流體動力學(xué)原理及應(yīng)用
前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇流體動力學(xué)原理及應(yīng)用范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發(fā)現(xiàn)更多的寫作思路和靈感。
流體動力學(xué)原理及應(yīng)用范文第1篇
關(guān)鍵詞光電子學(xué),質(zhì)子照相,綜述,質(zhì)子加速器,磁透鏡
AbstractHigh-energyflashradiographyisthemosteffectivetechniquetointerrogateinnergeometricalstructureandphysicalcharacteristicofdensematerials.Itisshownthathigh-energyprotonradiographyissuperiortohigh-energyx-rayradiographyinpenetratingpower,materialcompositionidentificationandspatialresolution.ProtonradiographyistakenasaleadingcandidatefortheAdvancedHydrotestFacilitybytheUnitedStates.Theprojectandcurrentdevelopmentinhigh-energyprotonradiographyisreviewed.
Keywordsoptoelectronics,protonradiography,review,protonaccelerator,magneticlens
1引言
高能閃光照相始于美國的曼哈頓計劃（Manhattanproject）,并持續(xù)到現(xiàn)在,它一直用來獲取爆轟壓縮過程中材料內(nèi)部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過材料的傳播過程、演變和壓縮場的發(fā)展的靜止“凍結(jié)”圖像.這一過程非常類似于醫(yī)學(xué)X射線對骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個顯著特點:首先,照相客體是厚度很大的高密度物質(zhì),要求能量足夠高;其次,客體內(nèi)的流體動力學(xué)行為瞬時變化,要求曝光時間足夠短.
目前,世界上最先進的閃光照相裝置是美國洛斯•阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的雙軸閃光照相流體動力學(xué)試驗裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺相互垂直的直線感應(yīng)加速器組成的雙軸照相系統(tǒng),一次實驗?zāi)軓膬蓚€垂直方向連續(xù)拍攝4幅圖像,并且在光源焦斑和強度方面都有提高.但是,DARHT也僅有兩個軸,這是獲得三維數(shù)據(jù)的最小視軸數(shù)目,最多只能連續(xù)拍攝4幅圖像,不能進行多角度多時刻的輻射照相,獲得流體動力學(xué)試驗的三維圖像.而且DARHT的空間分辨率受電子束斑大小的制約.由于電子相互排斥,電子束不能無限壓縮,束流打到轉(zhuǎn)換靶上,產(chǎn)生等離子體，使材料熔化，這在一定程度上擴展了束斑直徑,從而使X射線光斑增大.估計最小的電子束直徑為1—2mm,制約了空間分辨率的提高.
研究人員希望實現(xiàn)對流體動力學(xué)試驗進行多角度(軸)、每個角度多時刻(幅)的輻射照
相,從而獲得流體動力學(xué)試驗的三維動態(tài)過程圖像.l995年,美國LANL的科學(xué)家ChrisMorris提出用質(zhì)子代替X射線進行流體動力學(xué)試驗透射成像［2］.首次質(zhì)子照相得到的圖像,其非凡的質(zhì)量出乎發(fā)明者的預(yù)料.后續(xù)的研究和實驗也確認(rèn)了這項技術(shù)的潛在能力.據(jù)Morris回憶,20世紀(jì)90年代初期武器研制計劃資助了一項中子照相研究.其立項的主要思想就是利用高能質(zhì)子、中子和其他強子的長平均自由程,使其成為閃光照相的理想束源.SteveSterbenz從這個思路出發(fā)，研究了使用中子照相進行流體動力學(xué)試驗診斷的可能性.然而即使使用質(zhì)子儲存環(huán)(PSR)的強脈沖產(chǎn)生中子,中子通量都不足以在流體動力學(xué)試驗短時間尺度下獲得清晰的圖像.當(dāng)時的洛斯•阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負(fù)責(zé)人GerryGarvey聽到這種意見的第一反應(yīng)是“為什么不用質(zhì)子？”Morris將這些思想統(tǒng)一起來,利用高能質(zhì)子束實現(xiàn)流體動力學(xué)試驗診斷的突破,就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質(zhì)子照相的實施應(yīng)歸功于現(xiàn)代加速器具有產(chǎn)生高能質(zhì)子和高強度質(zhì)子的能力.促使發(fā)展質(zhì)子照相技術(shù)最重要的一步是TomMottershead和JohnZumbro提出的質(zhì)子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)［4］,以及NickKing在武器應(yīng)用中發(fā)展改進的快速成像探測系統(tǒng)［5］.
高能質(zhì)子束為內(nèi)爆物理研究提供了堪稱完美的射線照相“探針”，因為其平均自由程與流體動力學(xué)試驗?zāi)Ｐ偷暮穸认嗥ヅ?射線照相信息通過測量透過客體的射線投影圖像來獲取.如果輻射衰減長度過短,則只有客體外部邊界能夠測量；如果輻射衰減長度過長,則沒有投影產(chǎn)生.質(zhì)子照相為流體動力學(xué)試驗提供了一種先進的診斷方法.
2質(zhì)子與物質(zhì)相互作用機制
高能質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的機制是質(zhì)子照相原理的基礎(chǔ).首先,需要從質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用出發(fā)，對質(zhì)子在物質(zhì)中的穿透性和散射過程進行分析研究.
所有質(zhì)子都在被測物質(zhì)內(nèi)部并與其發(fā)生相互作用.質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用分為強作用力和電磁作用力［6］.強作用力是短程力,質(zhì)子與核的強作用力分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種:
如果是彈性碰撞,以某種角度散射的質(zhì)子保持其特性和動量,質(zhì)子因受核力的強大作用,會偏轉(zhuǎn)很大角度,這種現(xiàn)象叫做核彈性散射（如果采用角度準(zhǔn)直器,這部分貢獻可以忽略）；
如果是非彈性碰撞,質(zhì)子被吸收,也就是說,損失大部分能量分裂核,產(chǎn)生亞原子粒子——π介子.當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級,質(zhì)子與原子核的強相互作用占主導(dǎo)地位.質(zhì)子與物質(zhì)原子核中的質(zhì)子和中子發(fā)生非彈性核相互作用，造成質(zhì)子束指數(shù)衰減，其衰減規(guī)律可表示為
NN0＝exp-∑ni=1liλi,(1)
其中N0,N分別為入射到被測物體上的質(zhì)子通量和穿過被測物體的質(zhì)子通量;λi和li分別為第i種材料的平均自由程和厚度.當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級,核反應(yīng)截面幾乎不變,單就穿透能力而言,質(zhì)子能量達到GeV量級就足夠了.核反應(yīng)截面不變有利于質(zhì)子照相的密度重建,因為質(zhì)子在客體中的散射過程可能導(dǎo)致質(zhì)子能量發(fā)生變化.
由于質(zhì)子帶電,它也通過長程電磁作用力與物質(zhì)相互作用.當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級時，電磁作用只能產(chǎn)生很小的能量損失和方向變化:
質(zhì)子與原子核的庫侖力作用稱為彈性散射,穿過原子核的每個質(zhì)子,即使和核并不接近,也能導(dǎo)致質(zhì)子方向發(fā)生小的變化,每個小散射效應(yīng)可以累積,這種現(xiàn)象叫做多重庫侖散射.多重庫侖散射的理論由EnricoFermi在20世紀(jì)30年代建立.質(zhì)子與原子核之間的庫侖力作用發(fā)生多重庫侖散射,多重散射可以近似用高斯分布表示:
dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20,(2)
式中θ0為多次散射角的均方根值,可用下式表示:
θ0≈14.1pβΣniliRi,(3)
式中p為束動量,β是以光速為單位的速度,Ri是材料的輻射長度,其值近似地表示為
Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z),(4)
其中A是原子量,Z是原子序數(shù).多重庫侖散射的結(jié)果很重要,特別是對重物質(zhì),最終導(dǎo)致圖像模糊.另一方面,因為Ri與材料的原子序數(shù)有關(guān),也正是這個特性使質(zhì)子照相具有識別材料組分的獨特能力［7］.
