【正文】 五章 GAMBIT 中耙頭二維流場(chǎng)的網(wǎng)格設(shè)計(jì)第一節(jié) AutoCAD 與 GAMBIT 的聯(lián)合使用對(duì)于外型幾何尺寸較為復(fù)雜的研究對(duì)象在 GAMBIT 中畫(huà)出其邊界比較麻煩，更不用說(shuō)還要對(duì)其劃分網(wǎng)格了。三、FLUENT 的求解器和處理軟件最新的 FLUENT 求解器的版本是 ，其主要功能是導(dǎo)入前處理生成的網(wǎng)格模型、提供計(jì)算的物理模型、確定材料的特性、施加邊界條件、完成計(jì)算和后處理。FLUENT 可讓用戶(hù)定義多種邊界條件，如流動(dòng)入口及出口邊界條件、壁面邊界條件等，可采用多種局部的笛卡兒和圓柱坐標(biāo)系的分量輸入，所有邊界條件均可隨空間和時(shí)間變化，包括軸對(duì)稱(chēng)和周期變化等。二、FLUENT 的適用范圍FLUENT 可用于二維平面、二維軸對(duì)稱(chēng)和三維流動(dòng)分析，可完成多種參考系下流場(chǎng)模擬、定常與非定常流動(dòng)分析、不可壓流和可壓流計(jì)算、層流和湍流模擬、傳熱和熱混合分析、化學(xué)組分混合和反應(yīng)分析、多相流分析、固體與流體耦合傳熱分析、多孔介質(zhì)分析等。它允許用戶(hù)根據(jù)解的具體情況對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修改(細(xì)化／租化) 。FLUENT 是目前功能最全面、適用性最廣、國(guó)內(nèi)使用最廣泛的 CFD 軟件之一。圖 42 圖 43圖 44 圖 45圖 46六、計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域有以下 11 個(gè)方面:水輪機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵 [4]等流體機(jī)械內(nèi)部的流體流動(dòng) 飛機(jī)和航天飛機(jī)等飛行器的設(shè)計(jì)12汽車(chē)流線外型對(duì)性能的影響洪水波及河口潮流計(jì)算風(fēng)載荷對(duì)高層建筑物穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)性能的影響 溫室及室內(nèi)的空氣流動(dòng)及環(huán)境分析電子元器件的冷卻 換熱器性能分析及換熱器片形狀的選取河流中污染物的擴(kuò)散汽車(chē)尾氣對(duì)街道環(huán)境的污染1食品中細(xì)菌的運(yùn)移第二節(jié) FLUENT 簡(jiǎn)介一、FLUENT 的開(kāi)發(fā)FLUENT 是由美國(guó) FLUENT 公司于 1983 推出的 CFD 軟件。流線圖：用不同顏色線條表示質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖 45。矢量圖可以比較容易地讓用戶(hù)發(fā)現(xiàn)其中存在的旋渦區(qū)，如圖 43。四、計(jì)算流體力學(xué)的求解步驟步驟求解如圖 41圖 41 五、計(jì)算流體力學(xué)的結(jié)果顯示通過(guò)上面的步驟，CFD 顯示和輸出計(jì)算結(jié)果有如下幾種：線值圖：在二維或三維空間上，將橫坐標(biāo)取為空間長(zhǎng)度或時(shí)間歷程，將縱坐標(biāo)取為某一物理量，然后用光滑曲線或曲面在坐標(biāo)系內(nèi)繪制出某一物理量沿空間或時(shí)間的變化情況，如圖 42。因數(shù)值處理方法等原因有可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不真實(shí)，例如產(chǎn)生數(shù)值粘性和頻散等偽物理效應(yīng)。CFD 不像物理模型實(shí)驗(yàn)一開(kāi)始就能給出流動(dòng)現(xiàn)象并定性地描述，往往需要由原體觀測(cè)或物理模型試驗(yàn)提供某些流動(dòng)參數(shù)，并需要對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。CFD 不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗?，省錢(qián)省時(shí)，有較多的靈活性，能給出詳細(xì)和完整的資料，很容易模擬特殊尺寸、高溫、有毒、易燃等真實(shí)條件和實(shí)驗(yàn)中只能接近而無(wú)法達(dá)到的理想條件。