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流體動力學原理范文第1篇

摘 要 高能閃光照相是診斷致密物質內部幾何結構和物理特性的最有效技術.高能質子照相在穿透能力、材料識別、空間分辨率等方面都優(yōu)于X射線照相，已經成為美國先進流體動力學試驗裝置的優(yōu)先發(fā)展對象.文章詳細介紹了高能質子照相方案及其研究進展.

關鍵詞 光電子學，質子照相，綜述，質子加速器，磁透鏡 

AbstractHigh-energy flash radiography is the most effective technique to interrogate inner geometrical structure and physical characteristic of dense materials. It is shown that high-energy proton radiography is superior to high-energy x-ray radiography in penetrating power， material composition identification and spatial resolution. Proton radiography is taken as a leading candidate for the Advanced Hydrotest Facility by the United States. The project and current development in high-energy proton radiography is reviewed.

Keywordsoptoelectronics， proton radiography， review， proton accelerator， magnetic lens

1 引言

高能閃光照相始于美國的曼哈頓計劃（Manhattan project），并持續(xù)到現在， 它一直用來獲取爆轟壓縮過程中材料內部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過材料的傳播過程、演變和壓縮場的發(fā)展的靜止“凍結”圖像.這一過程非常類似于醫(yī)學X射線對骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個顯著特點:首先，照相客體是厚度很大的高密度物質，要求能量足夠高;其次，客體內的流體動力學行為瞬時變化，要求曝光時間足夠短.

目前，世界上最先進的閃光照相裝置是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的雙軸閃光照相流體動力學試驗裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺相互垂直的直線感應加速器組成的雙軸照相系統(tǒng)，一次實驗能從兩個垂直方向連續(xù)拍攝4幅圖像，并且在光源焦斑和強度方面都有提高.但是，DARHT也僅有兩個軸，這是獲得三維數據的最小視軸數目，最多只能連續(xù)拍攝4幅圖像，不能進行多角度多時刻的輻射照相，獲得流體動力學試驗的三維圖像.而且DARHT的空間分辨率受電子束斑大小的制約.由于電子相互排斥，電子束不能無限壓縮，束流打到轉換靶上，產生等離子體，使材料熔化，這在一定程度上擴展了束斑直徑，從而使X射線光斑增大.估計最小的電子束直徑為1—2mm，制約了空間分辨率的提高.

研究人員希望實現對流體動力學試驗進行多角度(軸)、每個角度多時刻(幅)的輻射照

相，從而獲得流體動力學試驗的三維動態(tài)過程圖像.l995年，美國LANL的科學家Chris Morris提出用質子代替X射線進行流體動力學試驗透射成像［2］.首次質子照相得到的圖像，其非凡的質量出乎發(fā)明者的預料.后續(xù)的研究和實驗也確認了這項技術的潛在能力.據Morris回憶， 20世紀90年代初期武器研制計劃資助了一項中子照相研究.其立項的主要思想就是利用高能質子、中子和其他強子的長平均自由程，使其成為閃光照相的理想束源.Steve Sterbenz從這個思路出發(fā)，研究了使用中子照相進行流體動力學試驗診斷的可能性.然而即使使用質子儲存環(huán)(PSR)的強脈沖產生中子，中子通量都不足以在流體動力學試驗短時間尺度下獲得清晰的圖像.當時的洛斯阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負責人Gerry Garvey聽到這種意見的第一反應是“為什么不用質子？” Morris將這些思想統(tǒng)一起來，利用高能質子束實現流體動力學試驗診斷的突破，就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質子照相的實施應歸功于現代加速器具有產生高能質子和高強度質子的能力.促使發(fā)展質子照相技術最重要的一步是Tom Mottershead 和John Zumbro提出的質子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)［4］，以及Nick King 在武器應用中發(fā)展改進的快速成像探測系統(tǒng)［5］.

高能質子束為內爆物理研究提供了堪稱完美的射線照相“探針”，因為其平均自由程與流體動力學試驗模型的厚度相匹配.射線照相信息通過測量透過客體的射線投影圖像來獲取.如果輻射衰減長度過短，則只有客體外部邊界能夠測量；如果輻射衰減長度過長，則沒有投影產生.質子照相為流體動力學試驗提供了一種先進的診斷方法.

2 質子與物質相互作用機制

高能質子與物質相互作用的機制是質子照相原理的基礎.首先，需要從質子與物質的相互作用出發(fā)，對質子在物質中的穿透性和散射過程進行分析研究.

所有質子都在被測物質內部并與其發(fā)生相互作用.質子與物質的相互作用分為強作用力和電磁作用力［6］.強作用力是短程力，質子與核的強作用力分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種:

如果是彈性碰撞，以某種角度散射的質子保持其特性和動量，質子因受核力的強大作用，會偏轉很大角度， 這種現象叫做核彈性散射（如果采用角度準直器，這部分貢獻可以忽略）；

如果是非彈性碰撞，質子被吸收，也就是說，損失大部分能量分裂核，產生亞原子粒子——π介子.當質子能量達到GeV量級，質子與原子核的強相互作用占主導地位.質子與物質原子核中的質子和中子發(fā)生非彈性核相互作用，造成質子束指數衰減，其衰減規(guī)律可表示為

NN0＝exp-∑ni=1liλi，(1)

其中N0，N分別為入射到被測物體上的質子通量和穿過被測物體的質子通量; λi和li分別為第i種材料的平均自由程和厚度.當質子能量達到GeV量級，核反應截面幾乎不變，單就穿透能力而言， 質子能量達到GeV量級就足夠了.核反應截面不變有利于質子照相的密度重建，因為質子在客體中的散射過程可能導致質子能量發(fā)生變化.

