chēng)為有限元的小的互連子 域組成 對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的 較簡(jiǎn)單的 近似解 然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總 的滿(mǎn)足條件 如結(jié)構(gòu)的平衡條件 從而得到問(wèn)題的解 這個(gè)解不是準(zhǔn)確解 而是 近似解 因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替 由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn) 確解 而有限元不僅計(jì)算精度高 而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀 因而成為行之有效 的工程分析手段 采用有限元方法 有限體積法 這種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)稀油站系統(tǒng)及其液壓元 部件進(jìn)行模擬分析研究 可以為優(yōu)化設(shè)計(jì)稀油站系統(tǒng)及其液壓元器件提供理論數(shù) 據(jù) 并且這種方法將縮短設(shè)計(jì)周期和成本 1 2 機(jī)械潤(rùn)滑現(xiàn)狀發(fā)展及其稀油站介紹 1 2 1 機(jī)械潤(rùn)滑現(xiàn)狀及發(fā)展 機(jī)械潤(rùn)滑是人們向摩擦 磨損作斗爭(zhēng)的一種手段 一般來(lái)說(shuō) 在摩擦副之間 加入某種物質(zhì) 用來(lái)控制摩擦 降低磨損 已達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的措施叫做潤(rùn)滑 隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和裝備制造水平的迅速提高 設(shè)備的潤(rùn)滑 維修 保養(yǎng)方面技術(shù)得到了廣泛引用并受到高度重視 同時(shí)也對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性提出 了更高的要求 過(guò)去由于人們對(duì)潤(rùn)滑與密封工作重視不夠 缺乏必要的潤(rùn)滑 保 養(yǎng) 維修知識(shí) 造成大批及其設(shè)備因潤(rùn)滑不當(dāng)而磨損 這不僅縮短設(shè)備使用壽命 降低產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率 而且也造成了大量的人力 物力浪費(fèi)和環(huán)境污染 大量的事實(shí)表明 機(jī)械設(shè)備的安全可靠性與系統(tǒng)的潤(rùn)滑狀況有密切關(guān)系 國(guó)內(nèi)外 資料表明 機(jī)械系統(tǒng)的故障7 0 9 0 是由于系統(tǒng)的潤(rùn)滑失效引起的 其中7 0 0 o 8 5 第l 章緒論 是潤(rùn)滑系統(tǒng)油污染的原因 1 0 是潤(rùn)滑系統(tǒng)密封泄露的原因 提高潤(rùn)滑質(zhì)量 控制 潤(rùn)滑系統(tǒng)油污染 防止?jié)櫥到y(tǒng)泄露已成為國(guó)內(nèi)外石化 冶金和裝備等工業(yè)普遍 關(guān)注的問(wèn)題 近2 0 年來(lái) 人們致力于不斷地提高潤(rùn)滑產(chǎn)品質(zhì)量 完善潤(rùn)滑系統(tǒng)污染控制技 術(shù) 采用新型的潤(rùn)滑材料和潤(rùn)滑技術(shù) 以提高工作的可靠性 在這期間 國(guó)外潤(rùn) 滑劑 主要是潤(rùn)滑用油液 平均清潔度提高了5 級(jí) i s 0 4 4 0 6 相當(dāng)于油液中污 染顆粒是原來(lái)的1 3 2 而我國(guó)的污染度一般比國(guó)外的高3 4 級(jí) 密封技術(shù)比國(guó)外 落后1 0 年左右 因而設(shè)備故障率高 元件壽命短 設(shè)備效能不能充分地發(fā)揮 潤(rùn)滑方法可以分為手工潤(rùn)滑和集中潤(rùn)滑兩種 手工潤(rùn)滑是指由操作工人用油 壺或油槍向各分散點(diǎn)添加潤(rùn)滑油的方法 它適用于輕裁 低速 間隙工作的潤(rùn)滑 點(diǎn) 由于科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展 自動(dòng)化程度的提高 在機(jī)械設(shè)備中更加廣泛應(yīng)用 的稀油集中潤(rùn)滑系統(tǒng)逐漸地取代手工潤(rùn)滑方式 其主要特點(diǎn)是 準(zhǔn)確 定時(shí)定量 藍(lán) 效率高 使用方便 提高設(shè)備伸用壽命 保隨機(jī)器使用性能 1 2 2 稀油站介紹 稀油站作為稀有集中潤(rùn)滑的潤(rùn)滑設(shè)備 在各種機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑中扮演著越來(lái)越 重要的角色 作為壓力循環(huán)潤(rùn)滑方式 憑借其獨(dú)特的壓力循環(huán)供油特性 已越來(lái) 越多地被化工 冶金和礦山等行業(yè)用于機(jī)器設(shè)備的潤(rùn)滑 它是稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)的心 臟 用來(lái)將潤(rùn)滑液強(qiáng)制壓送到機(jī)器的摩擦部位 減少零件摩擦 并帶走摩擦產(chǎn)生 的熱量 保證機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn) 延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命 為c 5 1 0 1 a b 往復(fù)式壓縮機(jī)提供潤(rùn)滑的x y z i 0 0 型稀油站 其基本技術(shù)參數(shù)如 下 1 公用技術(shù)條件 