流体动力学原理
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流体动力学原理范文第1篇
摘 要 高能闪光照相是诊断致密物质内部几何结构和物理特性的最有效技术.高能质子照相在穿透能力、材料识别、空间分辨率等方面都优于X射线照相，已经成为美国先进流体动力学试验装置的优先发展对象.文章详细介绍了高能质子照相方案及其研究进展.
关键词 光电子学，质子照相，综述，质子加速器，磁透镜
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
高能闪光照相始于美国的曼哈顿计划（Manhattan project），并持续到现在， 它一直用来获取爆轰压缩过程中材料内部的密度分布、整体压缩的效果以及冲击波穿过材料的传播过程、演变和压缩场的发展的静止“冻结”图像.这一过程非常类似于医学X射线对骨骼或牙齿的透射成像.高能闪光照相有两个显著特点:首先，照相客体是厚度很大的高密度物质，要求能量足够高;其次，客体内的流体动力学行为瞬时变化，要求曝光时间足够短.
目前，世界上最先进的闪光照相装置是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的双轴闪光照相流体动力学试验装置（DARHT）［1］.它是由两台相互垂直的直线感应加速器组成的双轴照相系统，一次实验能从两个垂直方向连续拍摄4幅图像，并且在光源焦斑和强度方面都有提高.但是，DARHT也仅有两个轴，这是获得三维数据的最小视轴数目，最多只能连续拍摄4幅图像，不能进行多角度多时刻的辐射照相，获得流体动力学试验的三维图像.而且DARHT的空间分辨率受电子束斑大小的制约.由于电子相互排斥，电子束不能无限压缩，束流打到转换靶上，产生等离子体，使材料熔化，这在一定程度上扩展了束斑直径，从而使X射线光斑增大.估计最小的电子束直径为1—2mm，制约了空间分辨率的提高.
研究人员希望实现对流体动力学试验进行多角度(轴)、每个角度多时刻(幅)的辐射照
相，从而获得流体动力学试验的三维动态过程图像.l995年，美国LANL的科学家Chris Morris提出用质子代替X射线进行流体动力学试验透射成像［2］.首次质子照相得到的图像，其非凡的质量出乎发明者的预料.后续的研究和实验也确认了这项技术的潜在能力.据Morris回忆， 20世纪90年代初期武器研制计划资助了一项中子照相研究.其立项的主要思想就是利用高能质子、中子和其他强子的长平均自由程，使其成为闪光照相的理想束源.Steve Sterbenz从这个思路出发，研究了使用中子照相进行流体动力学试验诊断的可能性.然而即使使用质子储存环(PSR)的强脉冲产生中子，中子通量都不足以在流体动力学试验短时间尺度下获得清晰的图像.当时的洛斯阿拉莫斯介子物理装置(LAMPF)负责人Gerry Garvey听到这种意见的第一反应是“为什么不用质子？” Morris将这些思想统一起来，利用高能质子束实现流体动力学试验诊断的突破，就是水到渠成的事［3］.Morris指出:质子照相的实施应归功于现代加速器具有产生高能质子和高强度质子的能力.促使发展质子照相技术最重要的一步是Tom Mottershead 和John Zumbro提出的质子照相所需的磁透镜系统［4］，以及Nick King 在武器应用中发展改进的快速成像探测系统［5］.
高能质子束为内爆物理研究提供了堪称完美的射线照相“探针”，因为其平均自由程与流体动力学试验模型的厚度相匹配.射线照相信息通过测量透过客体的射线投影图像来获取.如果辐射衰减长度过短，则只有客体外部边界能够测量；如果辐射衰减长度过长，则没有投影产生.质子照相为流体动力学试验提供了一种先进的诊断方法.
2 质子与物质相互作用机制
高能质子与物质相互作用的机制是质子照相原理的基础.首先，需要从质子与物质的相互作用出发，对质子在物质中的穿透性和散射过程进行分析研究.