三、計(jì)算流體力學(xué)的特點(diǎn) 正如上面計(jì)算流體力學(xué)的背景和基本思想的介紹，計(jì)算流體力學(xué)是建立在理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上，計(jì)算流體力學(xué)具有本身的以下的特點(diǎn)：流動(dòng)問(wèn)題的控制方程一般是非線性的，自變量多，計(jì)算域的幾何形狀和邊界條件復(fù)雜，理論分析很難求得解析解，而用 CFD 方法則有可能找出滿(mǎn)足工程需要的數(shù)值解。通過(guò)這種數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問(wèn)題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況，確定旋渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。CFD 的基本思想是把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。對(duì)某些內(nèi)部流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，要求的實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜龐大且實(shí)驗(yàn)成本較高，研制周期長(zhǎng)，因而使實(shí)驗(yàn)研究受到了很大的限制，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已滿(mǎn)足不了需要，必須采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法。9第四章 計(jì)算流體體力學(xué)（ CFD）的原理與應(yīng)用第一節(jié) 計(jì)算流體力學(xué)軟件的理論知識(shí)一、計(jì)算流體力學(xué)的產(chǎn)生背景在計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展情況下，同時(shí)隨著數(shù)值分析理論的發(fā)展，高精度模擬得到實(shí)現(xiàn)，計(jì)算流體力學(xué)出現(xiàn)了。 （三）可方便更換的插裝式耙齒 耙頭挖泥時(shí)，耙齒深入土中與砂土直接摩擦造成齒尖快速磨損，采用高耐磨材料延長(zhǎng)耙齒壽命是一個(gè)方面，另一方面就是采用可方便更換的插裝式耙齒。為此許多廠商在產(chǎn)品中增大高壓沖水泵的排量使其達(dá)到泥泵排量的1／4；耙頭的噴嘴也從常規(guī)的數(shù)只增加到幾十只。 （二）高壓沖水的合理應(yīng)用 上世紀(jì)8O年代，世界疏浚行業(yè)推出了高壓沖水破土技術(shù)，利用耙頭底部噴嘴射出的高速水流沖刷切割水底泥砂，大大提高了挖泥效率。上世紀(jì)末荷蘭IHC、德國(guó)LMG、比利時(shí)JDL等著名 國(guó)際疏浚船制造商、工程承包商相繼推出了新型高效的主動(dòng)耙頭。二、耙頭的改進(jìn)8第一節(jié)已經(jīng)介紹了現(xiàn)今普遍使用的耙頭的工作原理，不過(guò)耙頭的發(fā)展仍在繼續(xù)，接下來(lái)介紹的是國(guó)內(nèi)外耙頭第四階段的發(fā)展現(xiàn)狀。美國(guó)、荷蘭、德國(guó)、日本研究較早，而我們中國(guó)以較為成熟的仿造設(shè)計(jì)為主，然而最具代表性的應(yīng)是加利福尼亞耙頭以及IHC 的主動(dòng)耙頭。這一發(fā)展過(guò)程是隨疏浚土質(zhì)類(lèi)別的提高，推動(dòng)著耙頭技術(shù)的改進(jìn)，以適應(yīng)工程施工的需要 [3]。第三階段是更新發(fā)展提高階段，高壓沖水的應(yīng)用，研究出了耙頭帶高壓沖水噴嘴，提高破土能力，可挖粘性土，同時(shí)變單活動(dòng)罩為雙活動(dòng)罩并軌，以加利福尼亞耙頭為代表。圖 33 帶有耙齒的耙頭第二節(jié) 耙頭的改進(jìn)一、耙頭的發(fā)展耙頭的發(fā)展大致可以歸納為這么四個(gè)階段：第一階段為初始階段，耙吸船的耙頭是吸頭，吸管以吸為主，沒(méi)有耙切泥的功能，般為挖掘軟泥和細(xì)沙。耙頭寬度取決于與挖掘土壤有關(guān)的有效切割力。水力式耙頭尺寸通常與耙吸管直徑成線性關(guān)系。