第三章轴向柱塞泵内部流程仿真
计算流体动力学（CFD）是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并且对上述现象进行过程模拟。将CFD 技术与工程研究相结合，不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量．可以说，CFD 技术是一种有效和经济的研究手段。
流体流道的结构对整泵的液压性能起着决定性的作用，因此，有必要揭示流道内流体的运动规律，以及机械结构对流体动力特性的影响，本章将利用CFD 软件Pumplinx软件对泵的内部流场进行仿真分析，研究泵的空化问题。使用泵的CFD 模拟仿真使得在泵的设计阶段就可以了解泵的性能，避免设计失误，减少试验成本，缩短设计周期。
1、软件简介
PumpLinx是Simerics公司的专业泵和马达CFD 模拟工具。 Simerics 是一家美国的动力学软件/咨询公司，总部位于美国阿拉巴马州亨茨威尔市。Simerics 的团队由科学家和工程师构成，他们的核心成员早在1980 年就是CFD 软件开发和应用方面先驱者。将他们的知识和经验与先进的计算物理、计算几何和软件工程相结合，给客户提供了新一代的仿真工具。
图3.1 pumplinx软件界面
PumpLinx 是一个独特的CFD 工具，它可以帮助工程师更好的设计泵和马达，与其它的通用CFD 软件相比具有以下优点：
（a）功能完备。具有模拟流动、通风、汽蚀的高精度模型。完全满足泵及其它任何具有旋转部件流体设备的模拟能力。
（b）具有泵/马达专业模版，快速完成设置。模版将泵CFD模拟的流程和规范内置到PumpLinx软件中，泵的模版使CFD 模拟的设置简单化，同时保证了计算结果的可靠性。
（c）快速计算。对于不同的泵配置，如转子泵或叶片泵，已经通过可定制模块预编程到PumpLinx 之内，几分钟之内就可以完成设置。至于计算速度，在泵类应用方面，PumpLinx通常比其它CFD 代码快5倍。
（d）高度自动化的网格生成：PumpLinx / Simerics最新发布的 2.0 版的自动化网格生成能力能够使用户通过简单的两到三步快速的创建网格。通过二元细化和自适应技术来建立高效、高分辨率的网格，即使尺度差异悬殊的复杂几何也是如此。泵模版提供了针对专门泵部件的网格生成工具。
（f）高级数值算法。PumpLinx 将最新的数值技术与Simerics 的专有算法相结合，建立了一个比其它竞争对手更快速、更稳健的数值模拟工具。
（g）稳健而精确的空化模型。PumpLinx的通风/空化模型与算法优势相结合，允许你精确而稳健的模拟高蒸汽体积分率或不可压缩气体问题。值得夸耀的是PumpLinx 拥有工业界独一无二的空化（汽蚀）模型。空化模型经历了真实应用的测试和验证。这一模型的特别之处在于对特别困难的问题，在其它软件都失败的情况下，Simerics依然可以收敛。当空化效应不可忽略时，这一能力对于很多问题都是很重要的。
（h）可靠的结果。PumpLinx 精确的模拟在泵、马达和其它流体机械内部的三维问题，以及包含蒸汽和不相溶气体的复杂问题。PumpLinx 的空化模型已经被大量的工程题目所验证，对于许多应用，这一重要特征在其它CFD 软件里是没有的。
Simerics 在CFD 软件开发上坚持走面向企业用户的专业化道路。Simerics 公司凭借强大的研发实力在不到一年的时间里就开发出了高品质，高度专业化的泵模拟软件PumpLinx。由于PumpLinx 功能强大且实用性非常好，所以能在较短的时间内，在CFD 软件竞争最激烈的汽车及航空工业迅速打开市场。目前美国的3大汽车公司GM，Ford，Chrysler，以及Magna，tackpole 等汽车配件厂，以及United Technology，Goodrich，Hamilton Sundstrand 等航空配件公司都成为Simerics 的正式客户。PumpLinx 在液压行业也普遍受到好评。目前Simerics有在液压行业的客户包括Bosch，Caterpillar，Parker，Eaton，Sauer，Liberherr等。PumpLinx的业户也在包括传统水泵行业在内的其他方向得到了迅速扩展。目前已和Cornell，Blackmer等公司建立了紧密的合作关系。
2、轴向柱塞泵内部空化位置仿真
2.1空化原理和空化模型
柱塞泵在运行过程中会产生空化现象，导致严重的气蚀破坏和气蚀噪声，并导致元件破坏和流体噪声。空化现象出现在元件内部，尤其是复杂流动的位置区域，很难通过试验手段进行直接观测，因此本章通过对柱塞泵进行内部流场的建模，通过数值仿真方法对该现象进行重点研究。一方面对空化产生的机理进行理论分析，另一方面，对空化产生的位置进行模拟仿真，分析其产生的过程。
2.1.1空化原理
根据现有的理论认为产生气穴的原因主要有两种情况：
1)局部压力降低产生气穴。柱塞泵在配流过程中，柱塞腔排油阶段结束向吸油区旋转时，由于阻尼槽的存在，流道断面逐渐收缩，在配流盘阻尼槽流道与吸油腔相接时的流体流动则属于管道突然扩大的流动情况，所以在吸油过渡阶段，流体从吸油腔经阻尼槽到柱塞腔内，经历了断面收缩和断面扩张两个过程。射流的收缩和重新附壁，再重新附壁前往往形成一个低压区，如果低压区产生真空，且真空度很高，则要发生空化现象。另外，在吸油区的中间，即柱塞运动速度最大处也有可能产生空化。因为动压的增大必然导致静压的减小，同时柱塞处于吸油区，加上泵吸油时吸油管道引起沿程损失，极可能会出现空化现象。
2)强剪切作用产生气穴。根据热力学平衡态的解释空化现象主要发生在低压区。实际上空化机理远比热力学相变解释要复杂。诸多学者在开展流体空化的试验研究中，发现强剪切导致流体总应力状态改变，从而使流体内部或界面有缺陷处发生空化。轴向柱塞泵在配流过程中，由于配流副处的问隙的存在，配流副产生相对滑动，随着主轴转速的提高，配流副间产生强剪切力将越来越大。配流过程中配流副间油膜的流动为典型的强剪切流。高剪切速率会导致流体内部的应力状态由压应力变成拉应力，当流体所承受的主应力成为张应力时，流体中将发生空化。综上，造成柱塞泵配流过程中产生空化的原因有两个：一是局部低压区的存在；二是由于配流副油膜闻相对滑动而产生的强剪切力导致微间隙内液膜破裂直至磨损甚至诱发空化。两者综合作用更容易产生空化。
2.1.2空化模型
气穴模型属于多相流模型之一，针对两相可以互相渗透的流体，模拟当局部压力低于气化压力时气泡的形成，所以存在两相间的质量转移。并假设相与相之间无滑移。气穴模型解决一个混合物的动量方程和气相的体积比方程。现在最通用的气穴模型为完整空化模型(full cavitation model)。
完整空化模型基于流体力学中最基本的变密度的标准粘性流动方Navier-Stokes方程和传统的湍流模型(k-ε方程)。流体的密度是关于气体质量含量f的方程，气体质量含量可以通过求解质量和动量守恒方程的传输方程得到。可以得到ρ-f的关系方程表示为：
v l 1
f
1f ρρρ-=+
考虑气体质量含量情况下的传输方程为：
e c
f Vf f R R t
ρρ???Γ?-? （）+（）=（）+ 其中，源项e R 和c R 表示气泡的产生和消失速度，是关于流动参数(包括压
力、流速)和流体参数(包括液相和气相的密度、饱和蒸气压、气体表面张力)的函数，也是气穴模型所要最终求解的表达式。
2.2物理模型的建立
在进行CFD 仿真分析时，对于物理模型的建立，只考虑流体部分，根据这一原则，我们取流体区域来建立轴向柱塞泵的系统CFD 计算模型，如图3.2所示。该计算模型根据Vickers 轴向柱塞泵 PVH98原型建立的，包括柱塞泵进出口流道，配流盘流体区域，9个柱塞腔流体区域，不考虑该泵中的小间隙泄漏区域。