所有质子都在被测物质内部并与其发生相互作用.质子与物质的相互作用分为强作用力和电磁作用力［6］.强作用力是短程力，质子与核的强作用力分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种:
如果是弹性碰撞，以某种角度散射的质子保持其特性和动量，质子因受核力的强大作用，会偏转很大角度， 这种现象叫做核弹性散射（如果采用角度准直器，这部分贡献可以忽略）；
如果是非弹性碰撞，质子被吸收，也就是说，损失大部分能量分裂核，产生亚原子粒子——π介子.当质子能量达到GeV量级，质子与原子核的强相互作用占主导地位.质子与物质原子核中的质子和中子发生非弹性核相互作用，造成质子束指数衰减，其衰减规律可表示为
NN0＝exp-∑ni=1liλi，(1)
其中N0，N分别为入射到被测物体上的质子通量和穿过被测物体的质子通量; λi和li分别为第i种材料的平均自由程和厚度.当质子能量达到GeV量级，核反应截面几乎不变，单就穿透能力而言， 质子能量达到GeV量级就足够了.核反应截面不变有利于质子照相的密度重建，因为质子在客体中的散射过程可能导致质子能量发生变化.
由于质子带电，它也通过长程电磁作用力与物质相互作用. 当质子能量达到GeV量级时，电磁作用只能产生很小的能量损失和方向变化:
质子与原子核的库仑力作用称为弹性散射，穿过原子核的每个质子，即使和核并不接近，也能导致质子方向发生小的变化，每个小散射效应可以累积，这种现象叫做多重库仑散射. 多重库仑散射的理论由Enrico Fermi在20世纪30年代建立.质子与原子核之间的库仑力作用发生多重库仑散射，多重散射可以近似用高斯分布表示:
dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20，(2)
式中θ0为多次散射角的均方根值，可用下式表示:
θ0≈14.1pβΣniliRi，(3)
式中p为束动量，β是以光速为单位的速度，Ri是材料的辐射长度，其值近似地表示为
Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z)，(4)
其中A是原子量，Z是原子序数.多重库仑散射的结果很重要，特别是对重物质，最终导致图像模糊.另一方面，因为Ri与材料的原子序数有关，也正是这个特性使质子照相具有识别材料组分的独特能力［7］.
质子和电子之间也会产生库仑力作用，通常是非弹性的.因为电子质量与质子相比很小，库仑力的作用使电子方向和速度产生跃变，而对质子的方向和能量只产生缓变. 也就是说，质子通过电离原子(把电子击出轨道)，损失小部分能量.这种作用不会导致质子运动方向大的改变，但会导致质子能量的减少.20世纪30年代著名的贝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解释了这种机制.能量损失依赖于质子束能量，能量损失速率与它的动能成反比.质子束穿过厚度为l的材料时，能量损失为
ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)
当质子能量达到GeV量级，dT/dl的值几乎与动能无关.如果E和T以m0c2为单位，p以m0c为单位，则
E=T+1，E2=P2+1.(6)
因此，能量损失引起的动量分散为
δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)
质子通过物体后损失能量，发生能量分散.磁透镜对不同能量的质子聚焦位置不同，也将导致模糊，这就是所谓的色差［8］.
3 质子照相原理
质子照相原理与X射线照相原理都是通过测量入射到被测物体上的粒子束衰减来确定被测物体的物理性质和几何结构.
由于多重库仑散射，穿过被照物体的质子束有不同的散射方向，形成一个相对于入射方向的锥形束，需要磁透镜系统才能成像.如果质子照相的模糊效应持续存在的话，质子照相的潜力可能永远不会被发掘出来.1995年，Morris发现磁透镜能使质子聚焦进而消除模糊效应，最初进行的实验证实了他的观点的正确性.后来， LANL的另一位物理学家John Zumbro改进了磁透镜系统的设计方案，称为Zumbro透镜［4］.
Zumbro透镜的主要优点是它的消色差能力.加速器产生质子束并非是单一能量的束流，实验客体对质子的散射增加了质子能量的分散，不同能量的质子具有不同的焦距，导致图像模糊.基于这样的考虑，Zumbro采用在入射质子束的路径上增加一个匹配透镜(matching lens)，匹配透镜的设计使得入射到被测物体上的质子束具有角度-位置关联，即质子与透镜光轴夹角与质子离轴的径向距离成正比.而且，角度-位置的关联系数与成像系统磁透镜的设计有关［9］. 这样，可以消除由能量分散引起图像模糊的主要色差项.
剩余的色差项为
x=-x0+Cxθ0δ，(8)
式中Cx为透镜的色差系数，θ0为多重库仑散射角，δ为动量的分散.由（3）式和（7）式可知， 多重库仑散射角和动量的分散都与入射质子的能量成反比.因此，为了尽可能减小色差对空间分辨率的影响，质子束的能量越高越好.高能量意味着大规模和高造价，根据空间分辨率随能量的变化趋势以及大尺度流体动力学试验的精度要求，LANL为先进流体动力学试验装置 (AHF)建议的质子能量为50GeV.
