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數(shù)值模擬范文第1篇

[關(guān)鍵詞]支護(hù)樁；數(shù)值模擬；外界荷載

中圖分類(lèi)號(hào)：TV551.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1引言

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)主要考慮因素是周邊環(huán)境情況。在實(shí)際工程中，由于周?chē)┕C(jī)械、臨時(shí)土堆和材料堆放等臨時(shí)性荷載的影響產(chǎn)生基坑兩側(cè)的荷載不同，本論文主要對(duì)基坑周?chē)鷿M(mǎn)布荷載采用二維有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2幾何模型與參數(shù)的選取

設(shè)一基坑為矩形，縱向長(zhǎng)度為100m，寬度為40m，開(kāi)挖基坑支護(hù)的深度取lOm。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑為0.9m，間距為0.8m的灌注樁，樁深20m。采用兩道支撐，第一道支撐采用的截面尺寸為0.6m×0.8m，第二道支撐采用的截面尺寸為0.8×0.9，支撐的水平間距取8m。樁和支撐材料均為C30的混凝土,土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)如下：

第1層土體為回填土，層厚為2m，彈性模量為10000kPa，泊松比為0.35，重度為18KN/，飽和重度為19 KN/，粘聚力為10 kPa，內(nèi)摩擦角為25。

第2層土體為風(fēng)化土，層厚為10m，彈性模量為50000kPa，泊松比為0.33，重度為19KN/，飽和重度為20 KN/，粘聚力為14kPa，內(nèi)摩擦角為20。

第3層土體為風(fēng)化巖，層厚為9m，彈性模量為150000kPa，泊松比為0.3，重度為20KN/，飽和重度為21 KN/，粘聚力為50kPa，內(nèi)摩擦角為35。

3支護(hù)結(jié)構(gòu)在非對(duì)稱(chēng)荷載的情況下數(shù)值模擬及分析

3.1模型處理

(1)土的計(jì)算深度為基坑開(kāi)挖深度的2.1倍，計(jì)算寬度為自開(kāi)挖邊界向外邊取其開(kāi)挖深度的2倍。

(2)邊界條件：模型左右兩邊設(shè)置x方向的水平約束，模型底面設(shè)置水平向及垂直方向的約束。

（3）兩邊對(duì)稱(chēng)設(shè)置的建筑物的荷載取120kPa。

假定：基坑一邊受到的外界荷載P1由15kPa逐漸增大到60kPa，另一邊受到的外界荷載P2=15kPa一直為恒值。

3.2開(kāi)挖工況

具體開(kāi)挖工況為：

工況一，把第一層土體開(kāi)挖到支撐底部，并用混凝土澆筑第一道支撐。

工況二，若第一道支撐的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，開(kāi)始把第二層土體開(kāi)挖到第二道支撐底面位置，并用混凝土澆筑第二道支撐。

工況三，若第二道支撐的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，把第三層土開(kāi)挖至-10m。分別考慮(a)P1=P2=15kPa；(b)Pl=30kPa，P2=15kPa；(c)Pl=45kPa，P2=15kPa；(d)P1=60kPa，P2=15kPa四種情況下的基坑開(kāi)挖?？梢缘贸鲋ёo(hù)結(jié)構(gòu)受不平衡荷載作用下產(chǎn)生的位移和內(nèi)力在不同位置的變化情況。

3.3計(jì)算結(jié)果及分析

說(shuō)明：S1為支護(hù)樁在受荷載P1作用下左側(cè)最大水平位移，S2為支護(hù)樁在受荷載P2作用下右側(cè)最大水平位移。

1、在工況一的情況下，基坑開(kāi)挖到第一道支撐的底部位置時(shí)，支撐還沒(méi)有受到外界力的作用。樁體在四種不同的外部荷載P1、P2組合下作用產(chǎn)生的水平位移，如圖1所示。

由圖1可以看出：

（1）在工況一的情況下，支撐沒(méi)有受到力的作用時(shí)，樁頂?shù)乃轿灰谱畲蟆?/p>

（2）左側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的外荷載Pl為15kPa時(shí)，左側(cè)支護(hù)樁樁身產(chǎn)生的最大水平位移Sl為5.79mm，當(dāng)外荷載為60KPa時(shí)，S1為8.624mm；右側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的外荷載P2為15KPa保持不變，當(dāng)P1為15KPa時(shí)，右側(cè)樁身最大水平位移S2為5.79mm，當(dāng)P2=60KPa時(shí)S2為5.694mm。對(duì)于左側(cè)樁體，水平位移逐漸增大，變化幅度較大，右側(cè)位移由于受到左側(cè)荷載增大的影響而逐漸減小，但變化幅度不大。