質(zhì)子和電子之間也會產(chǎn)生庫侖力作用,通常是非彈性的.因為電子質(zhì)量與質(zhì)子相比很小,庫侖力的作用使電子方向和速度產(chǎn)生躍變,而對質(zhì)子的方向和能量只產(chǎn)生緩變.也就是說,質(zhì)子通過電離原子(把電子擊出軌道),損失小部分能量.這種作用不會導(dǎo)致質(zhì)子運動方向大的改變,但會導(dǎo)致質(zhì)子能量的減少.20世紀(jì)30年代著名的貝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解釋了這種機制.能量損失依賴于質(zhì)子束能量,能量損失速率與它的動能成反比.質(zhì)子束穿過厚度為l的材料時，能量損失為
ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)
當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級,dT/dl的值幾乎與動能無關(guān).如果E和T以m0c2為單位，p以m0c為單位,則
E=T+1,E2=P2+1.(6)
因此,能量損失引起的動量分散為
δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)
質(zhì)子通過物體后損失能量,發(fā)生能量分散.磁透鏡對不同能量的質(zhì)子聚焦位置不同,也將導(dǎo)致模糊,這就是所謂的色差［8］.
3質(zhì)子照相原理
質(zhì)子照相原理與X射線照相原理都是通過測量入射到被測物體上的粒子束衰減來確定被測物體的物理性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu).
由于多重庫侖散射,穿過被照物體的質(zhì)子束有不同的散射方向,形成一個相對于入射方向的錐形束,需要磁透鏡系統(tǒng)才能成像.如果質(zhì)子照相的模糊效應(yīng)持續(xù)存在的話,質(zhì)子照相的潛力可能永遠不會被發(fā)掘出來.1995年,Morris發(fā)現(xiàn)磁透鏡能使質(zhì)子聚焦進而消除模糊效應(yīng),最初進行的實驗證實了他的觀點的正確性.后來,LANL的另一位物理學(xué)家JohnZumbro改進了磁透鏡系統(tǒng)的設(shè)計方案,稱為Zumbro透鏡［4］.
Zumbro透鏡的主要優(yōu)點是它的消色差能力.加速器產(chǎn)生質(zhì)子束并非是單一能量的束流,實驗客體對質(zhì)子的散射增加了質(zhì)子能量的分散,不同能量的質(zhì)子具有不同的焦距,導(dǎo)致圖像模糊.基于這樣的考慮,Zumbro采用在入射質(zhì)子束的路徑上增加一個匹配透鏡(matchinglens),匹配透鏡的設(shè)計使得入射到被測物體上的質(zhì)子束具有角度-位置關(guān)聯(lián),即質(zhì)子與透鏡光軸夾角與質(zhì)子離軸的徑向距離成正比.而且,角度-位置的關(guān)聯(lián)系數(shù)與成像系統(tǒng)磁透鏡的設(shè)計有關(guān)［9］.這樣,可以消除由能量分散引起圖像模糊的主要色差項.
剩余的色差項為
x=-x0+Cxθ0δ,(8)
式中Cx為透鏡的色差系數(shù)，θ0為多重庫侖散射角，δ為動量的分散.由（3）式和（7）式可知,多重庫侖散射角和動量的分散都與入射質(zhì)子的能量成反比.因此,為了盡可能減小色差對空間分辨率的影響,質(zhì)子束的能量越高越好.高能量意味著大規(guī)模和高造價,根據(jù)空間分辨率隨能量的變化趨勢以及大尺度流體動力學(xué)試驗的精度要求,LANL為先進流體動力學(xué)試驗裝置(AHF)建議的質(zhì)子能量為50GeV.
質(zhì)子照相技術(shù)的關(guān)鍵之處在于其獨特的磁透鏡系統(tǒng).圖1給出了LANL質(zhì)子照相磁透鏡成像示意圖［10］.首先,質(zhì)子束通過金屬薄片擴散,再經(jīng)過匹配透鏡照射到客體(匹配透鏡除了減小色差以外,還可以使質(zhì)子束在擊中物體前發(fā)散開來,以便覆蓋整個物體,避免了使用很厚的金屬作為擴束器),這部分稱為照射(illuminator)部分;接著是三個負(fù)恒等透鏡組,分別是監(jiān)控（monitor）透鏡組、兩級成像透鏡組.
TomMottershead和JohnZumbro論證了可以根據(jù)庫侖散射角的不同，在透鏡系統(tǒng)的某個位置(傅里葉平面),可以將不同的散射質(zhì)子束區(qū)分開來.在傅里葉平面,散射角等于0的質(zhì)子位于中心,散射角越大,半徑越大.離開這個透鏡后,質(zhì)子就能在空間上聚焦.如果在這個位置平面放置角度準(zhǔn)直器,可以將某些散射角度的質(zhì)子束準(zhǔn)直掉,對允許的角度范圍進行積分,得到總質(zhì)子通量為
NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)
第一個角度準(zhǔn)直器允許通過的角度范圍為［0，θ1cut］,則第一幅圖像接收到的質(zhì)子通量為
NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)
第二個角度準(zhǔn)直器允許通過的角度范圍為［0,θ2cut］,且θ2cut<θ1cut,則第二幅圖像接收到的質(zhì)子通量為
NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)
角度準(zhǔn)直器的使用增加了圖像的對比度.根據(jù)物體的光程調(diào)節(jié)角度范圍,可獲得最佳的圖像對比度.通過分析兩幅圖像得到的數(shù)據(jù),可以提供密度和材料組分的信息.
考慮到探測器記數(shù)服從泊松統(tǒng)計分布,面密度的測量精度要達到1%，則圖像平面上每個像素需要的入射質(zhì)子數(shù)應(yīng)為104,每幅圖像大約需要的質(zhì)子數(shù)應(yīng)為1011.如果一次流體動力學(xué)試驗需要獲得12個角度,每個角度20幅圖像,則每次加速的質(zhì)子總數(shù)達3×1013個.4質(zhì)子照相裝置
質(zhì)子照相技術(shù)自1995年首次在美國LANL被論證以來,LANL和布魯克海文國家實驗室(BNL)進行了大量的實驗,其中很多次是和圣地亞（SNL）、勞倫斯•利弗莫爾（LLNL）以及英國原子武器研究機構(gòu)（AWE）合作完成的,直接針對流體動力學(xué)有關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題［11］.實驗主要分為兩部分:一是在LANL的洛斯•阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上進行的小型動態(tài)實驗（質(zhì)子能量800MeV）,小型動態(tài)實驗主要包括:高能炸藥的爆轟特性實驗、金屬和材料對強沖擊加載的復(fù)雜響應(yīng)實驗（包括失效、不穩(wěn)定性和微噴射等）以及驗證內(nèi)爆過程后期的材料動力學(xué)和材料狀態(tài)的實驗；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進行的用于診斷大尺度流體動力學(xué)試驗的高能質(zhì)子照相實驗（質(zhì)子能量12GeV或24GeV）.進行高能質(zhì)子照相的目的是:發(fā)展高能質(zhì)子照相所需技術(shù),驗證采用質(zhì)子照相進行大尺度流體動力學(xué)試驗的能力,以及與DARHT進行某些直接的比較.對于厚的流體動力學(xué)試驗客體而言,質(zhì)子照相的質(zhì)量遠好于DARHT的照相結(jié)果.如果DARHT要獲得同樣的照相細(xì)節(jié),需將其劑量提高100倍.而且比照片質(zhì)量更重要的是,質(zhì)子照相具有定量的特性.質(zhì)子照相因其低劑量、定量的密度重建、亞毫米空間分辨率以及超過每秒500萬幅的多幅照相頻率等特性而成為新一代流體動力學(xué)試驗閃光照相設(shè)施的必然選擇.