二、耙頭的選用選擇和設(shè)計(jì)耙頭，知道將要挖掘的土壤類(lèi)型是非常重要的。圖 31 圖 32 加利福尼亞耙頭它的工作原理是：挖泥時(shí)，一方面耙頭隨耙管在船體前進(jìn)時(shí)其底邊與泥底的間隙里流過(guò)高速水流，將砂土沖刷下來(lái)進(jìn)入耙頭；另一方面高壓水由耙頭上的噴嘴噴射出，沖散板結(jié)砂土，再加刀刃的切泥，形成沖切互相作用，使泥砂懸浮，然后由泥泵產(chǎn)生的真空壓力差，將懸浮的泥漿,砂礫吸入耙管輸送到泥艙。它與高壓沖水管一起分別與耙吸管和沖水管連接。同時(shí)在蓋形罩的上部分別裝有導(dǎo)向桿和壓緊彈簧，與固定罩連接起限位和緩沖作用?；顒?dòng)罩殼分別與固定罩殼用銷(xiāo)軸連接，活動(dòng)罩殼可在固定罩內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)45度角活動(dòng)罩與固定罩接合面外用橡膠密封，形成密閉通道。6第三章 耙頭的工作原理與改進(jìn)第一節(jié) 耙頭的工作原理一、 耙頭的結(jié)構(gòu)與工作原理耙頭種類(lèi)繁多，加利福尼亞耙頭現(xiàn)是我國(guó)疏浚領(lǐng)域用的較為廣泛的耙頭，本論文就以加利福尼亞耙頭作為例子來(lái)加以說(shuō)明，如圖31和32 。 可被耙吸的物質(zhì)主要是淤泥和沙子，黏土有時(shí)也可被耙吸上來(lái)，但易造成耙頭和柵欄（置于耙頭內(nèi)后部）的堵塞。早期耙吸式挖泥船主要用于加深和維護(hù)航道。三、耙吸式挖泥船的應(yīng)用領(lǐng)域耙吸式挖泥船的應(yīng)用廣泛，在疏浚業(yè)被美名為“孺子牛”。5圖 22 耙吸式挖泥船示意圖二、耙吸式挖泥船的特色耙吸式挖泥船同時(shí)也具有自己的特色，不同于鏈斗、抓斗、正(反) 鏟、絞吸挖泥船的長(zhǎng)方型的船型, 它具有自航船的線型與總體外形, 具有自載與自卸的能力, 適合于海況較為復(fù)雜的海域疏浚, 無(wú)需錨泊定位挖掘, 適宜遷航, 其疏浚效率高, 是近來(lái)航道疏浚發(fā)展的方向。第三節(jié) 現(xiàn)代化的耙吸式挖泥船一、耙吸式挖泥船的結(jié)構(gòu)耙 吸 式 挖 泥 船 是 一 種 從 海 底 挖 泥 的 ， 自航式的深?；騼?nèi)陸船。隨著高科技的推廣應(yīng)用，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和僅表將這個(gè)不可見(jiàn)的過(guò)程及時(shí)、準(zhǔn)確示在操作人員面前，大大簡(jiǎn)化了操作程序，提高了效率，進(jìn)而提高了經(jīng)濟(jì)性。高度智能化主要是指挖泥船作業(yè)的儀表化和自動(dòng)化。如：大型耙吸挖泥船加裝自排吹岸系統(tǒng)；耙吸船同時(shí)兼顧污油回收；小型耙吸船上加裝抓斗；小型抓斗挖泥船加長(zhǎng)扒桿兼做起重等。在大型化的發(fā)展基礎(chǔ)上，耙吸挖泥船也正朝著多功能化的方向發(fā)展。在大型化的基礎(chǔ)上，逐漸出現(xiàn)多級(jí)泵。目前世界上一些主要疏浚公司把大中型耙吸挖泥船作為挖泥船隊(duì)的主要組成部分，以追求最大利潤(rùn)4率。因而耙吸船近年來(lái)深受航道部門(mén)的青睞, 而且疏浚技術(shù)設(shè)備更臻完善, 并得到新的發(fā)展。同期、中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院與江南造船廠聯(lián)合研制了4500 m3 耙吸式挖泥船——“險(xiǎn)峰 ”、“勁松”兩艘姐妹船, 在黃浦江、長(zhǎng)江發(fā)揮其作用, 實(shí)踐證明了其優(yōu)點(diǎn)。圖 21 1859 年法國(guó)的耙吸式挖泥船二、國(guó)內(nèi)耙吸挖泥船的歷史解放初期國(guó)內(nèi)仍是以古老的鏈斗式挖泥船為主, 在60 年代至70 年代, 仍是唱主角, 其次才是繩索抓斗挖泥船、鏟斗式挖泥船, 隨后相繼發(fā)展絞吸式挖泥船, 而耙吸式挖泥船尚難見(jiàn)蹤影。起初，耙吸式挖泥船的耙吸管置于船體后部的泥艙內(nèi)，但不久則被移至船體兩側(cè)。實(shí)踐證明此類(lèi)挖泥船不適于在有波浪的施工環(huán)境下工作。其挖掘方法同靜止的耙吸式挖泥船一樣，并依靠錨及纜繩維持工作時(shí)的靜止。挖掘的物料如淤泥可通過(guò)船體底部的洞被離心式蒸汽泵經(jīng)管道吸入至船艙。另外泥耙的吊纜附設(shè)有波浪補(bǔ)償裝置，所以可在風(fēng)浪大的外海施工。