流体动力学分析
前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇流体动力学分析范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。
流体动力学分析范文第1篇
关键词：液压支架；流体；动力响应；非稳态
1液压支架前连杆三维结构模型
利用大型有限元分析软件Solidworks对液压支架前连杆进行建模，并且进行简化处理，以便进行流体动力学分析。简化的具体情况：（1）忽略倒角圆角等细小特征，该特征将直接影响收敛速度，从而影响结果的精度；（2）忽略建立销轴零件模型，在载荷设置中可以设置相关的约束，否则会影响前连杆动力学参数曲线的输出精度；（3）忽略焊缝的影响。材料属性为：弹性模量210GPa，泊松比μ=0.3，密度7850kg/m3，前连杆三维结构模型如图1所示。图1前连杆三维结构模型在网格划分过程中，单元选择SHELL63，该单元是一种应用于大变形和应力刚化的四节点弹性壳单元，每个节点自由度具有绕X、Y、Z轴的转动和沿X、Y、Z方向的平动6个自由度。通过赋予4个节点来建立不同厚度分布的模型，对于不规则形状的结构具有较高精度。网格化的前连杆如图2所示，节点数14537，单元总数7089。
2基本控制方程
液压支架前连杆附近流体为黏性不可压缩流体流动，运动类型为湍流运动，雷诺数为4200，并且满足以下控制方程：连续性方程。
3前连杆流体动力学分析
边界条件及数值计算方法为前连杆承受的载荷主要为液压支架的摆动及转动。在工程应用中，一般转速为0.8m/s，本文模型的计算域大小为长5m、宽3m、高4m，前连杆位于计算域的中心位置。数值计算方法为Simple算法，周围流体满足的连续性方程、动量方程、能量方程等的残差均小于10-6，当参数趋于渐近值时，达到收敛，之后采用Quick格式求解，再次进行迭代直至收敛。图3、图4为前连杆在非稳态情况下切面云图变化。由图3可知，前连杆切面周围温度由同一方向293.17~293.25K过渡，最终趋于293.19K，呈稳态变化，这是由于该系统符合能量守恒定律，表面有一定的温度，流体接触前连杆形成散射波，并且绕流在前连杆周围，导致温度升高。流体距离前连杆越远，绕流逐渐散去，温度降低。图4给出了塔架切面静压等高线，经过流体的前连杆静压变化由1.01278×105Pa向1.01348×105Pa过渡，呈非线性增长，最终趋于1.01320×105Pa，压力变化平缓，避免了由于压力变化幅度过大引起结构失效。图3、图4说明了前连杆结构能够适应在非稳态流体载荷的温度及压力变化，数值模拟结果中的温度及压力变化没有出现极值幅度，周围不易形成漩涡，保证了前连杆在液压支架中的正常运行。图5、图6、图7分别为湍流动能、平均动能、相对压力变化曲线。从图5可知，前连杆的湍流动能最大值为4.8J/kg，随着长度的逐渐增大先减小后增大，最后达到最大值，这是由于前连杆机械能增大，随后逐渐减小，趋于一个定值。从图6可知，平均运动能在0~12s出现振幅较小的振荡，12~24s出现幅度较大的振荡，最后趋于定值，完成了一个脉动周期，说明能量耗散变化趋势和机械能与内能之间转换的关系，12~24s能量耗散是最大的，内能转换为机械能也是最大的，符合能量守恒定律，辐射阻尼使系统的部分能量向四周辐射出去，使前连杆平均运动能呈现振荡。从图7可知，随着长度的增加呈现减小与增加的交替现象，这是由于前连杆在刚启动时，相对压力与平均力矩即扭矩呈正比关系，随着前连杆的转动，扭矩的劲逐渐增大，然后减小，呈现交替现象，符合扭矩变化规律。图8、图9分别为前连杆应力和位移变化云图，应力变化在范围允许之内，整个前连杆应力幅度变化不大，承受主要载荷的区域显示浅绿色，其余部分由图中应力的颜色可知在安全范围内，符合强度要求。从位移变化云图可知，位移在0.02~0.15mm浮动，符合稳定性要求，稳定性尤为重要，直接关系前连杆与其他配合零件相对位置，进而影响整个系统的稳定。
4结语
经过液压支架前连杆的流体动力学分析，可以得出，液压支架前连杆承受非稳态流体载荷的静压与温度变化，符合流体动力学规律，压力变化平缓，呈现非线性增长。平均动能出现振幅较小的振荡，最后趋于定值，符合能量守恒定律，应力与位移变化幅度较小，位移变化量有10%以上的裕度，稳定性较好，符合强度要求，从而为前连杆在运行过程中动力学参数的监测提供一定的参考。
参考文献：
［1］陆丹丹,陆金桂.基于灰熵关联的液压支架前连杆疲劳寿命影响因素分析［J］.机械制造与自动化,2016,45(5):37-39.
［2］廖华林,李根生,李敬彬,等.径向水平钻孔直旋混合射流喷嘴流场特性分析［J］.煤炭学报,2012,37(11):1895-1900.