低電壓 3 8 0 va c5 0 h z3 p h 2 2 0 vh c5 0 h z1 p h 2 主要技術(shù)參數(shù) 工作介質(zhì) n 1 5 0 機(jī)械油 g b 4 4 3 8 9 公稱(chēng)流量 l o o l m i n 操作壓力 0 5 m p a g 過(guò)濾精度 2 5ui n 3 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 供油溫度 4 0 回油溫度 6 5 冷卻水進(jìn)水溫度 3 2 冷卻水出水溫度 3 5 冷卻水進(jìn)水壓力 0 4 m p a g 冷卻水出水壓力 0 2 5 m p a g 雙聯(lián)過(guò)濾器總阻力降 0 0 3 m p a 系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力 1 6 m p a g 3 油站設(shè)計(jì) 制造及驗(yàn)收所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn) 1 a p l 6 1 8 9 5 石油 化工和氣體工業(yè)用往復(fù)式壓縮機(jī) 2 勞鍋?zhàn)?1 9 9 0 8 號(hào) 壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 3 g b 7 5 5 2 0 0 0 旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能 4 鋼制管法蘭p n l 6 m p a 凸面 法蘭標(biāo)準(zhǔn)采用j b z q 4 4 7 6 標(biāo)準(zhǔn) 4 整機(jī)防爆等級(jí)d i i c t 4 圖1 2 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的x y z 1 0 0 型稀油站 圖i 2 是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的x y z 1 0 0 型稀油站 系統(tǒng)由電機(jī) 螺桿泵 雙聯(lián)冷卻 器 雙聯(lián)過(guò)濾器 自力式調(diào)壓閥 安全閥和多個(gè)截止閥按照一定的安裝方式組成 其流程圖如圖1 3 所示 圖卜3x y z 1 0 0 型稀油站系統(tǒng)沉場(chǎng)圖 圖i 3 為x y z 1 0 0 型稀油站的系統(tǒng)流場(chǎng)圖 工作時(shí) 油箱中的油液由電機(jī)驅(qū) 動(dòng)的全流量油泵吸出 經(jīng)單向閥4 截止閥5 u 型管雙聯(lián)冷卻器6 帶三通切換 閥的雙聯(lián)過(guò)濾器7 自力式調(diào)壓閥8 送至c 5 1 0 1 a b 往復(fù)式壓縮機(jī)的各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn) 1 3 有限單元法元軟件a n s y s 和c f d 軟件f l u e n t 概述 1 3 1a n s y s 軟件簡(jiǎn)述 有限元軟件a n s y s 分析處理工程問(wèn)題的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 基于有限元思想 的a n s y s 軟件 是融結(jié)構(gòu) 熱 流體 電磁 聲學(xué)于一體的大型通用有限元商用 基 分析軟件 其代碼長(zhǎng)度超過(guò)i 0 0 0 0 行 可廣泛應(yīng)用于核工業(yè) 鐵道 石油化工 耵 航空航天 機(jī)械制造 能源 電子 造船 汽車(chē)交通 國(guó)防軍工 土木工程 生 物醫(yī)學(xué) 輕工 地礦 水利 日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究 是目前最主要的 p e a 程序 該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)上運(yùn)行 a n s y s 基于m o t i f 的菜單 系統(tǒng)使用戶(hù)能夠通過(guò)對(duì)話框 下拉式菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇 大 大方便了用戶(hù)操作 a n s y s 軟件能與大多數(shù)c a d 軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換 是現(xiàn) 代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中高級(jí)的c a d c a e 軟件之一 1 3 2f l u e n t 軟件簡(jiǎn)述 c f d 是計(jì)算流體計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) c o m p u t e rf l u i dd y n a m i c s 的簡(jiǎn)稱(chēng) f l u e n t 是c f d 方法的分析軟件 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法 基礎(chǔ)上的 i 3 新型獨(dú)立學(xué)科 c f d 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)理論與方法 利用具有超強(qiáng) 數(shù)值計(jì)算能力的計(jì)算機(jī) 編制計(jì)算機(jī)的運(yùn)用程序 數(shù)值求解滿(mǎn)足不同種類(lèi)流體的 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 運(yùn)動(dòng)和傳熱傳質(zhì)規(guī)律的三大守恒定律 及附加的各種模型方程所組成的非線性偏 微分方程組 得到確定邊界條件下的數(shù)值解 它兼有理論性和實(shí)踐性的特點(diǎn) 為 