图3.2 柱塞泵CFD 仿真物理模型
柱塞泵计算模型的对比结构特点包括：
1、缸体结构
目前的大多数柱塞泵CFD 仿真模型主要都是采用了单柱塞的结构，如德累斯顿工大(TUDresden)．西南交通大学等，这种建模虽然节节省了大量的计算机资
源，但是对拄塞之问流场的相互作用影响无法体现，仿真得到的流场情况不准确。本论文的计算模型建立了全部的九个柱塞腔模型，各个柱塞腔的流体在配流盘处汇合，各个柱塞之间的流体互相影响，从下面的柱塞泵内部流线仿真可以看出，个柱塞之间的流体互相影响，如只考虑一个柱塞将与实际造成较大的差别。
2、配流盘结构
本模型根据实际的配流盘结构建立物理模型，包括了其中的升降压减压孔，减压槽结构，配流盘阻尼槽结构多种多样，包括三角槽、u型槽、阻尼孔等结构，同样的阻尼槽结构形式由于尺寸参数不同，对配流过程流动特性又有很大的影响。本文根据实际的模型建立了三角槽结构，如图3.3，通过对该实际模型的仿真，以达到检验设计的目的。在柱塞泵的CFD模型中配流盘和缸体的接触面是流场内数据交换的关键，因此对该接触面上的网格进行加密处理，以提高仿真精度。如图3.4所示。
图3.3 三角槽模型图3.4 配流副网格加密
2.3仿真条件设置
（1）流动介质为40#液压油，其参数如表：
（2）因流场随时间变化比较剧烈，需要对轴向柱塞泵进行瞬态分析。
（3）假设流体为可压缩，恒定的牛顿流体(即速度梯度变化时，动力粘度μ不变)。
（4）判断流动过程的流态是层流还是湍流可以根据雷诺判据进行判断，即通过雷诺数Re 确定：
h D Re ρνμ
= 式中h D 为通流截面的水利直径，它等于液流的有效截面积Ar 与它的湿周U
的比值的4倍，即h D =4Ar ／U 。油液在参考密度ρ=870 kg ／m3，油液的动力粘
度μ=0.0261 kg ／(ms)。通过对柱塞泵的流场仿真分析可知，在减压槽内流体的速度可达100m/s 以上，取100m/s 计算：
Re=11333>ec R =2000
并且从实际中存在的问题来看，空化问题主要出现在配流盘减压槽和减压孔处，该处由于处于高低压转换区流速比较大，减压槽(孔)绝大部分时间雷诺数Re > 2000，只有开始通油的短时间内和通油快结束的短时间内Re <2000，一般合起来层流通油时间占总工作时间的10%左右。因此，在对高压轴向柱塞泵的空化进行数值计算时，应选择紊流状态。
2.4空化产生位置的数值仿真结果分析
2.4.1空化产生的位置
通过对柱塞泵模型的仿真可以得到：
图3.5柱塞泵内产生空化的两个位置
从图 3.5可以看出柱塞泵在陪流过程中，当柱塞从低压腔接通高压腔的时
候，由于减压槽和减压孔两端的压差，导致在这两处的流速过快，动压增大，静压减小，使得这两处产生大量的气泡，发生了明显的空化现象，这与现实中柱塞泵内空蚀破坏的位置颇为符合，如图3.6所示：
图3.6柱塞泵内空蚀破坏
通过前面的空化机理分析，我们知道空化产生的原因是由于流场中某处的压力低于液体的空气分离压时，原本溶解于油液中的空气便析出，致使该处产生大量的气泡，因此我们通过对所建立的轴向柱塞泵的瞬态计算模型，对其配流过程的压力分布进行分析，得到缸体不同转角是的压力大小，进而找出柱塞泵发生空蚀破坏的原因。
因为空蚀是流体中压力突然降低产生的气泡被带到高压区溃灭产生的，因此应对泵腔内气泡的产生及其溃灭的位置进行讨论。分析图3.5中配流配流过程总空化产生的位置可知，空蚀大概是在柱塞腔与压油腔接通后的油液回冲阶段形成的。因此，数值计算时应该主要考虑缸体转动过程中缸体与配流盘压油腔接通后油液回冲的初期阶段，对减压槽附近的压力分布，压力大小进行分析，并根据压力减低的原因来区分空化的形式。对于气泡的溃灭位置，不同类型的空化气泡具有不同的运动情况，研究指出，对于游移型的空化，气泡在低压处产生之后，随水流运动，这些空泡经过低压区时，尺寸增大，当运动到高压区域时，会迅速形成收缩再膨胀，再收缩的振荡过程，以致溃灭，因此，游移型空化会造成水体的强烈振荡；游移型空泡的运动速度大致等于水流的速度，也就是说，空泡相对于水流是静止的。因此水流的运动轨迹近似于空泡的运动轨迹，我们可以大致估计气泡溃灭的位置；对于漩涡型空化和固定型空化，其空泡的运动范围较小，空泡在低压区域迅速产生并达到接近于最大直径，该低压区域处流体运动速度较小，空泡运动出低压区之后便产生溃灭，这两类空化为附体型空化，因此其溃灭的后果将造成零件表面的破坏。
2.4.2配流过程的压力大小分布
a b
c d
e f
g h
i j
k l
图3.7 配流过程压力分布a-l
图3.8 截面Z=0.0083m上的压力分布
为了研究配流过程中减压孔和减压槽附近压力大小的分布情况，选取了Z=0.00856m处截面上的压力分布，如图3.7，配流盘和缸体的接触面为Z=0.0085m 截面处，可知所选取的截面为配流盘与缸体接触平面下方的0.06mm处。图3.8为Z=0.0083m处截面，可知该截面反映的是减压孔和减压槽内部的压力分布情况，从图3.8可以看出，减压孔和减压槽两处内部的压力都在空气分离压上面，因此，气泡并不在这两处产生。图3.7中a至l图为按顺序排列下来的12个时间步，每个时间步的时间间隔为0.12ms。从图3.7中可以看出，当柱塞腔接通排油槽时，由于减压孔和减压槽两端的压力差，导致此时流体从排油腔倒灌入柱塞腔，从图中减压孔和减压槽口处的速度矢量方向即可看出。由于该处压差大，流液速度增大，动压增大，静压减小，从图3.7的a-h各截面的压力云图即可看出在减压孔射流后面有一块低压区，该处压力小于空气分离压（约为4000Pa），因此在该区域将有气泡产生，该低压区域除了柱塞腔刚接触减压孔时，油液的喷射作用使得该低压区处于减压孔前面外，其它时候该区域一直处于减压孔后面，这原因一是由于射流产生的低压区域随柱塞的旋转而运动，二是由于柱塞孔的喷射作用使得柱塞腔的减压孔下方犹如存在着一根“固体水柱”，该“固体水柱”不随柱塞腔旋转运动，而柱塞腔内的液体随柱塞做高速旋转运动，相当于柱塞腔内的液体冲刷这根“固体水柱”，于是便在水柱后产生了类似卡门漩涡的低压区。从图3.9可以看出，高速的喷射使得柱塞腔内形成了“一根”有别于柱塞腔内部流体运动情况的区域，这“一根”区域的水流高速下喷，不随柱塞做旋转运动，图3.9b可以看出，由此使得该“固体水柱”引起的水柱后的流液速度方向变化明显，“固体水柱”后形成了圆柱的绕流现象，形成了类似卡门漩涡中的低压区。
a b
图3.9“固体水柱”a与其绕流现象b
从图3.7的i至l图可以看出，在柱塞腔接通减压槽的时候，同样存在着油液倒灌现象，并且在减压槽前行成了一块低压区，该低压区面积明显大于减压槽高速喷射的区域。很明显该处的低压一部分是由于高速的喷射产生的低压，如图3.7的i至l都可以看出，在速度较高的减压槽喷射口处产生了低压，但在喷嘴口的前面部分，该处已偏离了喷射口，该区域并未直接受喷射流影响，但却形成了低压区，使得低压区的面积明显大于喷射区域，如图3.10，这是由于处于高速喷射“轨迹”上的油液速度高，压力低，且明显低于大气压，A区原来为接近大气压的压力，即图中A区压力高于高速喷射“轨迹”上的压力，存在的压力差使得A区的油液向下流动，并随高速射流流动，这种情况类似于扩散流道，由于主流流束速度减小，压力沿流动方向出现正压力梯度变化，形成了压力差，使得油液产生回流，不同的是此处的压力差使得油液顺流。且从图中的流线可以看出虽然油液是从排油区倒灌入柱塞腔，但引起的压力变化是如3.11所示，喷射入的油液首先集中在柱塞下方，使得柱塞底部的油液压力上升，柱塞顶部的油液随高速射流流动后并未得到油液补充，因此引起低压区，随着射流的迁移，射流速度变低，与其周围的压力差逐渐消失，因此随射流的流动区越来越小，如图中的B区压力便不再降低，从C区的上下方的油液流动方向可知，C区无法得到油液的补充，因此C区压力依然较低。
