耙头二维的流场的模拟与分析毕业论文.doc

河海大学本科毕业设计（学士论文）摘 要随着疏浚船舶向现代化、大型化发展，疏浚领域对高性能的流体机械需求越来越迫切，但传统的理论分析和纯实验测量对研究机械流体问题都具有很大的局限性。此时，随着高速、大容量、低价格计算机的出现，计算流体力学方法出现并得到深入研究，其可靠性、准确性、计算效率也得到很大提高。cfd方法具有初步性能预测、内部流动预测、数值试验、流动诊断、外型设计等作用。现在cfd软件已经成为计算研究实际流体问题的一种重要手段。本论文所涉及到的是运用cfd软件对耙头二维流场进行数值计算，主要内容是：熟悉疏浚技术、疏浚设备基本知识，学习一种计算流体力学软件fluent，掌握网格划分与边界条件的施加方法，在给定耙头的几何尺寸和边界条件，利用cfd软件计算耙头的二维压力与速度流场。研究的方法是运用cad与gambit软件划分网格，用fluent计算流体力学软件计算。最后，本论文对几种流速下的耙头二维流场进行了比较与分析，对流场速度的大小对流场的影响提出了自己的看法，并对流场进行分析，对耙头外型设计提出了改善的建议。此次通过对耙头二维的流场的模拟与分析，了解了耙头内部的压力与速度流场的分布，加深了对流体力学基础知识的理解，并培养了自己分析问题与解决问题的能力。关键词：关键词： 疏浚 耙头 fluent 流场分析 河海大学本科毕业设计（学士论文）abstractwith the development of the modern, large-scale dredging ship, the demands for high-performance liquid pressing machine are becoming bigger and bigger in the dredging area, but the traditional theoretical analysis and pure experimental study of fluid mechanical problems have great limitations. at this point, with the emergence of the high-speed, large capacity and low-cost computers, computational fluid dynamics appeared and got a deep study, the reliability, accuracy and computational efficiency of the theory had also been greatly improved. cfd method has several features. these features are the initial performance prediction, the internal flow prediction, numerical experiments, flow diagnostics and the role of exterior design. cfd software has become an important means to compute and study practical fluids problems now.this paper involved numerical calculation of rakes in the two-dimensional flow field with the cfd software. the main contents involves knowing the dredging technology、dredging equipment and basic knowledge well, learning a kind of computational fluid dynamics software, which is called fluent, understanding the method to divide the mesh and method to set up the boundary condition and using cfd software to calculate the flow field of the pressure and velocity in the two-dimensional flow field under the condition of the known geometry and boundary conditions of the rake head. the method of study