現(xiàn)代科學(xué)中的許多復(fù)雜流動(dòng)與傳熱問(wèn)題提供了有效的解決方法 1 4 本課題的研究意義和研究方法 傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要依據(jù)建立在一元流理論基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)公式與 工程設(shè)計(jì)手冊(cè) 圖表 其中的各種經(jīng)驗(yàn)常數(shù) 修正系數(shù)是通過(guò)大量試驗(yàn)獲取的 傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便可靠 缺點(diǎn)是適用范圍受資料來(lái)源的限制 用傳統(tǒng)方法建 立一套作為設(shè)計(jì)依據(jù)的參考資料需要大量試驗(yàn)數(shù)據(jù) 投入高 周期長(zhǎng) 即便國(guó)內(nèi) 大型生產(chǎn)企業(yè)也難做到 因此 大多數(shù)情況下 在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí) 設(shè)計(jì)人員只能 參照以往幾種常規(guī)品種的資料 憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推測(cè) 這給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)很大困難 限制了產(chǎn)品質(zhì)量的提高 有限元方法和計(jì)算流體力學(xué) c f d 方法以其強(qiáng)大的數(shù)值模擬功能為解決這一 問(wèn)題提供了新途徑 通過(guò)數(shù)值模擬不但能取得產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需的流動(dòng)特性參數(shù) 而 且還可以掌握流場(chǎng)內(nèi)部的詳細(xì)情況 如壓力 速度和溫度分布 流動(dòng)分離狀態(tài) 氣蝕可能發(fā)生的部位以及動(dòng)態(tài)過(guò)程中各參數(shù)的變化 有效的指導(dǎo)了液壓系統(tǒng)及其 部件的設(shè)計(jì) 本課題主要有以下研究任務(wù) 有限單元方法 用有限元軟件a n s y s 計(jì)算稀油站系統(tǒng)局部管道內(nèi)的流場(chǎng)分布 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) c f d 方法 用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件f l u e n t 的動(dòng)網(wǎng)格模型計(jì)算 稀油站液壓控制元件截止閥啟閉過(guò)程中流場(chǎng)分布的動(dòng)態(tài)過(guò)程 得出不同開(kāi)度下截 止閥內(nèi)部速度場(chǎng) 壓力場(chǎng) 同時(shí)用f l u e n t 模擬分析稀油站冷卻器溫度場(chǎng)分布 找 出冷卻器參數(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)的影響 通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到稀油站的特性曲線以及截止閥通道內(nèi)三維流動(dòng)的詳細(xì) 情況 顯示了有限元方法和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法這一高新科技手段用于液壓設(shè)計(jì) 的可行性 它們的優(yōu)勢(shì)尤其表現(xiàn)在新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)中 不但能大幅度取代常規(guī) 實(shí)驗(yàn)提供各種流動(dòng)特性參數(shù) 而且能通過(guò)揭示流場(chǎng)三維分布形態(tài)為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供 詳細(xì)依據(jù) 此外 對(duì)于常規(guī)實(shí)驗(yàn)無(wú)法處理的復(fù)雜現(xiàn)象 如空化 水擊等 也可以 用該方法進(jìn)行模擬 該方法的應(yīng)用必將提高液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)含量與產(chǎn)品質(zhì)量 第2 章有限單元法及有限體積法理論 2 1 前言 第2 章有限單元法及有限體積法理論 設(shè)計(jì)是人類(lèi)改造自然的基本活動(dòng) 它與人類(lèi)的生產(chǎn)活功及生活密切相關(guān) 人 類(lèi)在改造自然的歷史長(zhǎng)河中一直從事設(shè)計(jì)活動(dòng) 生活在大自然和自身 設(shè)計(jì) 的 世界 從某種意義上講 人類(lèi)文明的歷史 就是不斷進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)的歷史 工程設(shè)計(jì)是滿(mǎn)足人類(lèi)社會(huì)日益增長(zhǎng)需要而進(jìn)行的創(chuàng)造性勞動(dòng) 它和生產(chǎn)生活 及其未來(lái)密切相關(guān) 所以人們對(duì)設(shè)計(jì)工作越來(lái)超重視 設(shè)計(jì)在人類(lèi)社會(huì)發(fā)展過(guò)程 中扮演著越來(lái)越重要的角色 其重要性主要表現(xiàn)在以下方面 1 設(shè)計(jì)直接決定產(chǎn)品的功能和性能產(chǎn)品的功能 工作過(guò)程和質(zhì)量指標(biāo)等最 終都是由設(shè)計(jì)確定的 可以說(shuō)產(chǎn)品的水平主要地取決于設(shè)計(jì)水平 4 2 設(shè)計(jì)對(duì)企業(yè)的生存和發(fā)展具有重大意義產(chǎn)品生產(chǎn)是企業(yè)的中心任務(wù) 