［3］王永龙,王振锋,孙玉宁,等.水力割缝阀体实现切换的流体动力学分析［J］.煤矿机械,2015,36(3):123-125.
流体动力学分析范文第2篇
关键词：CFD；数值模拟；Fluent；摩托车
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2012）06-0190-02
一、CFD数值模拟概述
数值模拟，是工科类学生的一门重要的专业课，主要培养学生的计算机应用、开发能力和综合运用相关学科知识解决实际问题的能力。CFD（computational fluid dynamics）数值模拟，是以计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程等）控制下对流体流动进行模拟。CFD在航天航空、汽车设计、机械、船舶、材料加工、化工等许多领域有着广泛的应用。本文结合作者多年来在材料加工和汽车摩托车设计领域的综合教学经验，对CFD数值模拟在这两个领域进行了课程研究。通过该课程的教学研究与实践，对教学手段进行改革和完善，提高了教学质量，增强学生的实际应用能力。
二、CFD数值模拟软件简介
目前，进行CFD数值模拟计算常用的软件有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD软件都包含有3个主要的功能部分：前处理、求解器、后处理。其中前处理是指对计算对象进行建模、生成网格和选取边界面等；求解器是指求解控制方程组的程序；后处理是指对计算结果进行输出、显示。
三、CFD数值模拟实践应用实例
应用Fluent软件进行对某摩托车车身行驶过程中的三维流场进行CFD数值模拟，根据结果分析其空气动力学特性，包括其气动力系数和外流场速度矢量图、压力分布图、速度流线图等。这里主要介绍其前处理以及求解过程。
1.模型的建立及网格划分。确立CFD研究模拟的对象，建立模型。对于简单的模型，可直接在FLUENT的前处理软件GAMBIT中建立二维或者三维模型；对于较复杂的模型，可在CATIA、UG等三维造型软件中，采用正向设计或者逆向设计，完成三维实体造型。由于摩托车外形复杂，在不影响车身前部迎风面积的情况下需要对摩托车模型进行一定的简化，方便进行CFD数值模拟。将该模型文件以STP文件格式导入到FLUENT的前处理软件GAMBIT中。这里需要建立两个方体。其中小方体是为了细化车身周围的网格而设置的密度体，大方体是车身行驶过程中所处于的流场，相当于空气动力学试验中的“风洞”。将大方体和摩托车车身进行布尔求差运算，得到的空间区域即为CFD数值模拟的计算域。对计算域进行非结构化网格的划分，其中计算域中的小方体区域进行网格细化处理，其余部分进行网格粗化处理。最后的网格总数在150万个左右。设置入口和出口边界面等，保存输出网格模型，如图1所示：
2.物理模型参数的建立和求解计算。入口边界设定为速度入口，V=20m/s；出口边界设定为压力出口，出口相对于远方来流处的压力为零，即静压值取零。本次仿真选择Realizable k-ε模型，根据摩托车尺寸得k=0.0338m2／s2，ε=0.00185m3／s3。其中k为计算湍流动能，ε为湍流耗散率。采用耦合隐式求解器，对模型进行收敛计算。
3.CFD数值模拟计算的后处理。待模型计算收敛后，在后处理窗口中观察摩托车行驶过程中的各个物理场量分布情况。图2所示为该摩托车的表面压力分布云图。根据摩托车气动力系数和外流场速度矢量图、压力分布图、尾流场的湍流特征等物理量，对摩托车前部车身进行造型优化，以达到减小风阻的目的。
通过讲述CFD数值模拟课程，了解CFD的基本原理及概念，同时对CFD相关软件有了基本认识；并结合Fluent软件研究某摩托车行驶过程中的空气动力学性能，提高了学生对CFD数值模拟的理解能力和实际运用能力。
参考文献：
[1]温正，石良辰，任毅如.FLUENT流体计算应用教程[M].北京：清华大学出版社，2009：1-2.
[2]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[3]于勇，张俊明，等.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008：49-55.
[4]张英朝，杨博，张喆.摩托车的空气动力特性研究[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（1）：1-4.
[5]张杜鹊.轿跑车外流场数值模拟与分析（硕士学位论文）[D].武汉理工大学，2010.