is to use cad and software gambit to divide the mesh and use computational fluid dynamics software fluent to finish the calculations. finally, the paper finishes the comparison among different two-dimensional flow fields of rake head under several kinds of velocity, proposes own views about the relations between flow field and velocity and gives some suggestions about improvement of the rake head shape with analysis of flow field.by the two-dimensional flow simulation and analysis of the rake head, we understand the distribution of pressure and velocity in the rake head, enhance the understanding of basic knowledge on fluid mechanics and train own capacity to analyze problems and solve problems.key words: dredge rake head fluent flow analysis毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评阅书指导教师评价：指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章）年年 月月 日日评阅教师评阅书评阅教师评阅书评阅教师评价：评阅教师评价：一、论文（设计）质量一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师：评阅教师： （签名） 单位：单位： （盖章）年年 月月 日日0教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年年 月月 日日1教学系意见：教学系意见：系主任：系主任： （签名）年年 月月 日日2目 录目目 录录.0第一章第一章 引引 言言.1第二章第二章 耙吸式挖泥船耙吸式挖泥船.2第一节 挖泥船的分类.2第二节 耙吸式挖泥船的历史与发展.2第三节 现代化的耙吸式挖泥船.4第三章第三章 耙头的工作原理与改进耙头的工作原理与改进.6第一节 耙头的工作原理.6第二节 耙头的改进.7第四章第四章 计算流体体力学（计算流体体力学（cfd）的原理与应用）的原理与应用 .9第一节 计算流体力学软件的理论知识.9第二节 fluent 简介 .12第五章第五章 gambit 中耙头二维流场的网格设计中耙头二维流场的网格设计.14第一节 autocad 与 gambit 的联合使用.14第二节 gambit的网格划分 .15第六章第六章 fluent 中的数值计算中的数值计算 .18第一节 在fluent中的具体操作.18第二节 耙头二维的流场显示.24第七章第七章 对模型的的修正与改善对模型的的修正与改善.26第一节 模拟流场的思考与改进.26第二节 耙头边界的y+自适应.31第八章第八章耙头二维流场的分析耙头二维流场的分析.38第一节 对流场的验证.38第二节 耙头外型的改善.41第三节 不同流速下的速度与压力流场分析.46论文总结论文总结.49参考文献参考文献.50致致 谢谢.521第一章 引 言20世纪80年代以来，随着港口吞吐量的迅猛增加，船舶吃水量的增大，我国的港口建设从原有的以港内扩建为主转变为在无掩护外海地区建设新港口、开辟新港区，相应的沿海港口工程疏浚技术和疏浚装备也取得了巨大的进步。疏浚船舶向现代化、大型化发展，以适应挖深大、处理区远离海岸的要求。疏浚船舶向结构坚固、抗风浪能力强、能开挖坚硬土质、装载量大、排距远、挖泥效能高的方向发展1。随着疏浚船舶向现代化、大型化发展，疏浚领域对高性能的流体机械需求越来越迫切。为了设计出高性能的流体机械，需要进行大量试验参数测量等工作，为此需要耗费大量的资金和时间。对某些内部流动实验测量时，要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，研制周期长，因而使实验研究受到了很大的限制，传统的设计方法已满足不了需要，必须采用现代设计理论和方法。