而 產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力影響著企業(yè)的生存與發(fā)展 產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力主要在于它的性能和質(zhì)量 也取決于經(jīng)濟(jì)性 而這些因素都與設(shè)計(jì)密切相關(guān) 3 設(shè)計(jì)直接關(guān)系人類(lèi)的未來(lái)及發(fā)展社會(huì)在發(fā)展 所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品要緊跟時(shí)代 步伐 有一定的預(yù)見(jiàn)性 尤其是影響面較大的產(chǎn)品 還能夠加速促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步 2 2 設(shè)計(jì)方法發(fā)展 設(shè)計(jì)發(fā)展進(jìn)程經(jīng)歷了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)兩個(gè)階段 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是一種以靜態(tài)分析 近似計(jì)算 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì) 手工勞動(dòng)為特征的 設(shè)計(jì)方法 顯然隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展 生產(chǎn)技術(shù)的需要和市場(chǎng)的激烈競(jìng) 爭(zhēng)以及先進(jìn)設(shè)計(jì)手段的出現(xiàn) 這種傳統(tǒng)設(shè)汁方法已難以滿(mǎn)足當(dāng)今時(shí)代的要求 從 而迫使設(shè)計(jì)領(lǐng)域不斷研究和發(fā)展新的設(shè)計(jì)入法和技術(shù) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是過(guò)去長(zhǎng)期的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)活動(dòng)的延伸利發(fā)展 是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的深入 豐富和完善 隨著設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累 設(shè)計(jì)理論的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展 設(shè)計(jì)工作包括機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)汁過(guò)程產(chǎn)生了質(zhì)的飛 躍 為區(qū)別過(guò)去常用的傳統(tǒng)設(shè)汁理論與方法 人們把這些新興現(xiàn)論與方法稱(chēng)為現(xiàn) 代設(shè)計(jì) 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是以滿(mǎn)足市場(chǎng)產(chǎn)品的質(zhì)量 性能 時(shí)間 成本 價(jià)格綜合效益 最優(yōu)為目的 以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為主體 以知識(shí)為依托 以多種科學(xué)方法及 技術(shù)為手段 研究 改進(jìn) 創(chuàng)造產(chǎn)品活動(dòng)過(guò)程所用到的技水群體的總稱(chēng) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法包括機(jī)械可靠性設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 有限元法 有限體積法 等 1 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì) 所謂可靠性 則是指產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和給定的條件下 完成規(guī)定功能的 能力 可靠性設(shè)計(jì)即指保證機(jī)械及其零部件滿(mǎn)足給定的可靠性指標(biāo)的一種機(jī)械設(shè) 計(jì)方法 包括對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì) 分配 技術(shù)設(shè)計(jì) 評(píng)定等工作 它不但 直接反映產(chǎn)品各組成部件的質(zhì)量 而且還影響到整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量性能的優(yōu)劣 2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作 簡(jiǎn)稱(chēng)c a d 在工程 和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中 計(jì)算機(jī)可以幫助設(shè)計(jì)人員擔(dān)負(fù)計(jì)算 信息存儲(chǔ)和制圖等工作 在 設(shè)計(jì)中通常要用計(jì)算機(jī)對(duì)不同方案進(jìn)行大量的計(jì)算 分析和比較 以決定最優(yōu)方 案 各種設(shè)計(jì)信息 不論是數(shù)字的 文字的或圖形的 都能存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存 或外存里j 并能快速地檢索 3 優(yōu)化設(shè)計(jì) o p t i m i z a t