基金项目：本文得到“湖北省高等学校省级教学研究项目（项目编号：2008078）”资助
作者简介：朱春东（1963-），男，湖北广水人，副教授，硕士，主要研究方向为数值模拟和成型工艺及控制。
摘要：本文结合CFD数值模拟教学与实践经验，讲述了流体动力学分析的原理和具体的数值模拟方法，并运用流体模拟软件Fluent对某摩托车行驶过程中的流场进行模拟分析。
关键词：CFD；数值模拟；Fluent；摩托车
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2012）06-0190-02
一、CFD数值模拟概述
数值模拟，是工科类学生的一门重要的专业课，主要培养学生的计算机应用、开发能力和综合运用相关学科知识解决实际问题的能力。CFD（computational fluid dynamics）数值模拟，是以计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程等）控制下对流体流动进行模拟。CFD在航天航空、汽车设计、机械、船舶、材料加工、化工等许多领域有着广泛的应用。本文结合作者多年来在材料加工和汽车摩托车设计领域的综合教学经验，对CFD数值模拟在这两个领域进行了课程研究。通过该课程的教学研究与实践，对教学手段进行改革和完善，提高了教学质量，增强学生的实际应用能力。
二、CFD数值模拟软件简介
目前，进行CFD数值模拟计算常用的软件有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD软件都包含有3个主要的功能部分：前处理、求解器、后处理。其中前处理是指对计算对象进行建模、生成网格和选取边界面等；求解器是指求解控制方程组的程序；后处理是指对计算结果进行输出、显示。
三、CFD数值模拟实践应用实例
应用Fluent软件进行对某摩托车车身行驶过程中的三维流场进行CFD数值模拟，根据结果分析其空气动力学特性，包括其气动力系数和外流场速度矢量图、压力分布图、速度流线图等。这里主要介绍其前处理以及求解过程。
1.模型的建立及网格划分。确立CFD研究模拟的对象，建立模型。对于简单的模型，可直接在FLUENT的前处理软件GAMBIT中建立二维或者三维模型；对于较复杂的模型，可在CATIA、UG等三维造型软件中，采用正向设计或者逆向设计，完成三维实体造型。由于摩托车外形复杂，在不影响车身前部迎风面积的情况下需要对摩托车模型进行一定的简化，方便进行CFD数值模拟。将该模型文件以STP文件格式导入到FLUENT的前处理软件GAMBIT中。这里需要建立两个方体。其中小方体是为了细化车身周围的网格而设置的密度体，大方体是车身行驶过程中所处于的流场，相当于空气动力学试验中的“风洞”。将大方体和摩托车车身进行布尔求差运算，得到的空间区域即为CFD数值模拟的计算域。对计算域进行非结构化网格的划分，其中计算域中的小方体区域进行网格细化处理，其余部分进行网格粗化处理。最后的网格总数在150万个左右。设置入口和出口边界面等，保存输出网格模型，如图1所示：
2.物理模型参数的建立和求解计算。入口边界设定为速度入口，V=20m/s；出口边界设定为压力出口，出口相对于远方来流处的压力为零，即静压值取零。本次仿真选择Realizable k-ε模型，根据摩托车尺寸得k=0.0338m2／s2，ε=0.00185m3／s3。其中k为计算湍流动能，ε为湍流耗散率。采用耦合隐式求解器，对模型进行收敛计算。
3.CFD数值模拟计算的后处理。待模型计算收敛后，在后处理窗口中观察摩托车行驶过程中的各个物理场量分布情况。图2所示为该摩托车的表面压力分布云图。根据摩托车气动力系数和外流场速度矢量图、压力分布图、尾流场的湍流特征等物理量，对摩托车前部车身进行造型优化，以达到减小风阻的目的。
通过讲述CFD数值模拟课程，了解CFD的基本原理及概念，同时对CFD相关软件有了基本认识；并结合Fluent软件研究某摩托车行驶过程中的空气动力学性能，提高了学生对CFD数值模拟的理解能力和实际运用能力。
参考文献：
[1]温正，石良辰，任毅如.FLUENT流体计算应用教程[M].北京：清华大学出版社，2009：1-2.
[2]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[3]于勇，张俊明，等.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008：49-55.
[4]张英朝，杨博，张喆.摩托车的空气动力特性研究[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（1）：1-4.
[5]张杜鹊.轿跑车外流场数值模拟与分析（硕士学位论文）[D].武汉理工大学，2010.
基金项目：本文得到“湖北省高等学校省级教学研究项目（项目编号：2008078）”资助
流体动力学分析范文第3篇
[关键词]混合时间 计算流体动力学 数值模拟 搅拌桨
中图分类号：F426.91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0292-01
1.模型
随着计算机技术的发展，国内外许多学者利用计算流体动力学（CFD）的方法对液体的混合过程进行数值模拟[1]，研究混合池内混合液的速度场、压力场与混合时间。利用FLUENT软件中标准的k-epsilon双方程模型对均匀转速为300r/min搅拌桨混合由无机相与有机相组成的混合液的混合时间进行数值计算，分析层间距为131mm，133mm，135mm，137mm，139mm，141mm，143mm，145mm，147mm，151mm时混合池内液体的混合时间，确定混合时间最短时的层间距。搅拌桨如图1所示的双层桨叶结构，底层桨叶距混合池底部为40cm，上层平直桨叶长150mm，高70mm，厚度8mm，底层圆直径140mm，轴直径40mm，混合池的有效容积为150L。
2.模拟的方法
2.1 网格划分
运用FLUENT中的两相流模型，以水作为无机相与萃取剂P507作为有机相组成混合液模拟混合过程。P507是一种酸性磷型萃取剂，为无色或油状透明液体，分子式是（C8H17）2HPO3，分子量为306.4，燃点为228 C，低毒，密度（20C）=（930～960）kg/m3，粘度=36±3mPa.s。将整个模型计算域分为旋转流动的桨叶区域和静止的桨外区域，采用非结构化网格技术划分网格，设定网格单元（Elements）为Tet/Hybrid，划分方式（Type）为TGrid（四面体混合网格），桨叶区的网格间距大小（Interval size）为13mm，桨外区的为26mm。整个混合池的网格划分如图2所示。
2.2 加入示踪剂