由于質子帶電，它也通過長程電磁作用力與物質相互作用. 當質子能量達到GeV量級時，電磁作用只能產生很小的能量損失和方向變化:

質子與原子核的庫侖力作用稱為彈性散射，穿過原子核的每個質子，即使和核并不接近，也能導致質子方向發(fā)生小的變化，每個小散射效應可以累積，這種現象叫做多重庫侖散射. 多重庫侖散射的理論由Enrico Fermi在20世紀30年代建立.質子與原子核之間的庫侖力作用發(fā)生多重庫侖散射，多重散射可以近似用高斯分布表示:

dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20，(2)

式中θ0為多次散射角的均方根值，可用下式表示:

θ0≈14.1pβΣniliRi，(3)

式中p為束動量，β是以光速為單位的速度，Ri是材料的輻射長度，其值近似地表示為

Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z)，(4)

其中A是原子量，Z是原子序數.多重庫侖散射的結果很重要，特別是對重物質，最終導致圖像模糊.另一方面，因為Ri與材料的原子序數有關，也正是這個特性使質子照相具有識別材料組分的獨特能力［7］.

質子和電子之間也會產生庫侖力作用，通常是非彈性的.因為電子質量與質子相比很小，庫侖力的作用使電子方向和速度產生躍變，而對質子的方向和能量只產生緩變. 也就是說，質子通過電離原子(把電子擊出軌道)，損失小部分能量.這種作用不會導致質子運動方向大的改變，但會導致質子能量的減少.20世紀30年代著名的貝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解釋了這種機制.能量損失依賴于質子束能量，能量損失速率與它的動能成反比.質子束穿過厚度為l的材料時，能量損失為

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

當質子能量達到GeV量級，dT/dl的值幾乎與動能無關.如果E和T以m0c2為單位，p以m0c為單位，則

E=T+1，E2=P2+1.(6)

因此，能量損失引起的動量分散為

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

質子通過物體后損失能量，發(fā)生能量分散.磁透鏡對不同能量的質子聚焦位置不同，也將導致模糊，這就是所謂的色差［8］.

3 質子照相原理

質子照相原理與X射線照相原理都是通過測量入射到被測物體上的粒子束衰減來確定被測物體的物理性質和幾何結構.

由于多重庫侖散射，穿過被照物體的質子束有不同的散射方向，形成一個相對于入射方向的錐形束，需要磁透鏡系統(tǒng)才能成像.如果質子照相的模糊效應持續(xù)存在的話，質子照相的潛力可能永遠不會被發(fā)掘出來.1995年，Morris發(fā)現磁透鏡能使質子聚焦進而消除模糊效應，最初進行的實驗證實了他的觀點的正確性.后來， LANL的另一位物理學家John Zumbro改進了磁透鏡系統(tǒng)的設計方案，稱為Zumbro透鏡［4］. 

Zumbro透鏡的主要優(yōu)點是它的消色差能力.加速器產生質子束并非是單一能量的束流，實驗客體對質子的散射增加了質子能量的分散，不同能量的質子具有不同的焦距，導致圖像模糊.基于這樣的考慮，Zumbro采用在入射質子束的路徑上增加一個匹配透鏡(matching lens)，匹配透鏡的設計使得入射到被測物體上的質子束具有角度-位置關聯，即質子與透鏡光軸夾角與質子離軸的徑向距離成正比.而且，角度-位置的關聯系數與成像系統(tǒng)磁透鏡的設計有關［9］. 這樣，可以消除由能量分散引起圖像模糊的主要色差項.

剩余的色差項為

x=-x0+Cxθ0δ，(8)

式中Cx為透鏡的色差系數，θ0為多重庫侖散射角，δ為動量的分散.由（3）式和（7）式可知， 多重庫侖散射角和動量的分散都與入射質子的能量成反比.因此，為了盡可能減小色差對空間分辨率的影響，質子束的能量越高越好.高能量意味著大規(guī)模和高造價，根據空間分辨率隨能量的變化趨勢以及大尺度流體動力學試驗的精度要求，LANL為先進流體動力學試驗裝置 (AHF)建議的質子能量為50GeV.

質子照相技術的關鍵之處在于其獨特的磁透鏡系統(tǒng).圖1給出了LANL質子照相磁透鏡成像示意圖［10］.首先，質子束通過金屬薄片擴散，再經過匹配透鏡照射到客體(匹配透鏡除了減小色差以外，還可以使質子束在擊中物體前發(fā)散開來，以便覆蓋整個物體，避免了使用很厚的金屬作為擴束器)，這部分稱為照射(illuminator)部分;接著是三個負恒等透鏡組，分別是監(jiān)控（monitor）透鏡組、兩級成像透鏡組.

Tom Mottershead 和John Zumbro論證了可以根據庫侖散射角的不同，在透鏡系統(tǒng)的某個位置(傅里葉平面)，可以將不同的散射質子束區(qū)分開來.在傅里葉平面，散射角等于0的質子位于中心，散射角越大，半徑越大.離開這個透鏡后，質子就能在空間上聚焦.如果在這個位置平面放置角度準直器，可以將某些散射角度的質子束準直掉，對允許的角度范圍進行積分，得到總質子通量為

NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)

第一個角度準直器允許通過的角度范圍為［0，θ1cut］，則第一幅圖像接收到的質子通量為

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)

第二個角度準直器允許通過的角度范圍為［0，θ2cut］，且θ2cut

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)

角度準直器的使用增加了圖像的對比度.根據物體的光程調節(jié)角度范圍，可獲得最佳的圖像對比度.通過分析兩幅圖像得到的數據，可以提供密度和材料組分的信息.