i o nd e s i g n 優(yōu)化設(shè)計(jì)指從多種方案中選擇最佳方案的設(shè)計(jì)方法 它以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理 論為基礎(chǔ) 以計(jì)算機(jī)為手段 根據(jù)設(shè)計(jì)所追求的性能目標(biāo) 建立目標(biāo)函數(shù) 在滿(mǎn) 足給定的各種約束條件下 尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案 4 有限元法 f e m 及有限體積法 f v m 有限元法 f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 是一種高效能 常用的計(jì)算方法 其 基本思想是由解給定的泊松方程化為求解泛函的極值問(wèn)題 有限元法在早期是以 變分原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的 所以它廣泛地應(yīng)用于以拉普拉斯方程和泊松方程所 描述的各類(lèi)物理場(chǎng)中 這類(lèi)場(chǎng)與泛函的極值問(wèn)題有著緊密的聯(lián)系 有限體積法 f i n i t ev o l u m em e t h o d 又稱(chēng)為控制體積法 基本思路是 將 計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積 并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周?chē)幸粋€(gè)控制體 積 將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分 便得出一組離散方程 第2 章有限單元法及有限體積法理論 2 4 有限單元法 f e m 有限元法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)兩次近似將具有無(wú)限多個(gè)自由度的連續(xù)體轉(zhuǎn)化為只有 有限個(gè)自由度的單元集合體 使問(wèn)題簡(jiǎn)化為數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)問(wèn)題 第一次近似為 單元?jiǎng)澐?精確的邊界被離散為簡(jiǎn)單的邊界 連續(xù)的物體被離散為一系列只有節(jié) 點(diǎn)相連的單元 第二次近似為真實(shí)復(fù)雜的位移分布被近似地表不為簡(jiǎn)單函數(shù)描述 的位移分布 這兩次近似降低丁求解難度 增大了有限元法解決問(wèn)題的應(yīng)用范圍 自從2 0 世紀(jì)6 0 年代c l o u g h 第一次提出 有限單元法 這個(gè)概念以來(lái) 經(jīng)過(guò)4 0 多年的發(fā)展 如今已經(jīng)成為工程分析中應(yīng)用最廣發(fā)的數(shù)值計(jì)算方法 因其出色的 通用性和有效性而受到工程技術(shù)界的高度重視 伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的飛速 發(fā)展 有限單元法 或稱(chēng)有限元法 線已成為c a d c a m 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造 技術(shù)的重要組成部分 2 4 1 有限單元法的基本思想 在工程或物理問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型 基本變量 基本方程 求解域和邊界條件等 確定以后 有限元法作為對(duì)其進(jìn)行分析的數(shù)值計(jì) 算方法的基本思想可簡(jiǎn)單概括為如下三點(diǎn) 1 將一個(gè)表示結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散 為若干個(gè)子域 單元 并通過(guò)它們邊界上的節(jié)點(diǎn) 相互聯(lián)絡(luò)為一個(gè)組合體 如圖2 1 所示 2 用每個(gè)單元內(nèi)所假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片 表示全求解域內(nèi)待求解的未知場(chǎng)變量 而每個(gè)單 元內(nèi)的近似函數(shù)由未知場(chǎng)函數(shù) 或其導(dǎo)數(shù) 在單 圖2 1 有限單元法劃分示意圖 元各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值和與其對(duì)應(yīng)的插值函數(shù)來(lái)表 達(dá) 由于在聯(lián)接相鄰單元的節(jié)點(diǎn)上 場(chǎng)函數(shù)具有相同的數(shù)值 因而將它們作為數(shù) 值求解的基本未知量 3 通過(guò)和原問(wèn)題數(shù)學(xué)模型 例如基本方程 邊界條件等 等效的變分原理 或加權(quán)余量法 建立求解基本未知量 常函數(shù)節(jié)點(diǎn)值 的代數(shù)方程組或常微分方 程組 此方程組成為有限元求解方程組 接著用相應(yīng)的數(shù)值方法求解該方程組 從而得到原問(wèn)題的解答 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 4 3 有限單元法的計(jì)算步驟 有限元法的計(jì)算步驟歸納為以下3 個(gè)基本步驟 網(wǎng)格劃分 單元分析 整體 分析 1 網(wǎng)格劃分 有限元法的基本做法是用有限個(gè)單元體的集合來(lái)代替原有的連續(xù)體 因此首 先要對(duì)彈性體進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化 再將彈性體劃分為有限個(gè)單元組成的離散體 單 元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連接 由單元 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)連線構(gòu)成的集合稱(chēng)為網(wǎng)格 通常把三維實(shí)體劃分成四面體或六面體單元的實(shí)體網(wǎng)格 平面問(wèn)題劃分成三 角形或四邊形單元的面網(wǎng)格 如圖2 2 圖2 9 所示 圖2 2 四面體四節(jié)點(diǎn)單元圖2 3 六面體八節(jié)點(diǎn)單元 圖2 4 三維實(shí)體的四面體單元?jiǎng)澐謭D2 5 三維實(shí)體的六面體單元?jiǎng)澐?