模拟计算时通过测量某一个监测点的示踪剂浓度值达到最终稳定值的95%所用的时间来表示混合时间。用FLUENT模拟计算示踪剂浓度随时间变化的过程是一个非稳态问题，目前的计算方法有两种[2]：一种方法是在非稳态下同时求解所有的数值方程，这种方法的缺点是计算量大，占用内存和计算时间大；另一种方法是将动量守恒方程、能量守恒方程分开单独求解。这两种方法虽然计算过程有所不同，但所得到的结果却是一致的，本文考虑到第二种方法可以大大地缩短计算时间，所以采用第二种方法。具体的做法是：首先在稳态下解算流动场方程，待流动场稳定后，再锁定动量、湍流变量等数值方程，单独求解浓度场方程。一般情况下选取能与水互溶的NaCl或KCl[3]作为示踪剂，本文选取NaCl作为示踪剂。
2.3 条件与模型的设置
确定好示踪剂的加入点位置后，就可定义示踪剂的初始浓度，利用FLUENT软件初始化功能中的打补丁功能（Patch）。具体的做法是：定义球体内示踪剂初始浓度值为1，定义混合池内其余位置示踪剂浓度值为0。检测某一监测点的示踪剂浓度值变化，混合时间为当浓度值达到最终稳定值的95%所用的时间。
模拟混合过程时还要启用FLUENT软件中的物质传递模型（Species Model），激活组分运输项（Species Transport）计算示踪剂浓度随时间的变化，进行单纯的混合时不激活反应项（Reactions）。
2.4 收敛残差设置
在解算方程时，用残差表示模拟计算得到的近似值与精确值之间的误差，根据需要，设置示踪剂浓度的收敛残差为10-5。
设置好收敛残差后就可设置时间步长，根据混合过程模拟的需要选择合适得到时间步长以保证结果的准确性，步长太大会导致解算方程不收敛，太小则占内存且计算时间长。有许多学者的研究结果表明，时间步长与搅拌桨转速及混合液流动的循环时间有关，并且与搅拌桨转速的倒数存在一定的比例关系，一般小于转速倒数的1/10[4]。本次模拟混合过程时搅拌桨的转速是300r/min，因此时间步长取0.0002s。
3.结果分析
3.1层间距改变时混合时间比较
液体的混合过程是在完全湍流状态下进行强制对流的强制扩散过程，高速转动的搅拌桨叶轮把机械能传递给混合液，使混合液发生强制对流。强制扩散由三个过程组成：主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散。转动的叶轮带动液体形成全池范围内的“宏观流动”称为主体对流扩散。高速流动的液体通过静止或者速度比其较低的液体时，使分界面上的液体受到强烈的剪切，导致这部分液体速度变化非常快，形成大量的漩涡迅速向周围扩散，即涡流扩散。主体对流扩散和涡流扩散都不能使液体达到完全意义上分子的均匀混合，只有分子扩散才能使液体达到完全混合均匀的状态。
表1给出了搅拌桨不同层间距时在底部FB加料，P2检测时的混合时间。层间距的改变直接影响到液体的混合时间，层间距为141mm时，示踪剂扩散速率最快，混合时间最短，由此可以得到本次模拟所用的搅拌桨有一个对应混合时间最短的最佳层间距是141mm。需要指出的是，混合时间只是在特定条件下的模拟值，除了与搅拌桨转速有关之外还与模拟时所选的湍流模型、变量的离散方法等有关，用多重参考系法和标准模型模拟的混合时间比试验值大20%左右[6]。但是同等条件下的模拟结果还是能够反映搅拌桨的混合速率。
4.结论
本文利用FLUENT中的MRF方法和标准模型模拟研究了双层桨搅拌池内的混合过程，得到如下结论：
（1）模拟了10组层间距不同时双层桨的混合过程，模拟结果表明：层间距不仅能够影响池内液体的流场分布状态，而且对加入的示踪剂扩散速率也有很大影响，也就是说直接影响液体的混合时间。
（2）选取了层间距为131mm和141mm时的搅拌桨在同一加料点不同时刻同一时间点的示踪剂浓度分布图，从图中可以直观看到示踪剂在不同时刻的扩散状态。对比同一时间点两个桨池内的浓度分布图，可以直观地看到层间距为141mm时，示踪剂浓度扩散速率更快，混合过程更迅速。
（3）对比FLUENT模拟得到的几组数据可知：搅拌桨层间距为141mm时的混合时间最短，即最佳层间距为141mm，这个层间距的搅拌桨转动液体产生连接流，上下两层桨叶的干扰最小，液体混合效果最好。
参考文献
[1] 王福军.计算流体力学分析[M].北京：清华大学出版社，2006.14-34
[2] 张国娟，闵健，高正明.涡轮桨搅拌槽内混合过程的数值模拟[J].北京化工大学学报，2004，6
[3] 温文.搅拌釜式反应器计算流体力学模拟[D].江苏：江南大学，2008
[4] 杨锋苓.摆动式搅拌流场与混合过程的数值模拟[D].山东：山东大学，2007
[5] 毛德明.多层桨搅拌釜内流动与混合的基础研究[D].浙江：浙江大学，1998
流体动力学分析范文第4篇
关键词：FLUENT，气流组织，厨房，温度场，模拟分析
Abstract：Objective: To study and analysis inside the kitchen is pare air diffuser for wind, design reasonably air diffuser position, satisfy lampblack machine opened and closed conditions ruled out the indoor air distribution status lampblack. Methods: with the computational fluid dynamics and heat transfer as a foundation, using Fluent software, a computational fluid dynamics of numerical simulation method, and establish a common civil residence in the kitchen to model the research object, kitchen space airflow in organized the 3-d numerical simulation, the simulation including inside the kitchen lampblack machine, door, window as outlet in the cases of indoor airflow organization. The result was obtained by the conditions of indoor airflow velocity distribution, stress distribution, velocity vector diagram, section etc. Conclusion: set up different natural ventilating and air condition, with mechanical computational fluid dynamics based respectively, the typical airflow organization form of physical and mathematical model, a numerical simulation that airflow velocity field and temperature field analysis, and the results are compared.