考慮到探測器記數服從泊松統(tǒng)計分布，面密度的測量精度要達到1%，則圖像平面上每個像素需要的入射質子數應為104，每幅圖像大約需要的質子數應為1011. 如果一次流體動力學試驗需要獲得12個角度，每個角度20幅圖像，則每次加速的質子總數達3×1013個.

4 質子照相裝置

質子照相技術自1995年首次在美國LANL被論證以來，LANL和布魯克海文國家實驗室(BNL)進行了大量的實驗，其中很多次是和圣地亞（SNL）、勞倫斯利弗莫爾（LLNL）以及英國原子武器研究機構（AWE）合作完成的，直接針對流體動力學有關的關鍵科學問題［11］.實驗主要分為兩部分:一是在LANL的洛斯阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上進行的小型動態(tài)實驗（質子能量800MeV），小型動態(tài)實驗主要包括:高能炸藥的爆轟特性實驗、金屬和材料對強沖擊加載的復雜響應實驗（包括失效、不穩(wěn)定性和微噴射等）以及驗證內爆過程后期的材料動力學和材料狀態(tài)的實驗；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進行的用于診斷大尺度流體動力學試驗的高能質子照相實驗（質子能量12GeV或24GeV）.進行高能質子照相的目的是:發(fā)展高能質子照相所需技術，驗證采用質子照相進行大尺度流體動力學試驗的能力，以及與DARHT進行某些直接的比較.對于厚的流體動力學試驗客體而言，質子照相的質量遠好于DARHT的照相結果.如果DARHT要獲得同樣的照相細節(jié)，需將其劑量提高100倍.而且比照片質量更重要的是，質子照相具有定量的特性.質子照相因其低劑量、定量的密度重建、亞毫米空間分辨率以及超過每秒500萬幅的多幅照相頻率等特性而成為新一代流體動力學試驗閃光照相設施的必然選擇.

LANL為AHF建議的質子照相裝置包括質子束源、照相布局、磁透鏡成像及探測器系統(tǒng)，圖2給出了質子加速器和分束系統(tǒng)方案［12］.質子束源是一臺能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺H-直線加速器注入器，一臺3GeV的增強器和一臺50GeV的主加速器.采用快速踢束調制器將質子束從3GeV增強器注入50GeV主加速器，經過同步傳輸系統(tǒng)和使用分束器將質子平均分成多個子束.最后從多個方向同時照射到實驗靶上.質子束穿過實驗靶后，磁透鏡系統(tǒng)對質子束信號進行分類，由探測系統(tǒng)記錄數據.實驗布局的復雜性都遠遠超出了閃光照相實驗.

圖2 LANL的質子加速器和分束方案

LANL提出的質子照相裝置的主要指標:質子束能量達到50GeV，空間分辨率優(yōu)于1mm，密度分辨率達到1%;每次加速的質子總數達3×1013個，每幅圖像的質子數達到1×1011個;每個脈沖的間隔最小為 200ns，質子到達靶的前后誤差不超過15ns;每個視軸可連續(xù)提供20個脈沖，視軸數12個，覆蓋角度達165°.這樣，一次流體動力學試驗可獲得12個角度，每個角度20幅圖像.

2000年，LANL給出了發(fā)展質子照相的研究計劃.整個裝置預計投資20億美元，其中質子加速器系統(tǒng)使用原有的部分設備，需要5678.8萬美元.裝置的建造時間需要10到15年，分幾個階段進行:2007年前，建造50GeV同步加速器、2個軸成像系統(tǒng)和靶室1;2008—2009年，建造3MeV增強器（booster）、4個軸成像系統(tǒng)和靶室2;2010—2011年，8—12個軸成像系統(tǒng).從目前的調研情況來看，原計劃2007年前完成的任務沒能按期完成.因此，這個計劃要推遲.最新的研究計劃未見報道.

5 質子照相與X射線照相的比較

我們通過與現有最好的流體動力學試驗裝置——DARHT比較來說明質子照相的特點和優(yōu)勢［13］.

(1) 三維動態(tài)照相. 由于質子加速器固有的多脈沖能力和質子束分離技術，因此，質子照相能夠提供多個時刻、多個方向的三維動態(tài)過程圖像.質子照相能夠提供超過20幅的圖像，這種多幅能力可得到內爆運動過程的動態(tài)圖像. 而DARHT沿一個軸只能得到4幅圖像，沿其垂直軸得到1幅圖像.另外，質子照相不需要轉換靶，保證了多次連續(xù)照相不受影響，而X射線照相由于需要轉換靶，需要考慮束斑的影響.

(2) 精細結構分辨.高能質子穿透能力強，其穿透深度和流體動力學試驗模型達到理想匹配.相比之下，X射線只有在4MeV能量時才能達到最大圖像對比度，此時其穿透能力只有高能質子的1/10. 質子照相能測定密度細微變化的另一個理由是質子散射能得到控制. 散射質子可以被聚焦形成視覺上無背景、對比鮮明的圖像.而實驗客體對X射線形成的大角度散射無法控制，降低了照相的精度和靈敏度.