耙吸式挖泥船機(jī)動(dòng)靈活，效率高，抗風(fēng)浪力強(qiáng)，適宜在沿海港口、寬闊的江面湖面作業(yè)。五、耙吸式挖泥船耙吸式挖泥船是吸揚(yáng)式中的一種。四、鏟揚(yáng)式挖泥船鏟揚(yáng)式挖泥船是一種單斗式挖泥船，它可以將大部分功率集中在一個(gè)鏟斗上，進(jìn)行切削挖掘。三、抓斗式挖泥船抓斗式挖泥船是利用旋轉(zhuǎn)式挖泥機(jī)的吊桿及鋼索來(lái)懸掛泥斗，在抓斗本身重量的作用下，放人海底抓取泥土。二、鏈斗式挖泥船鏈斗式挖泥船是利用一連串帶有挖斗的斗鏈。一、絞吸式挖泥船絞吸式挖泥船裝有泥泵和吸泥裝置，挖泥時(shí)用絞刀絞松河底泥土，再用泥泵將泥漿從吸泥管吸人，經(jīng)過(guò)排泥管送到岸上或排人泥駁運(yùn)走。2第二章 耙吸式挖泥船第一節(jié) 挖泥船的分類(lèi)本論文需要研究的是耙吸式挖泥船，因而在這簡(jiǎn)單介紹一下挖泥船的分類(lèi)，以及耙吸式挖泥船的工作原理。FLUENT軟件就是一種計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。對(duì)某些內(nèi)部流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，要求的實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜龐大且實(shí)驗(yàn)成本較高，研制周期長(zhǎng)，因而使實(shí)驗(yàn)研究受到了很大的限制，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已滿(mǎn)足不了需要，必須采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法。隨著疏浚船舶向現(xiàn)代化、大型化發(fā)展，疏浚領(lǐng)域?qū)Ω咝阅艿牧黧w機(jī)械需求越來(lái)越迫切。疏浚船舶向現(xiàn)代化、大型化發(fā)展，以適應(yīng)挖深大、處理區(qū)遠(yuǎn)離海岸的要求。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。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。關(guān)鍵詞： 疏浚 耙頭 FLUENT 流場(chǎng)分析 河海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（學(xué)士論文）AbstractWith the development of the modern, largescale dredging ship, the demands for highperformance liquid pressing machine are being bigger and bigger in the dredging area, but the traditional theoretical analysis and pure experimental study of fluid mechanical problems have great limitations. At this point, with the emergence of the highspeed, large capacity and lowcost puters, putational fluid dynamics appeared and got a deep study, the reliability, accuracy and putational efficiency of the theory had also been greatly improved. CFD method has several features. These features are the initial performance prediction, the internal flow prediction, numerical experiments, flow diagnostics and the role of exterior design. CFD software has bee an important means to Compute and study practical fluids problems now.This paper involved numerical calculation of rakes in the