Key Words:FLUENT，air current composition，kitchen，temperature field，simulation analysis
中图分类号：R122.2+4 文献标识码：A 文章编号：
1.引言：
据中国室内装饰协会室内环境监测中心的研究表明，厨房是家庭中空气污染最严重的空间，其污染源主要有两个方面：一是从煤气、液化气等炊火源中释放出的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等有害气体；二是烹饪菜肴时产生的油烟。当今社会，几乎每家每户都安装了排油烟机，但是大多主妇都会遇到这样的情况，即使排油烟机开启，油烟依然弥漫在厨房，甚至会“流窜”到室内。造成这种情况的原因就在于，在厨房空间内，没有形成良好的气流组织形式，在排风的同时，缺少补风。厨房的空气只出不进，油烟自然就排不出去。
2.数值模拟方法与分析模型
目前,国内外研究室内气流组织的方法通常分为4种:传统的射流公式方法、模型实验方法、区域方法和CFD 模拟方法[1]。综合比较了4种研究方法,笔者选用CFD 数值模拟方法，利用计算机仿真技术对厨房的气流组织进行模拟分析，得出多种工况下的速度、压力分布图。分析验证几种补风形式对厨房气流组织形式的影响。
2.1 数值模拟方法
数值模拟方法根据计算流体力学的原理[2]，利用 Fluent 软件，采用压力基的耦合求解器，Formulation格式为隐式，定常流，并运用具有较的稳定性、经济性和计算精度的k -ε湍流模型进行模拟，有限体积法对方程经行离散计算[3]。
数值计算的基本方程式[4-7]：
连续性方程 (1)
动量方程(2)
K的运输方程 (3)
的运输方程(4)
(5)
其中 ，
其中符号
K紊流动能，
L紊流长度尺度
U V Wx y z方向上的速度分量
Ui i=1（水平x方向），2（纵深y方向），3（垂直z方向）
三个方向在x方向的速度分量
希腊字母能量耗散率，
涡黏性系数
2.2 建筑模型的介绍
图1 房间Gambit平面图 图2 房间Gambit布置图图3 划分网格后模型
建立稳定的气流组织形式，保证有害物沿着人活动频率低的区域排出室内，平衡室内的空气环境。这就是考虑这一模型的核心思路。
以某住宅户型实例，取厨房房间，规格为长×宽×高（2850mm×2400mm×2600mm，通常住宅净高为2550—2650mm）（如图1）。房间北侧为窗，南侧设门与餐厅相连接。以现代普通厨房布置为参照，厨房内设置橱柜，某品牌排油烟机，灶台，并示出人正常活动位置（如图2）。笔者所设计的厨房气流组织，是分别在侧壁和近地面设置两个机械送风口，规格为200mm×200mm。具置参照图2。
3.建模与边界条件处理
3.1 模型处理
模型房间尺寸与原建筑保持一致，为了便于划分计算，在不影响模拟准确性的前提下，局部装饰装修进行了简化处理，大大减少了模拟的复杂程度和计算量。
人以一般家庭主妇身高为依据，1.65m。橱柜高度0.9m。排油烟机以主妇不碰头高度为准，1.7m。窗户为可单扇开启玻璃窗。门可开启关闭。2个送风口与房间连接。如图1,2。
3.2 模型网格划分
网格划分采用多块拼接网格划分，块与块之间有公共交界面，网格划分后模型如图3所示。本模型对各个风口处都进行了网格加密，这样在模拟中更能真实反应出室内的气流组织形式。
3.3 边界条件处理