（3）左側(cè)樁身位移變化可以看出：靠近變化荷載的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化相對(duì)較大，所以設(shè)計(jì)基坑時(shí)，需要考慮周?chē)奢d的影響，確?；釉谕饬ψ饔孟卤３职踩珷顟B(tài)。

2、在工況二的情況下，基坑開(kāi)挖到第二道支撐底部的位置，第一道支撐開(kāi)始受到力的作用。左側(cè)樁體、右側(cè)樁體在四種不同的外界荷載P1、P2組合下的水平位移，如圖2所示。

由圖2可以看出：

（1）工況二下，與工況一相比，樁身最大位移不大于為工況一的2倍。由此可以得出：懸臂開(kāi)挖產(chǎn)生的水平方向的變形在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的總變形中所占的分量比較大。

（2）左側(cè)支護(hù)樁體在受外界荷載P1為15kPa，左側(cè)支護(hù)樁產(chǎn)生的最大水平位移S1為11.97mm，當(dāng)受到的外界荷載P1達(dá)到60kPa，與之相對(duì)應(yīng)的最大位移S1則由11.97mm逐漸增至15.49mm；右側(cè)支護(hù)樁受到的外界荷載P2保持不變，右側(cè)支護(hù)樁樁身的水平位移S2變化幅度仍然很小，其最大位移逐漸減小，主要原因是仍然受到左側(cè)荷載增大的影響。

3、在工況三的情況下，支護(hù)樁在四種不同的外界荷載P1、P2組合下產(chǎn)生的的水平位移，如圖3所示。

由圖3可以看出：

（1）工況三和工況二最大位移比較可知，工況三支護(hù)樁的水平最大位移比工況二略小，原因是第二道支撐已經(jīng)發(fā)揮作用，由兩次開(kāi)挖產(chǎn)生的最大位移結(jié)果分析知：兩道支撐共同限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。

（2）左側(cè)支護(hù)樁在受到外界荷載P1為15kPa，左側(cè)支護(hù)樁的最大水平位移S1為11．38mm，當(dāng)受到的外界荷載達(dá)到60kPa，與之相對(duì)應(yīng)的S1由11．58mm增大到15.16mm；右側(cè)支護(hù)樁受到的外界荷載P2保持不變，當(dāng)P1為15Kpa時(shí)，右側(cè)支護(hù)樁的最大水平水平位移為11.38mm，當(dāng)P1為60KPa時(shí)，右側(cè)支護(hù)樁的最大水平位移為10.34mm，變化幅度約為10%。

4 結(jié)語(yǔ)

由數(shù)值模擬知：基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的最大位移不大于20mm，符合規(guī)范要求，說(shuō)明內(nèi)支撐和支護(hù)樁的截面設(shè)計(jì)符合實(shí)際工程，由于在支撐與支護(hù)樁之間的接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，需要在接觸點(diǎn)加一塊板，防止應(yīng)力集中的現(xiàn)象發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

數(shù)值模擬范文第2篇

關(guān)鍵詞：有限元；橋；模擬

桁架橋是以桁架作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。一般由主橋架、上下水平縱向聯(lián)結(jié)系、橋門(mén)架和中間橫撐架以及橋面系組成。在桁架中，弦桿是組成桁架的桿件，包括上弦桿和下弦桿，連接上、下弦桿的桿件叫腹桿，按腹桿方向之不同又區(qū)分為斜桿和豎桿。弦桿與腹桿所在的平面就叫主桁平面。大跨度橋架的橋高沿跨徑方向變化，形成曲弦桁架；中、小跨度采用不變的桁高，即所謂平弦桁架或直弦桁架。桁架橋之所以廣泛應(yīng)用得益于其施工工期較短且施工階段不妨礙交通，結(jié)構(gòu)本身受力明確、易于分析，對(duì)于土質(zhì)較差地區(qū)的地基的要求也不是十分苛刻的諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著計(jì)算方法的改進(jìn)，在同樣跨徑的橋梁中，因?yàn)橛谐墒斓姆椒ê褪┕ぜ夹g(shù)作保障，桁架橋往往成為首選。借助于預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，桁架橋?qū)?huì)擁有一個(gè)更加廣闊的前景。