(3)質子對密度和材料都比較敏感，可以分辨密度差別不大的兩種物質.實際上，質子散射的利大于弊，它能用于識別物質的化學組成.利用兩個相同的磁透鏡系統(tǒng)和不同孔徑準直器串聯組成的兩級成像系統(tǒng)，通過對兩種不同準直孔徑得到的數據進行分析，可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對密度敏感，故分辨不出密度差別不大的兩種物質.

(4) 曝光時間可調.質子加速器能夠產生持續(xù)時間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”，每幅圖像可用8—20個脈沖的時間進行曝光.因此，質子照相可任意選定曝光時間和間隔.內爆初期，研究人員可以選擇較長的曝光時間和間隔，對較慢的運動進行連續(xù)式“凍結”照相.當內爆速度變快時，可以縮短曝光時間.DARHT的脈沖時間由電路決定，一旦脈沖的時間間隔和持續(xù)時間固定，只能以固定的時間間隔照相，研究人員只能指定第一幅圖像的時間.

(5)探測效率高.質子是帶電粒子，直接與探測介質中的電子相互作用產生信號，因此，很薄的探測器就能將質子探測出來.如此薄的探測介質接收不到被探測客體中產生的中子和 γ光子.

(6)空間分辨率高.X射線照相是X射線穿過樣品打到閃爍體或底片成像，沒有聚焦過程(事實上，對4MeV的X射線還沒有聚焦辦法)，圖像的空間分辨率由光源的尺寸(焦斑)決定.質子散射雖然也會引起圖像模糊，但質子散射是可控的，可以通過磁透鏡聚焦成像.磁透鏡不僅能聚焦質子，而且能減小次級粒子的模糊效應.但不同能量質子的聚焦不同，也將導致模糊.Zumbro改進了透鏡系統(tǒng)，消色差提高了圖像品質.對于小尺寸物體的靜態(tài)質子照相，空間分辨率可到100μm，最近的質子照相實驗已達到15μm，并有達到1.2μm的潛力.

6 結束語

質子照相是美國國防研究與基礎科學相結合而誕生的高度多用性的發(fā)明.質子照相若不是與國防基礎研究共同立項，也絕不會有如今的發(fā)展.雄厚的武器實驗基礎能持續(xù)提供人員和創(chuàng)新技術.質子照相極大地提高了流體動力學試驗的測量能力.它所具有的高分辨率能夠精細辨別內爆壓縮的細節(jié)，多角度照相有利于建立完整的流體動力學模型，多幅連續(xù)照相更加容易判斷沖擊波和混合物隨時間變化的情況.近年來，科學家們加緊了對高能質子照相的研究.目前，X射線照相仍然是流體動力學試驗的主要設備.總有一天，質子照相將代替X射線照相并對流體動力學試驗進行充分解釋.

參考文獻

［1］ Burns M J， Carlsten B E， Kwan T J T et al. DARHT Accelerators Update and Plans for Initial Operation. In: Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference. New York， 1999.617

［2］ Gavron A， Morris C L， Ziock H J et al. Proton Radiography. Los Alamos National Report， LA-UR-96-420， 1996

［3］ Morris C L. Proton Radiography for an Advanced Hydrotest Facility. Los Alamos National Report， LA-UR-00-5716， 2000

［4］ Mottershead C T， Zumbro J D. Magnetic Optics for Proton Radiography. In: Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference. Vancouver B C， 1997. 1397

［5］ King N S P， Ables E， Alrick K R et al.Nucl. Instrum Methods in physics research A， 1999， 424(1): 84

［6］ Fishbine B. Proton Radiography Sharper “X-Ray Vision” for Hydrotests. In:The Winter 2003 Issue of Los Alamos Research Quarterly. Los Alamos National Laboratory， 2003

［7］ Aufderheide III M B， Park HS， Hartouni E P et al. Proton Radiography as a Means of Material Characterization. Lawrence Livermore National Laboratory， UCRL-JC-134595， 1999

［8］ Amann J F， Espinoza C J， Gomez J J et al. The Proton Radiography Concept. Los Alamos National Laboratory， LA-UR-98-1368， 1998

［9］ Barbara B， Andrew J J. Chromatically Corrected Imaging Systems for Charged-Particle Radiography. In: Proceedings of the 2005 Particle Accelerator Conference. Knoxville， 2005. 225

［10］ Andrew J J， David B B， Barbara B et al. Beam-Distribution System for Multi-Axis Imaging at the Advanced Hydrotest Facility. In: Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference. Chicago， 2001. 3374

［11］ Morris C L， Hopson J H， Goldstone P. Proton Radiography. Los Alamos National Laboratory， LA-UR-06-0331， 2006

流體動力學原理范文第2篇

【關鍵詞】輸油管道 workbench 雙向流固耦合 流體動力學

1 引言

流體動力學是研究流體平衡的條件及壓強分布、流體運動規(guī)律、以及流體與固體之間的相互作用等，研究結果對分析管道的振動及影響因素有重要意義。本文針對新疆某石化公司的10-K-302C離心式甲烷制冷壓縮機自開機以來油管線振動較大的問題，通過對管內流體流動狀態(tài)進行模擬分析，得出了流體耦合前后動力特性的變化及管道振動的原因。

2 雙向流固耦合分析原理

流固耦合要遵循質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒，所以在流固耦合交界面處，應滿足流體域固體應力（σ）、位移（d）、溫度（T）、熱流量（q）等變量的相等或守恒，即滿足下面四個方程：