设计夏季室内温度为27℃，以排油烟机处为机械排风出口，设为排气扇，压力跳跃出选择多项式，4个多项式系数各为230.83、50.119、-25.0769、1.7965,定义湍流参数时选择湍流强度与水力直径,经过计算,湍流强度的百分率为10% , 入口水力直径为191mm。门、窗高度分别为2000mm和1600mm，设置为自然出流。中、下设两个机械送风口为200mm×200mm，侧送风口为送风1，下送风口为送风2，定义为湍流强度与水力直径。炉灶做近似处理，经过计算，湍流强度的百分率为10% , 出口水力直径为264mm。
4.模拟结果与流场分析
图4 空间流场矢量图图5 截面Y=1100mm处速度云图
模拟结果如图4～11。图4 为房间流场矢量图，颜色深浅对应不同的流速。
图6 截面Y=1100mm处速度矢量图 图7截面Z=1200mm处速度等值云图
首先，将排油烟机关闭，由图5Y=1100mm 速度剖面云图可以得出，下部送风口处气流速度大，到达灶台位置速度有部分衰减，带动空气向上部流动，形成一道“空气墙”，绕过人所处活动区，由图6 Y=1100mm 速度剖面矢量图可以得出，人活动区内空气向灶台附近流动，可以认为油烟流向不会接近于人，保持空气的洁净。
由图7 Z=1200mm 速度剖面云图可以看出，在关闭2号送风口后，油烟会流经人活动区，部分油烟脱离排油烟机捕集范围，扩散到餐厅和窗外。图8 Z=1200mm 速度剖面矢量图可以看出在送风口全部关闭的情况下，气流由下至上流向排烟油烟机，周围空气进行补流。室内空气不足以满足需求补流的空气量，由门和窗口引入室内外空气，并有少量气流被带入室内，这样便会产生“窜味”现象，使有些居民在家烹饪的时候，卧室内就会闻到油烟味。厨房与餐厅在门处有气流补充，在机械送风2的作用下，油烟大多沿着竖直方向流动。
图8 截面Z=1200mm 速度矢量图 图9 截面X=2600mm速度矢量图
由图9 X=2600mm 速度剖面矢量图可以看出，在关闭门和窗，送风口2不送风的工况下，空气由周围补入，门和窗口向厨房补充空气，烟气大多被有效地吸入排油烟机，仅有少量被气流带出。图10 为边界全部开启工况下X=2600mm 速度剖面云图。
5.结果与讨论
本文利用计算机仿真技术模拟三维模型是为了便于观察研究控制空气流场的分布和方向，建立合理的气流组织形式。特别是考虑到与周围空间的关系。对三维模型模拟结果表明：
1.封闭空间内，必须做到有效的补风，遵循质量守恒定律，才能满足正常的排除油烟的需求。
2.利用自然通风补风，可以改善厨房的排污效果，但是会有油烟逸出，流入室内。
3.在开启送风口2的工况下，送风速度为4m/s，可以加强对油烟流向的控制。
4.开启门或者窗，都可以对顺利排放油烟进行补风的。但是开门的时候应该注意, 在保证厨房维持良好的空气品质的同时,需控制好气流的流向,防止烟气流入室内；在不开门的时候，也要适当的控制好气流的流向，不然烟气也会沿着门的缝隙钻入室内。
5.在开启送风口1的工况下，可以对室内进行补风，但是送风速度不宜超过1.3 m/s，风速过大会造成油烟偏离控制区域，直接流入人活动区。
参考文献
1. 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
2. 于勇，张俊明，姜连田.FLUENT入门与进阶教程.北京：北京理工大学出版社，2008
3. 李凌风,林鑫. CFD 方法及其在空调气流组织设计中的应用[ C ]. 杭州:浙江大学出版社, 2005.
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5. Nielsen P V. The selection of turbulence models for prediction of room airflow [ J ]. ASHRAE Transactions, 1998, 104 (1) : 1119 - 1126.