图3.10压力差引起的油液流动 图3.11倒灌引起的柱塞内压力变化 从上面的分析，我们可以知道柱塞中低压区存在的位置及气泡发生可能存在的位置，接着我们对气泡的溃灭位置进行分析。
2.4.3气泡的溃灭位置分析
（1）减压孔处低压产生的空蚀破坏位置
根据上一节对产生低压原因的分析，可见在柱塞泵的配流过程中共有三种空化类型出现，一是漩涡型空化，产生在减压孔喷嘴处，如图3.12。结合该区域的压力情况图3.7a-h ，可知空化主要是发生在射流的后面，且其运动速度不大，当其运动出低压区是气泡便破灭，其溃灭的位置刚好在配流盘的减压槽前方，这正于配流盘空蚀破坏地点相符。
图3.12漩涡型空化
（2）减压槽处低压产生的空蚀破坏位置
减压槽处低压产生的空化类型有两类，一是减压槽内的高速紊动区内产生的游移型空化，根据先前学者的观察指出，气泡在低压处产生之后，随水流运动，这些空泡在低压区射流的低压区内尺寸增大，当运动到高压区域时，
会迅速形成B C
流向
收缩再膨胀，再收缩的振荡过程，以致溃灭，且游移型空泡的运动速度大致等于水流的速度，也就是说，空泡相对于水流是静止的，因此我们通过对在配流过程中射流流线的运动情况来分析游移型空泡的溃灭位置，如图3.13。
图3.13减压槽射流流线图
从图3.13可以看出减压槽的射流在减压孔射流和柱塞圆周运动的影响下，射流流线在离缸体下边大约10mm的地方便改变了方向，因为射流的动能减少了，在柱塞圆周运动的影响下变改变了方向，随柱塞内流体圆周运动。因此，减压槽内的紊动流产生的气泡一般在柱塞腔内部破灭，其溃灭将引起流体的振动。
减压槽处的另一处低压是由于不同区域的压力差引起的流动，导致低压的产生，如图3.10所示的A区（不包括减压槽喷射区域的紊动低压区），该低压区域产生在靠近配流盘的下面一层流体，从柱塞腔内部流线图3.14可以看出，内部的流线形成了各自的循环轨迹，而该处的低压区域很少得到其它流体的补充，且因该处的流体的运动速度较慢（相对于柱塞内壁），该处产生的气泡将聚集在配流盘表面，当柱塞腔内压力升高时，气泡将在配流盘表面发生溃灭，对配流盘表面造成破坏。
图3.14 柱塞腔内部流线循环轨迹
3、本章小结
本章利用Pumplinx软件，通过建立柱塞泵的内部流场模型，分析了柱塞泵在配流过程中发生空化的位置，主要有三个区域：减压孔出口区域、减压槽出口射流区域、减压槽出口前端区域。从上面的压力大小分析和气泡的运动轨迹分析可以看出对配流盘表面造成破坏的空化区域主要是减压孔出口处和减压槽前端部分的空化区，减压槽内的紊流区产生的气泡主要是在柱塞腔内溃灭，不会对配流盘表面造成破坏。
第三章轴向柱塞泵内部流程仿真 计算流体动力学（CFD）是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并且对上述现象进行过程模拟。将CFD 技术与工程研究相结合，不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量．可以说，CFD 技术是一种有效和经济的研究手段。 流体流道的结构对整泵的液压性能起着决定性的作用，因此，有必要揭示流道内流体的运动规律，以及机械结构对流体动力特性的影响，本章将利用CFD 软件Pumplinx软件对泵的内部流场进行仿真分析，研究泵的空化问题。使用泵的CFD 模拟仿真使得在泵的设计阶段就可以了解泵的性能，避免设计失误，减少试验成本，缩短设计周期。 1、软件简介 PumpLinx是Simerics公司的专业泵和马达CFD 模拟工具。 Simerics 是一家美国的动力学软件/咨询公司，总部位于美国阿拉巴马州亨茨威尔市。Simerics 的团队由科学家和工程师构成，他们的核心成员早在1980 年就是CFD 软件开发和应用方面先驱者。将他们的知识和经验与先进的计算物理、计算几何和软件工程相结合，给客户提供了新一代的仿真工具。 图3.1 pumplinx软件界面 PumpLinx 是一个独特的CFD 工具，它可以帮助工程师更好的设计泵和马达，与其它的通用CFD 软件相比具有以下优点： （a）功能完备。具有模拟流动、通风、汽蚀的高精度模型。完全满足泵及其它任何具有旋转部件流体设备的模拟能力。
（b）具有泵/马达专业模版，快速完成设置。模版将泵CFD模拟的流程和规范内置到PumpLinx软件中，泵的模版使CFD 模拟的设置简单化，同时保证了计算结果的可靠性。 （c）快速计算。对于不同的泵配置，如转子泵或叶片泵，已经通过可定制模块预编程到PumpLinx 之内，几分钟之内就可以完成设置。至于计算速度，在泵类应用方面，PumpLinx通常比其它CFD 代码快5倍。 （d）高度自动化的网格生成：PumpLinx / Simerics最新发布的 2.0 版的自动化网格生成能力能够使用户通过简单的两到三步快速的创建网格。通过二元细化和自适应技术来建立高效、高分辨率的网格，即使尺度差异悬殊的复杂几何也是如此。泵模版提供了针对专门泵部件的网格生成工具。 （f）高级数值算法。PumpLinx 将最新的数值技术与Simerics 的专有算法相结合，建立了一个比其它竞争对手更快速、更稳健的数值模拟工具。 （g）稳健而精确的空化模型。PumpLinx的通风/空化模型与算法优势相结合，允许你精确而稳健的模拟高蒸汽体积分率或不可压缩气体问题。值得夸耀的是PumpLinx 拥有工业界独一无二的空化（汽蚀）模型。空化模型经历了真实应用的测试和验证。这一模型的特别之处在于对特别困难的问题，在其它软件都失败的情况下，Simerics依然可以收敛。当空化效应不可忽略时，这一能力对于很多问题都是很重要的。 （h）可靠的结果。PumpLinx 精确的模拟在泵、马达和其它流体机械内部的三维问题，以及包含蒸汽和不相溶气体的复杂问题。PumpLinx 的空化模型已经被大量的工程题目所验证，对于许多应用，这一重要特征在其它CFD 软件里是没有的。 Simerics 在CFD 软件开发上坚持走面向企业用户的专业化道路。Simerics 公司凭借强大的研发实力在不到一年的时间里就开发出了高品质，高度专业化的泵模拟软件PumpLinx。由于PumpLinx 功能强大且实用性非常好，所以能在较短的时间内，在CFD 软件竞争最激烈的汽车及航空工业迅速打开市场。目前美国的3大汽车公司GM，Ford，Chrysler，以及Magna，tackpole 等汽车配件厂，以及United Technology，Goodrich，Hamilton Sundstrand 等航空配件公司都成为Simerics 的正式客户。PumpLinx 在液压行业也普遍受到好评。目前Simerics有在液压行业的客户包括Bosch，Caterpillar，Parker，Eaton，Sauer，Liberherr等。PumpLinx的业户也在包括传统水泵行业在内的其他方向得到了迅速扩展。目前已和Cornell，Blackmer等公司建立了紧密的合作关系。 2、轴向柱塞泵内部空化位置仿真 2.1空化原理和空化模型
武汉理工大学 毕业设计（论文） GP车型排气系统 主消声器内流场分析 学院（系）：汽车工程学院 专业班级：热动0602班 学生姓名： X X X 指导教师： X X X