LANL為AHF建議的質(zhì)子照相裝置包括質(zhì)子束源、照相布局、磁透鏡成像及探測器系統(tǒng),圖2給出了質(zhì)子加速器和分束系統(tǒng)方案［12］.質(zhì)子束源是一臺能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺H-直線加速器注入器,一臺3GeV的增強器和一臺50GeV的主加速器.采用快速踢束調(diào)制器將質(zhì)子束從3GeV增強器注入50GeV主加速器,經(jīng)過同步傳輸系統(tǒng)和使用分束器將質(zhì)子平均分成多個子束.最后從多個方向同時照射到實驗靶上.質(zhì)子束穿過實驗靶后,磁透鏡系統(tǒng)對質(zhì)子束信號進行分類,由探測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù).實驗布局的復(fù)雜性都遠遠超出了閃光照相實驗.
圖2LANL的質(zhì)子加速器和分束方案
LANL提出的質(zhì)子照相裝置的主要指標(biāo):質(zhì)子束能量達到50GeV,空間分辨率優(yōu)于1mm,密度分辨率達到1%;每次加速的質(zhì)子總數(shù)達3×1013個,每幅圖像的質(zhì)子數(shù)達到1×1011個;每個脈沖的間隔最小為200ns,質(zhì)子到達靶的前后誤差不超過15ns;每個視軸可連續(xù)提供20個脈沖,視軸數(shù)12個,覆蓋角度達165°.這樣,一次流體動力學(xué)試驗可獲得12個角度,每個角度20幅圖像.
2000年，LANL給出了發(fā)展質(zhì)子照相的研究計劃.整個裝置預(yù)計投資20億美元,其中質(zhì)子加速器系統(tǒng)使用原有的部分設(shè)備,需要5678.8萬美元.裝置的建造時間需要10到15年,分幾個階段進行:2007年前,建造50GeV同步加速器、2個軸成像系統(tǒng)和靶室1;2008—2009年,建造3MeV增強器（booster）、4個軸成像系統(tǒng)和靶室2;2010—2011年,8—12個軸成像系統(tǒng).從目前的調(diào)研情況來看,原計劃2007年前完成的任務(wù)沒能按期完成.因此,這個計劃要推遲.最新的研究計劃未見報道.
5質(zhì)子照相與X射線照相的比較
我們通過與現(xiàn)有最好的流體動力學(xué)試驗裝置——DARHT比較來說明質(zhì)子照相的特點和優(yōu)勢［13］.
(1)三維動態(tài)照相.由于質(zhì)子加速器固有的多脈沖能力和質(zhì)子束分離技術(shù),因此,質(zhì)子照相能夠提供多個時刻、多個方向的三維動態(tài)過程圖像.質(zhì)子照相能夠提供超過20幅的圖像,這種多幅能力可得到內(nèi)爆運動過程的動態(tài)圖像.而DARHT沿一個軸只能得到4幅圖像，沿其垂直軸得到1幅圖像.另外,質(zhì)子照相不需要轉(zhuǎn)換靶,保證了多次連續(xù)照相不受影響，而X射線照相由于需要轉(zhuǎn)換靶,需要考慮束斑的影響.
(2)精細(xì)結(jié)構(gòu)分辨.高能質(zhì)子穿透能力強,其穿透深度和流體動力學(xué)試驗?zāi)Ｐ瓦_到理想匹配.相比之下,X射線只有在4MeV能量時才能達到最大圖像對比度,此時其穿透能力只有高能質(zhì)子的1/10.質(zhì)子照相能測定密度細(xì)微變化的另一個理由是質(zhì)子散射能得到控制.散射質(zhì)子可以被聚焦形成視覺上無背景、對比鮮明的圖像.而實驗客體對X射線形成的大角度散射無法控制，降低了照相的精度和靈敏度.
(3)質(zhì)子對密度和材料都比較敏感,可以分辨密度差別不大的兩種物質(zhì).實際上,質(zhì)子散射的利大于弊,它能用于識別物質(zhì)的化學(xué)組成.利用兩個相同的磁透鏡系統(tǒng)和不同孔徑準(zhǔn)直器串聯(lián)組成的兩級成像系統(tǒng),通過對兩種不同準(zhǔn)直孔徑得到的數(shù)據(jù)進行分析,可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對密度敏感,故分辨不出密度差別不大的兩種物質(zhì).
(4)曝光時間可調(diào).質(zhì)子加速器能夠產(chǎn)生持續(xù)時間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”,每幅圖像可用8—20個脈沖的時間進行曝光.因此,質(zhì)子照相可任意選定曝光時間和間隔.內(nèi)爆初期，研究人員可以選擇較長的曝光時間和間隔,對較慢的運動進行連續(xù)式“凍結(jié)”照相.當(dāng)內(nèi)爆速度變快時,可以縮短曝光時間.DARHT的脈沖時間由電路決定,一旦脈沖的時間間隔和持續(xù)時間固定,只能以固定的時間間隔照相,研究人員只能指定第一幅圖像的時間.
(5)探測效率高.質(zhì)子是帶電粒子,直接與探測介質(zhì)中的電子相互作用產(chǎn)生信號,因此,很薄的探測器就能將質(zhì)子探測出來.如此薄的探測介質(zhì)接收不到被探測客體中產(chǎn)生的中子和γ光子.
(6)空間分辨率高.X射線照相是X射線穿過樣品打到閃爍體或底片成像,沒有聚焦過程(事實上，對4MeV的X射線還沒有聚焦辦法),圖像的空間分辨率由光源的尺寸(焦斑)決定.質(zhì)子散射雖然也會引起圖像模糊,但質(zhì)子散射是可控的,可以通過磁透鏡聚焦成像.磁透鏡不僅能聚焦質(zhì)子,而且能減小次級粒子的模糊效應(yīng).但不同能量質(zhì)子的聚焦不同,也將導(dǎo)致模糊.Zumbro改進了透鏡系統(tǒng),消色差提高了圖像品質(zhì).對于小尺寸物體的靜態(tài)質(zhì)子照相,空間分辨率可到100μm,最近的質(zhì)子照相實驗已達到15μm,并有達到1.2μm的潛力.
6結(jié)束語
質(zhì)子照相是美國國防研究與基礎(chǔ)科學(xué)相結(jié)合而誕生的高度多用性的發(fā)明.質(zhì)子照相若不是與國防基礎(chǔ)研究共同立項，也絕不會有如今的發(fā)展.雄厚的武器實驗基礎(chǔ)能持續(xù)提供人員和創(chuàng)新技術(shù).質(zhì)子照相極大地提高了流體動力學(xué)試驗的測量能力.它所具有的高分辨率能夠精細(xì)辨別內(nèi)爆壓縮的細(xì)節(jié),多角度照相有利于建立完整的流體動力學(xué)模型,多幅連續(xù)照相更加容易判斷沖擊波和混合物隨時間變化的情況.近年來,科學(xué)家們加緊了對高能質(zhì)子照相的研究.目前,X射線照相仍然是流體動力學(xué)試驗的主要設(shè)備.總有一天,質(zhì)子照相將代替X射線照相并對流體動力學(xué)試驗進行充分解釋.