1 有限元法的發(fā)展

Clough在他的論文“The Finite Element Method in Stress Analysis”［1］中最先引入了有限元這一術(shù)語(yǔ)。一些有限元分析的專(zhuān)著大多出自土木工程領(lǐng)域中的專(zhuān)家、學(xué)者之手，例如ADINA的研制者K.J.巴特和SAP的研制者E.L.威爾遜。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，造橋技術(shù)不斷進(jìn)步，橋梁結(jié)構(gòu)逐步向輕巧、纖細(xì)方面發(fā)展。于此同時(shí)，橋梁的載重、跨徑和橋面寬不斷增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)形式不斷變化，傳統(tǒng)的橋梁平面桿系結(jié)構(gòu)程序也越來(lái)越不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。有限元分析軟件正是這種綜合程序的代表。它可以模擬橋梁鋼筋預(yù)應(yīng)力的松弛、混凝土的開(kāi)裂［2］以及溫度應(yīng)力等因素對(duì)橋梁的影響，同時(shí)也可以方便的計(jì)算出箱梁的畸變應(yīng)力、剪力滯效應(yīng)以及橋梁構(gòu)件與支撐部位的接觸狀態(tài)。橋梁結(jié)構(gòu)是土木行業(yè)中字常見(jiàn)的建筑工程結(jié)構(gòu)之一，對(duì)橋梁進(jìn)行較為精確的受力分析，合理模擬其各種工況下的動(dòng)態(tài)相應(yīng)，對(duì)于橋梁的設(shè)計(jì)與安全控制有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 桁架橋受力分析

近年有限元方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,為土木工程非線(xiàn)性分析提供了有力工具,橋梁的有限元建模和分析,可以實(shí)現(xiàn)橋梁承載力的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),并能方便結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)橋梁的智能評(píng)價(jià)和管理。

2.1 建模與加載

上下弦梁、橫梁和端斜腹梁?jiǎn)卧肂EAM4來(lái)模擬。它是一個(gè)軸向受壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲的單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，包括三個(gè)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，本單元具有應(yīng)力剛化和大變形功能。進(jìn)入后處理模塊，得到變形圖和位移云圖如下圖所示：

從圖1中可以看出，在載荷作用下桁架橋中間位置的橋面板及其上部構(gòu)件向下發(fā)生彎曲變形最為明顯，而兩側(cè)的端斜腹梁的變形最小，整個(gè)變形呈堆成分布。

2.2 應(yīng)力圖

由圖2可看出，最大應(yīng)力發(fā)生在橋面板跨中位置，應(yīng)力隨著跨中向兩側(cè)逐漸減小并呈對(duì)稱(chēng)分布。

3 結(jié) 論

橋梁受使用環(huán)境和自然環(huán)境的長(zhǎng)期作用,經(jīng)常產(chǎn)生各種缺陷,如混凝土開(kāi)裂和碳化、鋼筋銹蝕、預(yù)應(yīng)力損失等。本文通過(guò)對(duì)桁架橋的一般受力情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出了受力時(shí)的各種力學(xué)特征。模擬結(jié)果表明與實(shí)際工程中的情況吻合的較好，這表明借助與有限元方法模擬桁架結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用是可以替代部分試驗(yàn)研究的。

參考文獻(xiàn)

數(shù)值模擬范文第3篇

關(guān)鍵詞：空化 多相流 水翼 數(shù)值模擬

空化是液體介質(zhì)流動(dòng)中所特有的一種現(xiàn)象，空化被重視主要源于其危害性。空化現(xiàn)象的發(fā)生不僅會(huì)造成水利機(jī)械的性能下降，非定常的空化流動(dòng)還會(huì)引起一些非定常流動(dòng)特性出現(xiàn)，如振動(dòng)、噪聲以及由非定常流動(dòng)引起的剝蝕。因此大多研究都是集中在如何抑制空化現(xiàn)象的發(fā)生?？栈F(xiàn)象是液體內(nèi)局部壓強(qiáng)降低到液體的飽和蒸氣壓時(shí)，液體內(nèi)部或液固交界面上出現(xiàn)的蒸氣或氣體空泡的形成、發(fā)展和潰滅的過(guò)程 。描述空化狀態(tài)的無(wú)量綱組合量稱(chēng)為空化數(shù)σ。