武汉理工大学学士论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师X X X和师姐郭学敏的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 作者签名： 年月日 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障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理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。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，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。 本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书 2、不保密囗。 作者签名：年月日 导师签名：年月日
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2转子动力学主要研究那些问题 答：转子动力学是研究所有不旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性,包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、状态监测、故障诊断和控制的学科。这门学科研究的主要范围包括：转子系统的动力学建模与分析计算方法；转子系统的临界转速、振型不平衡响应；支承转子的各类轴承的动力学特性；转子系统的稳定性分析；转子平衡技术；转子系统的故障机理、动态特性、监测方法和诊断技术；密封动力学；转子系统的非线性振动、分叉与混沌；转子系统的电磁激励与机电耦联振动；转子系统动态响应测试与分析技术；转子系统振动与稳定性控制技术；转子系统的线性与非线性设计技术与方法。 3转子动力学发展过程中的主要转折是什么 答：第一篇有记载的有关转子动力学的文章是1869年Rankine发表的题为“论旋转轴的离心力”一文,这篇文章得出的“转轴只能在一阶临界转速以下稳定运转”的结论使转子的转速一直限制在一阶临界以下。最简单的转子模型是由一根两端刚支的无质量的轴和在其中部的圆盘组成的,这一今天仍在使用的被称作Jeffcott转子的模型最早是由Foppl在1895年提出的,之所以被称作“Jeffcott”转子是由于Jeffcott教授在1919年首先解释了这一模型的转子动力学特性。他指出在超临界运行时,转子会产生自动定心现象，因而可以稳定工作。这一结论使得旋转机械的功率和使用范围大大提高了，许多工作转速超过临界的涡轮机、压缩机和泵等对工业革命起了很大的作用。但是随之而来的一系列事故使人们发现转子在超临界运行达到某一转速时会出现强烈的自激振动并造成失稳。这种不稳定现象首先被Newkirk发现是油膜轴承造成的,仍而确定了稳定性在转子动力学分析中的重要地位。有关油膜轴承稳定性的两篇重要的总结是由Newkirk和Lund写出的,他们两人也是转子动力学研究的里程碑人物。 4石化企业主要有哪些旋转机械，其基本工作原理是什么 汽轮机：将蒸汽的热能转换成机械能的涡轮式机械。工作原理：在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。作用与功能：主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活的供热需要。 燃气轮机：是一种以空气及燃气为介质，靠连续燃烧做功的旋转式热力发动机。主要结构由三部分：压气机，燃烧室，透平（动力涡轮）。作用与功能：以
3 HUPO外流场分析报告 项目名称：琥珀 编制：日期： 校对：日期： 审核：日期： 批准：日期： HUPO汽车有限公司 2012年5月
目录 1概述 (1) 2使用软件 (1) 3模型前处理与网格划分 (1) 3.1CAD模型的前处理 (1) 3.2有限元模型的前处理 (2) 4模型求解及结果分析 (2) 4.1模型求解设置 (2) 4.2求解结果分析 (3) 5空气阻力系数的计算 (6) 6结论 (6) 参考文献 (7)
HUPO外流场分析 1概述 本报告应用CFD分析软件，对HUPO进行外流场分析，给出整车满载下的风阻系数，为设计组提供参考。 本次分析采用半车模型，车身表面采用约（8-25mm）的三角形网格；风洞尺寸为（40m ×6m×10m），其壁面网格为（400-500mm）；体网格采用六面体单元，单元总数控制在250万之内。 本报告设风洞入口边界条件为s ,出口条件为压力出口，空气密度为 30 u/ m 1.225kg/m3，计算中不考虑温度变化。 2使用软件 本报告使用的前处理软件为ANSA，解算器和后处理软件为Star-CCM+。 3模型前处理与网格划分 汽车车身表面存在大量细小特征，要精确地模拟所有这些特征，经常会导致生成的网格单元数目巨大，从而使得求解时的计算量增加，因此在处理计算模型时对几何数模进行合理的简化。 3.1CAD模型的前处理 在CATIA中将汽车模型（特别是底盘部分）作合理的简化：保留轮胎、后视镜等部件；由于底盘的复杂性，这里将车底化为平面，然后将车身表面和底盘的碎面缝合起来，形成若干个大的特征表面，将整个汽车简化为封闭的壳体；再在汽车周围形成适当的空气域（40m×6m×10m），汽车与风洞相对位置如图1所示（由于汽车的对称性，为减少计算采用半车身模型）。 图1半车几何模型
通海阀内流场的三维数值模拟 江山，张京伟,吴崇健，许清，彭文波 摘要：以通海阀为研究对象，采用Fluent软件对通海阀在不同的开口度和流量下的内流场进行数值计算，给出通海阀阀腔内的速度场和压力场图。根据该可视化结果分析影响通海阀性能和产生噪声的原因，为通海阀的内流道优化提供理论依据。关键词：通海阀；RNG κ-ε湍流模型；Fluent软件；流场可视化 Three Dimensional Numerical Simulation of The Flow Field Inside Hull Valve Jiang Shan ,Zhang Jingwei，Peng Wenbo (China Ship Development and Design Center,wuhan,,430064,China) Abstract：The research is focused on three dimensional simulation of the hull valve . The Fluent software has been applied to simulate the flow field inside hull valve at the conditions of different openings and different flux. And the pressure distribution and velocity distribution obtained through calculation. We search the reason which affect the capability and lead the noise of hull valve base on the visual result of simulation. The research result provide theoretics for optimizing the flow field inside hull vale. Key words：hull valve；RNG k-ε turbulent model; Fluent software；flow visualization 1 引言 通海阀是船舶内部管路系统与外界连接的重要装置，主要用于各管路海水注入和排出的控制和调节，因此其性能的好坏直接影响着全船各个系统乃至整个船舶的性能。 过去受研究手段的限制，对通海阀的研究人们主要采用实验方法，对它的外部特性，如进出口压力差、流量系数等，进行测试和分析，而对流体在通海阀内部的流动情况则很难知晓，认识不足。