參考文獻
［1］BurnsMJ,CarlstenBE,KwanTJTetal.DARHTAcceleratorsUpdateandPlansforInitialOperation.In:Proceedingsofthe1999ParticleAcceleratorConference.NewYork,1999.617
［2］GavronA,MorrisCL,ZiockHJetal.ProtonRadiography.LosAlamosNationalReport,LA-UR-96-420,1996
［3］MorrisCL.ProtonRadiographyforanAdvancedHydrotestFacility.LosAlamosNationalReport,LA-UR-00-5716,2000
［4］MottersheadCT,ZumbroJD.MagneticOpticsforProtonRadiography.In:Proceedingsofthe1997ParticleAcceleratorConference.VancouverBC,1997.1397
［5］KingNSP,AblesE,AlrickKRetal.Nucl.InstrumMethodsinphysicsresearchA,1999,424(1):84
［6］FishbineB.ProtonRadiographySharper“X-RayVision”forHydrotests.In:TheWinter2003IssueofLosAlamosResearchQuarterly.LosAlamosNationalLaboratory,2003
［7］AufderheideIIIMB,ParkHS,HartouniEPetal.ProtonRadiographyasaMeansofMaterialCharacterization.LawrenceLivermoreNationalLaboratory,UCRL-JC-134595,1999
［8］AmannJF,EspinozaCJ,GomezJJetal.TheProtonRadiographyConcept.LosAlamosNationalLaboratory,LA-UR-98-1368,1998
［9］BarbaraB,AndrewJJ.ChromaticallyCorrectedImagingSystemsforCharged-ParticleRadiography.In:Proceedingsofthe2005ParticleAcceleratorConference.Knoxville,2005.225
［10］AndrewJJ,DavidBB,BarbaraBetal.Beam-DistributionSystemforMulti-AxisImagingattheAdvancedHydrotestFacility.In:Proceedingsofthe2001ParticleAcceleratorConference.Chicago,2001.3374
［11］MorrisCL,HopsonJH,GoldstoneP.ProtonRadiography.LosAlamosNationalLaboratory,LA-UR-06-0331,2006
流體動力學(xué)原理及應(yīng)用范文第2篇
關(guān)鍵詞：CFD；數(shù)值模擬；Fluent；摩托車
中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2012）06-0190-02
一、CFD數(shù)值模擬概述
數(shù)值模擬，是工科類學(xué)生的一門重要的專業(yè)課，主要培養(yǎng)學(xué)生的計算機應(yīng)用、開發(fā)能力和綜合運用相關(guān)學(xué)科知識解決實際問題的能力。CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值模擬，是以計算機為手段，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在流動基本方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程等）控制下對流體流動進行模擬。CFD在航天航空、汽車設(shè)計、機械、船舶、材料加工、化工等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合作者多年來在材料加工和汽車摩托車設(shè)計領(lǐng)域的綜合教學(xué)經(jīng)驗，對CFD數(shù)值模擬在這兩個領(lǐng)域進行了課程研究。通過該課程的教學(xué)研究與實踐，對教學(xué)手段進行改革和完善，提高了教學(xué)質(zhì)量，增強學(xué)生的實際應(yīng)用能力。
二、CFD數(shù)值模擬軟件簡介
目前，進行CFD數(shù)值模擬計算常用的軟件有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD軟件都包含有3個主要的功能部分：前處理、求解器、后處理。其中前處理是指對計算對象進行建模、生成網(wǎng)格和選取邊界面等；求解器是指求解控制方程組的程序；后處理是指對計算結(jié)果進行輸出、顯示。
三、CFD數(shù)值模擬實踐應(yīng)用實例
應(yīng)用Fluent軟件進行對某摩托車車身行駛過程中的三維流場進行CFD數(shù)值模擬，根據(jù)結(jié)果分析其空氣動力學(xué)特性，包括其氣動力系數(shù)和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、速度流線圖等。這里主要介紹其前處理以及求解過程。
1.模型的建立及網(wǎng)格劃分。確立CFD研究模擬的對象，建立模型。對于簡單的模型，可直接在FLUENT的前處理軟件GAMBIT中建立二維或者三維模型；對于較復(fù)雜的模型，可在CATIA、UG等三維造型軟件中，采用正向設(shè)計或者逆向設(shè)計，完成三維實體造型。由于摩托車外形復(fù)雜，在不影響車身前部迎風(fēng)面積的情況下需要對摩托車模型進行一定的簡化，方便進行CFD數(shù)值模擬。將該模型文件以STP文件格式導(dǎo)入到FLUENT的前處理軟件GAMBIT中。這里需要建立兩個方體。其中小方體是為了細(xì)化車身周圍的網(wǎng)格而設(shè)置的密度體，大方體是車身行駛過程中所處于的流場，相當(dāng)于空氣動力學(xué)試驗中的“風(fēng)洞”。將大方體和摩托車車身進行布爾求差運算，得到的空間區(qū)域即為CFD數(shù)值模擬的計算域。對計算域進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分，其中計算域中的小方體區(qū)域進行網(wǎng)格細(xì)化處理，其余部分進行網(wǎng)格粗化處理。最后的網(wǎng)格總數(shù)在150萬個左右。設(shè)置入口和出口邊界面等，保存輸出網(wǎng)格模型，如圖1所示：
2.物理模型參數(shù)的建立和求解計算。入口邊界設(shè)定為速度入口，V=20m/s；出口邊界設(shè)定為壓力出口，出口相對于遠方來流處的壓力為零，即靜壓值取零。本次仿真選擇Realizable k-ε模型，根據(jù)摩托車尺寸得k=0.0338m2／s2，ε=0.00185m3／s3。其中k為計算湍流動能，ε為湍流耗散率。采用耦合隱式求解器，對模型進行收斂計算。
3.CFD數(shù)值模擬計算的后處理。待模型計算收斂后，在后處理窗口中觀察摩托車行駛過程中的各個物理場量分布情況。圖2所示為該摩托車的表面壓力分布云圖。根據(jù)摩托車氣動力系數(shù)和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、尾流場的湍流特征等物理量，對摩托車前部車身進行造型優(yōu)化，以達到減小風(fēng)阻的目的。
通過講述CFD數(shù)值模擬課程，了解CFD的基本原理及概念，同時對CFD相關(guān)軟件有了基本認(rèn)識；并結(jié)合Fluent軟件研究某摩托車行駛過程中的空氣動力學(xué)性能，提高了學(xué)生對CFD數(shù)值模擬的理解能力和實際運用能力。
參考文獻：
[1]溫正，石良辰，任毅如.FLUENT流體計算應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009：1-2.
[2]王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.
[3]于勇，張俊明，等.FLUENT入門與進階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：49-55.
[4]張英朝，楊博，張喆.摩托車的空氣動力特性研究[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2007，36（1）：1-4.
[5]張杜鵲.轎跑車外流場數(shù)值模擬與分析（碩士學(xué)位論文）[D].武漢理工大學(xué)，2010.