其中P0、V分別為液體未擾動(dòng)處的壓強(qiáng)和流速，ρ為液體密度，Pv為液體在環(huán)境溫度下的飽和蒸氣壓?？栈瘮?shù)越小，空化現(xiàn)象越顯著。通過(guò)改變來(lái)流壓強(qiáng)或速度，可改變空化數(shù)和空化狀態(tài)。

數(shù)值計(jì)算方法

整個(gè)CFD計(jì)算將采用RANS方法，結(jié)合兩方程湍流模型以及基于氣泡動(dòng)力學(xué)方程的兩相流空化模型，邊界條件則采用速度入口與壓力出口，通過(guò)改變出口壓力來(lái)得到不同的空泡數(shù)下的空化流動(dòng)。

1、雷諾平均方法（RANS）及湍流模型

雷諾平均數(shù)值模擬是湍流數(shù)值模擬最常用的方法，它是將瞬態(tài)的湍流脈動(dòng)量通過(guò)某種模型在時(shí)均化的方程中體現(xiàn)出來(lái)。Reynolds平均法的核心是不直接求解瞬時(shí)的NS方程，而是想辦法求解時(shí)均化的Reynolds方程。

雷諾平均就是把NS方程中的瞬時(shí)變量分解成平均量和脈動(dòng)量?jī)刹糠謥?lái)描述湍流流動(dòng)，建立各種湍流模型，通過(guò)低階函數(shù)來(lái)表達(dá)未知高階時(shí)間平均值，來(lái)使時(shí)均方程封閉。

雷諾平均N-S方程：

方程中出現(xiàn)了雷諾應(yīng)力項(xiàng)，因此需要引入湍流模型來(lái)使方程封閉。一個(gè)通常的方法是應(yīng)用Boussinesq假設(shè)，認(rèn)為雷諾應(yīng)力與平均速度梯度成正比：

基于RANS的湍流模型有零方程、一方程和兩方程模型等，對(duì)于本文的研究，將采用應(yīng)用普遍的兩方程模型，主要包括 湍流模型（標(biāo)準(zhǔn) 模型、RNG 模型、Realizable 模型）和 湍流模型（標(biāo)準(zhǔn) 模型和SST 模型），每種湍流模型都有各自的優(yōu)勢(shì)與適用范圍。

2、兩相流模型

在二維水翼空化數(shù)值模擬時(shí)，需要用到FLUENT中的多相流模型，本文僅計(jì)及氣液兩相，因此采用的是混合兩相流模型。該模型假定流體介質(zhì)是兩種流體（水和水蒸氣）的混合物，并把它當(dāng)成一種流體。此時(shí)的連續(xù)性方程如下：

其中 為混合流體的密度，它的定義如下（ 為液體的密度， 為氣體的密度）：

與連續(xù)性方程處理方法相同，兩相流模型下的動(dòng)量方程：

當(dāng)流體介質(zhì)為牛頓流體時(shí)，

為混合流體的動(dòng)力粘度， 、 分別指水和水蒸氣的動(dòng)力粘度。

二維水翼的空泡數(shù)值計(jì)算

先計(jì)算水翼在無(wú)空泡狀態(tài)的水動(dòng)力性能，計(jì)算結(jié)果與XFOIL軟件的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證本文采用的計(jì)算模型與邊界條件設(shè)置的合理性。然后控制流速不變，改變場(chǎng)內(nèi)壓強(qiáng)來(lái)得到不同的空泡數(shù)下的流動(dòng)特性。

1、計(jì)算模型

采用NACA0006水翼作為計(jì)算模型，其計(jì)算域和網(wǎng)格劃分如下圖所示：

計(jì)算域 局部網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量

設(shè)水翼的特征長(zhǎng)度為L(zhǎng)，計(jì)算域如上圖所示，模型右端為出口，距離水翼右端20L；其它邊均為入口，上下前端距離水翼10L，前端為半徑為10L的半圓，預(yù)設(shè)攻角為60，計(jì)算中水翼實(shí)際尺寸L=1m。網(wǎng)格劃分采用C型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量如上圖所示。

2、流場(chǎng)及邊界條件設(shè)置

計(jì)算采用的兩相流，計(jì)算介質(zhì)采用25攝氏度的水（密度為998kg/m3，動(dòng)力粘度為0.0011kg/（ms））和水蒸氣（密度為0.023kg/m3，動(dòng)力粘度為0.00000995kg/（ms）），飽和蒸汽壓PV為3540Pa。其它設(shè)置如下表所示：