σ分別為液體、固體應力。

3 流體和管道的計算模型

就10-K-302C離心式甲烷制冷壓縮機裝置的油管線位移較大現象，通過分析油耦合前后的動力學特性，找出流體運動特性，對尋找該管道振動原因有重要指導作用。出口管道的管路圖如圖1：選取油在彎管中心軸線處的1、、2、、3、、4、點，及在出口處5、為觀測點。

圖3 耦合后油速度流線圖

耦合前后油與管道接觸壁面的壓力云圖4和圖5。絕對壓力均在入口處較大，彎頭處較其連接處的直管壓力較大。耦合前油壁面的最大絕對壓力為772KPa，最小絕對壓力為759.9KPa，壓力波動值為1.58%，壓力波動較小。流固耦合后接觸壁面的壓力大小和分布與耦合前幾乎相同。圖5 耦合后油壁面絕對壓力

流體動力學原理范文第3篇

關鍵詞：CFD；數值模擬；Fluent；摩托車

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2012）06-0190-02

一、CFD數值模擬概述

數值模擬，是工科類學生的一門重要的專業(yè)課，主要培養(yǎng)學生的計算機應用、開發(fā)能力和綜合運用相關學科知識解決實際問題的能力。CFD（computational fluid dynamics）數值模擬，是以計算機為手段，通過數值計算和圖像顯示的方法，在流動基本方程（質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程等）控制下對流體流動進行模擬。CFD在航天航空、汽車設計、機械、船舶、材料加工、化工等許多領域有著廣泛的應用。本文結合作者多年來在材料加工和汽車摩托車設計領域的綜合教學經驗，對CFD數值模擬在這兩個領域進行了課程研究。通過該課程的教學研究與實踐，對教學手段進行改革和完善，提高了教學質量，增強學生的實際應用能力。

二、CFD數值模擬軟件簡介

目前，進行CFD數值模擬計算常用的軟件有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD軟件都包含有3個主要的功能部分：前處理、求解器、后處理。其中前處理是指對計算對象進行建模、生成網格和選取邊界面等；求解器是指求解控制方程組的程序；后處理是指對計算結果進行輸出、顯示。

三、CFD數值模擬實踐應用實例

應用Fluent軟件進行對某摩托車車身行駛過程中的三維流場進行CFD數值模擬，根據結果分析其空氣動力學特性，包括其氣動力系數和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、速度流線圖等。這里主要介紹其前處理以及求解過程。

1.模型的建立及網格劃分。確立CFD研究模擬的對象，建立模型。對于簡單的模型，可直接在FLUENT的前處理軟件GAMBIT中建立二維或者三維模型；對于較復雜的模型，可在CATIA、UG等三維造型軟件中，采用正向設計或者逆向設計，完成三維實體造型。由于摩托車外形復雜，在不影響車身前部迎風面積的情況下需要對摩托車模型進行一定的簡化，方便進行CFD數值模擬。將該模型文件以STP文件格式導入到FLUENT的前處理軟件GAMBIT中。這里需要建立兩個方體。其中小方體是為了細化車身周圍的網格而設置的密度體，大方體是車身行駛過程中所處于的流場，相當于空氣動力學試驗中的“風洞”。將大方體和摩托車車身進行布爾求差運算，得到的空間區(qū)域即為CFD數值模擬的計算域。對計算域進行非結構化網格的劃分，其中計算域中的小方體區(qū)域進行網格細化處理，其余部分進行網格粗化處理。最后的網格總數在150萬個左右。設置入口和出口邊界面等，保存輸出網格模型，如圖1所示：

2.物理模型參數的建立和求解計算。入口邊界設定為速度入口，V=20m/s；出口邊界設定為壓力出口，出口相對于遠方來流處的壓力為零，即靜壓值取零。本次仿真選擇Realizable k-ε模型，根據摩托車尺寸得k=0.0338m2／s2，ε=0.00185m3／s3。其中k為計算湍流動能，ε為湍流耗散率。采用耦合隱式求解器，對模型進行收斂計算。

3.CFD數值模擬計算的后處理。待模型計算收斂后，在后處理窗口中觀察摩托車行駛過程中的各個物理場量分布情況。圖2所示為該摩托車的表面壓力分布云圖。根據摩托車氣動力系數和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、尾流場的湍流特征等物理量，對摩托車前部車身進行造型優(yōu)化，以達到減小風阻的目的。

通過講述CFD數值模擬課程，了解CFD的基本原理及概念，同時對CFD相關軟件有了基本認識；并結合Fluent軟件研究某摩托車行駛過程中的空氣動力學性能，提高了學生對CFD數值模擬的理解能力和實際運用能力。

參考文獻：

[1]溫正，石良辰，任毅如.FLUENT流體計算應用教程[M].北京：清華大學出版社，2009：1-2.

[2]王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3]于勇，張俊明，等.FLUENT入門與進階教程[M].北京：北京理工大學出版社，2008：49-55.

[4]張英朝，楊博，張喆.摩托車的空氣動力特性研究[J].小型內燃機與摩托車，2007，36（1）：1-4.

[5]張杜鵲.轎跑車外流場數值模擬與分析（碩士學位論文）[D].武漢理工大學，2010.