基金項目：本文得到“湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目（項目編號：2008078）”資助
作者簡介：朱春東（1963-），男，湖北廣水人，副教授，碩士，主要研究方向為數(shù)值模擬和成型工藝及控制。
摘要：本文結(jié)合CFD數(shù)值模擬教學(xué)與實踐經(jīng)驗，講述了流體動力學(xué)分析的原理和具體的數(shù)值模擬方法，并運用流體模擬軟件Fluent對某摩托車行駛過程中的流場進行模擬分析。
關(guān)鍵詞：CFD；數(shù)值模擬；Fluent；摩托車
中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2012）06-0190-02
一、CFD數(shù)值模擬概述
數(shù)值模擬，是工科類學(xué)生的一門重要的專業(yè)課，主要培養(yǎng)學(xué)生的計算機應(yīng)用、開發(fā)能力和綜合運用相關(guān)學(xué)科知識解決實際問題的能力。CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值模擬，是以計算機為手段，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在流動基本方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程等）控制下對流體流動進行模擬。CFD在航天航空、汽車設(shè)計、機械、船舶、材料加工、化工等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合作者多年來在材料加工和汽車摩托車設(shè)計領(lǐng)域的綜合教學(xué)經(jīng)驗，對CFD數(shù)值模擬在這兩個領(lǐng)域進行了課程研究。通過該課程的教學(xué)研究與實踐，對教學(xué)手段進行改革和完善，提高了教學(xué)質(zhì)量，增強學(xué)生的實際應(yīng)用能力。
二、CFD數(shù)值模擬軟件簡介
目前，進行CFD數(shù)值模擬計算常用的軟件有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD軟件都包含有3個主要的功能部分：前處理、求解器、后處理。其中前處理是指對計算對象進行建模、生成網(wǎng)格和選取邊界面等；求解器是指求解控制方程組的程序；后處理是指對計算結(jié)果進行輸出、顯示。
三、CFD數(shù)值模擬實踐應(yīng)用實例
應(yīng)用Fluent軟件進行對某摩托車車身行駛過程中的三維流場進行CFD數(shù)值模擬，根據(jù)結(jié)果分析其空氣動力學(xué)特性，包括其氣動力系數(shù)和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、速度流線圖等。這里主要介紹其前處理以及求解過程。
1.模型的建立及網(wǎng)格劃分。確立CFD研究模擬的對象，建立模型。對于簡單的模型，可直接在FLUENT的前處理軟件GAMBIT中建立二維或者三維模型；對于較復(fù)雜的模型，可在CATIA、UG等三維造型軟件中，采用正向設(shè)計或者逆向設(shè)計，完成三維實體造型。由于摩托車外形復(fù)雜，在不影響車身前部迎風(fēng)面積的情況下需要對摩托車模型進行一定的簡化，方便進行CFD數(shù)值模擬。將該模型文件以STP文件格式導(dǎo)入到FLUENT的前處理軟件GAMBIT中。這里需要建立兩個方體。其中小方體是為了細(xì)化車身周圍的網(wǎng)格而設(shè)置的密度體，大方體是車身行駛過程中所處于的流場，相當(dāng)于空氣動力學(xué)試驗中的“風(fēng)洞”。將大方體和摩托車車身進行布爾求差運算，得到的空間區(qū)域即為CFD數(shù)值模擬的計算域。對計算域進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分，其中計算域中的小方體區(qū)域進行網(wǎng)格細(xì)化處理，其余部分進行網(wǎng)格粗化處理。最后的網(wǎng)格總數(shù)在150萬個左右。設(shè)置入口和出口邊界面等，保存輸出網(wǎng)格模型，如圖1所示：
2.物理模型參數(shù)的建立和求解計算。入口邊界設(shè)定為速度入口，V=20m/s；出口邊界設(shè)定為壓力出口，出口相對于遠方來流處的壓力為零，即靜壓值取零。本次仿真選擇Realizable k-ε模型，根據(jù)摩托車尺寸得k=0.0338m2／s2，ε=0.00185m3／s3。其中k為計算湍流動能，ε為湍流耗散率。采用耦合隱式求解器，對模型進行收斂計算。
3.CFD數(shù)值模擬計算的后處理。待模型計算收斂后，在后處理窗口中觀察摩托車行駛過程中的各個物理場量分布情況。圖2所示為該摩托車的表面壓力分布云圖。根據(jù)摩托車氣動力系數(shù)和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、尾流場的湍流特征等物理量，對摩托車前部車身進行造型優(yōu)化，以達到減小風(fēng)阻的目的。
通過講述CFD數(shù)值模擬課程，了解CFD的基本原理及概念，同時對CFD相關(guān)軟件有了基本認(rèn)識；并結(jié)合Fluent軟件研究某摩托車行駛過程中的空氣動力學(xué)性能，提高了學(xué)生對CFD數(shù)值模擬的理解能力和實際運用能力。
參考文獻：
[1]溫正，石良辰，任毅如.FLUENT流體計算應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009：1-2.
[2]王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.
[3]于勇，張俊明，等.FLUENT入門與進階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：49-55.
[4]張英朝，楊博，張喆.摩托車的空氣動力特性研究[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2007，36（1）：1-4.
[5]張杜鵲.轎跑車外流場數(shù)值模擬與分析（碩士學(xué)位論文）[D].武漢理工大學(xué)，2010.
基金項目：本文得到“湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目（項目編號：2008078）”資助
流體動力學(xué)原理及應(yīng)用范文第3篇
關(guān)鍵字：風(fēng)工程，研究方法，學(xué)科進展
Abstract: the wind and its function of research history and the history of human development as old. In recent years, the wind research method in the field of disaster prevention and mitigation become very important subject direction. This paper mainly discusses the structure of wind engineering research methods, and its development.
Key word: wind engineering, research methods, subject development
中圖分類號：TB482.2 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：
1.研究意義
風(fēng)及其作用的研究歷史與人類發(fā)展的歷史一樣久遠。在許多神話和史前故事中，人類被風(fēng)的威力與運動深深地吸引住。隨著歷史的發(fā)展，人類越來越認(rèn)識到自然的循環(huán)規(guī)律，并認(rèn)為風(fēng)是一種能量運動 。
在今天，風(fēng)的研究主要有兩個分支。第一個是如何最大程度地減少強風(fēng)的破壞。另外一個分支是如何利用風(fēng)能為人類服務(wù)。在風(fēng)工程的分支里，對風(fēng)特性的研究是類似的。不過如何去抵抗風(fēng)的破壞、免除人身傷亡是急迫的生存問題，更具有現(xiàn)實意義。
許多學(xué)者越來越對風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互耦合作用的研究感興趣。早在半個世紀(jì)前，Jensen 就證明了通過實驗合理建立風(fēng)模型，研究結(jié)構(gòu)上風(fēng)荷載的可行性。在近幾十年里，現(xiàn)代風(fēng)工程針對低矮建筑物的研究已經(jīng)取得豐碩的成果 。但是強風(fēng)破壞的研究還是一個難題，需要風(fēng)工程學(xué)者進行更深入的研究。
強風(fēng)，颶風(fēng)及龍卷風(fēng)是危害最大的自然災(zāi)害之一，對生命與財產(chǎn)造成巨大的破壞。在2003年，加拿大中西部發(fā)生的龍卷風(fēng)造成巨大的破壞，造成直接與間接的經(jīng)濟損失超過300億美金 ；1998年北美颶風(fēng)總共造成12000人傷亡 。在災(zāi)難中，根據(jù)房屋的破壞程度，把結(jié)構(gòu)主要分成三類 ：(1)沒有進行抗風(fēng)設(shè)計的；(2)進行小范圍的抗風(fēng)加固的；(3)進行了專業(yè)抗風(fēng)設(shè)計的。沒有進行抗風(fēng)設(shè)計的房屋結(jié)構(gòu)基本被摧毀倒塌；有局部抗風(fēng)加固的結(jié)構(gòu)也遭遇了嚴(yán)重的破壞；而進行了專業(yè)抗風(fēng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)只收到輕微的破壞。
風(fēng)災(zāi)中，大部分房屋的破壞主要以屋蓋破壞為主 。由于風(fēng)洞試驗的成本較高，許多建筑物并沒有進行風(fēng)洞試驗研究。但是如果出現(xiàn)暴風(fēng)，結(jié)構(gòu)的破壞將是沒法估計的。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，輕質(zhì)高強新型建筑材料的不斷涌現(xiàn)，以及施工工藝的日新月異，大跨度柔性屋蓋結(jié)構(gòu)以其輕巧優(yōu)美的姿態(tài)廣泛應(yīng)用于機場、體育館、文體活動中心以及展覽館等公共建筑。但是由于這類建筑物質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小、自振頻率低等特點，風(fēng)荷載將成為建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要荷載。所以深入準(zhǔn)確地研究風(fēng)荷載對這類建筑物的作用以及湍流的形成機理是非常必要的。
2.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究方法
結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)是風(fēng)工程學(xué)的分支，主要研究風(fēng)和結(jié)構(gòu)的相互作用,亦稱結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)問題,特別是動力風(fēng)效應(yīng),即風(fēng)致振動問題。結(jié)構(gòu)風(fēng)工程經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了比較完善的體系，研究方法包括理論分析、現(xiàn)場實測、風(fēng)洞模擬和計算風(fēng)工程方法。
2.2理論研究
理論分析以結(jié)構(gòu)隨機振動理論為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和概率論的知識，用于結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的隨機振動分析和橫風(fēng)向亞臨界范圍的隨機振動分析與跨臨界范圍的確定性共振響應(yīng)分析。在實際工程中，一般運用理論分析來指導(dǎo)工程計算和試驗。
2.2全尺度實測
全尺度實測（現(xiàn)場實測）是最直接、最真實的研究手段，利用風(fēng)速儀、加速度計等儀器在現(xiàn)場對實際風(fēng)環(huán)境及結(jié)構(gòu)風(fēng)響應(yīng)進行測量，可獲得風(fēng)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的第一手資料，是檢驗其他方法結(jié)果是否正確不可缺少的方法。