3、NACA0006的二維無(wú)空泡模擬

首先計(jì)算穩(wěn)態(tài)的無(wú)空炮繞流，速度入口為6m/s，壓力為30500Pa，即空泡數(shù)為1.5，計(jì)算結(jié)果如下圖所示：

通過(guò)對(duì)比壓力系數(shù)分布圖，發(fā)現(xiàn)計(jì)算的結(jié)果與XFOIL的結(jié)果基本是吻合的（圖形的大致形狀），說(shuō)明選取的計(jì)算模型與邊界條件的設(shè)置是合理的，理論上能得出有價(jià)值的結(jié)果。

4、二維水翼NACA0006的空泡數(shù)值模擬

4.1 的數(shù)值模擬

流速V=6m/s，壓強(qiáng)P=30500Pa，SST模式。各種計(jì)算結(jié)果圖如下所示：

從上面幾個(gè)圖示可以看出，在水翼背面已經(jīng)明顯發(fā)生空泡，壓力系數(shù)分布圖與不發(fā)生空泡時(shí)有明顯的區(qū)別?？张菪螒B(tài)比較穩(wěn)定。

4.2 的數(shù)值模擬

流速V=6m/s，壓強(qiáng)P=21500Pa，SST模式。各種計(jì)算結(jié)果圖如下所示：

此時(shí)空泡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，是動(dòng)態(tài)的過(guò)程，如下圖所示：

0.04s時(shí)的壓力系數(shù)分布云圖

由上圖可知，此時(shí)空泡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，前端的空泡后移，結(jié)合壓力系數(shù)分布云圖，后面有空泡不斷的生成和脫落，屬于云空泡。

4.3的數(shù)值模擬

流速V=6m/s，壓強(qiáng)P=12500Pa，SST模式

時(shí)間截圖如下所示：

由上圖可知，此時(shí)空泡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，前端的空泡不斷的擴(kuò)大隨流動(dòng)游移、遺滅，屬于泡空泡。

5、結(jié)果分析

數(shù)值模擬范文第4篇

關(guān)鍵詞:微孔注塑 數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào): TQ153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-3973 (2010) 05-082-02

微孔塑料是一種泡孔直徑比聚合物中所有已存在的微隙都要小的泡沫材料,是由麻省理工學(xué)院(MIT)的Martini和Suh等在20世紀(jì)80年代初提出并研制成功的,微孔塑料的泡孔小且分布均勻細(xì)密(直徑為1~100m,分布密度為109~1012個(gè)/cm3),使聚合物中的微隙圓孔化,泡孔實(shí)際起到了一種類(lèi)似橡膠顆粒增韌塑料的作用,具有吸收外界剪切、沖擊能量的作用,所以,微孔塑料既保持了泡沫塑料的優(yōu)點(diǎn),又改善了泡沫塑料的力學(xué)性能。微孔注塑是近幾年開(kāi)發(fā)的一種新工藝,旨在生產(chǎn)具有微孔結(jié)構(gòu)的注塑制品。由于微孔注塑引入了超臨界流體,可以取消保壓階段、降低鎖模力、注射壓力、縮短成型周期,所以相對(duì)傳統(tǒng)注塑工藝,微孔注塑具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

微孔注塑正受到越來(lái)越多的關(guān)注,但近幾年微孔注塑的應(yīng)用受到一定的制約,主要表現(xiàn)在泡孔結(jié)構(gòu)較難控制,影響了制品的力學(xué)性能。微孔注塑制品的泡孔結(jié)構(gòu)受多種因素的影響,如注射壓力、注射速度、模腔溫度、模腔結(jié)構(gòu)以及塑料的黏彈性、結(jié)晶性能等。單純地通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)控制泡孔結(jié)構(gòu),不僅成本高而且實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng);數(shù)值模擬技術(shù)可以以較低的成本較短的周期完成泡孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

1 微泡長(zhǎng)大的基本模型

1.1海島模型

海島模型國(guó)外又稱(chēng)“Single Bubble Growth Models”, 最早由Lord Rayleigh 提出的,模型如圖1所示,假設(shè):單個(gè)泡孔在無(wú)限大的熔體中長(zhǎng)大;各處的氣體濃度是其距離泡孔壁長(zhǎng)度的二階函數(shù);氣體的擴(kuò)散時(shí)間要長(zhǎng)于泡孔的膨脹時(shí)間。

海島模型把泡孔長(zhǎng)大所有機(jī)理都囊括在一個(gè)簡(jiǎn)單的公式中,如式(1-1)所示:

式中,R為泡孔半徑;R0為泡孔初始半徑;pg0為泡孔內(nèi)部的初始?jí)毫?pf為熔體壓力; 為熔體黏度;為泡孔壁處的表面張力。

從1917至1984年的文獻(xiàn),均采用海島模型進(jìn)行泡孔長(zhǎng)大過(guò)程的數(shù)值模擬,該模型一定程度上揭示了泡孔長(zhǎng)大過(guò)程中的氣體擴(kuò)散與壓力變化、黏度變化之間的相互作用。對(duì)塑料發(fā)泡過(guò)程具有一定的指導(dǎo)意義,但由于該模型的沒(méi)有限制影響泡孔長(zhǎng)大區(qū)域,所以在實(shí)際應(yīng)用受到了局限。

1.2細(xì)胞模型

細(xì)胞模型國(guó)外又稱(chēng)“Cell Model”或“Unit Cell Model”是由Amon和Deson于1984年提出的“Unit Cell”模型,該模型限定了影響氣泡膨脹的熔體區(qū)域,如圖2所示,氣泡半徑r的長(zhǎng)大過(guò)程只受到初始半徑為R0的區(qū)域內(nèi)的熔體的影響。細(xì)胞模型的其它假設(shè)與海島模型的基本一致,兩者氣泡長(zhǎng)大的數(shù)學(xué)表達(dá)式也一致。

2微孔注塑數(shù)值模擬

Young、Kyung等對(duì)聚氨酯(PU)注塑發(fā)泡過(guò)程進(jìn)行了3D模擬,假設(shè)熔體的流動(dòng)遵循Navier-Stokes本構(gòu)方程,采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,并利用有限體積法修正發(fā)泡過(guò)程中的自由表面以及熔體壓力。模擬結(jié)果所顯示的流動(dòng)形式和充模位置能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地吻合,并且很好地預(yù)測(cè)了泡孔質(zhì)量與流動(dòng)位置之間的關(guān)系。圖3所示為Young等預(yù)測(cè)的和實(shí)驗(yàn)拍攝的充模時(shí)間為19 s時(shí)的熔體前沿流動(dòng)情況。雖然Young等人當(dāng)時(shí)并沒(méi)有對(duì)發(fā)泡制品的泡孔尺寸進(jìn)行預(yù)測(cè),但他們工作對(duì)泡孔尺寸的計(jì)算奠定了很好的基礎(chǔ)。

Han等利用 “細(xì)胞模型”計(jì)算了利用超臨界二氧化碳(CO2)和氮?dú)?N2)作為發(fā)泡劑的微孔注塑充模過(guò)程中氣泡半徑的演變過(guò)程,為了便于計(jì)算,Han等人簡(jiǎn)化了模型,將微觀的多相流體視為宏觀的單相流體,假設(shè)熔體成核均勻,并且單位質(zhì)量熔體的成核數(shù)目一定。圖4為Han等人預(yù)測(cè)得到的距離主流道不同位置的泡孔半徑。他們把模擬得到的熔體壓力、氣泡半徑分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較,結(jié)果顯示:在靠近澆口的位置,預(yù)測(cè)直徑與實(shí)驗(yàn)值較為相近;而在遠(yuǎn)離澆口的位置,預(yù)測(cè)直徑則與實(shí)驗(yàn)值存在較大差別,這是因?yàn)樗麄兊哪M假設(shè)了充模過(guò)程中,熔體前沿承受的壓力為一個(gè)大氣壓,而實(shí)驗(yàn)中,由于熔體前沿承受壓縮氣體的作用,所以熔體前沿的實(shí)際壓力大于一個(gè)大氣壓。

Osorio和Turng[8, 9]利用“細(xì)胞模型”模型,對(duì)注塑發(fā)泡過(guò)程中位于主流道上的泡孔尺寸及密度做了預(yù)測(cè)?？紤]了質(zhì)量守恒方程、擴(kuò)散系數(shù)、聚合物/CO2熔體的體積溶脹性等因素,但由于該模擬沒(méi)有考慮成核過(guò)程,以及所用到的模型參數(shù)不夠準(zhǔn)確,所以模擬結(jié)果并不能很好地反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖5為預(yù)測(cè)的和實(shí)驗(yàn)觀察的泡孔、熔體影響區(qū)域半徑隨時(shí)間的變化情況,從圖可以看出預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)之間的誤差隨著時(shí)間的積累逐漸放大,在初始階段(1 s內(nèi))預(yù)測(cè)值與實(shí)際值偏差較小,而到后期(8 s)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值偏差較大。

