不同工況下某型號(hào)容器內(nèi)液體的流動(dòng)特性分析畢業(yè)論文-預(yù)覽頁(yè)
【正文】 以 本文 是 借助 計(jì)算機(jī)軟件對(duì)在旋轉(zhuǎn)物體中的三維湍流流動(dòng)進(jìn)行 形象直觀的分析。當(dāng)容器內(nèi)存入一定量的液體后，在一定的條件下容器內(nèi)的液體會(huì)以一定的方式有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。前者耗資巨大，而后者對(duì)于較復(fù)雜的非線性流動(dòng)現(xiàn)象目前還有些無能為力。這些基本定律可由數(shù)學(xué)方程組來描述，如歐拉方程、 NS 方程。為此，對(duì)具體問題進(jìn)行數(shù)值求解就成為研究流體流動(dòng)的一個(gè)重要的研究方向和方法，其基礎(chǔ)就是計(jì)算流體力學(xué)。它在航空航天、汽車、機(jī)械、模具和家用電器等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。其首創(chuàng)的特征管理員，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)過程中的每步記錄下來，并形成特征管理樹，置在屏幕左側(cè)。在 Solid Works 系統(tǒng)中，零件、裝 配體和工程圖都屬于對(duì)象，零件設(shè)計(jì)是核心，特征設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，草圖設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)。在 SolidWorks中，特征是各種單獨(dú)的加工形狀，當(dāng)將它們組合起來即形成各種零件。 容器建模 由于本次論文主要對(duì)容器內(nèi)部液體進(jìn)行研究，故只對(duì)容器建模做論述 （ 1） 打開 solidworks，新建零件圖，繪制草圖 1 （ 2） 通過旋轉(zhuǎn)特征操作得到該容器的三維圖形 圖 1 容器旋轉(zhuǎn)特征操作草圖 1 圖 2 該容器的三維圖形 容器二維圖 此處的二維圖在 Solidworks 中即為工程圖，工程圖的基礎(chǔ)是將三維模型按正投影的方法投影到平面上，形成基本的三視圖以及其他派生視圖?？梢詫?dǎo)入 PRO/E、 UG、 CATIA、 SOLIDWORKS、 ANSYS、 PATRAN 等大多數(shù)CAD/CAE 軟件所建立的幾何和網(wǎng)格。 在網(wǎng)格劃分中 分網(wǎng)的工作量大，需要考慮的問題多，網(wǎng)格形式直接影響結(jié)果精度和模型規(guī)模，因此分網(wǎng)是建模過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。網(wǎng)格數(shù)量增加，一般增加單元形成時(shí)間、求解方程時(shí)間、網(wǎng)格劃分時(shí)間。很多單元都有低階和高階形式，采用高階單元的目的為提高精度，單高階單元的節(jié)點(diǎn)較多，使用時(shí)應(yīng)權(quán)衡精度和規(guī)模綜合考慮。應(yīng)注意：一個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)必須同時(shí)是相鄰單元的節(jié)點(diǎn)，而不是內(nèi)殿或邊界點(diǎn)。動(dòng)態(tài)分析時(shí)，即使結(jié)構(gòu)形狀是對(duì)稱的，但不對(duì)稱的網(wǎng)格布局也會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量不對(duì)稱。 對(duì)該求解模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)定如下圖 7所示： type 項(xiàng)選擇TGrid（由面生成體網(wǎng)格）， spacing 項(xiàng)考慮到求解模型的尺寸和后面使用 FLUENT軟件進(jìn)行迭代計(jì)算設(shè)置為 80。容器以角速度 3rad/s 勻角速度旋轉(zhuǎn)， 定義一個(gè) Vz=3r 的外部條件，利用 FLUENT3D 求解器計(jì)算容器內(nèi)部的水流情況以及自由表面形狀的變化過程 。 