基于現(xiàn)場實測，近地風(fēng)可處理為平均風(fēng)速和脈動風(fēng)速的疊加；平均風(fēng)速沿高度可用對數(shù)律或冪函數(shù)來描述，而脈動風(fēng)的主要特征是紊流度、脈動風(fēng)速自功率譜和互功率譜、紊流尺度等。在初步掌握這些重要特性的基礎(chǔ)上， 給出了這些特征量的推薦值和推薦公式 (Simiu, et al. 1996; Sethu-Ramam 1979; Counihan 1975; Deaves, et al. 1978；Kaimal, et al. 1972; Davenport 1961; Panofsky 1965)。
全尺度實測也有它的限制和困難：
(1) 費時、費力、花費較高。
(2) 只能對已經(jīng)建成的建筑物及其周圍風(fēng)環(huán)境進行測試，無法對擬建建筑物進行風(fēng)環(huán)境預(yù)測，且不能對將來由于建筑周圍環(huán)境變化而可能出現(xiàn)的情況進行研究。
(3) 由于缺乏可控制的環(huán)境，很難去重復(fù)試驗和研究流動的各種特性。
(4) 由于風(fēng)流動非常態(tài)性，數(shù)據(jù)采集和分析也很困難。
2.3風(fēng)洞試驗
可控制環(huán)境下結(jié)構(gòu)與風(fēng)相互作用的研究可追溯到19世紀(jì)初 。當(dāng)時大部分風(fēng)洞研究主要應(yīng)用于航天應(yīng)用，航天結(jié)構(gòu)與建筑物的風(fēng)洞試驗也是在層流中進行的。一直到1958年，Jensen 才將湍流邊界層模型應(yīng)用到測試建筑物的風(fēng)洞試驗。這正是因為設(shè)備、測量技術(shù)、來流地形模型和分析方法的巨大進步，邊界層風(fēng)洞試驗才被廣泛應(yīng)用于風(fēng)工程研究中。
自60年代初美國Colorado州立大學(xué) 和加拿大WesternOntario 大學(xué)建成邊界層風(fēng)洞以來，目前世界各國的邊界層風(fēng)洞已經(jīng)達到上百座，我國也相繼建成了 20 多座邊界層風(fēng)洞。風(fēng)洞試驗是在風(fēng)洞實驗室模擬大氣邊界層中的實際風(fēng)環(huán)境和實際建筑結(jié)構(gòu)，從實驗室的模型風(fēng)效應(yīng)考察實際的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，是人為控制條件下對結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)進行再現(xiàn)。在建筑繞流和建筑物風(fēng)荷載研究中風(fēng)洞試驗起著重要作用，但風(fēng)洞試驗也存在著很多問題：
1.試驗必須采用幾何縮微模型，一般在1:200~1:1000，這樣建筑物細(xì)部對風(fēng)作用的響應(yīng)得不到合理的反映；
2.試驗要求滿足相似性原理，然而有一些情況在常規(guī)的實驗條件下是無法達到的，如強風(fēng)暴這類的高雷諾數(shù)流動及繞流流動的脈動特性等在風(fēng)洞中很難得到比較好的模擬，特別是湍流的小尺度脈動；同時鑒于近地風(fēng)具有顯著的紊亂性和隨機性，在風(fēng)洞中很難進行準(zhǔn)確模擬，因此實驗結(jié)果和實測值必然存在一定的差異；
3.建設(shè)風(fēng)洞投資費用高，試驗過程中的費用高、周期長。設(shè)計是一個反復(fù)的過程，需要多個方案進行比較，但不可能一一做風(fēng)洞試驗，結(jié)果不能得到抗風(fēng)性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。
2.4計算風(fēng)工程
由于風(fēng)洞試驗的局限性并隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算風(fēng)工程方法已經(jīng)逐步成為繼風(fēng)洞試驗后預(yù)測建筑物表面風(fēng)壓、周圍風(fēng)速和湍流特性的一種新的有效方法。
計算風(fēng)工程方法（Computational Wind Engineering，簡稱 CWE）的核心內(nèi)容是計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics），亦稱為其控制方程在數(shù)學(xué)上為一組偏微分方程。數(shù)值風(fēng)洞通過在計算機上對建筑物周圍風(fēng)流動所遵循的流體動力學(xué)方程進行數(shù)值求解，并且可借助計算機圖形學(xué)技術(shù)將模擬結(jié)果形象地描述出來，以對建筑物周圍風(fēng)場進行仿真模擬。CWE 技術(shù)在傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗所不能解決的問題上具有廣闊的前景，將不斷地被人們所接受。
對于任何給定的流體流動問題，必須滿足一系列要求，并且要經(jīng)過一些步驟才能獲得滿意的結(jié)果。這些要求和步驟包括：對計算域的的定義，網(wǎng)格生成，邊界條件的指定，初始條件的定義，對數(shù)值方法和離散格式、湍流模型、時間步大小、時間推進方法及收斂準(zhǔn)則的選擇。
計算風(fēng)工程與風(fēng)洞試驗相比較，其優(yōu)點表現(xiàn)為：1.數(shù)值計算成本相對較低，周期短，精度高；2.可以根據(jù)研究和設(shè)計的不同需要不斷改變流場和結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，對研究對象進行全方位多角度的分析研究；3.可以進行全尺度的模擬，克服實驗中難以滿足雷諾數(shù)相似性的困難，可避免風(fēng)洞試驗由于尺寸縮放所引起的誤差；4.數(shù)值模擬結(jié)果可以利用豐富的可視化工具，提供風(fēng)洞實驗不便或無法提供的流場繞流信息。數(shù)值風(fēng)洞是綜合計算流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、風(fēng)工程學(xué)、結(jié)構(gòu)工程，以及計算機語言、數(shù)值計算方法、計算機圖形學(xué)和動態(tài)可視化處理技術(shù)等多學(xué)科的新興交叉學(xué)科，其特點是工程應(yīng)用背景強，理論研究難度大。
參考文獻
[1]Lugt,H.J.,Vortex Flow in Nature and Technology,John Wiley & Sons,1983
[2]Jensen,M.,The Model-law for phenomena in natural wind,Inqenioren,nternationalEdition,Vo l,No.4,pp .121-123, 1985
[3]Holmes,J.D.,Wind loads on low rise buildings-a review,CSIRO,Division of Building Research Australia,1983
[4]Stathopoulos,T.,Wind loads on low rise buildings:a review of the state of the art,Engineering Structures 6,119-135,1984
[5]Krishna,P.,Wind loads on low rise buildings-a review,J.Wind End. Ind.Aerodyn.55,383-396,1995
[6]Surry,D.,Wind loads on low rise buildings:past,present and future,10International Conference on Wind Engiineering, Copenhagen, 21-24 June,Rotterdam,pp.105-114,1999
[7]Uematsk,Y.,Isyumov,N.,Wind Pressures acting on low rise buildings-Review,J.Wind Eng.Ind.Aerodyn.82,1-25, 1999
[8]Ross,T.,and Lott,N.,Billion dollar U.S.Weather disasters 1980-2001,National Climatic Data Center,2001
[9]FEMA,Hurricane Gorges surpass hurricane Andrew in total number of disaster applicant registrations,Federal Emergency Management Agency,1998
[10]Manning,B.R,Hurricane Hugo,Puerto Rico,the Virgin Islands,and Charleston,South Carolina,September 17-22,1989,The National Academies Press,pp.247-257,1994
[11]Lucine,H.,The Influence of Eaves,Parapets and Other features on the Wind Loading of Low Building Roofs, M.E.Sc.Thesis,Department of Civil and Environmental Engineering,The University of Western Ontario,1993
[12]項海帆. 結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的現(xiàn)狀和展望.振動工程學(xué)報, 1997,10(3):258-263
[13]黃本才.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用[M].上海:同濟大學(xué)出版社,2001
流體動力學(xué)原理及應(yīng)用范文第4篇
關(guān)鍵詞：FLUENT，氣流組織，廚房，溫度場，模擬分析
Abstract：Objective: To study and analysis inside the kitchen is pare air diffuser for wind, design reasonably air diffuser position, satisfy lampblack machine opened and closed conditions ruled out the indoor air distribution status lampblack. Methods: with the computational fluid dynamics and heat transfer as a foundation, using Fluent software, a computational fluid dynamics of numerical simulation method, and establish a common civil residence in the kitchen to model the research object, kitchen space airflow in organized the 3-d numerical simulation, the simulation including inside the kitchen lampblack machine, door, window as outlet in the cases of indoor airflow organization. The result was obtained by the conditions of indoor airflow velocity distribution, stress distribution, velocity vector diagram, section etc. Conclusion: set up different natural ventilating and air condition, with mechanical computational fluid dynamics based respectively, the typical airflow organization form of physical and mathematical model, a numerical simulation that airflow velocity field and temperature field analysis, and the results are compared.