基金項目：本文得到“湖北省高等學校省級教學研究項目（項目編號：2008078）”資助

作者簡介：朱春東（1963-），男，湖北廣水人，副教授，碩士，主要研究方向為數值模擬和成型工藝及控制。

摘要：本文結合CFD數值模擬教學與實踐經驗，講述了流體動力學分析的原理和具體的數值模擬方法，并運用流體模擬軟件Fluent對某摩托車行駛過程中的流場進行模擬分析。

關鍵詞：CFD；數值模擬；Fluent；摩托車

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2012）06-0190-02

一、CFD數值模擬概述

數值模擬，是工科類學生的一門重要的專業(yè)課，主要培養(yǎng)學生的計算機應用、開發(fā)能力和綜合運用相關學科知識解決實際問題的能力。CFD（computational fluid dynamics）數值模擬，是以計算機為手段，通過數值計算和圖像顯示的方法，在流動基本方程（質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程等）控制下對流體流動進行模擬。CFD在航天航空、汽車設計、機械、船舶、材料加工、化工等許多領域有著廣泛的應用。本文結合作者多年來在材料加工和汽車摩托車設計領域的綜合教學經驗，對CFD數值模擬在這兩個領域進行了課程研究。通過該課程的教學研究與實踐，對教學手段進行改革和完善，提高了教學質量，增強學生的實際應用能力。

二、CFD數值模擬軟件簡介

目前，進行CFD數值模擬計算常用的軟件有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD軟件都包含有3個主要的功能部分：前處理、求解器、后處理。其中前處理是指對計算對象進行建模、生成網格和選取邊界面等；求解器是指求解控制方程組的程序；后處理是指對計算結果進行輸出、顯示。

三、CFD數值模擬實踐應用實例

應用Fluent軟件進行對某摩托車車身行駛過程中的三維流場進行CFD數值模擬，根據結果分析其空氣動力學特性，包括其氣動力系數和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、速度流線圖等。這里主要介紹其前處理以及求解過程。

1.模型的建立及網格劃分。確立CFD研究模擬的對象，建立模型。對于簡單的模型，可直接在FLUENT的前處理軟件GAMBIT中建立二維或者三維模型；對于較復雜的模型，可在CATIA、UG等三維造型軟件中，采用正向設計或者逆向設計，完成三維實體造型。由于摩托車外形復雜，在不影響車身前部迎風面積的情況下需要對摩托車模型進行一定的簡化，方便進行CFD數值模擬。將該模型文件以STP文件格式導入到FLUENT的前處理軟件GAMBIT中。這里需要建立兩個方體。其中小方體是為了細化車身周圍的網格而設置的密度體，大方體是車身行駛過程中所處于的流場，相當于空氣動力學試驗中的“風洞”。將大方體和摩托車車身進行布爾求差運算，得到的空間區(qū)域即為CFD數值模擬的計算域。對計算域進行非結構化網格的劃分，其中計算域中的小方體區(qū)域進行網格細化處理，其余部分進行網格粗化處理。最后的網格總數在150萬個左右。設置入口和出口邊界面等，保存輸出網格模型，如圖1所示：

2.物理模型參數的建立和求解計算。入口邊界設定為速度入口，V=20m/s；出口邊界設定為壓力出口，出口相對于遠方來流處的壓力為零，即靜壓值取零。本次仿真選擇Realizable k-ε模型，根據摩托車尺寸得k=0.0338m2／s2，ε=0.00185m3／s3。其中k為計算湍流動能，ε為湍流耗散率。采用耦合隱式求解器，對模型進行收斂計算。

3.CFD數值模擬計算的后處理。待模型計算收斂后，在后處理窗口中觀察摩托車行駛過程中的各個物理場量分布情況。圖2所示為該摩托車的表面壓力分布云圖。根據摩托車氣動力系數和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、尾流場的湍流特征等物理量，對摩托車前部車身進行造型優(yōu)化，以達到減小風阻的目的。

通過講述CFD數值模擬課程，了解CFD的基本原理及概念，同時對CFD相關軟件有了基本認識；并結合Fluent軟件研究某摩托車行駛過程中的空氣動力學性能，提高了學生對CFD數值模擬的理解能力和實際運用能力。

參考文獻：

[1]溫正，石良辰，任毅如.FLUENT流體計算應用教程[M].北京：清華大學出版社，2009：1-2.

[2]王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3]于勇，張俊明，等.FLUENT入門與進階教程[M].北京：北京理工大學出版社，2008：49-55.

[4]張英朝，楊博，張喆.摩托車的空氣動力特性研究[J].小型內燃機與摩托車，2007，36（1）：1-4.

[5]張杜鵲.轎跑車外流場數值模擬與分析（碩士學位論文）[D].武漢理工大學，2010.

基金項目：本文得到“湖北省高等學校省級教學研究項目（項目編號：2008078）”資助

流體動力學原理范文第4篇

【關鍵詞】CFD 高爐出鐵廠除塵系統(tǒng) 管網平衡

一、引言

隨著社會的進步，生產力高度發(fā)達的同時，隨之而來的就是人類的生存環(huán)境日益破壞，鋼鐵行業(yè)又是污染物排放大戶，煉鐵廠、煉鋼廠及軋鋼廠又是鋼鐵企業(yè)的主要污染源，冶煉每噸鋼水大約產生2.5kg煙塵。污染物主要是金屬和非金屬氧化物固體粉塵、一氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體有害物。對鋼鐵生產過程中產生的粉塵進行有效的捕集及處理，是鋼鐵企業(yè)節(jié)能環(huán)保研究的重要課題。捕集的關鍵又在如何控制好除塵管道的流量分配問題，但傳統(tǒng)的水力計算設計方法已經不能滿足現有設計的要求。

本文采用方法主要是利用計算流體力學方法（CAE）對高爐出鐵場除塵系統(tǒng)的管網系統(tǒng)進行分析，力求找到一套適合指導現有除塵系統(tǒng)設計的方式。