而数值模拟以其自身的特点和独特的功能，与理论分析及实验研究一起，相辅相成，形成了新的学科计算流体动力学2。fluent软件就是一种计算流体动力学软件。本论文要做的就是通过 fluent 软件模拟与计算耙吸挖泥船的重要部件耙头的内部流场的分布，来为耙吸挖泥船的发展提出自己的思考。2第二章 耙吸式挖泥船第一节 挖泥船的分类本论文需要研究的是耙吸式挖泥船，因而在这简单介绍一下挖泥船的分类，以及耙吸式挖泥船的工作原理。目前国内外挖泥船主要有绞吸挖泥船(斗轮挖泥船)、耙吸式挖泥船、链斗挖泥船、抓斗挖泥船、铲扬式挖泥船等，下面简单介绍一下各种挖泥船的工作特点。一、绞吸式挖泥船绞吸式挖泥船装有泥泵和吸泥装置，挖泥时用绞刀绞松河底泥土，再用泥泵将泥浆从吸泥管吸人，经过排泥管送到岸上或排人泥驳运走。绞吸式挖泥船适宜于开挖沙质土、淤泥等土质较松的河底。二、链斗式挖泥船链斗式挖泥船是利用一连串带有挖斗的斗链。链斗式挖泥船对土质的适应能力较强，可挖除岩石以外的各种泥土，且挖掘能力强，挖槽截面规则，误差极小，最适用港口码头泊位。三、抓斗式挖泥船抓斗式挖泥船是利用旋转式挖泥机的吊杆及钢索来悬挂泥斗，在抓斗本身重量的作用下，放人海底抓取泥土。抓斗式挖泥船主要用于挖取粘土、淤泥、卵石，宜抓取细砂、粉砂。四、铲扬式挖泥船铲扬式挖泥船是一种单斗式挖泥船，它可以将大部分功率集中在一个铲斗上，进行切削挖掘。通常备有轻重不同类型的铲斗，以挖掘不同性质的土壤或石质，硬土、石质一般采用重型斗，软质采用轻型斗。五、耙吸式挖泥船耙吸式挖泥船是吸扬式中的一种。它通过置于船体两舷或尾部的耙头吸入泥浆，以边吸泥、边航行的方式工作。耙吸式挖泥船机动灵活，效率高，抗风浪力强，适宜在沿海港口、宽阔的江面湖面作业。由于耙吸式挖泥船船只大，抗风浪能力强；单船作业，辅助设备少，又是在行进中挖泥，对周围航行的船舶影响小；调动灵活，现代的耙吸式挖泥船在船艏水线下安装有横向推进器，掉头也方便，所以非常适合在狭长的航道和一定面积的港池中挖泥。另外泥耙的吊缆附设有波浪补偿装置，所以可在风浪大的外海施工。第二节 耙吸式挖泥船的历史与发展3一、国外耙吸挖泥船的历史1895 年法国为维护 st.nazaire 港而制造出耙吸式挖泥船，如图 2-1，这艘挖泥船装有两套耙吸管系统，由带孔的管状物与船体底部相连。挖掘的物料如淤泥可通过船体底部的洞被离心式蒸汽泵经管道吸入至船舱。而在这艘耙吸式挖泥船出现后，带有泥舱和耙吸管系统的挖泥船耙吸式挖泥船也随之出现了，它名字来源于 stab suction hopper dredger，是荷兰疏浚工业重要发明之一。其挖掘方法同静止的耙吸式挖泥船一样，并依靠锚及缆绳维持工作时的静止。最初，在挖掘 nieuwe waterweg 河时，利用泥舱里的管道输送，耙吸管放在船体一侧。实践证明此类挖泥船不适于在有波浪的施工环境下工作。之后，锚缆定位的挖泥船到自航式挖泥船又前进了很大的一步。起初，耙吸式挖泥船的耙吸管置于船体后部的泥舱内，但不久则被移至船体两侧。耙吸式挖泥船最早主要在美国使用，50 年代又重回荷兰，并得到更大发展。图 2-1 1859 年法国的耙吸式挖泥船二、国内耙吸挖泥船的历史解放初期国内仍是以古老的链斗式挖泥船为主, 在60 年代至70 年代, 仍是唱主角, 其次才是绳索抓斗挖泥船、铲斗式挖泥船, 随后相继发展绞吸式挖泥船, 而耙吸式挖泥船尚难见踪影。70 年代开始从荷兰进口了2 300 m3 耙吸式挖泥船。同期、中国船舶及海洋工程设计研究院与江南造船厂联合研制了4500 m3 耙吸式挖泥船“险峰”、“劲松”两艘姐妹船, 在黄浦江、长江发挥其作用, 实践证明了其优点。集挖泥、装泥和卸泥于一身, 是其他挖泥船所不能及。因而耙吸船近年来深受航道部门的青睐, 而且疏浚技术设备更臻完善, 并得到新的发展。三、国内外耙吸挖泥船的发展趋势 现在，国内外的耙吸挖泥船的发展很快，正朝着大型化、多功能化、高度智能化的方向发展。目前世界上一些主要疏浚公司把大中型耙吸挖泥船作为挖泥船队的主要组成部分，以追求最大利润4率。上世纪90年代以来，10000m3以上的巨型耙吸挖泥船已建成数十艘；杨德鲁公司的33000m3耙吸挖泥船，其挖掘深度可达130m；天津航道局投资建造的挖泥船“通旭”号已经投入使用，舱容为13000m3的自航耙吸挖泥船“通旭”号是目前国内北方最大的耙吸式挖泥船，挖深达到45m，吹岸距离可达4000m，具有无限航区，配备了当前国际最先进的智能挖泥系统，施工过程可通过驾驶室遥控实现。在大型化的基础上，逐渐出现多级泵。从而实现远距离输送泥浆。在大型化的发展基础上，耙吸挖泥船也正朝着多功能化的方向发展。经常会有一些挖泥船由于不能适应某些工程作业而被闲置，于是提高挖泥船的利用率就成了合理的追求，其中一个重要的途径就是通过较少的投资追加，使其具有一些附加功能，从而提高该船的利用率，增加额外利润。