Key Words:FLUENT，air current composition，kitchen，temperature field，simulation analysis
中圖分類號：R122.2+4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：
1.引言：
據(jù)中國室內(nèi)裝飾協(xié)會室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測中心的研究表明，廚房是家庭中空氣污染最嚴(yán)重的空間，其污染源主要有兩個方面：一是從煤氣、液化氣等炊火源中釋放出的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等有害氣體；二是烹飪菜肴時產(chǎn)生的油煙。當(dāng)今社會，幾乎每家每戶都安裝了排油煙機，但是大多主婦都會遇到這樣的情況，即使排油煙機開啟，油煙依然彌漫在廚房，甚至?xí)傲鞲Z”到室內(nèi)。造成這種情況的原因就在于，在廚房空間內(nèi)，沒有形成良好的氣流組織形式，在排風(fēng)的同時，缺少補風(fēng)。廚房的空氣只出不進，油煙自然就排不出去。
2.數(shù)值模擬方法與分析模型
目前,國內(nèi)外研究室內(nèi)氣流組織的方法通常分為4種:傳統(tǒng)的射流公式方法、模型實驗方法、區(qū)域方法和CFD 模擬方法[1]。綜合比較了4種研究方法,筆者選用CFD 數(shù)值模擬方法，利用計算機仿真技術(shù)對廚房的氣流組織進行模擬分析，得出多種工況下的速度、壓力分布圖。分析驗證幾種補風(fēng)形式對廚房氣流組織形式的影響。
2.1 數(shù)值模擬方法
數(shù)值模擬方法根據(jù)計算流體力學(xué)的原理[2]，利用 Fluent 軟件，采用壓力基的耦合求解器，F(xiàn)ormulation格式為隱式，定常流，并運用具有較的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和計算精度的k -ε湍流模型進行模擬，有限體積法對方程經(jīng)行離散計算[3]。
數(shù)值計算的基本方程式[4-7]：
連續(xù)性方程 (1)
動量方程(2)
K的運輸方程 (3)
的運輸方程(4)
(5)
其中 ，
其中符號
K紊流動能，
L紊流長度尺度
U V Wx y z方向上的速度分量
Ui i=1（水平x方向），2（縱深y方向），3（垂直z方向）
三個方向在x方向的速度分量
希臘字母能量耗散率，
渦黏性系數(shù)
2.2 建筑模型的介紹
圖1 房間Gambit平面圖 圖2 房間Gambit布置圖圖3 劃分網(wǎng)格后模型
建立穩(wěn)定的氣流組織形式，保證有害物沿著人活動頻率低的區(qū)域排出室內(nèi)，平衡室內(nèi)的空氣環(huán)境。這就是考慮這一模型的核心思路。
以某住宅戶型實例，取廚房房間，規(guī)格為長×寬×高（2850mm×2400mm×2600mm，通常住宅凈高為2550—2650mm）（如圖1）。房間北側(cè)為窗，南側(cè)設(shè)門與餐廳相連接。以現(xiàn)代普通廚房布置為參照，廚房內(nèi)設(shè)置櫥柜，某品牌排油煙機，灶臺，并示出人正常活動位置（如圖2）。筆者所設(shè)計的廚房氣流組織，是分別在側(cè)壁和近地面設(shè)置兩個機械送風(fēng)口，規(guī)格為200mm×200mm。具置參照圖2。
3.建模與邊界條件處理
3.1 模型處理
模型房間尺寸與原建筑保持一致，為了便于劃分計算，在不影響模擬準(zhǔn)確性的前提下，局部裝飾裝修進行了簡化處理，大大減少了模擬的復(fù)雜程度和計算量。
人以一般家庭主婦身高為依據(jù)，1.65m。櫥柜高度0.9m。排油煙機以主婦不碰頭高度為準(zhǔn)，1.7m。窗戶為可單扇開啟玻璃窗。門可開啟關(guān)閉。2個送風(fēng)口與房間連接。如圖1,2。
3.2 模型網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分采用多塊拼接網(wǎng)格劃分，塊與塊之間有公共交界面，網(wǎng)格劃分后模型如圖3所示。本模型對各個風(fēng)口處都進行了網(wǎng)格加密，這樣在模擬中更能真實反應(yīng)出室內(nèi)的氣流組織形式。
3.3 邊界條件處理
設(shè)計夏季室內(nèi)溫度為27℃，以排油煙機處為機械排風(fēng)出口，設(shè)為排氣扇，壓力跳躍出選擇多項式，4個多項式系數(shù)各為230.83、50.119、-25.0769、1.7965,定義湍流參數(shù)時選擇湍流強度與水力直徑,經(jīng)過計算,湍流強度的百分率為10% , 入口水力直徑為191mm。門、窗高度分別為2000mm和1600mm，設(shè)置為自然出流。中、下設(shè)兩個機械送風(fēng)口為200mm×200mm，側(cè)送風(fēng)口為送風(fēng)1，下送風(fēng)口為送風(fēng)2，定義為湍流強度與水力直徑。爐灶做近似處理，經(jīng)過計算，湍流強度的百分率為10% , 出口水力直徑為264mm。
4.模擬結(jié)果與流場分析
圖4 空間流場矢量圖圖5 截面Y=1100mm處速度云圖
模擬結(jié)果如圖4～11。圖4 為房間流場矢量圖，顏色深淺對應(yīng)不同的流速。
圖6 截面Y=1100mm處速度矢量圖 圖7截面Z=1200mm處速度等值云圖
首先，將排油煙機關(guān)閉，由圖5Y=1100mm 速度剖面云圖可以得出，下部送風(fēng)口處氣流速度大，到達灶臺位置速度有部分衰減，帶動空氣向上部流動，形成一道“空氣墻”，繞過人所處活動區(qū)，由圖6 Y=1100mm 速度剖面矢量圖可以得出，人活動區(qū)內(nèi)空氣向灶臺附近流動，可以認(rèn)為油煙流向不會接近于人，保持空氣的潔凈。
由圖7 Z=1200mm 速度剖面云圖可以看出，在關(guān)閉2號送風(fēng)口后，油煙會流經(jīng)人活動區(qū)，部分油煙脫離排油煙機捕集范圍，擴散到餐廳和窗外。圖8 Z=1200mm 速度剖面矢量圖可以看出在送風(fēng)口全部關(guān)閉的情況下，氣流由下至上流向排煙油煙機，周圍空氣進行補流。室內(nèi)空氣不足以滿足需求補流的空氣量，由門和窗口引入室內(nèi)外空氣，并有少量氣流被帶入室內(nèi)，這樣便會產(chǎn)生“竄味”現(xiàn)象，使有些居民在家烹飪的時候，臥室內(nèi)就會聞到油煙味。廚房與餐廳在門處有氣流補充，在機械送風(fēng)2的作用下，油煙大多沿著豎直方向流動。
圖8 截面Z=1200mm 速度矢量圖 圖9 截面X=2600mm速度矢量圖
由圖9 X=2600mm 速度剖面矢量圖可以看出，在關(guān)閉門和窗，送風(fēng)口2不送風(fēng)的工況下，空氣由周圍補入，門和窗口向廚房補充空氣，煙氣大多被有效地吸入排油煙機，僅有少量被氣流帶出。圖10 為邊界全部開啟工況下X=2600mm 速度剖面云圖。
5.結(jié)果與討論