圖2 6 三角形三節(jié)點(diǎn)單元 圖2 7 四邊形四節(jié)點(diǎn)單元 第2 章有限單元法及有限體積法理論 圖2 8 平面問(wèn)題的三角形單元?jiǎng)澐謭D2 9 平面問(wèn)題的四邊形單元?jiǎng)澐?2 單元分析 對(duì)于彈性力學(xué)問(wèn)題 單元分析就是建立各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力之間的 關(guān)系式 由于將單元的節(jié)點(diǎn)位移作為基本變量 進(jìn)行單元分析首先要為單元內(nèi)部 的位移確定一個(gè)近似表達(dá)式 然后計(jì)算單元的應(yīng)變 應(yīng)力 再建立單元中節(jié)點(diǎn)力 與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式 以平面問(wèn)題的三角形三節(jié)點(diǎn)單元為例 如圖2 1 0 所示 單元有三個(gè)節(jié)點(diǎn)厶 厶磁每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)位移扒礦和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)力玖圪 單元的所有節(jié)點(diǎn)位移 節(jié)點(diǎn)力 可以表示為節(jié)點(diǎn)位移向量 v e c t o r 節(jié)點(diǎn)位移 p 節(jié)點(diǎn)力 擴(kuò) 2 k u j 巧 圪 圖2 1 0 三角形三節(jié)點(diǎn)單元 縱 晰町如 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 單元的節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系用張量 t e n s o r 來(lái)表示 f k 科 2 1 3 整體分析 對(duì)由各個(gè)單元組成的整體進(jìn)行分析 建立節(jié)點(diǎn)外載荷與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系 以 解出節(jié)點(diǎn)位移 這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為整體分析 同樣以彈性力學(xué)的平面問(wèn)題為例 如圖 2 1 1 所示 在邊界節(jié)點(diǎn)j 上受到集中力爿 z 作用 節(jié)點(diǎn)j 是三個(gè)單元的結(jié)合點(diǎn) 因此要把這三個(gè)單元在同一節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)力匯集在一起建立平衡方程 j 節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力 j 節(jié)點(diǎn)的平衡方程 圖2 1 1 整體分析 以 研2 u 3 研力 f k 1 k 2 形 3 形 e 2 5 有限體積法 f v m 2 2 2 5 1 有限體積法的基本思想 將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積 并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周?chē)幸?個(gè)控制體積 將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分 便得出一組離散方 乓彤 u 杉 第2 章有限單元法及有限體積法理論 程 其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值 為了求出控制體積的積分 必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律 即假設(shè)值的分段分布剖面 2 5 2 有限體積法的計(jì)算步驟 有限體積法是一種分塊近似的計(jì)算方法 其中比較重要步驟是計(jì)算區(qū)域的離 散和控制方程的離散 1 計(jì)算區(qū)域的離散化 所謂區(qū)域的離散化 d o m a i nd i s c r e t i z a t i o n 實(shí)質(zhì)上就是用一組有限個(gè)離散 的點(diǎn)來(lái)代替原來(lái)的連續(xù)空間 一般的實(shí)施過(guò)程是 把所計(jì)算的區(qū)域劃分成許多個(gè) 互不重疊的子區(qū)域 s u b d o m a i n 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 的控制體積 區(qū)域離散后 得到以下四種幾何要素 節(jié)點(diǎn) n o d e 需要求解的未知物理量的幾何位置 控制體積 c o n t r o lv o l u m e 應(yīng)用控制方程或守恒定律的最小幾何單位 界面 f a c e 它定義了與各節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的控制體積的界面位置 網(wǎng)格線 g r i dl i n e 連接相鄰兩節(jié)點(diǎn)面形成的曲線簇 控制體積邊界 一鞏1 l l j 昔 e 控制體積 圖2 1 2 一維的有限體積法網(wǎng)格 