近年来随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展，应用CFD方法，对各种阀内部的流场进行仿真计算和可视化分析，成为流体机械领域新的研究热点，其研究工作对阀门的结构参数设计和流道优化设计具有重要的实际意义。 近年来国内外学者应用CFD方法对液压锥阀内部流道内的流动情况进行了许多研究，国内文献[1，2]用有限元方法，建立了二维模型，对锥阀内流场进行了数值模拟，并用DPIV流场试验可视化技术进行了实验可视化研究。文献[3]分别对简化为轴对称的二维流场模型和不经过任何简化和近似处理的三维面对称流场模型两种情况，应用CFD分析软件Fluent，进行了仿真计算和可视化研究，给出了锥阀阀腔内的速度场、压力场和流线图。对比分析表明，采用基于三维流场的可视化分析，可更清楚全面地反映锥阀内部的复杂流动情况。国外，K．Ito[4]等用有限差分法对液压锥阀层流流场进行了研究；文献[5]对水压锥阀内部的流场进行了实验研究。 本文采用CFD方法选用Fluent软件对通海阀在不同开口和不同流量下的内部流场进行数值模拟，根据可视化结果分析通海阀内部流场（速度分布、流场结构、漩涡的产生及消失等等）与噪声、能量损失机理的关系。根据分析结果为通海阀内流道优化提出改进方向。
空调试验房室内空气流场的计算分析 摘要：本文对空调试验室流场进行模拟计算，在此基础上对测试室送风系统进行改进设计，明显改善测试室流场分布。 关键词：流场 FLUENT 测试 0 综述焓差法实验室常常忽略外部流场分布的不均匀性，以至影响到测试结果的稳定性和准确性。而大量流场测试周期长、操作复杂，测试室气流速度通常很小，即使微小扰动对测试结果都有很大影响，而且缺乏对气流方向的预测，即使排除人为因素也很难测出流场真实速度，不利于测试室流场改进。进行数值模拟将有利于工程检测?改进，节省人力、财力和时间。计算机数值模拟有助于工程设计的改进。研究如何形成合理的流场，满足测试室负荷要求，避免回流短路现象，以达到良好的送风效果，这具有十分重要的理论意义和实际价值。 1 模型简化与计算为了简化实际问题，便于分析，在建立数学模型前对室内气体的流动先做以下假设:室内气体满足牛顿内摩擦定律，为牛顿流体；室内流体温度变化不大，密度可视为常数；室内气体的流动形式为稳态紊流；在紊流中心区，忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量耗散；室内空气在房间内壁面上满足无滑移边界条件。本文计算所选择的求解器是 Fluent5/6。对于在用Fluent软件计算时所采用的有关数值计算方法，说明如下：压力项、能量项、紊流动能和紊流耗散率项的离散都采用二阶迎风格式。二阶迎风格式也就是一阶导数的具有二级截差的差分格式，它可以克服迎风差分截差比较低的缺点而又能保持它的长处。压力与速度的藕合关系的处理方法选用SIMPLE算法。采用标准k-ε二两方程模型来求解湍流问题时，控制方程包括质量和方程及k-ε方程。根据以上假设可建立其数学模型，整场的流动应满足质量和动量方程 (1) 质量方程 （1） (2) 动量守恒方程（2）湍流模型标准两方程模型[8]（Jones & Launder,1972）湍流动能k的方程，其一般形式为（3）这里，为生成项，为耗散项湍流耗散率ε的方程，一般采用的形式为（4）这里为生成项，为耗散项 2 边界条件本文中的算例包括以下边界条件：给出入口速度边界，具体值由风机风量及送风管道尺寸计算给定给出出口压力边界，具体值由测试给定在固体边界上对速度取无滑移边界条件，即在固定边界上流体的速度等于固体表面的速度. 3 数值计算结果及分析 3.1 水平面X方向原始模型数值模拟及优化改进数值模拟结果如下图1～6所示在图7～8中，可以清楚看到原始数值模拟和优化改进数值模拟在各个水平面上速度的分布及变化情况。改进模型孔板送风速度分布更加均匀，送风初始平面上速度分布在0.1～ 0.13m/s之间，与原始模型相比有非常明显的改善。这主要是因为流线形的隔板能更好的改变静压室内的压力分布，从而更好的改变孔板的送风速度分布，这可以从压力场分布图中得到进一步证明，模拟结果和我们的理论预测有很好的吻合。 3.2 垂直面Z方向原始模型数值模拟及优化改进数值模拟结果如下图9～10所示在图9～10中，可以清楚看到原始数值模拟和优化改进数值模拟在垂直面上的速度分布情况。在这两张图中速度分布对比十分鲜明，流线形隔板模型速度分布更均匀，死角比较少，除工况机附近及一些死角外，流线形隔板模型在这个平面上的速度均在0.1m/s以上且分布均匀，而原始模型顶部正中部分明显有一个死区。 4 计算结果本文在原始模型数值模拟的基础上，针对原
计算流体动力学（CFD ）是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科。CFD 应用计算流体力学理论与方法，利用具有超强数值运算能力的计算机，编制计算机运行程序，数值求解满足不同种类流体的运动和传热传质规律的三大守恒定律，及附加的各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组，得到确定边界条件下的数值解。它兼有理论性和实践性的双重特点，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的解决方法。 CFD 的运用改变了传统的设计过程，由于CFD 软件可以相对准确地给出流体流动的细节，可以较准确预测产品的整体性能，并从对流体的分析中发现产品或工程设计中的问题，减少未预料到的负面影响，使得产品设计或优化对实验的依赖性大为减少，能够显著缩短设计周期，降低费用。1FLUENT 软件介绍 FLUENT 是目前国际上比较流行的商用CFD 软件包，在美国的市场占有率为60％，只要涉及流体、热传递及化学反应等的工程问题，都可以应用FLUENT 来进行结算。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。 FLUENT 软件设计基于CFD 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动和物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而可以高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，FLUENT 开发了适用于各个领域的流动模拟软件，用于模拟流动、传热传质、化学反应和其他复杂的物理现象，各模拟软件都采用了同意的网格生成技术和共同的图形界面，大大方便了用户。 FLUENT 的软件包由以下几个部分组成。 （1）前处理器：Gambit 用于网格的生成，它是具有超强组合建构模型能力的专用CFD 前置处理器。另外，TGrid 和Filters(Translators)是独立于FLUENT 的前处理器，其中，Tgrid 用于从现有的边界网格生成体网格，Filters 用于转换 由其他软件生成的网格从而用于FLUENT 计算。 （2）求解器：它是流体计算的核心，根据专业领域的不同，求解器主要包括FLUENT4.5（基于结构化网格）、FLUENT6.2.16（基于非结构化网格）、Fidap （基于有限元方法，并主要用于流固耦合）、 Polyflow （针对粘弹性流动）、M ixsim （针对搅拌混合问题）、Icepak （热控分析）六种类型。 （3）后处理器：FLUENT 求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。