本文利用計算機仿真技術(shù)模擬三維模型是為了便于觀察研究控制空氣流場的分布和方向，建立合理的氣流組織形式。特別是考慮到與周圍空間的關(guān)系。對三維模型模擬結(jié)果表明：
1.封閉空間內(nèi)，必須做到有效的補風(fēng)，遵循質(zhì)量守恒定律，才能滿足正常的排除油煙的需求。
2.利用自然通風(fēng)補風(fēng)，可以改善廚房的排污效果，但是會有油煙逸出，流入室內(nèi)。
3.在開啟送風(fēng)口2的工況下，送風(fēng)速度為4m/s，可以加強對油煙流向的控制。
4.開啟門或者窗，都可以對順利排放油煙進行補風(fēng)的。但是開門的時候應(yīng)該注意, 在保證廚房維持良好的空氣品質(zhì)的同時,需控制好氣流的流向,防止煙氣流入室內(nèi)；在不開門的時候，也要適當(dāng)?shù)目刂坪脷饬鞯牧飨颍蝗粺煔庖矔刂T的縫隙鉆入室內(nèi)。
5.在開啟送風(fēng)口1的工況下，可以對室內(nèi)進行補風(fēng)，但是送風(fēng)速度不宜超過1.3 m/s，風(fēng)速過大會造成油煙偏離控制區(qū)域，直接流入人活動區(qū)。
參考文獻
1. 王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.
2. 于勇，張俊明，姜連田.FLUENT入門與進階教程.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008
3. 李凌風(fēng),林鑫. CFD 方法及其在空調(diào)氣流組織設(shè)計中的應(yīng)用[ C ]. 杭州:浙江大學(xué)出版社, 2005.
4．Van Doormaal JP, Raithbg GD. Enhancements of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flows [ J ]. Numerical Heat Transfer, 1984, 7:147 - 163.
5. Nielsen P V. The selection of turbulence models for prediction of room airflow [ J ]. ASHRAE Transactions, 1998, 104 (1) : 1119 - 1126.
流體動力學(xué)原理及應(yīng)用范文第5篇
在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛運用到管殼式換熱器，管殼式換熱器是由圓筒形的殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等組成的。其中，殼體內(nèi)部裝有兩端固定在管板上的管束。冷熱兩種流體用來換熱，在管內(nèi)流動的是管程流體，在管外流動的是殼程流體。在殼體內(nèi)通常安裝一些擋板，以使管外流體的傳熱分系數(shù)增大。擋板可使殼程流體速度提高，從而使流體湍流程度增強，流體能夠按規(guī)定路程多次橫向通過管束。在管板上，換熱管的排列可以按照等邊三角形或正方形。排列為等邊三角形顯得緊湊，使得管外流體湍流程度增強，提高傳熱分系數(shù)；排列為正方形則清洗管外方便，對于易結(jié)垢的流體非常適用。
2管殼式換熱器工藝設(shè)計
管殼式換熱器工藝設(shè)計應(yīng)該符合特定的工藝條件，比如要具有安全可靠的結(jié)構(gòu)，制造、安裝、操作和維修方便，經(jīng)濟成本低，設(shè)計技術(shù)具有科學(xué)性等。理想的管殼式換熱器可以是兩端管板分別與殼體固定和在殼體內(nèi)自由浮動，殼體和管束的膨脹自由，從而在兩種介質(zhì)間存在較大的溫差的情況下，不會在管束和殼體之間產(chǎn)生溫差應(yīng)力。把浮頭端設(shè)計成可拆結(jié)構(gòu)，可以使管束插入或抽出殼體容易。也可以把浮頭端設(shè)計成不可拆的。
3管殼式換熱器的工藝設(shè)計方法
管殼式換熱器的工藝設(shè)計主要是針對傳熱設(shè)計和壓降設(shè)計這兩個方面，管殼式換熱器的工藝設(shè)計方法主要包括下面幾個。
3.1Colburn-Donohue方法
管殼式換熱器的殼側(cè)的傳熱和流動過程是非常復(fù)雜的，尤其是殼側(cè)的傳熱和壓降設(shè)計計算非常重要，一些設(shè)計原理就是通過殼側(cè)傳熱和壓降計算方法的確定而建立的。1933年，以理想管排數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的殼側(cè)傳熱系數(shù)計算關(guān)聯(lián)式由Colburn首先提出。而帶有折流板的管殼式換熱器中存在漏流和旁流,采用Sieder-Tate關(guān)聯(lián)式計算進行設(shè)計更為方便。因為管殼式換熱器中同時發(fā)生流體的傳熱與流動阻力，它們是相互制約的，所以，在設(shè)計計算中應(yīng)將流體的傳熱與流動阻力作為一個整體考慮。1949年,完整的管殼式換熱器綜合設(shè)計方法由Donohue首次提出。這種方法的傳熱計算式對Colburn關(guān)聯(lián)式進行了修正，這種方法稱為Colburn-Donohue方法。
3.2Kern方法
在Colburn-Donohue法的基礎(chǔ)上，Kern方法進行了一定的改進。Kern方法將設(shè)計作為一個整體來處理，考慮傳熱、殼程管程流動、溫度分布、污垢及結(jié)構(gòu)等問題。后來對這一設(shè)計方法又進行了總結(jié),新的內(nèi)容增加了進去,它已經(jīng)成為目前管殼式換熱器的重要設(shè)計參考書，對管殼式換熱器的發(fā)展和研究具有巨大的價值。3.3Bell-Delaware方法Bell在前人研究成果的基礎(chǔ)上，為了進一步對管殼式換熱器殼程的工藝設(shè)計進行改進，提出了Bell-Delaware方法。Bell-Delaware方法是一種精確度較高的半理論方法，它利用大量實驗數(shù)據(jù)，將各流路的校正系數(shù)引入，將傳熱、流動與結(jié)構(gòu)的綜合效應(yīng)考慮在內(nèi),但是由實驗數(shù)據(jù)回歸得到該方法的傳熱關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)與指數(shù)，該方法的適用范圍有一定的限制，總體來說是有利有弊的。
3.4流路分析方法
為克服Bell-Delaware法的受到適用范圍的限制的局限性，美國傳熱研究公司提出了具有獨創(chuàng)性的流路分析法，該方法是在引用自己的研究成果并利用Tinker的流動模型和Delaware大學(xué)的實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出的。1979年，天津大學(xué)提出了應(yīng)用計算機進行計算的計算殼側(cè)壓降的流路分析法。1984年，Wills和Johnson簡化了流路分析法，使該方法進行手工計算也非常方便。該方法應(yīng)該加以發(fā)揚，所依賴的各種流路阻力系數(shù)仍屬于經(jīng)驗公式。