如：大型耙吸挖泥船加装自排吹岸系统；耙吸船同时兼顾污油回收；小型耙吸船上加装抓斗；小型抓斗挖泥船加长扒杆兼做起重等。大型化、多功能化的耙吸挖泥船需要更加人性化的设置，也就是智能化的设计。高度智能化主要是指挖泥船作业的仪表化和自动化。由于疏浚作业时取土过程在水下，所以其操作过程不可见。随着高科技的推广应用，通过计算机技术和仅表将这个不可见的过程及时、准确示在操作人员面前，大大简化了操作程序，提高了效率，进而提高了经济性。因此，装舱监视仪、耙管位置显示仪、产量计、挖泥断面显示仪的设置是必不可少的，这些设备的使用保证了挖泥船工作时的挖掘精度。第三节 现代化的耙吸式挖泥船一、耙吸式挖泥船的结构耙吸式挖泥船是一种从海底挖泥的 ，自航式的深海或内陆船。按照设计标准，耙吸式挖泥船具体装备有下面几部分，如图 2-2：（一）带有吸嘴的耙吸管，即耙头，挖泥时用于耙吸海床； （二）泥泵，用于耙吸被耙头耙松了的土壤； （三）泥舱，可堆存耙吸的泥水混合物； （四）溢流系统，用于排出泥舱装舱过程中多余积水； （五）位于泥舱内的底门，用于卸载泥水混合物； （六）位于甲板上的支架，用于起吊耙吸管； （七）波浪补偿器，用来补偿耙头与海床接触时耙头与船体垂直方向的相对运动。5图 2-2 耙吸式挖泥船示意图二、耙吸式挖泥船的特色耙吸式挖泥船同时也具有自己的特色，不同于链斗、抓斗、正(反) 铲、绞吸挖泥船的长方型的船型, 它具有自航船的线型与总体外形, 具有自载与自卸的能力, 适合于海况较为复杂的海域疏浚, 无需锚泊定位挖掘, 适宜迁航, 其疏浚效率高, 是近来航道疏浚发展的方向。同时耙吸式挖泥船也具有如下两个优点：（一）船体不在固定位置上工作，故没有抛锚用绳缆，而可以自由移动，这对于海港区域的疏浚是非常重要的； （二）耙吸式挖泥船非常适合远海疏浚作业。三、耙吸式挖泥船的应用领域耙吸式挖泥船的应用广泛，在疏浚业被美名为“孺子牛”。耙吸式挖泥船工作过程中不需要抛锚定位，因而不会给其它船舶的航行造成障碍。早期耙吸式挖泥船主要用于加深和维护航道。如今的耙吸式挖泥船还可用于围海造田。 可被耙吸的物质主要是淤泥和沙子，黏土有时也可被耙吸上来，但易造成耙头和栅栏（置于耙头内后部）的堵塞。用耙吸式挖泥船来挖掘岩石在大部分情况下是不经济的，耙头要求非常沉重，而且产量一般很低。6第三章 耙头的工作原理与改进第一节 耙头的工作原理一、 耙头的结构与工作原理耙头种类繁多，加利福尼亚耙头现是我国疏浚领域用的较为广泛的耙头，本论文就以加利福尼亚耙头作为例子来加以说明，如图3-1和3-2。它主要由一个固定部分的罩壳作引流导管连同两个并列可独立活动，并能自行调整角度的头盔形罩壳组成。活动罩壳分别与固定罩壳用销轴连接，活动罩壳可在固定罩内自由转动45度角活动罩与固定罩接合面外用橡胶密封，形成密闭通道。在固定罩的下部设有耐磨块与高压冲水喷嘴，盖形活动罩的下边缘镶有易于更换的耐磨块。同时在盖形罩的上部分别装有导向杆和压紧弹簧，与固定罩连接起限位和缓冲作用。在固定罩壳的中间上部设有一高压冲水管，固定罩为方形喇叭口管，也作为耙头的连接管。它与高压冲水管一起分别与耙吸管和冲水管连接。耙头侧还装有橡胶靠旁，以免碰坏船侧板。图 3-1 1.磨板 2.活动罩 3.导杆 4.弹簧 5.固定罩 6.冲水管 7.齿板 8.喷嘴 9.转轴 10.橡胶密封 11.橡胶靠旁图 3-2 加利福尼亚耙头它的工作原理是：挖泥时，一方面耙头随耙管在船体前进时其底边与泥底的间隙里流过高速水流，将砂土冲刷下来进入耙头；另一方面高压水由耙头上的喷嘴喷射出，冲散板结砂土，再加刀刃的切泥，形成冲切互相作用，使泥砂悬浮，然后由泥泵产生的真空压力差，将悬浮的泥浆,砂砾吸入耙管输送到泥舱。所以耙头的工作原理归结为冲刷，高压冲水，机械切削，要提高耙头性能就必须从这三个词入手加7于解决。二、耙头的选用选择和设计耙头，知道将要挖掘的土壤类型是非常重要的。土壤的类型决定了挖掘过程是水力式还是机械式的。水力式耙头尺寸通常与耙吸管直径成线性关系。对于黏性土壤（黏土，软礁石），要求用机械式挖掘，可由装有齿或刀片的耙头完成,如图 3-3。耙头宽度取决于与挖掘土壤有关的有效切割力。以考虑挖掘土壤的流动因素选择耙头长度。图 3-3 带有耙齿的耙头第二节 耙头的改进一、耙头的发展耙头的发展大致可以归纳为这么四个阶段：第一阶段为初始阶段，耙吸船的耙头是吸头，吸管以吸为主，没有耙切泥的功能，般为挖掘软泥和细沙。第二阶段为改进更新阶段，研究了耙头.为单活动罩盖耙头并有耙齿真正实现了耙吸功能，可挖密实细沙及砂砾土。第三阶段是更新发展提高阶段，高压冲水的应用，研究出了耙头带高压冲水喷嘴，提高破土能力，可挖粘性土，同时变单活动罩为双活动罩并轨，以加利福尼亚耙头为代表。第四阶段为继续提高阶段，大约是70年代ihc推出了主动耙头,可挖硬质风化岩石及板结砂土。