质子照相技术的关键之处在于其独特的磁透镜系统.图1给出了LANL质子照相磁透镜成像示意图［10］.首先，质子束通过金属薄片扩散，再经过匹配透镜照射到客体(匹配透镜除了减小色差以外，还可以使质子束在击中物体前发散开来，以便覆盖整个物体，避免了使用很厚的金属作为扩束器)，这部分称为照射(illuminator)部分;接着是三个负恒等透镜组，分别是监控（monitor）透镜组、两级成像透镜组.
Tom Mottershead 和John Zumbro论证了可以根据库仑散射角的不同，在透镜系统的某个位置(傅里叶平面)，可以将不同的散射质子束区分开来.在傅里叶平面，散射角等于0的质子位于中心，散射角越大，半径越大.离开这个透镜后，质子就能在空间上聚焦.如果在这个位置平面放置角度准直器，可以将某些散射角度的质子束准直掉，对允许的角度范围进行积分，得到总质子通量为
NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)
第一个角度准直器允许通过的角度范围为［0，θ1cut］，则第一幅图像接收到的质子通量为
NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)
第二个角度准直器允许通过的角度范围为［0，θ2cut］，且θ2cut
NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)
角度准直器的使用增加了图像的对比度.根据物体的光程调节角度范围，可获得最佳的图像对比度.通过分析两幅图像得到的数据，可以提供密度和材料组分的信息.
考虑到探测器记数服从泊松统计分布，面密度的测量精度要达到1%，则图像平面上每个像素需要的入射质子数应为104，每幅图像大约需要的质子数应为1011. 如果一次流体动力学试验需要获得12个角度，每个角度20幅图像，则每次加速的质子总数达3×1013个.
4 质子照相装置
质子照相技术自1995年首次在美国LANL被论证以来，LANL和布鲁克海文国家实验室(BNL)进行了大量的实验，其中很多次是和圣地亚（SNL）、劳伦斯利弗莫尔（LLNL）以及英国原子武器研究机构（AWE）合作完成的，直接针对流体动力学有关的关键科学问题［11］.实验主要分为两部分:一是在LANL的洛斯阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上进行的小型动态实验（质子能量800MeV），小型动态实验主要包括:高能炸药的爆轰特性实验、金属和材料对强冲击加载的复杂响应实验（包括失效、不稳定性和微喷射等）以及验证内爆过程后期的材料动力学和材料状态的实验；二是在BNL的交变同步加速器(AGS)上进行的用于诊断大尺度流体动力学试验的高能质子照相实验（质子能量12GeV或24GeV）.进行高能质子照相的目的是:发展高能质子照相所需技术，验证采用质子照相进行大尺度流体动力学试验的能力，以及与DARHT进行某些直接的比较.对于厚的流体动力学试验客体而言，质子照相的质量远好于DARHT的照相结果.如果DARHT要获得同样的照相细节，需将其剂量提高100倍.而且比照片质量更重要的是，质子照相具有定量的特性.质子照相因其低剂量、定量的密度重建、亚毫米空间分辨率以及超过每秒500万幅的多幅照相频率等特性而成为新一代流体动力学试验闪光照相设施的必然选择.
LANL为AHF建议的质子照相装置包括质子束源、照相布局、磁透镜成像及探测器系统，图2给出了质子加速器和分束系统方案［12］.质子束源是一台能量为50GeV的同步加速器和12条束线，包括一台H-直线加速器注入器，一台3GeV的增强器和一台50GeV的主加速器.采用快速踢束调制器将质子束从3GeV增强器注入50GeV主加速器，经过同步传输系统和使用分束器将质子平均分成多个子束.最后从多个方向同时照射到实验靶上.质子束穿过实验靶后，磁透镜系统对质子束信号进行分类，由探测系统记录数据.实验布局的复杂性都远远超出了闪光照相实验.
图2 LANL的质子加速器和分束方案
LANL提出的质子照相装置的主要指标:质子束能量达到50GeV，空间分辨率优于1mm，密度分辨率达到1%;每次加速的质子总数达3×1013个，每幅图像的质子数达到1×1011个;每个脉冲的间隔最小为 200ns，质子到达靶的前后误差不超过15ns;每个视轴可连续提供20个脉冲，视轴数12个，覆盖角度达165°.这样，一次流体动力学试验可获得12个角度，每个角度20幅图像.