王建康等[10,11]利用微孔注塑中氣泡長(zhǎng)大過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,模擬了利用注塑機(jī)直接把PS/CO2熔體注射到空氣中時(shí)氣泡的長(zhǎng)大過(guò)程。在模擬中,首先根據(jù)壓力降和壓力降速率計(jì)算了成核密度,然后把計(jì)算得到的初始泡孔直徑輸入泡孔長(zhǎng)大模型。在計(jì)算中考慮了熔體密度、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度常數(shù)、黏度等模型參數(shù)受時(shí)間和氣體含量變化的影響。

3結(jié)束語(yǔ)

利用數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)優(yōu)化微孔注塑制品的泡孔結(jié)構(gòu),提高的力學(xué)性能,具有成本低、機(jī)理明確、研發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)隨著微孔注塑技術(shù)的逐步推廣,數(shù)值模擬技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。雖然在模型簡(jiǎn)化、宏微觀轉(zhuǎn)化、算法技巧等方面還有很多需要改進(jìn)的地方,預(yù)測(cè)結(jié)果還不是很準(zhǔn)確,但隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,算法的改進(jìn),以及越來(lái)越多研發(fā)人員的投入,微孔注塑數(shù)值模擬技術(shù)將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

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數(shù)值模擬范文第5篇

關(guān)鍵詞：環(huán)縫洗滌器 流場(chǎng) 磨損

中圖分類(lèi)號(hào)：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（c）-0102-02

轉(zhuǎn)爐煙氣凈化和煤氣回收系統(tǒng)流程中，使用比較廣泛的為OG系統(tǒng)，到今天，已經(jīng)發(fā)展到第四代OG系統(tǒng)。新一代OG系統(tǒng)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、便于布置、易于維護(hù)；節(jié)水省電、流量調(diào)節(jié)性能好；除塵效率高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)武鋼某煉鋼廠(chǎng)新一代OG系統(tǒng)在運(yùn)行中存在環(huán)縫洗滌器磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，如圖1所示。

1 環(huán)縫洗滌器磨損原因分析

1.1 環(huán)縫洗滌器工作原理及問(wèn)題

環(huán)縫洗滌器是新一代OG系統(tǒng)的精除塵設(shè)備，如圖2所示。轉(zhuǎn)爐煙氣經(jīng)過(guò)飽和噴淋塔的降溫和粗除塵以后，以100 m/s左右的速度進(jìn)入環(huán)縫可調(diào)文氏管（即環(huán)縫洗滌器）進(jìn)行精除塵[1]。洗滌器內(nèi)錐由液壓桿控制可上下移動(dòng)從而控制環(huán)縫間隙，進(jìn)而起到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定爐頂壓力的作用。內(nèi)錐和液壓套管使用耐磨材料制造，以避免環(huán)縫里高速的煙氣引起的磨損和腐蝕。

實(shí)際生產(chǎn)期間，在一個(gè)爐役檢修期之內(nèi)，內(nèi)錐體常被磨薄磨穿，環(huán)縫外殼也磨損嚴(yán)重，文氏管下部直管段也經(jīng)常被磨穿，不僅降低了除塵效果，還帶來(lái)極大的安全隱患。

1.2 原因分析

環(huán)縫洗滌器磨損與很多因素有關(guān)，一般是氣流夾帶的固體顆粒對(duì)材料的噴砂型沖蝕和氣流夾帶的液滴噴射型沖蝕二者綜合作用的結(jié)果。

由于環(huán)縫洗滌器喉口處的速度很大，并且喉口處設(shè)計(jì)得比較窄，因此，在噴砂型沖蝕和噴射型沖蝕作用下很容易對(duì)該處造成磨損。圖1所示的內(nèi)錐體前端被磨穿可能是由于該部位長(zhǎng)期處于喉口處，受到兩種沖蝕造成嚴(yán)重?fù)p壞。

針對(duì)新一代OG系統(tǒng)中環(huán)縫洗滌器磨損的問(wèn)題，本文根據(jù)“料磨料”的原理，提出了一種防磨環(huán)縫洗滌器結(jié)構(gòu)，并對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)比較，對(duì)其合理化改進(jìn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 防磨環(huán)縫洗滌器的結(jié)構(gòu)及原理