流体动力学分析范文第5篇
力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。
力学也可按所研究对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支，流体包括液体和气体；固体力学和流体力学可统称为连续介质力学，它们通常都采用连续介质的模型。固体力学和流体力学从力学分出后，余下的部分组成一般力学。
一般力学通常是指以质点、质点系、刚体、刚体系为研究对象的力学，有时还把抽象的动力学系统也作为研究对象。一般力学除了研究离散系统的基本力学规律外，还研究某些与现代工程技术有关的新兴学科的理论。
一般力学、固体力学和流体力学这三个主要分支在发展过程中，又因对象或模型的不同出现了一些分支学科和研究领域。属于一般力学的有理论力学(狭义的)、分析力学、外弹道学、振动理论、刚体动力学、陀螺力学、运动稳定性等；属于固体力学的有材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等；流体力学是由早期的水力学和水动力学这两个风格迥异的分支汇合而成，现在则有空气动力学、气体动力学、多相流体力学、渗流力学、非牛顿流体力学等分支。各分支学科间的交*结果又产生粘弹性理论、流变学、气动弹性力学等。
力学也可按研究时所采用的主要手段区分为三个方面：理论分析、实验研究和数值计算。实验力学包括实验应力分析、水动力学实验和空气动力实验等。着重用数值计算手段的计算力学，是广泛使用电子计算机后才出现的，其中有计算结构力学、计算流体力学等。对一个具体的力学课题或研究项目，往往需要理论、实验和计算这三方面的相互配合。
力学在工程技术方面的应用结果形成工程力学或应用力学的各种分支，诸如土力学、岩石力学、爆炸力学复合材料力学、工业空气动力学、环境空气动力学等。
力学和其他基础科学的结合也产生一些交又性的分支，最早的是和天文学结合产生的天体力学。在20世纪特别是60年代以来，出现更多的这类交*分支，其中有物理力学、化学流体动力学、等离子体动力学、电流体动力学、磁流体力学、热弹性力学、理性力学、生物力学、生物流变学、地质力学、地球动力学、地球构造动力学、地球流体力学等。
运动学发展简史
运动学是理论力学的一个分支学科，它是运用几何学的方法来研究物体的运动，通常不考虑力和质量等因素的影响。至于物体的运动和力的关系，则是动力学的研究课题。
用几何方法描述物体的运动必须确定一个参照系，因此，单纯从运动学的观点看，对任何运动的描述都是相对的。这里，运动的相对性是指经典力学范畴内的，即在不同的参照系中时间和空间的量度相同，和参照系的运动无关。不过当物体的速度接近光速时，时间和空间的量度就同参照系有关了。这里的“运动”指机械运动，即物置的改变；所谓“从几何的角度”是指不涉及物体本身的物理性质(如质量等)和加在物体上的力。
运动学主要研究点和刚体的运动规律。点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。掌握了这两类运动，才可能进一步研究变形体(弹性体、流体等)的运动。
在变形体研究中，须把物体中微团的刚性位移和应变分开。点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征，这些都随所选的参考系不同而异；而刚体运动学还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征。刚体运动按运动的特性又可分为：刚体的平动、刚体定轴转动、刚体平面运动、刚体定点转动和刚体一般运动。
运动学为动力学、机械原理(机械学)提供理论基础，也包含有自然科学和工程技术很多学科所必需的基本知识。
运动学的发展历史
运动学在发展的初期，从属于动力学，随着动力学而发展。古代，人们通过对地面物体和天体运动的观察，逐渐形成了物体在空间中位置的变化和时间的概念。中国战国时期在《墨经》中已有关于运动和时间先后的描述。亚里士多德在《物理学》中讨论了落体运动和圆运动，已有了速度的概念。
伽利略发现了等加速直线运动中，距离与时间二次方成正比的规律，建立了加速度的概念。在对弹射体运动的研究中，他得出抛物线轨迹，并建立了运动(或速度)合成的平行四边形法则，伽利略为点的运动学奠定了基础。在此基础上，惠更斯在对摆的运动和牛顿在对天体运动的研究中，各自独立地提出了离心力的概念，从而发现了向心加速度与速度的二次方成正比、同半径成反比的规律。
18世纪后期，由于天文学、造船业和机械业的发展和需要，欧拉用几何方法系统地研究了刚体的定轴转动和刚体的定点运动问题，提出了后人用他的姓氏命名的欧拉角的概念，建立了欧拉运动学方程和刚体有限转动位移定理，并由此得到刚体瞬时转动轴和瞬时角速度矢量的概念，深刻地揭示了这种复杂运动形式的基本运动特征。所以欧拉可称为刚体运动学的奠基人。
此后，拉格朗日和汉密尔顿分别引入了广义坐标、广义速度和广义动量，为在多维位形空间和相空间中用几何方法描述多自由度质点系统的运动开辟了新的途径，促进了分析动力学的发展。
19世纪末以来，为了适应不同生产需要、完成不同动作的各种机器相继出现并广泛使用，于是，机构学应运而生。机构学的任务是分析机构的运动规律，根据需要实现的运动设计新的机构和进行机构的综合。现代仪器和自动化技术的发展又促进机构学的进一步发展，提出了各种平面和空间机构运动分析和综合的问题，作为机构学的理论基础，运动学已逐渐脱离动力学而成为经典力学中一个独立的分支。
固体力学发展简史
固体力学是力学中形成较早、理论性较强、应用较广的一个分支，它主要研究可变形固体在外界因素(如载荷、温度、湿度等)作用下，其内部各个质点所产生的位移、运动、应力、应变以及破坏等的规律。
固体力学研究的内容既有弹性问题，又有塑性问题；既有线性问题，又有非线性问题。在固体力学的早期研究中，一般多假设物体是均匀连续介质，但近年来发展起来的复合材料力学和断裂力学扩大了研究范围，它们分别研究非均匀连续体和含有裂纹的非连续体.
