【導(dǎo)讀】分析和純實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)研究機(jī)械流體問(wèn)題都具有很大的局限性。此時(shí)，隨著高速、大容量、低價(jià)格計(jì)算機(jī)的。出現(xiàn)，計(jì)算流體力學(xué)方法出現(xiàn)并得到深入研究，其可靠性、準(zhǔn)確性、計(jì)算效率也得到很大提高。具有初步性能預(yù)測(cè)、內(nèi)部流動(dòng)預(yù)測(cè)、數(shù)值試驗(yàn)、流動(dòng)診斷、外型設(shè)計(jì)等作用?，F(xiàn)在CFD軟件已經(jīng)成為計(jì)算。耙頭的幾何尺寸和邊界條件，利用CFD軟件計(jì)算耙頭的二維壓力與速度流場(chǎng)。Gambit軟件劃分網(wǎng)格，用FLUENT計(jì)算流體力學(xué)軟件計(jì)算。最后，本論文對(duì)幾種流速下的耙頭二維流場(chǎng)進(jìn)。計(jì)提出了改善的建議。力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，并培養(yǎng)了自己分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容

　　

【正文】 率變化，較強(qiáng)壓力梯度，有旋問(wèn)題等復(fù)雜流動(dòng)模擬效果欠缺。 RNG kε 能模擬射流撞擊，分離流，二次流，旋流等中等復(fù)雜流動(dòng)。 受到渦漩粘性各向同性假設(shè)限制[11]。 Realizable kε 和 RNG 模型差不多，還可以模擬圓口射流問(wèn)題 。 受到渦旋粘性各向同性假設(shè)限制。 雷諾應(yīng)力模型 考慮的物理機(jī)理更仔細(xì)，包括了湍流各向異性影響。 CPU 時(shí)間長(zhǎng)（ 23 倍），動(dòng)量和湍流量高度耦合。 根據(jù) 表 62 的比較， 標(biāo)準(zhǔn) kε模型更適合該模型。對(duì)于貼近壁面附近的流動(dòng)，利用 Kepsilon Model的模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算是很有效的， 所以選擇 Kepsilon Model[12]。 表 63 幾種壁面處理方法比較 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 21 標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù) 應(yīng)用比較多，計(jì)算量較小，有較好精度。 適合高雷諾數(shù)流動(dòng)，對(duì)低雷諾數(shù)流動(dòng)問(wèn)題，有壓力梯度，強(qiáng)體積力及強(qiáng)三維性問(wèn)題不適合。 非平衡壁面函數(shù) 考慮了壓力梯度，可以計(jì)算分離，重附及撞擊問(wèn)題。 對(duì)低雷諾數(shù)流動(dòng)問(wèn)題，有較強(qiáng)壓力梯度，強(qiáng)體積力及強(qiáng)三維性問(wèn)題不適合。 雙層區(qū)模型 不依賴壁面法則 ，對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)，特別是低雷諾數(shù)流動(dòng)很適合。 要求網(wǎng)格密，因而要求計(jì)算機(jī)處理時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)存大。 通過(guò) 表 63 上面壁面處理方法的比較，耙頭問(wèn)題是高 Re 數(shù)的問(wèn)題，上面以算過(guò)了，計(jì)算量小，較好精度，選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。選擇 Kepsilon Model模型 ，點(diǎn)擊 ，其它值為默認(rèn)。 如圖 64 設(shè)置： 圖 64 湍流模型的設(shè)定 選擇流體材料與外部環(huán)境 (1)definematerials,點(diǎn)擊 ，選擇 ，這是液 態(tài)水，加入流體數(shù)據(jù)庫(kù)中。 (2)點(diǎn)擊 defineOperation condion，默認(rèn)壓力為大氣壓，這符合耙頭的入口壓力，其它 值都默認(rèn)。 22 設(shè)置邊界條件 FLUENT 軟件提供了十余種類(lèi)型的進(jìn)、出口邊界條件，本課題只用到了其中的 三 種。 (1)速度入口 (velocityinlet)： 給定入口邊界上的速度及其他相關(guān)標(biāo)量值。 (2)壓力入口 (pressureinlet)： 壓力入口邊界條件通常用于流體在入口處的壓力為已知的情形，對(duì)計(jì)算可壓和不可壓?jiǎn)栴}都適合。壓力進(jìn)口邊界條件通常用于進(jìn)口流量或流動(dòng)速度為未知的 流動(dòng)。 (3)固壁邊界 (wall)： 對(duì)于黏性流動(dòng)問(wèn)題， FLUENT 默認(rèn)設(shè)置是壁面無(wú)滑移條件。對(duì)于壁面有平移運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以指定壁面切向速度分量，也可以給出壁面切應(yīng)力從而模擬壁面滑移。 根據(jù)耙頭模擬情況，把耙頭以上的水域線定義為壓力入口， 把耙頭的水域上出口處的線定義為速度入口（因?yàn)闆](méi)有可定義速度出口 ，故定義為速度入口，只需在待會(huì)指定速度之時(shí)，定義其為負(fù)值即可 ）。設(shè)定雙出口類(lèi)型，耙頭入口也設(shè)為速度入口。點(diǎn)擊 defineboundary condition 進(jìn)行相應(yīng)邊的設(shè)置，如圖 65 圖 65 邊界條件的設(shè)置 求解流場(chǎng) 點(diǎn)擊 Solvercontrols， 根據(jù)用 segregated solver 求解能量方程， solvecontrolssolution 處定義松弛因子。在一些問(wèn)題里，能量場(chǎng)影響流動(dòng)場(chǎng)（物性隨溫度變化，或者有浮力），這時(shí)候松弛因子要小些，比如在 到 1 之間。如果流動(dòng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)不是耦合的（沒(méi)有隨溫度變化的熱物性或者浮力影響），松弛因子就可以采用 1， 所以這里的松弛系數(shù)值 采用 默認(rèn) 。 設(shè)置殘差監(jiān)視器， 點(diǎn)擊 Solvermonitorsresidual，出現(xiàn)圖 66 的對(duì)話框，如圖 設(shè)置 : 23 圖 66 殘差監(jiān)視器的設(shè)置 1 保存 case 文件 1 進(jìn)行 150 次迭代計(jì)算，點(diǎn)擊 SolveIterate,進(jìn)行設(shè)置，再點(diǎn)擊 Iterate，會(huì)出現(xiàn)圖 67 圖 67 殘差圖 進(jìn)行 150 次迭代，看出殘差曲線所表示的數(shù)值 沒(méi)有 收斂了 ，連續(xù)性還沒(méi)達(dá)標(biāo)。 24 第二節(jié) 耙頭二維的流場(chǎng)顯示 一、耙頭流場(chǎng)的顯示 通過(guò)上面的具體操作，通過(guò)點(diǎn)擊 displaycontours，在 contours of 的下拉框中分別選擇 pressure 和velocity， 顯示 出的 壓力 云圖 如 68，水面大氣壓處的相對(duì)壓力為 0，單位 pa。 速度 云圖 如 69，單位 m/s： 圖 68 耙頭的 相對(duì) 壓力云圖 圖 69 耙頭的速度云圖 二、問(wèn)題的分析 25 可以看出， 模擬出來(lái)的壓力與速度流場(chǎng) 如圖 68 和 69 是有問(wèn)題：壓力沒(méi)有顯示 出層次過(guò)渡 ，速度的顯示也由于右邊的水域太窄，影響到整個(gè)速度流場(chǎng)的分布，右邊水太少，這樣顯示的右邊的 流場(chǎng) 明顯 受到影響 很大。 