这一发展过程是随疏浚土质类别的提高，推动着耙头技术的改进，以适应工程施工的需要3。当然，在耙头的发展过程中，各个发展的国家都有自己研究的耙头，且相互借鉴，互为推动，促进发展着。美国、荷兰、德国、日本研究较早，而我们中国以较为成熟的仿造设计为主，然而最具代表性的应是加利福尼亚耙头以及ihc的主动耙头。但是如何更有效地改进和选型，必须对耙头的性能、疏浚机理较透彻地了解，否则将事倍功半。二、耙头的改进8第一节已经介绍了现今普遍使用的耙头的工作原理，不过耙头的发展仍在继续，接下来介绍的是国内外耙头第四阶段的发展现状。国内外对耙头所做出的改进有这三方面：（一）带有调节推杆或液压油缸的主动耙头 随着人们对耙头挖泥机理的深入研究以及世界先进新技术的发展对疏浚技术发展强有力的推动。上世纪末荷兰ihc、德国lmg、比利时jdl等著名 国际疏浚船制造商、工程承包商相继推出了新型高效的主动耙头。它是由调节推杆或液压油缸主动调节活动罩，确保在不同深度下耙吸管角度变化时耙头始终紧贴泥面，耙齿深入泥中，克服了常规耙头依靠自重调节活动罩而对硬土质不起作用的缺点，在工程实践中取得明显效果。 （二）高压冲水的合理应用 上世纪8o年代，世界疏浚行业推出了高压冲水破土技术，利用耙头底部喷嘴射出的高速水流冲刷切割水底泥砂，大大提高了挖泥效率。但是小排量的高压冲水因其水力动能太小，无法将被切割下的泥砂与水充分搅混形成悬浮状态，达不到提高耙头吸泥效率的目的，反而消耗了冲水泵功率。为此许多厂商在产品中增大高压冲水泵的排量使其达到泥泵排量的14；耙头的喷嘴也从常规的数只增加到几十只。有些疏浚公司还采用20 mpa以上的超高压冲水泵，专门用于珊瑚礁石的开挖。 （三）可方便更换的插装式耙齿 耙头挖泥时，耙齿深入土中与砂土直接摩擦造成齿尖快速磨损，采用高耐磨材料延长耙齿寿命是一个方面，另一方面就是采用可方便更换的插装式耙齿。这种耙齿由齿座、齿尖和插销组成，齿座焊在耙头活动罩底部的横档上，当发现齿尖严重磨损影响挖泥效率时，拉出插锁，齿尖可从齿座上拆下，换上新的齿尖，确保疏浚性能。9第四章 计算流体体力学（cfd）的原理与应用第一节 计算流体力学软件的理论知识一、计算流体力学的产生背景在计算机硬件技术有了突飞猛进的发展情况下，同时随着数值分析理论的发展，高精度模拟得到实现，计算流体力学出现了。在实际生产中，计算流体力学也是很有用的。对某些内部流动实验测量时，要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，研制周期长，因而使实验研究受到了很大的限制，传统的设计方法已满足不了需要，必须采用现代设计理论和方法。二、计算流体力学的基本思想计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称 cfd)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。cfd 的基本思想是把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。cfd 可以看做是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。三、计算流体力学的特点 正如上面计算流体力学的背景和基本思想的介绍，计算流体力学是建立在理论分析和实验测试的基础上，计算流体力学具有本身的以下的特点：1、流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，理论分析很难求得解析解，而用 cfd 方法则有可能找出满足工程需要的数值解。2、cfd 可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。3、cfd 不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。4、cfd 法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差。5、cfd 不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证。106、程序的编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。7、因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。8、cfd 因涉及大量数值计算，因此，常需要较高的计算机软硬件配置。四、计算流体力学的求解步骤步骤求解如图 4-1图 4-1 五、计算流体力学的结果显示通过上面的步骤，cfd 显示和输出计算结果有如下几种：1、线值图：在二维或三维空间上，将横坐标取为空间长度或时间历程，将纵坐标取为某一物理量，然后用光滑曲线或曲面在坐标系内绘制出某一物理量沿空间或时间的变化情况，如图 4-2。