2000年，LANL给出了发展质子照相的研究计划.整个装置预计投资20亿美元，其中质子加速器系统使用原有的部分设备，需要5678.8万美元.装置的建造时间需要10到15年，分几个阶段进行:2007年前，建造50GeV同步加速器、2个轴成像系统和靶室1;2008—2009年，建造3MeV增强器（booster）、4个轴成像系统和靶室2;2010—2011年，8—12个轴成像系统.从目前的调研情况来看，原计划2007年前完成的任务没能按期完成.因此，这个计划要推迟.最新的研究计划未见报道.
5 质子照相与X射线照相的比较
我们通过与现有最好的流体动力学试验装置——DARHT比较来说明质子照相的特点和优势［13］.
(1) 三维动态照相. 由于质子加速器固有的多脉冲能力和质子束分离技术，因此，质子照相能够提供多个时刻、多个方向的三维动态过程图像.质子照相能够提供超过20幅的图像，这种多幅能力可得到内爆运动过程的动态图像. 而DARHT沿一个轴只能得到4幅图像，沿其垂直轴得到1幅图像.另外，质子照相不需要转换靶，保证了多次连续照相不受影响，而X射线照相由于需要转换靶，需要考虑束斑的影响.
(2) 精细结构分辨.高能质子穿透能力强，其穿透深度和流体动力学试验模型达到理想匹配.相比之下，X射线只有在4MeV能量时才能达到最大图像对比度，此时其穿透能力只有高能质子的1/10. 质子照相能测定密度细微变化的另一个理由是质子散射能得到控制. 散射质子可以被聚焦形成视觉上无背景、对比鲜明的图像.而实验客体对X射线形成的大角度散射无法控制，降低了照相的精度和灵敏度.
(3)质子对密度和材料都比较敏感，可以分辨密度差别不大的两种物质.实际上，质子散射的利大于弊，它能用于识别物质的化学组成.利用两个相同的磁透镜系统和不同孔径准直器串联组成的两级成像系统，通过对两种不同准直孔径得到的数据进行分析，可以提供材料的密度和组分信息.而X射线只对密度敏感，故分辨不出密度差别不大的两种物质.
(4) 曝光时间可调.质子加速器能够产生持续时间为100ps、间隔为5ns的“微小脉冲束”，每幅图像可用8—20个脉冲的时间进行曝光.因此，质子照相可任意选定曝光时间和间隔.内爆初期，研究人员可以选择较长的曝光时间和间隔，对较慢的运动进行连续式“冻结”照相.当内爆速度变快时，可以缩短曝光时间.DARHT的脉冲时间由电路决定，一旦脉冲的时间间隔和持续时间固定，只能以固定的时间间隔照相，研究人员只能指定第一幅图像的时间.
(5)探测效率高.质子是带电粒子，直接与探测介质中的电子相互作用产生信号，因此，很薄的探测器就能将质子探测出来.如此薄的探测介质接收不到被探测客体中产生的中子和 γ光子.
(6)空间分辨率高.X射线照相是X射线穿过样品打到闪烁体或底片成像，没有聚焦过程(事实上，对4MeV的X射线还没有聚焦办法)，图像的空间分辨率由光源的尺寸(焦斑)决定.质子散射虽然也会引起图像模糊，但质子散射是可控的，可以通过磁透镜聚焦成像.磁透镜不仅能聚焦质子，而且能减小次级粒子的模糊效应.但不同能量质子的聚焦不同，也将导致模糊.Zumbro改进了透镜系统，消色差提高了图像品质.对于小尺寸物体的静态质子照相，空间分辨率可到100μm，最近的质子照相实验已达到15μm，并有达到1.2μm的潜力.
6 结束语
质子照相是美国国防研究与基础科学相结合而诞生的高度多用性的发明.质子照相若不是与国防基础研究共同立项，也绝不会有如今的发展.雄厚的武器实验基础能持续提供人员和创新技术.质子照相极大地提高了流体动力学试验的测量能力.它所具有的高分辨率能够精细辨别内爆压缩的细节，多角度照相有利于建立完整的流体动力学模型，多幅连续照相更加容易判断冲击波和混合物随时间变化的情况.近年来，科学家们加紧了对高能质子照相的研究.目前，X射线照相仍然是流体动力学试验的主要设备.总有一天，质子照相将代替X射线照相并对流体动力学试验进行充分解释.