自然界中存在着大至天体，小至粒子的固态物体和各种固体力学问题。人所共知的山崩地裂、沧海桑田都与固体力学有关。现代工程中，无论是飞行器、船舶、坦克，还是房屋、桥梁、水坝、原子反应堆以及日用家具，其结构设计和计算都应用了固体力学的原理和计算方法。
由于工程范围的不断扩大和科学技术的迅速发展，固体力学也在发展，一方面要继承传统的有用的经典理论，另一方面为适应各们现代工程的特点而建立新的理论和方法。
固体力学的研究对象按照物体形状可分为杆件、板壳、空间体、薄壁杆件四类。薄壁杆件是指长宽厚尺寸都不是同量级的固体物件。在飞行器、船舶和建筑等工程结构中都广泛采用了薄壁杆件。
固体力学的发展历史
萌芽时期 远在公元前二千多年前，中国和世界其他文明古国就开始建造有力学思想的建筑物、简单的车船和狩猎工具等。中国在隋开皇中期(公元591～599年)建造的赵州石拱桥，已蕴含了近代杆、板、壳体设计的一些基本思想。
随着实践经验的积累和工艺精度的提高，人类在房屋建筑、桥梁和船舶建造方面都不断取得辉煌的成就，但早期的关于强度计算或经验估算等方面的许多资料并没有流传下来。尽管如此，这些成就还是为较早发展起来的固体力学理论，特别是为后来划归材料力学和结构力学那些理论奠定了基础。
发展时期 实践经验的积累和17世纪物理学的成就，为固体力学理论的发展准备了条件。在18世纪，制造大型机器、建造大型桥梁和大型厂房这些社会需要，成为固体力学发展的推动力。
这期间，固体力学理论的发展也经历了四个阶段：基本概念形成的阶段；解决特殊问题的阶段；建立一般理论、原理、方法、数学方程的阶段；探讨复杂问题的阶段。在这一时期，固体力学基本上是沿着研究弹性规律和研究塑性规律，这样两条平行的道路发展的，而弹性规律的研究开始较早。
弹性固体的力学理论是在实践的基础上于17世纪发展起来的。英国的胡克于1678年提出：物体的变形与所受外载荷成正比，后称为胡克定律；瑞士的雅各布第一·伯努利在17世纪末提出关于弹性杆的挠度曲线的概念；而丹尼尔第一·伯努利于18世纪中期，首先导出棱柱杆侧向振动的微分方程；瑞士的欧拉于1744年建立了受压柱体失稳临界值的公式，又于1757年建立了柱体受压的微分方程，从而成为第一个研究稳定性问题的学者；法国的库仑在1773年提出了材料强度理论，他还在1784年研究了扭转问题并提出剪切的概念。这些研究成果为深入研究弹性固体的力学理论奠定了基础。
法国的纳维于1820年研究了薄板弯曲问题，并于次年发表了弹性力学的基本方程；法国的柯西于1822年给出应力和应变的严格定义，并于次年导出矩形六面体微元的平衡微分方程。柯西提出的应力和应变概念，对后来数学弹性理论，乃至整个固体力学的发展产生了深远的影响。
法国的泊阿松于1829年得出了受横向载荷平板的挠度方程；1855年，法国的圣维南用半逆解法解出了柱体扭转和弯曲问题，并提出了有名的圣维南原理；随后，德国的诺伊曼建立了三维弹性理论，并建立了研究圆轴纵向振动的较完善的方法；德国的基尔霍夫提出粱的平截面假设和板壳的直法线假设，他还建立了板壳的准确边界条件并导出了平板弯曲方程；英国的麦克斯韦在19世纪50年代，发展了光测弹性的应力分析技术后，又于1864年对只有两个力的简单情况提出了功的互等定理，随后，意大利的贝蒂于1872年对该定理加以普遍证明；意大利的卡斯蒂利亚诺于1873年提出了卡氏第一和卡氏第二定理；德国的恩盖塞于1884年提出了余能的概念。
德国的普朗特于1903年提出了解扭转问题的薄膜比拟法；铁木辛柯在20世纪初，用能量原理解决了许多杆板、壳的稳定性问题；匈牙利的卡门首先建立了弹性平板非线性的基本微分方程，为以后研究非线性问题开辟了道路。
苏联的穆斯赫利什维利于1933年发表了弹性力学复变函数方法；美国的唐奈于同一年研究了圆柱形壳在扭力作用下的稳定性问题，并在后来建立了唐奈方程；弗吕格于1932年和1934年发表了圆柱形薄壳的稳定性和弯曲的研究成果；苏联的符拉索夫在1940年前后建立了薄壁杆、折板系、扁壳等二维结构的一般理论。
在飞行器、舰艇、原子反应堆和大型建筑等结构的高精度要求下，有很多学者参加了力学研究工作，并解决了大量复杂问题。此外，弹性固体的力学理论还不断渗透到其他领域，如用于纺织纤维、人体骨骼、心脏、血管等方面的研究。
1773年库仑提出土的屈服条件，这是人类定量研究塑性问题的开端。1864年特雷斯卡在对金属材料研究的基础上，提出了最大剪应力屈服条件，它和后来德国的光泽斯于1913年提出的最大形变比能屈服条件，是塑性理论中两个最重要的屈服条件。19世纪60年代末、70年代初，圣维南提出塑性理论的基本假设，并建立了它的基本方程，他还解决了一些简单的塑性变形问题。
现代固体力学时期 指的是第二次世界大战以后的时期，这个时期固体力学的发展有两个特征：一是有限元法和电子计算机在固体力学中得到广泛应用；二是出现了两个新的分支——断裂力学和复合材料力学。
特纳等人于1956年提出有限元法的概念后，有限元法发展很快，在固体力学中大量应用，解决了很多复杂的问题。