針對(duì)內(nèi)錐磨損嚴(yán)重的情況，在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，給內(nèi)錐體加上一層“井字形”荊條（見(jiàn)圖3），以求達(dá)到減小磨損的效果。顆粒在沖擊到內(nèi)錐體的時(shí)候，先對(duì)荊條產(chǎn)生磨損，而且荊條的“井字形”結(jié)構(gòu)使得部分固體粉塵被截留在內(nèi)錐體外壁，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累，可以對(duì)內(nèi)錐體形成一層保護(hù)層，對(duì)內(nèi)錐體起到進(jìn)一步保護(hù)作用。粉塵在沖擊荊條時(shí)，與截留的粉塵相互摩擦，形成一種“料磨料效應(yīng)”。

此外帶荊條的外層結(jié)構(gòu)亦可以設(shè)計(jì)成“套筒”式可更換的形制，若檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)外層，即荊條層磨損嚴(yán)重需要更換，可移除荊條層，換上新的外層備件，而不必更換整個(gè)環(huán)縫洗滌器內(nèi)錐調(diào)節(jié)閥，從而減輕工作量，降低成本。

3 物理模型建立及計(jì)算方法

由于問(wèn)題主要存在于環(huán)縫文氏管部分，所以只對(duì)該部分進(jìn)行局部模擬。在ICEM CFD中對(duì)其進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)進(jìn)口、出口等對(duì)流動(dòng)影響大的位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。得到網(wǎng)格數(shù)為2307202個(gè)，網(wǎng)格如圖4所示。

爐氣中包含有煙塵顆粒和煙氣，在精除塵時(shí)需要噴水，實(shí)際上是一個(gè)氣、液、固三相流動(dòng)。由于只需要初步了解該物理模型內(nèi)部的流動(dòng)情況，故只考慮氣固兩相流，本模擬中用理想空氣代替煙氣并忽略液相，固體顆粒粒徑固定，為50 μm。氣相湍流模型選擇k-ε湍流模型，固體顆粒選擇離散相（Dispersed Solid）模型。磨損模型選擇Tabakoff模型，參數(shù)為默認(rèn)值。

域內(nèi)參考?jí)毫υO(shè)置為1atm。進(jìn)口為速度進(jìn)口，速度為14 m/s，固相入口速度與氣相相同，其質(zhì)量流量為50 kg/s。壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件，固相碰壁反彈設(shè)為剛性反彈，系數(shù)均設(shè)置為1。采取高階格式對(duì)其進(jìn)行求解，求解步數(shù)為400，求解精度要求達(dá)到10-3。

4 模擬結(jié)果與分析

模擬結(jié)果如圖5、圖6所示，磨損率如圖7、圖8所示。

由兩圖可看出，對(duì)于內(nèi)錐的磨損，傳統(tǒng)的環(huán)縫洗滌器磨損嚴(yán)重的地方主要在內(nèi)錐體中上部，此處剛好可以看做是氣固兩相速度最大的位置，從圖5中可看出，此處流場(chǎng)有垂直內(nèi)錐體的速度分量，顆粒在此處最易沖擊內(nèi)錐體，造成磨損，這也與實(shí)際情況相符。

增加荊條層之后，其內(nèi)錐的磨損，主要都發(fā)生在荊條上，因此荊條尺寸間隔設(shè)計(jì)不能太大，否則內(nèi)錐受保護(hù)的面積就越小，氣流在荊條與荊條之間的區(qū)域內(nèi)形成的渦尺度越大，與內(nèi)錐接觸時(shí)間越長(zhǎng)，易使內(nèi)錐受到磨損。

通過(guò)對(duì)比分析可知，由于磨損與速度的三次方成正比[2]，經(jīng)過(guò)喉口處的煙氣，在荊條結(jié)構(gòu)的阻擋下，可以有效減少粉塵對(duì)內(nèi)錐的磨損，對(duì)內(nèi)錐起到保護(hù)作用，錐體上半部的氣流速度變得比較均勻。上述模擬結(jié)果表明，防磨環(huán)縫洗滌器的原理及結(jié)構(gòu)是合理的，不僅對(duì)內(nèi)錐體，還是對(duì)下半部直管段都有較好的防磨效果。與傳統(tǒng)的環(huán)縫洗滌器相比，防磨洗滌器具有防磨損，制造簡(jiǎn)單、更換方便等優(yōu)點(diǎn)，可以在冶金除塵系統(tǒng)中發(fā)揮良好的效果。

參考文獻(xiàn)