参考文献
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［11］ Morris C L， Hopson J H， Goldstone P. Proton Radiography. Los Alamos National Laboratory， LA-UR-06-0331， 2006
流体动力学原理范文第2篇
【关键词】输油管道 workbench 双向流固耦合 流体动力学
1 引言
流体动力学是研究流体平衡的条件及压强分布、流体运动规律、以及流体与固体之间的相互作用等，研究结果对分析管道的振动及影响因素有重要意义。本文针对新疆某石化公司的10-K-302C离心式甲烷制冷压缩机自开机以来油管线振动较大的问题，通过对管内流体流动状态进行模拟分析，得出了流体耦合前后动力特性的变化及管道振动的原因。
2 双向流固耦合分析原理
流固耦合要遵循质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒，所以在流固耦合交界面处，应满足流体域固体应力（σ）、位移（d）、温度（T）、热流量（q）等变量的相等或守恒，即满足下面四个方程：
σ分别为液体、固体应力。
3 流体和管道的计算模型
就10-K-302C离心式甲烷制冷压缩机装置的油管线位移较大现象，通过分析油耦合前后的动力学特性，找出流体运动特性，对寻找该管道振动原因有重要指导作用。出口管道的管路图如图1：选取油在弯管中心轴线处的1、、2、、3、、4、点，及在出口处5、为观测点。
图3 耦合后油速度流线图
耦合前后油与管道接触壁面的压力云图4和图5。绝对压力均在入口处较大，弯头处较其连接处的直管压力较大。耦合前油壁面的最大绝对压力为772KPa，最小绝对压力为759.9KPa，压力波动值为1.58%，压力波动较小。流固耦合后接触壁面的压力大小和分布与耦合前几乎相同。图5 耦合后油壁面绝对压力
流体动力学原理范文第3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
流体动力学原理范文第4篇
【关键词】CFD 高炉出铁厂除尘系统 管网平衡
一、引言
随着社会的进步，生产力高度发达的同时，随之而来的就是人类的生存环境日益破坏，钢铁行业又是污染物排放大户，炼铁厂、炼钢厂及轧钢厂又是钢铁企业的主要污染源，冶炼每吨钢水大约产生2.5kg烟尘。污染物主要是金属和非金属氧化物固体粉尘、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体有害物。对钢铁生产过程中产生的粉尘进行有效的捕集及处理，是钢铁企业节能环保研究的重要课题。捕集的关键又在如何控制好除尘管道的流量分配问题，但传统的水力计算设计方法已经不能满足现有设计的要求。
本文采用方法主要是利用计算流体力学方法（CAE）对高炉出铁场除尘系统的管网系统进行分析，力求找到一套适合指导现有除尘系统设计的方式。
二、研究方法简介
CFD（Computational Fluid Dynamics）即计算流体力学，是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础上的一门新学科，具有适应性强、应用面广的优点。基本思想是用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替将空间域上连续的物理量的场，如速度场和温度场；然后，按照流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）建立这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，通过这种数值计算，得到复杂问题基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）在流场内各个位置的分布，以及这些物理量随时间变化情况。
1） 分析计算原理