另外，Tecplot 也是一款比较专业的后处理器，可以把一些数据可视化，这对于数据处理要求较高的用户是一个理想的选择。2液体分布器内部流场分析 液体喷淋装置是塔设备的重要部件，其作用的为了能有效地分布液体，提高调料表面的有效利用率。当液体喷淋装置设计不合理时，将导致液体分布不均，减少填料湿润面积，增加液体沟流和壁流现象，直接影响填料的处理能力。选择液体喷淋装置的原则是能使液体均匀地分散开，使整个塔截面的填料表面很好地湿润，结构简单，制造和检修方便。 常见的液体喷淋装置主要有管式、莲蓬头式、盘式和冲击式。本文主要对冲击式喷淋器进行流场分析。 冲击式喷淋器的结构简图（图1），其优点是喷洒半径打，液体流量大，结构简单。 （1）建立模型以某石化公司的在役塔设备的喷淋器为例，经过简化，可以建立简化模型图（图2） 经过简化等步骤后进行网格划分和设置，得到网格划分图（图3） 基于FLUENT 的液体分布器内部流场分析 段文广 （西安石油大学机械工程学院.，西安710065） 摘要：介绍了FLUENT 软件的主要特点及其在液体分布器领域的应用情况，以某液体分布器为例，用该 软件进行数值模拟，分析其内部流场变化情况，为液体分布器的设计和改进提供理论依据。 关键词：FLUENT 液体分布器 流场 图１冲击式喷淋器结构简图 喷嘴 筋 分布板 设计与研究 17
武汉大学科研项目研究报告 蝶阀内部流场研究报告 动力和机械学院 二○一〇年十月 参和人员 符向前冯卫民吴昊张斌 目录 一、蝶阀 (1) 二、CFD仿真及软件 (3) 三、三维湍流理论 (4) 四、蝶阀流场计算 (6) 五、仿真结果及分析 (7) 阀门是一种通用性很强的流体机械。是流体工程系统中调节和控制流体，以实现流体生产功能、确保工程安全的重要设备。然而，阀门这种外在的调控能力及特性，主要还是取决于其内部流场的结构及变化规律。受武汉大禹阀门制造有限公司的委托，我们将对其蝶式斜置密封多功能止回阀进行内部流场的结构分析和机理研究，并在此基础上给出固有流量特性曲线、汽蚀性能曲线及一些特征参数。 一、蝶阀 蝶阀（图1）是一种常见的阀门，主要用于截断或接通介质流，在某些特殊的情况下允许用来在一定范围内调控介质的流量和压力。它结构简单，维修方便；外形尺寸小，重量轻，适合较大口径；开启力小，开关较快；有调节性能，但不精确。
图1 蝶阀 蝶阀的流阻特性等相关特性以往主要通过实验求得，随着计算流体力学和计算机技术的发展，用数值计算的方法得到蝶阀的流阻特性已经成为可能。和实验方法相比，用计算流体力学对蝶阀的流动情况进行模拟不仅简便易行，而且还可以了解蝶阀内部流场的详细情况，如压力流速分布、分离流动区域等。对于指导蝶阀的设计、改善其流动状况、减小流动阻力具有重要意义。 大禹阀门厂的蝶式斜置密封多功能止回阀阀板采用流线型设计，流阻小，过流面积大；阀轴采用半轴形式，用楔销和阀板连结，牢固可靠；轴端密封采用自紧式密封和可调式密封相结合的组合式密封，密封效果好；轴承采用复合材料的轴承，具有承载能力强，耐磨性好，摩擦阻力小等优点；主密封采用实心橡胶密封安装于阀板上，密封严密可靠；长时间工作后还可方便地调整密封比压，更换也很方便；阀板和阀座的密封面为锥型，故阀门为斜置锥型密封形式，具有自密封性，密封效果好；同时，阀体短小，节省安装空间。
目录 引言 (2) 第一章计算流体力学概述 (4) 1.1什么是计算流体力学 (4) 1.2计算流体力学（CFD）的发展应用及特点 (4) 1.2.1计算流体力学的发展 (4) 1.2.2计算流体力学的应用 (6) 1.2.3计算流体力学的特点 (6) 1.3CFD的求解过程 (7) 第二章 CFD软件Flurnt基本简介 (9) 2.1Fluent软件的基本特性 (9) 2.1.1Fluent软件的网格特性 (9) 2.1.2Fluent软件定义边界条件特性 (9) 2.1.3Fluent软件的灵活处理特性 (10) 2.2Fluent的程序结构 (10) 2.3Fluent程序可以求解的问题 (11) 2.4用Fluent程序求解问题的步骤 (11) 第三章时速200km/h高速列车Gambit建模及计算 (12) 3.1建立计算模型 (12) 3.1.1利用Gambit建立车体计算模型 (12) 3.1.2计算网格划分 (13) 3.1.3定义边界和区域 (14) 3.1.4生成MESH文件及储存 (15) 3.2利用Fluent进行列车仿真计算 (15) 3.2.1输入与检查网格 (15) 3.2.2选择求解器 (15) 3.2.3定义材料 (16) 3.2.4定义边界条件 (16) 3.2.5设置求解控制参数 (17) 3.3计算结果后处理 (17) 3.3.1列车外流场的压力、速度特性 (18) 3.3.2列车的尾流特性 (20) 3.3.3列车表面压力系数及力分析 (21) 第四章对称模型的CFD仿真 (22) 4.1网格划分 (22) 4.2Fluebt仿真计算 (22) 4.3计算结果后处理 (23) 第五章结论 (26) 谢辞 (27) 参考文献 (28)
武汉大学科研项目研究报告蝶阀内部流场研究报告 动力与机械学院 二○一〇年十月
参与人员 符向前冯卫民吴昊张斌
目录 一、蝶阀 (4) 二、CFD仿真及软件 (5) 三、三维湍流理论 (6) 四、蝶阀流场计算 (8) 五、仿真结果及分析 (9)
阀门是一种通用性很强的流体机械。是流体工程系统中调节和控制流体，以实现流体生产功能、确保工程安全的重要设备。然而，阀门这种外在的调控能力及特性，主要还是取决于其内部流场的结构及变化规律。受武汉大禹阀门制造有限公司的委托，我们将对其蝶式斜置密封多功能止回阀进行内部流场的结构分析和机理研究，并在此基础上给出固有流量特性曲线、汽蚀性能曲线及一些特征参数。 一、蝶阀 蝶阀（图1）是一种常见的阀门，主要用于截断或接通介质流，在某些特殊的情况下允许用来在一定范围内调控介质的流量和压力。它结构简单，维修方便；外形尺寸小，重量轻，适合较大口径；开启力小，开关较快；有调节性能，但不精确。 图1 蝶阀 蝶阀的流阻特性等相关特性以往主要通过实验求得，随着计算流体力学和计算机技术的发展，用数值计算的方法得到蝶阀的流阻特性已经成为可能。与实验方法相比，用计算流体力学对蝶阀的流动情况进行模拟不仅简便易行，而且还可以了解蝶阀内部流场的详细情况，如压力流速分布、分离流动区域等。对于指导蝶阀的设计、改善其流动状况、减小流动阻力具有重要意义。
大禹阀门厂的蝶式斜置密封多功能止回阀阀板采用流线型设计，流阻小，过流面积大；阀轴采用半轴形式，用楔销与阀板连结，牢固可靠；轴端密封采用自紧式密封与可调式密封相结合的组合式密封，密封效果好；轴承采用复合材料的轴承，具有承载能力强，耐磨性好，摩擦阻力小等优点；主密封采用实心橡胶密封安装于阀板上，密封严密可靠；长时间工作后还可方便地调整密封比压，更换也很方便；阀板与阀座的密封面为锥型，故阀门为斜置锥型密封形式，具有自密封性，密封效果好；同时，阀体短小，节省安装空间。 图2 蝶式斜置密封止回阀 二、CFD仿真及软件 近几十年来计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics－CFD)的迅猛发展，计算机性能的飞速提高，CFD被广泛地应用在科学研究和工程实践中。使应用CFD数值模拟技术对阀门内部流动进行计算机仿真成为可能。从某种意义上说应用数值仿真的方法研究内部流场的流动规律，预测性能不仅系统全面、相对准确，而且周期短、费用少。应该特别指出的是当今CFD的发展水平和生产应用的基础是成熟的理论研究、大量的科学实验和丰富的工程经验，其可信度和准确性是完全可以满足生产实际的要求的。 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于