控制體積邊界節(jié)點(diǎn) r 噦 n7 i 二 行 i l y k 一 象藶 e 羔緩 脊 q 一上 j少k l 一 l j 粥 s 1 l 一 l i l i i 控制體積 圖2 1 3 二維的有限體積法網(wǎng)格 一般把節(jié)點(diǎn)看成是控制體積的代表 在離散過(guò)程中 將一個(gè)控制體積上的物 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 理量定義并存儲(chǔ)在該節(jié)點(diǎn)處 圖2 1 2 給出了一維問(wèn)題的有限體積法計(jì)算網(wǎng)格 圖 2 1 3 給出了二維問(wèn)題的有限體積法計(jì)算網(wǎng)格 計(jì)算區(qū)域離散的網(wǎng)格有兩類(lèi) 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 節(jié)點(diǎn)排列有序 即當(dāng)給出了一個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)后 立即可以得出其相鄰節(jié)點(diǎn)的編號(hào) 所有內(nèi)部節(jié)點(diǎn) 周?chē)木W(wǎng)格數(shù)目相同 這種網(wǎng)格稱(chēng)為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 s t r u c t u r e dg r i d 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 具有實(shí)現(xiàn)容易 生成速度快 網(wǎng)格質(zhì)量好 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn) 但不能實(shí)現(xiàn)復(fù) 雜邊界區(qū)域的離散 而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)以一種不規(guī)則的方式布置在流場(chǎng)中 各節(jié)點(diǎn)周?chē)?的網(wǎng)格數(shù)目不盡相同 這種網(wǎng)格雖然生成過(guò)程比較復(fù)雜 但卻有極大的適應(yīng)性 對(duì)復(fù)雜邊界的流場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題特別有效 2 控制方程的離散化 控制方程的離散就是將主控的偏微分方程組在計(jì)算網(wǎng)格上按照特定的方法離 散成代數(shù)方程組 用以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算 其基本思路是 將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格 并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周?chē)幸粋€(gè)互不重復(fù)的控制體積 將待解的微分方程 控制方程 對(duì)每一個(gè)控制體積分 從而得到一組離散方程 其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變 量 為了求出控制體的積分 必須假定因變量值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律 從積 分區(qū)域的選取方法看來(lái) 有限體積法屬于加權(quán)余量法中的子域法 從未知解的近 似方法看來(lái) 有限體積法屬于采用局部近似的離散方法 1 作用于氣動(dòng)翼型上的升力和阻力 2 超聲速?lài)姽苤械牧鲌?chǎng) 3 彎管中流體的復(fù)雜三維流動(dòng) 同時(shí) f l o t r a n 還具有如下功能 1 計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中氣體的壓力及溫度分布 2 研究管路系統(tǒng)中熱的層化及分離 3 使用混合流研究來(lái)估計(jì)熱沖擊的可能性 4 用自然對(duì)流分析來(lái)估計(jì)電子封裝芯片的熱性能 5 對(duì)含有多種流體的熱交換器進(jìn)行研究 f l o t r a n 可執(zhí)行如下類(lèi)型的分析 和 層流分析 層流分析就是流體層與層之間相互沒(méi)有干擾 層與層之間既沒(méi) 有質(zhì)量的傳遞也沒(méi)有動(dòng)量的傳遞 判斷流動(dòng)是否是層流 是看其雷諾數(shù)是否超過(guò) 臨界雷諾數(shù) 雷諾數(shù)的定義如下 r e 墮 3 1 式中y 截面的平均速度 三 一特征長(zhǎng)度 薩 流體的運(yùn)動(dòng)粘度 對(duì)于圓形管內(nèi)流動(dòng) 特征長(zhǎng)度 取圓管的直徑d 一般認(rèn)為臨界雷諾數(shù) 為2 3 2 0 即當(dāng)r e 2 3 2 0 時(shí) 管中是湍流 湍流分析用于處理那些由于流速足夠高和粘性足夠低從而引起湍流波動(dòng)的流 體流動(dòng)情況 a n s y s 中的二方程湍流模型考慮了平均流動(dòng)下的湍流速度波動(dòng)的影 響 如果流體的密度在流動(dòng)過(guò)程中保持不變或者當(dāng)流體壓縮時(shí)只消耗很少的能量 則該流體就可以認(rèn)為是不可壓縮的 不可壓縮流的溫度方程將忽略流體動(dòng)能的變 化和粘性耗散 熱分析 流體分析中通常還會(huì)求解劉長(zhǎng)忠的溫度分布情況 如果流體性質(zhì) 不隨溫度變化 就可以不解溫度方程 在共軛傳熱問(wèn)題中 要在同時(shí)包含流體區(qū) 域和非流體區(qū)域的整個(gè)區(qū)域上求解溫度方程 在自然對(duì)流傳熱問(wèn)題中 流體由于 溫度分布的不均勻性而導(dǎo)師流體密度分布的不均勻性 從而引起流體的流動(dòng) 與 強(qiáng)迫對(duì)流問(wèn)題不同的是 自然對(duì)流通常都是沒(méi)有外部的流動(dòng)源 