钢铁车间除尘的CAE仿真中，必须考虑的一个重要物理现象是热气流的浮升，即气流在铁水表面受热膨胀，密度减小，在浮升力的作用下形成上升的热气流。湍流模型中Gb为考虑热气流浮升力对湍流的影响，具体表达式如下：
粉尘是CAE仿真模型中另一个重要方面，粉尘颗粒直径小，具有良好的跟随性，随气体运动而运动，因此可以认为粉尘颗粒与气流具有相同的速度，粉尘的运动速度不必再行仿真计算。但是粉尘对铁水与气流之间的辐射换热过程有重要影响，气流中粉尘浓度越高，气流的辐射吸收系数越大，相反，纯净的空气对辐射的吸收系数接近于零。含尘气流的辐射吸收系数用下式计算得到：
2） 数值分析模型
钢铁车间除尘的CAE仿真几何模型包含了较多复杂结构，且CAE模型求解对网格质量要求不是很高，因此网格划分可完全采用非结构化网格，否则将大大延长CAE仿真的时间周期。考虑到目前的计算机能力，百万量级的网格数量是合适的。
CAE仿真模型的求解采用SIMPLE算法，具体求解过程可在Fluent软件中实现。
3） 材料参数
本CAE分析所涉及的流体主要为空气和铁水，空气密度按照理想气体定律进行计算，以考虑温度变化对空气密度的影响。
4）边界条件
对除尘管道的流量分配仿真，进口采用压力进口边界条件，在除尘点处设置足够大的自由空间以使得进口边界处压力为大气压；出口给定空气流量，数值为相应除尘点的设计风量。
仿真模型的输入与输出
输入条件
1. 几何模型，包括除尘区域设备、捕集罩和除尘管道等（附图所示）
2. 铁水温度及黑度
3. 环境温度及气压
4. 各除尘支管风量
输出结果
1. 各除尘支管烟气温度（可现场测试）
2. 除尘效率
三、除尘管道仿真
通过CAE的方式对高炉出铁场除尘管道的风量分配进行建模仿真。下图是对某高炉的3#出铁口的管道进行的仿真建模，包括铁口侧吸、顶吸、撇渣器以及摆动流嘴的除尘罩以及除尘支管、除尘总管，在除尘总管末端施加压力出口边界条件，各除尘罩给定足够大的自由空间，同时施加压力入口边界条件，且入口压力和温度为当地大气压和车间环境温度。
由于现场条件的限制，除尘风量的测量仅在顶吸、两个侧吸以及烟囱的风量测定孔处进行。下表为3#出铁口在测试、设计和CAE计算下的除尘风量分配及温度。表中风量单位为（m3/h），温度单位为（℃）。
四、小结
高炉出铁场除尘系统的除尘管道均可以通过相同的CAE模型进行仿真分析，仿真得到除尘管道的风量分配且结果可靠，用于指导除尘管道的优化设计。
参考文献
[1]王福军，计算流体动力学分析，北京：清华大学出版社，2006：13～16
[2]钢铁企业采暖通风设计手册，中国冶金建设协会
[3]中华人民共和国标准，采暖通风与空气调节设计规范GB50019
[4]中华人民共和国标准，通风与空调工程施工质量验收规范 GB50243
流体动力学原理范文第5篇
【关键词】节能赛车 造型设计 仿真 材料 模型制作
本田节能竞技赛车大赛是由日本本田（Honda）汽车公司举办，所有赛车搭载组委会提供的125cc低油耗4冲程发动机，各个车队独立完成对发动机的改造及车架结构、车身造型的设计，最终以同等路程的燃油消耗量为评判依据。
一、造型设计流程分析
鉴于同等路程的燃油消耗量为比赛结果的评判标准，故要求设计者通过减少能量损失来降低整车的行驶能耗。经过对裸车架和有车壳的节能赛车的对比试验，发现二者燃油消耗量竟相差一倍之多。再根据汽车行驶方程：驱动力=风阻+摩擦阻力+加速阻力+爬坡阻力，发现风阻和摩擦阻力都受到车身造型的影响。故车身造型对减少整车行驶能耗、提升整车动力性能具有重要作用。
节能竞技赛车的造型设计主要分为三个阶段。首先是车身造型设计阶段，结合设计美学、仿生学、色彩学等知识，设计出符合空气动力学要求的气动车身造型。其次是空气动力学仿真，车体匹配仿真阶段，利用CFD仿真技术计算流体动力学，针对车壳和车架做车体匹配仿真，检查有无干涉是否匹配，确定最终方案；工艺材料分析、车身模型制作阶段，对比分析材料特性、加工工艺，选定制作材料，完成模型制作，车壳成型。
二、车身造型仿生与色彩设计