Equipment Manufacturing Technology No.06，2018 大学生方程式赛车（FSC ）是由在校大学生根据大赛相关规则，自主设计的一辆单座赛车。赛事的举办丰富了学生的理论知识，锻炼了学生的工程实践能力，提高了学生创新意识和团队协作能力。安装空气动力学套件，目的是在赛车高速行驶 时，能够造成一定的下压力，用以消除大部分上升力的影响，并能够有效地降低风阻系数，增强操纵稳定性，使得赛车在高速运动中保持良好的性能。 1空气动力学套件翼型特性及参数分析 在设计中所用的翼型是从伊利诺伊州大学翼型库选的，翼型是经过分析它们在不同攻角下的下压 力、阻力及升阻比后筛选的，但不应该仅仅只关注这些数据，最重要的是找到这几个数据的变化趋势， 通过变化趋势，分析其变化原因，并进而指导下一组更小范围的对比实验。选翼型是个重复再重复的过程，选出了一个好的翼型之后，会对后续设计带来极大 的便利，也可以一直沿用下去。主翼加襟翼的组合式翼型可以保证翼型在大攻角下不失速，极大地提高升力系数。但是升阻比是根据主翼和襟翼相对位置的改变而发生变化，因此主翼和襟翼的位置必须要先确定好。翼型组合的确定关键是要找到变量。本次选择的是两式组合翼型， 从翼型的侧面看，两片翼都有极大的活动空间。总攻角是影响翼型升阻比的另一个重要的因素，但是由于升阻比会随着翼型组合的变化而变化，所以很难保证翼型变动的同时总攻角不变。因此， 选择攻角的原则就是保证变量统一，在大梯度下做多组对比实验， 找到规律后，再做小梯度实验。升阻比对于整车来说越大越好，在其他变量不变的情况下以阻力系数和 升力系数为变量， 如图1所示，用不同的颜色色区分圈速区间，如果升阻比范围已经基本确定，权衡条件就需要适当改变。如果赛车的升力系数为2.45，阻力系数是1.1，则升阻比为2.23，其在图中对应的是下面圈位置；如果赛车的升力系数为3.3，阻力系数是1.6，则升阻比为2.19，其在图中对应的是上面圈位 置。实际的选择需要与动力、 轮胎、底盘进行合理的匹配，直接从圈速上体现出来。总之， 下压力和阻力的取舍最终取决于圈速，在设计阶段可以借助圈速仿真来指导升力阻力的趋势选择，而在实车测试阶段也需要做大量的调试工作。 针对FSC 赛车而言，它的平均速度在20m/s 左右，在这种较低速度下较容易实现导流措施。在惯性下高速气流会增强，因为气流有粘性，所以墙壁走势的变化会使靠近壁面的气流贴合着墙壁流动并随之 改变其流向，一般简化称为气流贴壁效应，如图2所示。 FSC 赛车空气动力学套件的建模与流场分析 郑燕丽，张兴，顾迪，巴炳权， 倪彰（江苏理工学院汽车与交通工程学院， 江苏常州213000）摘要：针对FSC 赛车车身，用整体优化的方法对空气动力学套件进行CFD 流场仿真，分析加装前翼、尾翼、扩散器等对赛车性能提升效果，仿真与分析结果表明，设计的空气动力学套件对赛车高速行驶及操纵稳定性等方面均有明显提升。关键词：FSC 赛车；空气动力学套件；CFD 仿真；操纵稳定性中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-545X （2018）06-0236-04 收稿日期：2018-03-11 作者简介：郑燕丽（1997-），女，浙江金华人，本科，研究方向：流体分析；张兴（1996-），男，江苏扬州人，本科，学生， 研究方向：流体分析。 图1升阻比示意图 1.71.61.41.31.2 1.1 7983 82 81 80Downforce Coefficient[-] 236
Samcef Rotor在发动机转子动力特性分析中的应用 周月1 ，宗克勤2 传 （1.北京东方极峰科技有限公司，北京100081 ；2.哈尔滨第703研究所，哈尔滨100036） 摘 要：本文首先介绍了依托Samcef Field和Samcef Rotor软件搭建的发动机转子动力特性集成仿真分析系统。其次介绍了转子动力特性分析软件Samcef Rotor的特点、模型及分析功能。最后以四个工程应用实例，着重介绍了Samcef Rotor软件在发动机转子动力特性分析中的应用。 关键词：Samcef Rotor，转子，动力特性，有限元分析 1 引言 随着工业的高速发展，旋转机械转速不断增加，性能不断提高。特别是航空燃气涡轮发动机和舰船用燃气轮机，由于其转速加大，推重比不断提高，因而带来了转子部件的负荷的增加。旋转机械的动力学问题历来就是发动机设计和研究人员关注的问题。发动机是高技术和高可靠性的复杂产品，尤其是高速旋转的转子系统，在其产品开发中有着极其复杂和严格的要求。发动机转子动力学问题是发动机研制和开发的一个重要问题。在转子动力学研究中，计算仿真分析（CAE）具有很重要的地位。无论是讨论转子的动力学特性，分析转子的各种动力学现象，还是进行转子系统的设计，解决旋转机械的有关工程问题等，都离不开计算分析工作。在转子动力学的发展历史中，计算方法与理论研究和工程应用是同步发展的。随着计算机技术和软件技术的飞速发展，计算仿真分析的重要性更为突出。甚至一些无法用理论分析方法解决的复杂问题，也可以使用数值计算的方法得到结果，或通过计算机仿真，揭示某些难以用理论分析方法或实验观察获得的新现象。 在传统的转子动力学分析中，计算分析的主要内容是关于转子弯曲振动的临界转速、不平衡响应和稳定性。有时，还有各种激励下的谐波响应和瞬态响应计算。有些转子系统还需要计算扭转振动的固有频率和响应。随着转子动力学研究工作的深入发展，人们发现轴承、轴承座、支承基础，以及其它有关结构对转子的动力学特性有很大的影响，因而有必要把轴承、轴承座、密封，甚至设备的基础也纳入到转子系统中。SAMTECH公司一直致力于转子动力学数值计算方法的研究，在著名的发动机公司的支持下，开发了大型商业化转子动力学分析软件Samcef Rotor。 SAMTECH公司（https://www.doczj.com/doc/033732981.html,）是欧洲最大的CAE软件公司之一，是著名的有限元分析软件Samcef的开发商。SAMTECH公司的前身是比利时列日大学（University of Liege）的宇航实验室，该实验室自从1965年就从事开发商业化的有限元分析软件Samcef的开发。Samcef软件的开发者于1986年脱离列日大学而创建了SAMTECH公司。SAMTECH与航空和航天工业（SNECMA, EADS, AIRBUS, …），以及防卫、汽车、能源、造船和机床等工业有密切的合作。 Samcef系列软件是世界上广泛应用的有限元分析软件。Samcef包括通用有限元分析软件，如前后处理软件Samcef Field、线性分析软件Samcef Linear和非线性分析软件Samcef Mecano等，以及很多特定的专业软件，如转子动力分析软件Samcef Rotor，高压电缆静动力学分析软件Samcef HVS等。其中转子动力分析模块Samcef Rotor是目前世界上唯一的单轴或多轴转子动力学特性大型有限元分析软件。图1是依托Samcef Rotor软件和Samcef Field软件搭建的发动机的转子动力特性集成仿真分析系统。此系统是一完整的转子建模和仿真分析环境，包含发动机转子动力特性分析的各个方面。
河北工业大学 毕业设计说明书(论文) 作者：田野学号：110324学院：机械工程学院 系(专业)：车辆工程 题目：汽车外流场分析研究 指导者：武一民教授 (姓名) (专业技术职务) 评阅者： (姓名) (专业技术职务) 2015 年 6 月 8 日