可壓縮流動(dòng)分析 對(duì)于高速氣流 由很強(qiáng)的壓力梯度引起的流體密度變化 將顯著地影響流場(chǎng)的性質(zhì) a n s y s 對(duì)于這種流動(dòng)情況會(huì)使用不同的解算方法 非牛頓流動(dòng)分析 應(yīng)力與應(yīng)變率之間成線性關(guān)系的這種理論并不能足以結(jié) 識(shí)很多流體的流動(dòng) 對(duì)于非牛頓流體 a n s y s 程序提供了三種粘性模式和一個(gè)用 戶(hù)自定義子程序 多組分傳輸分析 這種分析通常是用于研究有毒流體物質(zhì)的稀釋或大氣中 污染氣體的傳播情況 同時(shí) 它也可用于研究有多種流體同時(shí)存在的熱交換分析 自由表面分析 自由表面分析可以求解無(wú)約束氣液表面問(wèn)題 可以解決二 維平面和軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題 3 2f l o t r a n 模塊的的基本屬性 流體的基本屬性有 比熱容 密度 導(dǎo)熱系數(shù) 粘度 表面張力系數(shù)以及壁 面靜態(tài)接觸角 1 比熱容 比熱容 s p e c i f i ch e a tc a p a c i t y 又稱(chēng)比熱容量 s p e c i f i c h e a t 簡(jiǎn)稱(chēng)比熱容 是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量 即是單位質(zhì)量物體改變單位溫度 時(shí)的吸收或釋放的內(nèi)能 通常用符號(hào)c 表示 2 密度和導(dǎo)熱系數(shù) 對(duì)于密度和導(dǎo)熱系數(shù) 可以選擇的性質(zhì)類(lèi)型有 c o n d u c t i v i t y r k f l 式中 定義的組分?jǐn)?shù) c m i x 那么 3 2 3 3 3 4 鬈 i t h 組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) k i t h 組分的導(dǎo)熱系數(shù) 3 粘度 對(duì)于粘度 可以選擇的行之類(lèi)型為 c m i x t a b l e c o n s t a n t l i q u i d g a s p o w e r l a w b i n g h a m c a r r e a u 4 表面張力系數(shù) 對(duì)于表面張力系數(shù) 可以在一下行之類(lèi)型中選擇 c o n s t a n t l i q u i d 自編程子程序 u s e r 5 壁面靜態(tài)接觸角 對(duì)于壁面靜態(tài)接觸角 只有c o n s t a n t 是有效的行之類(lèi) 型 為了設(shè)置常數(shù)值 利用f l d a t a 8 n o m i 命令或等效菜單路徑 例如 可通過(guò) 命令 f l d a t a 8 n o m i w s c a 1 2 0 將避免靜態(tài)接觸角設(shè)置為1 2 0 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 3f l o t r a n 分析的基本原理及步驟 a n s y s 中的f l o t r a n 單元 即f l u i d l 4 1 和f l u i d l 4 2 用于解算單相粘性流 體的二維和三維流動(dòng) 壓力和溫度分布 對(duì)于這些單元 a n s y s 通過(guò)質(zhì)量 動(dòng)量 和能量3 個(gè)守恒定律來(lái)求解流體的速度分量 壓力及溫度 下面介紹f l u i d l 4 1 和f l u i d l 4 2 單元 1 f l u i d l 4 1 單元具有下列特征 維數(shù) 二維 形狀 四節(jié)點(diǎn)四邊形或三節(jié)點(diǎn)三角形 如圖3 i 所示 a 四邊形四節(jié)點(diǎn)單b 三邊形三節(jié)點(diǎn)單 圖3 1f l u i d l 4 1 的幾何形狀 自由度 速度 壓力 溫度 紊流動(dòng)能 紊流能量耗散 多達(dá)六種流體的各 自質(zhì)量所占的份額 2 f l u i d 4 2 單元具有下列特征 維數(shù) 三維 形狀 四節(jié)點(diǎn)四面體或八節(jié)點(diǎn)六面體 如圖3 2 所示 自由度 速度 壓力 溫度 紊流動(dòng)能 紊流能量耗散 多達(dá)六種流體的各 自質(zhì)量所占的份額 睡 a 立方體b 五面體c 棱柱d 四面體 圖3 2f l u i d l 4 2 的幾何形狀 3 f l c r r r a n 分析步驟 一個(gè)典型的f l o t r a n 分析有如下7 個(gè)步驟 誓0 o y 囊 第3 章a n s y s 的f l o t r a n 模塊介紹 第一步 確定問(wèn)題的區(qū)域 首先必須確定所分析問(wèn)題的明確的范圍 將問(wèn)題的邊界設(shè)置在條件已知的地 方 如果并不知道精確的邊界條件而必須作假定時(shí) 就不要將分析的邊界設(shè)在靠 近感興趣區(qū)域的地方 也不要將邊界設(shè)在求解變量變化梯度大的地方 有時(shí) 也 許用戶(hù)并不知道自己的問(wèn)題中哪個(gè)地方梯度變化最大 這就要先作一個(gè)試探性的 分析 然后再根據(jù)結(jié)果來(lái)修改分析區(qū)域 第二步 確定流體的狀態(tài) 在此需要估計(jì)流體的特征 流體的特征是流體性質(zhì) 幾何邊界以及流場(chǎng)的速 度幅值的函數(shù) f l o t r a n 能求解的流體包括氣流和液流 其性質(zhì)可隨溫度而發(fā)生顯 著變化 f l o t r a n 中的氣流只能是理想氣體 用戶(hù)須自己確定溫度對(duì)流體的密度 粘性 和熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響是否是很重要 在大多數(shù)情況下 近似認(rèn)為流體性質(zhì) 是常數(shù) 即不隨溫