耙頭底部吸口邊的速度矢量圖 如圖 610： 圖 610 耙頭入口端的速度矢量圖 根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程，這樣的壓力分布不符合理論，而且入口處的速度的矢量角度變化 不連續(xù)，速度大小過(guò) 渡的也不連續(xù)，雖然 FLUENT 用的是離散化方法模擬現(xiàn)實(shí)中連續(xù)的物理量，但也不可能如這樣，如果在 fluent 中設(shè)置正確的話是不會(huì)出現(xiàn)這種情況的。 同時(shí)也遇到的 問(wèn)題是耙頭設(shè)計(jì)的雙出口模型 ： 1 出口是耙頭的吸泥管入口 ， 2出 口是耙頭的的吸泥管水面上的出口。當(dāng)時(shí)設(shè)置的速度都是 ，卻沒(méi)有考慮到兩個(gè)出口的橫截面大小不同，對(duì)于同是流量 100m3/h，流速應(yīng)該不同的。而且設(shè)置的出口的速度與速度云圖上顯示的速度 7m/s 差距很大。 在 Gambit 中操作的時(shí)候也經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題是：對(duì)耙頭內(nèi)部的邊網(wǎng)格和面網(wǎng)格設(shè)置后 ，再用對(duì)內(nèi)部的網(wǎng)格隱藏進(jìn)行耙頭外部的水域的網(wǎng)格的設(shè)置 完，再去把內(nèi)部網(wǎng)格恢復(fù)時(shí)，出現(xiàn)問(wèn)題，只出現(xiàn)邊網(wǎng)格，原來(lái)的耙頭內(nèi)部劃好的面網(wǎng)格卻顯示不出來(lái)，經(jīng)常出現(xiàn)這問(wèn)題。 26 第七章 對(duì)模型的的修正與改善 第一節(jié) 模擬流場(chǎng)的思考與改進(jìn) 上面顯示的壓力與速度云圖以及速度矢量圖是有問(wèn)題的，流場(chǎng)沒(méi)有得到理想結(jié)果，更不用說(shuō)去驗(yàn)證和分析這些流場(chǎng)，并從中得到些數(shù)據(jù)。 經(jīng)過(guò)平時(shí)的思考、交流與總結(jié)，做出下面幾點(diǎn)修正： 把耙頭周?chē)蚍糯笾磷銐蜻h(yuǎn)，使遠(yuǎn)處的流場(chǎng)趨于平靜不受影響。 通過(guò)嘗試 把水域的長(zhǎng)改成2020mm，深度不變，這樣 產(chǎn)生的流場(chǎng)在遠(yuǎn)處幾乎沒(méi)變化。 由于耙頭出口的速度與自己設(shè)定的 偏差較大，接受了學(xué)姐的建議：之前所畫(huà)的耙頭水面上的出口是一條水平線，把它改成垂直吸泥管壁的一條直線，因?yàn)槌鰜?lái)的默認(rèn)是垂直出口邊，所以之前水平線出 來(lái)的速度方向與耙頭內(nèi)的流速就方向不符了，因?yàn)槲喙苡袃A角。改后如圖 71， 單位是 mm： 圖 71 cad中的耙頭外型 之前設(shè)置的雙出口是可以實(shí)現(xiàn)的，就是耙頭的下吸口處與吸泥管的出口速度應(yīng)該不同（流量相同，直徑不同，流速不同），所以雙出口可以，速度改一下。不過(guò)有一個(gè)更好的方法， 就是把耙頭下吸口處邊從速度入口類(lèi)型改成 interface 類(lèi)型， interface 是兩個(gè)不同區(qū)域的分界面，分割兩種不同網(wǎng)格，流動(dòng)和傳熱在這個(gè)界面上直接傳送到另一個(gè)相鄰區(qū)域 ,它是從一個(gè)面到另一個(gè)面的數(shù)據(jù)（速度、壓力、溫度）交流處，正符合耙頭入口的需要，用來(lái)交流速度與壓力。這樣只需在原來(lái) FLUENT 步驟中的 8 設(shè)置邊界條件中改一下屬性。 根據(jù) FLUENT 的幫助文件，在 FLUENT 中使用非一致網(wǎng)格，如果你的多 重區(qū)域網(wǎng)格包括非一致邊界，你必須遵循下面的步驟（首先要保證網(wǎng)格 FLUENT 中可用）以保證 FLUENT 可以 在你的網(wǎng)格上獲取一個(gè)解。 1. 將已經(jīng)合并后的網(wǎng)格讀入 FLUENT。 2. 