仿生设计已经被广泛应用于汽车造型设计。从自然界寻找设计灵感，将自然和谐的生物形态、合理的生物结构应用于汽车造型，不仅能提升整车的视觉冲击力与吸引力，还能使整车造型气韵生动、富有生命力。经过对生物流体结构及美感特征的分析，选定以具有流线美的大白鲨为生物原型进行仿生设计。大白鲨流线型造型饱满有力、优美光滑，身体呈“中间宽、两头尖”的纺锤状结构，可有效的分散行进阻力，加快运动速度。
通过对大白鲨的流线型造型特点及神态特征的提取，结合低空气阻力系数车身应满足的条件，以大白鲨的流线型特征为蓝本进行了节能赛车的优化仿生设计。根据人机工程学理论，设定了整车的尺寸与驾驶空间，整车长约2.5m，宽约1m，高约0.6m。在保证驾驶员安全舒适的同时，在前方为驾驶者留有90度的观察视野，以确保驾驶者视线清晰。以大白鲨为仿生原型的节能赛车源于具象而又超越具象，整车造型光滑流畅、饱满有力、曲线丰富而又细腻。
车身主体以黑色为主，辅以柳红色，红黑配色相得益彰、动感十足，使整车造型稳重而又不失激情。在车顶窗与车体分界线的位置以柳红色过渡，突显曲面的光滑饱满。自车头延伸至车身中部加一抹火焰状的明亮的柳红色，有利于在视觉上拉伸整体造型，彰显优美修长、富有动感的侧面形态。
三、空气动力学仿真与车体匹配仿真
根据前期设计方案，利用Rhino软件输出三维模型，再利用CFD仿真技术计算流体动力学，分析赛车的阻力和升力两个因素。根据空气阻力分析发现，由于车架底部、车轮等构件未包裹，导致内循环阻力增大；由于车头位置较窄较高、尾部过宽，导致气流通过不顺畅、行车不稳定。针对上述问题修改方案，对车架实行全包裹，仅在车轮位置留有转向空间，尽量压低车头前端造型，适当加宽中前部造型，使前车头和尾部尽量尖锐化。对修改后的方案进行二次空气动力学仿真，之前存在的问题得到了缓解，有效降低了整车的气动阻力、侧风条件下的升力。
空气动力学仿真后进行车壳、车架匹配仿真。大赛规定：参赛车辆的车轮必须为3轮以上（包括3轮）。为了降低行进阻力、保证行驶的安全性，选取前两轮后一轮的车架模式。对输出的车壳和车架的三维模型做车体匹配仿真，发现在车轮处留有的10cm的转向空间较适宜，其余位置经检查无干涉，车壳和车架很匹配，确定了最终的三维模型。
四、工艺材料分析与模型制作
据数据显示，整车质量减轻10%，油耗可减少8.5%。节能赛车也是如此，选择轻质材料对降低整车行驶能耗具有重要作用。节能竞技赛车比较常见的车体材料为铝材、玻璃钢和碳纤维。经分析发现铝材虽可满足轻巧、塑性强、易加工的要求，但其自身硬度较低，易使车壳不稳定。玻璃钢硬度高、性能稳定，但质量略重。碳纤维质量轻、硬度高，但加工模型过程复杂，成本较高。
在充分衡量各材料轻便、结实、安全和价格等的因素下，选定强芯毡、玻璃纤维、碳纤维、树脂为备选材料，制作1：20的小比例模型，进行材料分析实验。1.强芯毡和玻璃纤维实验。一层强芯毡一层玻璃纤维：强度够，但曲面部分成型困难，表面平整度不好。2.玻璃纤维和树脂实验。两层玻璃纤维加树脂：强度适中，光滑度好，成型容易控制。3.碳纤维和树脂实验。碳纤维加树脂：强度高，质量最轻，但成本较高。综合衡量各材料的特性及工艺水平，最后选定车体由玻璃纤维和树脂材料加工制作，透明车窗部分选用亚克力材料。
模型制作阶段主要分为以下五个步骤：第一步：从三维图中导出三视图1：1打印，作为整车的尺寸参照图；第二步：依据车身尺寸，选用聚氨酯塑料制作模具，再用石膏为模具定型；第三步：清理模具，刷上脱模剂，再用薄膜隔离、上玻璃纤维刷树脂晾干；第四步：选择开模位置，把上下分开；第五步：进行和车架的匹配安装。
结语
北京林业大学设计制作的节能竞技赛车曲面饱满、富有动感，符合空气动力学要求。本文重点讲述了节能赛车车身造型仿生与色彩设计的过程、空气动力学仿真与车壳、车架匹配仿真的作用及工艺材料分析与模型制作的方法，通过阐述北京林业大学节能竞技赛车设计实践应用，可以为其他车队提供借鉴。
参考文献：
[1]付桂涛. 汽车造型设计中的仿生原理[J]，装饰，2006（7）.
[2]余柳燕.汽车燃料经济性试验方法与评价体系[D]，武汉理工大学，2011 （73）.
作者：乔丽华系北京林业大学艺术设计学院工业设计专业2013级硕士研究生