二、研究方法簡介

CFD（Computational Fluid Dynamics）即計算流體力學，是建立在經典流體動力學與數值計算方法基礎上的一門新學科，具有適應性強、應用面廣的優(yōu)點?；舅枷胧怯靡幌盗杏邢迋€離散點上的變量值的集合來代替將空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和溫度場；然后，按照流動基本方程（質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程）建立這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，通過這種數值計算，得到復雜問題基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）在流場內各個位置的分布，以及這些物理量隨時間變化情況。

1） 分析計算原理

鋼鐵車間除塵的CAE仿真中，必須考慮的一個重要物理現象是熱氣流的浮升，即氣流在鐵水表面受熱膨脹，密度減小，在浮升力的作用下形成上升的熱氣流。湍流模型中Gb為考慮熱氣流浮升力對湍流的影響，具體表達式如下：

粉塵是CAE仿真模型中另一個重要方面，粉塵顆粒直徑小，具有良好的跟隨性，隨氣體運動而運動，因此可以認為粉塵顆粒與氣流具有相同的速度，粉塵的運動速度不必再行仿真計算。但是粉塵對鐵水與氣流之間的輻射換熱過程有重要影響，氣流中粉塵濃度越高，氣流的輻射吸收系數越大，相反，純凈的空氣對輻射的吸收系數接近于零。含塵氣流的輻射吸收系數用下式計算得到：

2） 數值分析模型

鋼鐵車間除塵的CAE仿真幾何模型包含了較多復雜結構，且CAE模型求解對網格質量要求不是很高，因此網格劃分可完全采用非結構化網格，否則將大大延長CAE仿真的時間周期。考慮到目前的計算機能力，百萬量級的網格數量是合適的。

CAE仿真模型的求解采用SIMPLE算法，具體求解過程可在Fluent軟件中實現。

3） 材料參數

本CAE分析所涉及的流體主要為空氣和鐵水，空氣密度按照理想氣體定律進行計算，以考慮溫度變化對空氣密度的影響。

4）邊界條件

對除塵管道的流量分配仿真，進口采用壓力進口邊界條件，在除塵點處設置足夠大的自由空間以使得進口邊界處壓力為大氣壓；出口給定空氣流量，數值為相應除塵點的設計風量。

仿真模型的輸入與輸出

輸入條件

1. 幾何模型，包括除塵區(qū)域設備、捕集罩和除塵管道等（附圖所示）

2. 鐵水溫度及黑度

3. 環(huán)境溫度及氣壓

4. 各除塵支管風量

輸出結果

1. 各除塵支管煙氣溫度（可現場測試）

2. 除塵效率

三、除塵管道仿真

通過CAE的方式對高爐出鐵場除塵管道的風量分配進行建模仿真。下圖是對某高爐的3#出鐵口的管道進行的仿真建模，包括鐵口側吸、頂吸、撇渣器以及擺動流嘴的除塵罩以及除塵支管、除塵總管，在除塵總管末端施加壓力出口邊界條件，各除塵罩給定足夠大的自由空間，同時施加壓力入口邊界條件，且入口壓力和溫度為當地大氣壓和車間環(huán)境溫度。

由于現場條件的限制，除塵風量的測量僅在頂吸、兩個側吸以及煙囪的風量測定孔處進行。下表為3#出鐵口在測試、設計和CAE計算下的除塵風量分配及溫度。表中風量單位為（m3/h），溫度單位為（℃）。

四、小結

高爐出鐵場除塵系統(tǒng)的除塵管道均可以通過相同的CAE模型進行仿真分析，仿真得到除塵管道的風量分配且結果可靠，用于指導除塵管道的優(yōu)化設計。

參考文獻

[1]王福軍，計算流體動力學分析，北京：清華大學出版社，2006：13～16

[2]鋼鐵企業(yè)采暖通風設計手冊，中國冶金建設協會

[3]中華人民共和國標準，采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范GB50019

[4]中華人民共和國標準，通風與空調工程施工質量驗收規(guī)范 GB50243

流體動力學原理范文第5篇

【關鍵詞】節(jié)能賽車 造型設計 仿真 材料 模型制作

本田節(jié)能競技賽車大賽是由日本本田（Honda）汽車公司舉辦，所有賽車搭載組委會提供的125cc低油耗4沖程發(fā)動機，各個車隊獨立完成對發(fā)動機的改造及車架結構、車身造型的設計，最終以同等路程的燃油消耗量為評判依據。

一、造型設計流程分析

鑒于同等路程的燃油消耗量為比賽結果的評判標準，故要求設計者通過減少能量損失來降低整車的行駛能耗。經過對裸車架和有車殼的節(jié)能賽車的對比試驗，發(fā)現二者燃油消耗量竟相差一倍之多。再根據汽車行駛方程：驅動力=風阻+摩擦阻力+加速阻力+爬坡阻力，發(fā)現風阻和摩擦阻力都受到車身造型的影響。故車身造型對減少整車行駛能耗、提升整車動力性能具有重要作用。

節(jié)能競技賽車的造型設計主要分為三個階段。首先是車身造型設計階段，結合設計美學、仿生學、色彩學等知識，設計出符合空氣動力學要求的氣動車身造型。其次是空氣動力學仿真，車體匹配仿真階段，利用CFD仿真技術計算流體動力學，針對車殼和車架做車體匹配仿真，檢查有無干涉是否匹配，確定最終方案；工藝材料分析、車身模型制作階段，對比分析材料特性、加工工藝，選定制作材料，完成模型制作，車殼成型。