將網(wǎng)格讀入之后， 將組成非一致邊界的承兌區(qū)域的類(lèi)型改為界面。菜單為 Define/Boundary Conditions...。 3. 在網(wǎng)格界面面板中定義非一致網(wǎng)格界面 (Figure 1)，菜單為 Define/Grid Interfaces...。 按照上面的步驟，進(jìn)行下面的操作 （ 1）在網(wǎng)格界面區(qū)域輸入界面的名字。（ 2）在界面區(qū)域的兩個(gè)列表中制定組成網(wǎng)格界面的兩個(gè)界面區(qū)域。注意：如果你的一個(gè)界面區(qū)域比另一個(gè)小，你應(yīng)該把較小的界面指定為界面區(qū) 域一以提高交界面計(jì)算的精度。 (3) 點(diǎn)擊創(chuàng)建按鈕來(lái)創(chuàng)建新的網(wǎng) 27 格界面。所以還得在原來(lái)的 FLUENT 的步驟中的第 8 步后，添加這樣的操作 : Define/Grid Interfaces，如 圖72 設(shè)置： 圖 72 交界面的合并示意圖 為了進(jìn)一步使模擬的場(chǎng)景與實(shí)際的更吻合，也應(yīng)考慮重力加速度的因素，所以在原來(lái)步驟中的這樣設(shè)置第 7 步的 defineOperation condion，如 圖 73: 圖 73 重力加速度設(shè)置示意圖 在耙頭二維流場(chǎng)顯示中提到的 GAMBIT 中的網(wǎng)格面設(shè)置的出現(xiàn)的問(wèn)題， 通過(guò)多次操作與熟悉，了解到在 cad 中形成面域之后，耙頭內(nèi)外兩個(gè)面 有一部分的邊界是重合在一起的，其實(shí)卻有兩條線存在。所以在設(shè)置面網(wǎng)格的之前，做線網(wǎng)格時(shí)要選中屬于該面的那條線段，如果選錯(cuò)了或者重合在一起的兩條線都選了，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，這是需要注意的。之前出現(xiàn)的耙頭吸泥口處的速度與壓力的分布不連續(xù)，也是這個(gè)問(wèn)題。入口有兩條邊，當(dāng)時(shí)一條邊設(shè)成速度入口，可另一條線卻沒(méi)設(shè)置，被默認(rèn)成 WALL，這樣出現(xiàn)錯(cuò)誤也成了想當(dāng)然。 記住屬于耙頭的內(nèi)部面的耙頭出口邊 edge11（ edge12 屬于外部面） 在 FLUENT 中呈現(xiàn)線值圖時(shí) ，總是顯示的橫坐標(biāo)的數(shù)值都是同一個(gè)很大的值，按道理隨著橫坐標(biāo)的正方向坐標(biāo)值會(huì)增加。根據(jù)分析，是因?yàn)樵?CAD 中繪制耙頭時(shí)沒(méi)有注意到坐標(biāo)與耙頭的距離，以至于耙頭上的點(diǎn)坐標(biāo)非常大，有 108mm，而耙頭的實(shí)際尺寸卻只有 2020*600mm 的大小，所以坐標(biāo)軸是離得太遠(yuǎn)了，不利于在 FLUENT 中的數(shù)字顯示，所以在 Gambit 中作出如下設(shè)置。點(diǎn)擊 operationGeometryface，再選中 Move/Copy Faces，進(jìn)行面的移動(dòng)，具體移動(dòng)多少，參考 FLUENT 中的 Scale 的 X 軸與 Y軸的最小值，然后在 Gambit 中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置如圖 74，通過(guò)下圖的設(shè)置，再保存，把網(wǎng)格導(dǎo)入 FLUENT 中，就不會(huì)出現(xiàn)之前的問(wèn)題了。 28 圖 74 面移動(dòng)的設(shè)置 示意圖 平時(shí)做出的改善 :之前在 FLUENT 中，一階精度格式是缺省設(shè)置的計(jì)算格式，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中可以用它獲得初始流場(chǎng)，然后再提高計(jì)算格式精度，最后采用適應(yīng)性網(wǎng)格技術(shù)，采用這樣的計(jì)算策略，既可以保證計(jì)算的穩(wěn)定性，又可以獲得精度較高的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。