圖 11 網(wǎng)格文件輸出對(duì)話框 圖 12 保存會(huì)話對(duì)話框 4 利用 FLUENT 3D 求解器進(jìn)行求解 FLUENT 軟件簡(jiǎn)介 FLUENT 是美國(guó) FLUENT 公司開發(fā)的集流場(chǎng)、燃燒和熱、質(zhì)量傳輸以及化學(xué)反應(yīng)于一體的商業(yè) CFD 軟件，也是目前國(guó)內(nèi)外使用最多、最流行的商業(yè)軟件之一。 FLUENT 還可根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對(duì)于精確求解有較大梯度的流場(chǎng)有很實(shí)際的作用。 FLUENT 軟件包主要具有常用的 6 種湍流數(shù)學(xué)模型、輻射數(shù)學(xué)模型、化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)和傳遞流動(dòng)模型、污染物質(zhì)形成模型、相變模型、多相模型、流團(tuán)移動(dòng)模型、多孔介質(zhì)、多孔泵模型等。 FLUENT 軟件主要由前處理、求解器以及后處理 3 大模塊組成。但由于 NS方程中出現(xiàn)了速度的二階導(dǎo)數(shù)，它的普遍解在數(shù)學(xué)上還有困難，只有某些特殊情況才能使方程得到充分簡(jiǎn)化，求出近似解 。 使用 FLUENT 軟件對(duì)求解模型進(jìn)行計(jì)算 首先 讀入 3D 網(wǎng)格文件，然后檢查網(wǎng)格 并設(shè)置長(zhǎng)度單位 。 FLUENT 的求解方法主要有非耦合求解、耦合隱式求解和耦合顯式求解。缺點(diǎn)是需要的內(nèi)存比較大，是非耦合求解迭代時(shí)間的 — 倍。 由于求解模型是上部 2/3 部分為空氣，下部 1/3 部分為液態(tài)水，所以應(yīng)設(shè)置VOF 模型，將空氣設(shè)定為基本相，水設(shè)定為第二相 ，從材料數(shù)據(jù)庫(kù)中復(fù)制液態(tài)水作為第二流體 。另外，在壓力進(jìn)口邊界上默認(rèn)的體積比為 0，這在設(shè)置水為第二相時(shí)是正確的。 由于該容器是繞著中心線為 X 軸恒角速度旋轉(zhuǎn)，所以重力加速度方向應(yīng)沿著 X 軸的正向，設(shè)置在 X 軸正方向上的加速度為 。設(shè)定 fluid 項(xiàng)的RotationAxis Direction 為（ 1， 0， 0），在 Wall 項(xiàng)設(shè)定角速度為 3rad/s，RotationAxis Direction 同 fluid 設(shè)定為（ 1， 0， 0）。 圖 16 壓力入口邊界設(shè)置對(duì)話框 設(shè)置好壓力入口邊界后，應(yīng)檢查第二相水的體積比例，由于在壓力入口邊界上只有空氣，所以應(yīng)確保 水的體積比例為 0。 圖 17 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置對(duì)話框 圖 18 初始化設(shè)置對(duì)話框 下圖為求解模型內(nèi)空氣可液態(tài)水的分布，下部 1/3 部分為液態(tài)水，上部 2/3部分為空氣。 如下圖為迭代設(shè)置對(duì)話框。圖中顯示了軸向速度隨時(shí)間的變化過程。兩種運(yùn)動(dòng)的相互影響 會(huì) 使得水在容器內(nèi)應(yīng)做螺旋上升、下降運(yùn)動(dòng) ，即是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng) 。 由這些分布圖可以很容易 看 出水在容器內(nèi) 先沿著壁面向右上方運(yùn)動(dòng)， 1s 后液態(tài)水回到水平位置再沿著壁面向左上方運(yùn)動(dòng)。 由上圖 24 中（ a）到（ i） 可以看出容器底部 1/3 部分的水在 、 、 、 、 、 、 、 時(shí)刻的速度矢量圖，其中紅色剪頭代表水的速度矢量，黃色剪頭為容器內(nèi)空氣的速度矢量。根據(jù)求解的結(jié)果，觀察了容器中水和空氣的變化、流動(dòng)過程和速度矢量的變化過程。在這里我要感謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中幫助過我的同學(xué)
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