2、矢量图：直接给出二维或三维空间里矢量（如速度）的方向及大小，用不同颜色和长度的箭头表示速度矢量。矢量图可以比较容易地让用户发现其中存在的旋涡区，如图 4-3。3、等值线图：用不同颜色的线条表示相等物理量(如温度)的一条线，如图 4-4。4、流线图：用不同颜色线条表示质点运动轨迹，如图 4-5。115、云图：使用渲染的方式，将流场某个截面上的物理量用连续变化的颜色块表示其分布，如图 4-6。图 4-2 图 4-3图 4-4 图 4-5图 4-6六、计算流体力学的应用领域计算流体力学的应用领域有以下 11 个方面:1、水轮机、风机和泵4等流体机械内部的流体流动 2、飞机和航天飞机等飞行器的设计123、汽车流线外型对性能的影响4、洪水波及河口潮流计算5、风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响 6、温室及室内的空气流动及环境分析7、电子元器件的冷却 8、换热器性能分析及换热器片形状的选取9、河流中污染物的扩散10、汽车尾气对街道环境的污染11、食品中细菌的运移第二节 fluent 简介一、fluent 的开发fluent 是由美国 fluent 公司于 1983 推出的 cfd 软件。它是继 phoenics 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。fluent 是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的 cfd 软件之一。用户可以使用非结构网格，包括三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混合型非结构网格。它允许用户根据解的具体情况对网格进行修改(细化租化)。fluent 使用 gambit 作为前处型软件，它可读入多种 cad 软件的三维儿何模型和多种 cae 软件的网格模型。二、fluent 的适用范围fluent 可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系下流场模拟、定常与非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、多孔介质分析等。它的湍流模型包括 ke 模型、reynolds应力模型、les 模型、标准壁面函数、双层近壁模型等5。fluent 可让用户定义多种边界条件，如流动入口及出口边界条件、壁面边界条件等，可采用多种局部的笛卡儿和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件均可随空间和时间变化，包括轴对称和周期变化等。fluent 提供的用户自定义子程序功能，可让用户自行设定连续方程、动量方程、能量方程或组分输运方程中的体积源项，自定义边界条件、初始条件、流体的物性、添加新的标量方程和多孔介质模型等。三、fluent 的求解器和处理软件最新的 fluent 求解器的版本是 fluent6.3，其主要功能是导入前处理生成的网格模型、提供计算的物理模型、确定材料的特性、施加边界条件、完成计算和后处理。13fluent 公司除了 fluent 软件外，还有一些专用的软件包，除了基于有限元怯的 cfd 软件fidap 外，还有专门用于粘弹性和聚合物流动模拟的 polyflow，专门用于电子热分析的 icepak，专门用于分析搅拌混合的 mixsim，专门用于通风计算的 airpak 等，各软件包与求解器的关系如图 4-7。图 4-7 基本程序结构示意图14第五章 gambit 中耙头二维流场的网格设计第一节 autocad 与 gambit 的联合使用对于外型几何尺寸较为复杂的研究对象在 gambit 中画出其边界比较麻烦，更不用说还要对其划分网格了。所以我们一般把其外形轮廓先在二维 cad 或者三维 proe 中先画好，再导入 gambit 中。本次只需研究的是二维流场，所以只需把 autocad 与 gambit 的联合使用。一、在 autocad 中耙头二维模型以及周围水区域的设置通过查找相关疏浚领域的耙头尺寸6，对于耙头的吸泥管直径以及吸入泥沙的流量都能过查实，只是剖面的开口尺寸却难以查出，所以量取疏浚中心实验室中的耙头的几何尺寸，如下：剖面入口宽为250mm，吸泥管直径为 90mm，模拟流量为 100m3/h，即出口速度为 4.3686m/s。模拟的水域之前为模拟真实的情况定为长 100m，深 50m，后发现水域太大导致网格数增超过系统默认的 100000 个，需要重新调节最大网格数才能实现。