因此在復(fù)雜的流場(chǎng)計(jì)算中經(jīng)常用到。 顯然在這里速度作為梯度自變量是一個(gè)合適的變量 [13]。 修正與改善后 在 fluent中操作后 的 殘差 圖如圖 75，各變量值都收斂到了 103 以下或接近 103，達(dá)到了收斂要求。 修正與改善后 的 網(wǎng)格 如圖 76，按照前面的前面大致的設(shè)置步驟，計(jì)算出的壓力云圖 77: 29 圖 75 改善后的殘差圖 圖 76 耙頭附近的網(wǎng)格 30 圖 77 耙頭附近 相對(duì) 壓力云圖 圖 78 總體速度云圖 31 圖 79 耙頭附近速度矢量圖 從圖網(wǎng)格 76，修改后的網(wǎng)格根據(jù)速度的梯度，在耙頭的壁面層加密了網(wǎng)格，在耙頭入口對(duì)面的一段池底也 是通過(guò)懸空節(jié)點(diǎn)的細(xì)化來(lái)加密了網(wǎng)格 。 這幾段相對(duì)貼近壁面，根據(jù)邊界層理論，在這速度是由 層流過(guò)渡到中間穩(wěn)流去的，網(wǎng)格加密是方便更清晰準(zhǔn)確的顯示速度的過(guò)渡。根據(jù)圖 77，得出的壓力云圖的分布更加層次化，耙頭入口處的壓力的顏色過(guò)渡清晰，比起 圖 68 的壓力分布更加清楚。 根據(jù)整體的速度云圖 78，通過(guò)把耙頭的右邊的水域的長(zhǎng)度變大，可以看出在耙頭的右邊水域已經(jīng)沒(méi)有之前圖 69 的水域流動(dòng)那么大了，這說(shuō)明現(xiàn)在的水域已經(jīng)足夠大了以至于遠(yuǎn)處的流場(chǎng)不會(huì)受到耙頭耙吸所形成的流場(chǎng)的影響，這也就更加符合疏浚中耙頭在廣闊水域中工作的情況了。通過(guò)觀察 耙頭吸泥管入口附近的速度矢量圖 79，耙頭設(shè)置的速度 ，之前是 7m/s。 第二節(jié) 耙頭邊界的 y+自適應(yīng) 一、黏性流體與理想流體 流體在靜止時(shí)雖不能承受切應(yīng)力，但在運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)相鄰的兩層流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即相對(duì)滑動(dòng)速度卻是有抵抗的，這種抵抗力稱(chēng)為粘性應(yīng)力。流體所具備的這種抵抗兩層流體相對(duì)滑動(dòng)速度，或普遍說(shuō)來(lái)抵抗變形的性質(zhì)稱(chēng)為粘性。粘性的大小依賴于流體的性質(zhì)，并顯著地隨溫度變化。實(shí)驗(yàn)表明，粘性應(yīng)力的大小與粘性及相對(duì)速度成正比。當(dāng)流體的粘性較?。▽?shí)際上最重要的流體如空氣、水等的粘性都是很小的），運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度也不大時(shí)，所產(chǎn) 生的粘性應(yīng)力比起其他類(lèi)型的力如慣性力可忽略不計(jì)。此時(shí)我們可以近似地把流體看成無(wú)粘性的，這樣的流體稱(chēng)為理想流體。 32 實(shí)驗(yàn)表明，粘性流體運(yùn)動(dòng)有兩種形態(tài)，即層流和湍流。這兩種形態(tài)的性質(zhì)截然不同。層流是流體運(yùn)動(dòng)規(guī)則，各部分分層流動(dòng)互不摻混，質(zhì)點(diǎn)的軌線是光滑的，而且流動(dòng)穩(wěn)定。湍流的特征則完全相反，流體運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，各部分激烈摻混，質(zhì)點(diǎn)的軌線雜亂無(wú)章，而且流場(chǎng)極不穩(wěn)定。這兩種截然不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。 二、黏性流體的邊界層