目录 1 绪论 (1) 1.1 研究背景及意义 (1) 1.2 国内外发展状况 (2) 1.3 毕业设计的主要内容 (4) 2 汽车外流场分析的理论基础 (5) 2.1 引言 (5) 2.2 气动力 (5) 2.3 负升力产生原理 (6) 2.4 负升力与操纵稳定性 (7) 2.5 空气动力学套件 (7) 2.6 流体数值模拟的理论基础 (11) 3 赛车外流场分析 (15) 3.1 赛车车身模型的建立及简化 (15) 3.2 划分网格 (16) 3.3 边界条件的设定 (17) 3.4 FLUENT计算结果 (19) 3.5 赛车仿真结果分析 (19) 4 空气动力学套件方案确定 (23) 4.1 前翼的设计 (23) 4.2 尾翼的设计 (26) 5 加装动力学套件后赛车仿真结果分析 (29) 5.1赛车模型的建立 (29) 5.2赛车仿真结果分析 (29) 结论 (33) 参考文献 (34) 致谢 (35)
1 绪论 1.1 研究背景及意义 随着汽车工业的不断发展，汽车的外部造型和气动特性受到了越来越多的关注和重视。汽车的性能在很大程度上受汽车气动力的影响，尤其对于高速行驶的汽车，气动力对其性能的影响是非常大的，因此汽车高速、安全行驶的必要前提之一就是具有良好的空气动力性能。因此，在汽车的开发中，对汽车空气动力性能的研究越来越得到汽车制造商的重视。 空气动力是来自于汽车外部的约束，其研究成果不仅直接影响着汽车的动力性、燃油经济性、稳定性、安全性、操纵性、舒适性等，还会间接地影响汽车的外观及审美的流行趋势[1]。汽车行驶时所受的空气作用力可以被分解为阻力、升力、侧向力、横摆气动力矩、纵倾气动力矩、侧倾气动力矩六个分量[2]。在这六个分量中，汽车空气阻力所消耗的动力和滚动摩擦所消耗的动力是大小相当的，因此气动阻力系数就成为了衡量汽车空气动力性能的最基本的一个参数，也就是说如何降低汽车的空气阻力系数成为汽车空气动力学最重要的一项研究内容。减小汽车行驶时的空气阻力最常用的方法包括减少汽车的迎风面积和空气的阻力系数，通常来说，汽车的体积大小决定了汽车迎风面积的大小，车身外部造型决定空气阻力的大小。因此，将汽车车身紧凑化和流线形化是改善汽车气动性能最主要的两种方法。若汽车的气动造型不合适，在汽车在高速行驶的时候，所受升力的作用可能会使得汽车轮胎的附着力减小而导致打滑，而侧向气动力还特别容易引起汽车的跑偏，使得汽车的操纵稳定性有所下降[3]。不同的气动造型会给车身带来不同的气动力效应，从而影响到汽车的各项行驶性能。良好的气动造型设计应该具有较小的阻力系数。世界汽车造型的发展基本与降低风阻系数的技术研究同步，从箱型、流线型、船型到鱼型和契型，每一次造型风格变化都带来了风阻系数的大幅降低[4]。对车速较高的车辆，除了随车速平方增加的气动阻力外，气动升力和气动侧力带来的操纵稳定性问题也是需要考虑问题。不合理的气动造型设计将会造成发飘、转向性能变差等操纵失调问题[5]。
高速列车运行空气流场分析fluent
目录 引言 (3) 第一章计算流体力学概述 (4) 1.1什么是计算流体力学 (4) 1.2计算流体力学（CFD）的发展应用及特 点 (4) 1.2.1计算流体力学的发展 (4) 1.2.2计算流体力学的应用 (6) 1.2.3计算流体力学的特点 (6) 1.3CFD的求解过程 (7) 第二章 CFD软件Flurnt基本简介 (9) 2.1Fluent软件的基本特性 (9) 2.1.1Fluent软件的网格特性 (9) 2.1.2Fluent软件定义边界条件特性 (9) 2.1.3Fluent软件的灵活处理特性 (10) 2.2Fluent的程序结构 (10) 2.3Fluent程序可以求解的问题 (11) 2.4用Fluent程序求解问题的步骤 (11) 第三章时速200km/h高速列车Gambit建模 及计算 (12) 3.1建立计算模型 (12) 3.1.1利用Gambit建立车体计算模型 (12)
3.1.2计算网格划分 (13) 3.1.3定义边界和区域 (14) 3.1.4生成MESH文件及储存 (15) 3.2利用Fluent进行列车仿真计算 (15) 3.2.1输入与检查网格 (15) 3.2.2选择求解器 (16) 3.2.3定义材料 (17) 3.2.4定义边界条件 (17) 3.2.5设置求解控制参数 (17) 3.3计算结果后处理 (18) 3.3.1列车外流场的压力、速度特性 (18) 3.3.2列车的尾流特性 (21) 3.3.3列车表面压力系数及力分析 (21) 第四章对称模型的CFD仿真 (24) 4.1网格划分 (24) 4.2Fluebt仿真计算 (24) 4.3计算结果后处理 (25) 第五章结论 (29) 谢辞 (31) 参考文献 (32)
36 為扛科技2018年?第6期 基于Fluent轴流式风机内部流场分析?安徽理工大学机械工程学院代以吴宪陈鸿宇杨文杰 以某型号轴流式风机为研究对象，用Gambit构建出轴流 式风机内部流场分析的有限元模型，将模型导入Fluent,设 置分析条件和边界条件后求解，得出风筒出口处的压力与速 度云图，并通过计算得出轴流式风机的各项性能指标。 风机使用面广，种类繁多，在工业生产中利用风机产生的 气流做介质进行工作，可实现清选、分离、加热烘干、物料输 送、通风换气、除尘降温等多种工作，渐渐成为人们生产生活 中不可或缺的动力机械设备。风机内部形成复杂的湍流流场，所以为了设计出满足实际生产生活要求的风机，就需要对风机 内部流场进行有限元分析，以获得风机各项功能指标。 1建立有限元模型 本文选取某型号轴流式风机进行流场分析，在solidworks中脸翻，翻结构雜如表1所示〇 轮毂比径向间隙叶片数叶片安装角出风口直径电机转速 0.463mm S53。1100mm2920r/min 表1 在Gambit中建立轴流式风机流场分析的有限元模型。在划 分网格时，由于轴流式风机内部流道结构复杂，集流器进口和 风筒出口处的结构较为简单，所以需要将整个流道划分成不同 区域，另外，叶轮处是旋转区域且存在叶片空间扭曲等复杂流 道，需要对该区域单独划分并加密处理。因此采用非结构性网 格和结构性网格相结合的方法进行网格划分。轴流式分级计算 区域网格的戈扮如图1所示。在设置边界条件时，将集流器进口 处设置为压力入口，风筒出口设置为压力出口，将叶轮区域流 体运动类型设置为动参考系模型（MRF),该区域的壁面边界 条件类型?*为旋转壁面（Movingwall)，旋转轴为X轴。然后 导出mesh文件。 2 Fluent求解 打开FhientH维求解器，导入mesh文件，检查网格，體模型材料为空气，采用标准的k-e模型作为计算模型，环境压强 设为101325 Pa,重力影响忽略不计，设置旋转轴的转速为2920 r/min,进行求解0 图1计算区域网格划分 图2风筒出口处动压云图 图4风筒出口处静全压云图 -0.6-0.4-0.200.2 0.4 0.6 图6风筒出口径向速度云图 3结果分析 图3风筒出口处静压云图 图5风筒出口轴向速度云图 图7风筒出口切向速度云图动酿现的敗流速度的大小，由图2可以看到，动压在中 心位置很低，沿径向渐渐变高。另外风筒内壁处存在厚度较薄 的蓝色的动压低压区，这是因为在壁面处有边界层，最底层气 流速度为0。同样因为导流叶两侧同样存在边界层，在其作用 下，导致高压区域不连续，呈现扑对称的低压区域。静压为气 流团内部的压力，由图3可以看到，静压同样沿径向渐渐变高，但是由于叶顶高速气流碰撞到壁面后，气流速度降低，甚至反 向。气流在此挤压收缩，因此静压急剧提升，会出现风筒内壁 处静压明显増大的现象。总压为动压与静压之和，由于平均动 压远大于静压，因此总压呈现与动压相似的压力分布，如图4所不〇 由图5可知，轴向速度在中心处较小，沿径向方向渐渐增 大。同样地，由于边界层的存在，在外风筒内壁处，形成了很 薄的，速度很低的气流层。同动压云图一样，由于导流叶的作 用，云图呈现对称且不连续性。径向速度反映的是出口气流的 横向流动，而切向速度则反映了气流绕风机轴线（下转120页 ）