二、車身造型仿生與色彩設計

仿生設計已經被廣泛應用于汽車造型設計。從自然界尋找設計靈感，將自然和諧的生物形態(tài)、合理的生物結構應用于汽車造型，不僅能提升整車的視覺沖擊力與吸引力，還能使整車造型氣韻生動、富有生命力。經過對生物流體結構及美感特征的分析，選定以具有流線美的大白鯊為生物原型進行仿生設計。大白鯊流線型造型飽滿有力、優(yōu)美光滑，身體呈“中間寬、兩頭尖”的紡錘狀結構，可有效的分散行進阻力，加快運動速度。

通過對大白鯊的流線型造型特點及神態(tài)特征的提取，結合低空氣阻力系數車身應滿足的條件，以大白鯊的流線型特征為藍本進行了節(jié)能賽車的優(yōu)化仿生設計。根據人機工程學理論，設定了整車的尺寸與駕駛空間，整車長約2.5m，寬約1m，高約0.6m。在保證駕駛員安全舒適的同時，在前方為駕駛者留有90度的觀察視野，以確保駕駛者視線清晰。以大白鯊為仿生原型的節(jié)能賽車源于具象而又超越具象，整車造型光滑流暢、飽滿有力、曲線豐富而又細膩。

車身主體以黑色為主，輔以柳紅色，紅黑配色相得益彰、動感十足，使整車造型穩(wěn)重而又不失激情。在車頂窗與車體分界線的位置以柳紅色過渡，突顯曲面的光滑飽滿。自車頭延伸至車身中部加一抹火焰狀的明亮的柳紅色，有利于在視覺上拉伸整體造型，彰顯優(yōu)美修長、富有動感的側面形態(tài)。

三、空氣動力學仿真與車體匹配仿真

根據前期設計方案，利用Rhino軟件輸出三維模型，再利用CFD仿真技術計算流體動力學，分析賽車的阻力和升力兩個因素。根據空氣阻力分析發(fā)現，由于車架底部、車輪等構件未包裹，導致內循環(huán)阻力增大；由于車頭位置較窄較高、尾部過寬，導致氣流通過不順暢、行車不穩(wěn)定。針對上述問題修改方案，對車架實行全包裹，僅在車輪位置留有轉向空間，盡量壓低車頭前端造型，適當加寬中前部造型，使前車頭和尾部盡量尖銳化。對修改后的方案進行二次空氣動力學仿真，之前存在的問題得到了緩解，有效降低了整車的氣動阻力、側風條件下的升力。

空氣動力學仿真后進行車殼、車架匹配仿真。大賽規(guī)定：參賽車輛的車輪必須為3輪以上（包括3輪）。為了降低行進阻力、保證行駛的安全性，選取前兩輪后一輪的車架模式。對輸出的車殼和車架的三維模型做車體匹配仿真，發(fā)現在車輪處留有的10cm的轉向空間較適宜，其余位置經檢查無干涉，車殼和車架很匹配，確定了最終的三維模型。

四、工藝材料分析與模型制作

據數據顯示，整車質量減輕10%，油耗可減少8.5%。節(jié)能賽車也是如此，選擇輕質材料對降低整車行駛能耗具有重要作用。節(jié)能競技賽車比較常見的車體材料為鋁材、玻璃鋼和碳纖維。經分析發(fā)現鋁材雖可滿足輕巧、塑性強、易加工的要求，但其自身硬度較低，易使車殼不穩(wěn)定。玻璃鋼硬度高、性能穩(wěn)定，但質量略重。碳纖維質量輕、硬度高，但加工模型過程復雜，成本較高。

在充分衡量各材料輕便、結實、安全和價格等的因素下，選定強芯氈、玻璃纖維、碳纖維、樹脂為備選材料，制作1：20的小比例模型，進行材料分析實驗。1.強芯氈和玻璃纖維實驗。一層強芯氈一層玻璃纖維：強度夠，但曲面部分成型困難，表面平整度不好。2.玻璃纖維和樹脂實驗。兩層玻璃纖維加樹脂：強度適中，光滑度好，成型容易控制。3.碳纖維和樹脂實驗。碳纖維加樹脂：強度高，質量最輕，但成本較高。綜合衡量各材料的特性及工藝水平，最后選定車體由玻璃纖維和樹脂材料加工制作，透明車窗部分選用亞克力材料。

模型制作階段主要分為以下五個步驟：第一步：從三維圖中導出三視圖1：1打印，作為整車的尺寸參照圖；第二步：依據車身尺寸，選用聚氨酯塑料制作模具，再用石膏為模具定型；第三步：清理模具，刷上脫模劑，再用薄膜隔離、上玻璃纖維刷樹脂晾干；第四步：選擇開模位置，把上下分開；第五步：進行和車架的匹配安裝。

結語

北京林業(yè)大學設計制作的節(jié)能競技賽車曲面飽滿、富有動感，符合空氣動力學要求。本文重點講述了節(jié)能賽車車身造型仿生與色彩設計的過程、空氣動力學仿真與車殼、車架匹配仿真的作用及工藝材料分析與模型制作的方法，通過闡述北京林業(yè)大學節(jié)能競技賽車設計實踐應用，可以為其他車隊提供借鑒。

參考文獻：

[1]付桂濤. 汽車造型設計中的仿生原理[J]，裝飾，2006（7）.

[2]余柳燕.汽車燃料經濟性試驗方法與評價體系[D]，武漢理工大學，2011 （73）.

作者：喬麗華系北京林業(yè)大學藝術設計學院工業(yè)設計專業(yè)2013級碩士研究生