而且只需模拟耙头入口水域，太大并没必要，所以把水域改为 1250mm，深改成 500mm，耙头口距池底 100mm。根据相关文献，耙头的吸泥管与水平线的夹角设为 38 度7，绘出的耙头如图 5-1：图 5-1 cad中耙头轮廓二、cad 中文件的导入1、在 cad 中设定面域8。点击工具栏中的工具面域，之后用鼠标按住左键从右向左选择耙头及水域整个轮廓作为对象，命令栏中就有显示有 3 个面域形成了。2、选中菜单栏中“文件”，在下拉菜单中选中“输出”，把输出文件存为 sat 文件。153、再选中整个耙头的轮廓及水域，右击鼠标。这样 cad 中 dwg 格式文件就输入为 gambit 中可打开的sat 文件。是 cad 图标，之后sat 文件图标就会出现。第二节 gambit 的网格划分一、gambit 中的网格划分（一）先在 gambit 并打开 sat 文件双击 gambit 图标，在 file 中的下拉菜单中选中 import，在输入中选 acis 格式，打开 sat 文件。（二）在 gambit 中划分初网格91、选中求解器 fluent5/6。2、设置面域，点击 operation 中，并在 geometry 中的face，现查看所形成的三个面域是那几个。3、根据实际情况，二维耙头流场应就有 2 个面域，一个是耙头外的水域，第二个是耙头内的水域。通过查看，在 cad 中形成的三个面域，有一个是多余的的，而其他两个正好是需要的。需要删去多余的面，就点击 delete，选中该删的面，点击 apply.4、现在分析那些边需要去边加密以实现特殊处理，再对整个面进行面加密。通过分析耙头情况，耙头的吸口处需要边加密处理，在入口的正对的池底一部分进行边加密，在两个面域分别进行面网格。因为耙头内部流速更快，对耙头内部相对于外部的面网格设置更密一点。5、在形成的边界上划分网格，点击 operation 中 mesh中的边网格设置键，点击出现 mesh edges。166、在 edges 选中耙头入口边，用按住 shift 键，鼠标左击耙头的入口边选中。在 edges 中如图 5-2 设置：图 5-2 边网格的设定7、再设置耙头内部的面网格，点击 operation 中 mesh 的，对面网格进行设置，spacing 设为 15。8、现在就是对耙头外部网格的设置，对进行设置，隐藏耙头内部网格，如图 5-3 一样设置;图 5-3 网格显示的设定9、如前面一样设置耙头外的网格，设置耙头入口边网格的 interval size 中的 spacing 为 5，设置耙头口正对的边的边网格为 15，在设置面网格为 30。17二、gambit 中边界的设置1、对网格完成划分之后，需要对耙头的边界条件进行设置。点击 operation 中的，先选择specify boundary types,如图 5-4 设置：图 5-4 边界的设定图本耙头模型需要的边界有 1、压力入口，2、速度出口（双出口），3、墙壁 wall，分别设置耙头的两边为 wall1 和 wall2 ，4、其他壁面都默认为 wall。2、对specify continuum types 的设置，设置一 water 为 fluid，然后 apply。3、保存网格 mesh，再保存 dbs 文件。在 file 中选 export 中，输出 mesh 网格，在 file 中 save as 保存dbs 文件。18第六章 fluent 中的数值计算第一节 在 fluent 中的具体操作因为 gambit 是 fluent 的前处理软件，在 gambit 中处理完网格的划分与边界的设定之后，需要把保存的 msh 文件在 fluent 中根据自己要建立的模型继续设置参数。一、对耙头模型的分析先对耙头二维流场的具体情况加以分析如下：模拟该模型的目标是：通过给定耙头一个吸口速度，上面已经给出 4.3686m/s，模拟出静止的耙头在水下二维压力与速度的流场，更形象具体的了解到里面的速度与压力分布，并对耙头壁面边界层速度的分布加深理解，且了解给出的吸口速度的变化对内部流场的影响。进行计算的模型选择非耦合隐式求解，流动属于定常流，2 维模拟，显示绝对速度，具体解释后面会给出。根据研究对象的物理特性与模拟需要，选择的物理模型是有粘性、紊流、不可压缩流体，无热传导，采用标准壁面函数。二、fluent 中的具体操作表 6-1 fluent 菜单概述解的步骤菜单读入网格文件菜单检查网格网格菜单选择解算器格式定义菜单选择基本方程定义菜单材料属性定义菜单边界条件定义菜单调整解的控制解菜单初始化流场解菜单计算解解菜单结果的检查显示菜单 绘图菜单 报告菜单保存结果文件菜单网格适应适应菜单对耙头的二维流场的具体情况分析完之后，就可以在 fluent 中设置。具体步骤按表 6-1 进行：1、打开 fluent 二维界面，点击 file 下拉菜单，read 读取 case 文件，打开已存好的 msh 文件，读入网格。点击 display 显示网格，如图 6-1：19图 6-1 耙头的网格2、检查网格，点击 grid-check，通过网格的检查，可查看下面的几个方面的内容：（1）网格检查列出了 x,y 的最小与最大值；（2）网格检查还将报告出网格的其他特性，如单位的最大与最小体积，最大和最小面积；（3）网格检查还会报告出有关网格的任何错误，特别是要求确保最小体积不能是负值，否则 fluent 无法进行计算。3、平滑（和交换）网格平滑（和交换）网格是可以进一步确保网格质量的操作：grid-smooth/swap 如图 6-2：图6-2 平滑网格的设置点击 smooth 再点 swap，重复上述操作，直到 fluent 报告中没有需要交换的面为止。4、确定长度单位点击 grid-scale，在单位中选择 mm，点击 chang length units,再点击 scale，确定长度单位。5、建立求解模型fluent 求解方法的选择有 3 种：1、非耦合求解，2、 耦合隐式求解 ，3、 耦合显式求解。非耦合求解方法主要用于不可压缩或压缩性不强的流体流动，fluent 默认设置是非耦合求解。耦合求解则可以用在高速可压缩流动，但对于高速可压流动，有强的体积力（浮力或离心力）的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法，可以耦合求解能量和动量方程，能比较快地得到收敛解。缺点是需要的内存比较大（是非耦合求解迭代时间的 1.5-2 倍）。如果必须要耦合求解，但是机器内存不够，这时候可以考虑用耦合显式解法器求解问题。该解法器也耦合了动量，能量及组分方程，但内存却比隐式求解方法小。缺点是收敛时间比较长。因为耙头周围的水是不可压缩流体，选用非耦合求解方法。隐式求解器比显式求解器求解速度快，会占用更大的内存。对于二维流动的情形，网格点数少，故内存不是问题，选用隐式求解器10。模型的其它的选择为二维流场，稳态流动，绝对流速。点击 defing-solve 进行设置如图 6-3：20图 6-3 求解器的设定6、选择基本方程（1）点击 defing-multiphase model 默认为单相流水。（2）由于没有热传导，energy 不用设置。(3) 设置湍流模型，已知耙头内部吸泥管直径为 90mm，流速为 4.3686m/s，水的运动黏度为 1/106 m2/s，re=vd/v,求得 re 为 393174,大于 2000 是紊流。表 6-2 雷诺平均模型的比较模型名字优点缺点spalart-allmaras计算量小，对一定复杂程度的边界层问题有较好效果。计算结果没有被广泛测试，缺少子模式，如考虑燃烧或浮力问题。标准 k-应用多，计算量合适，有较多数据积累和相当精度。对于流向有曲率变化，较强压力梯度，有旋问题等复杂流动模拟效果欠缺。rng k-能模拟射流撞击，分离流，二次流，旋流等中等复杂流动。受到涡漩粘性各向同性假设限制11。realizable k-和 rng 模型差不多，还可以模拟圆口射流问题。受到涡旋粘性各向同性假设限制。雷诺应力模型考虑的物理机理更仔细，包括了湍流各向异性影响。cpu 时间长（2-3 倍），动量和湍流量高度耦合。根据表 6-2 的比较，标准 k- 模型更适合该模型。对于贴近壁面附近的流动，利用 k-epsilon model 的模型进行数值模拟计算是很有效的，所以选择 k-epsilon model12。表 6-3 几种壁面处理方法比较优点缺点21标准壁面函数应用比较多，计算量较小，有较好精度。适合高雷诺数流动，对低雷诺数流动问题，有压力梯度，强体积力及强三维性问题不适合。非平衡壁面函数考虑了压力梯度，可以计算分离，重附及撞击问题。对低雷诺数流动问题，有较强压力梯度，强体积力及强三维性问题不适合。双层区模型不依赖壁面法则，对于复杂流动，特别是低雷诺数流动很适合。要求网格密，因而要求计算机处理时间长，内存大。 通过表 6-3 上面壁面处理方法的比较，耙头问题是高 re 数的问题，上面以算过了，计算量小，较好精度，选用标准壁面函数。选择 k-epsilon model 模型，点击，其它值为默认。如图 6-4 设置：图 6-4 湍流模型的设定7、选择流体材料与外部环境(1)define-materials,点击，选择，这是液态水，加入流体数据库中。(2)点击 define-operation condion，默认压力为大气压，这符合耙头的入口压力，其它值都默认。228、设置边界条件fluent 软件提供了十余种类型的进、出口边界条件，本课题只用到了其中的三种。(1)速度入口(velocity-inlet)：给定入口边界上的速度及其他相关标量值。(2)压力入口(pressure-inlet)：压力入口边界条件通常用于流体在入