计算流体动力学方法范文

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中图分类号：TU71 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2013）-12-0194-01

一、计算流体动力学概述

计算流体动力学即Computational Fluid Dynamics ，简称为CFD，是伴随着计算机技术与数值计算技术发展而来的一种先进技术，可以实现对流体流动及换热模拟，在航空航天、能源、石油化工、建筑工程等众多领域内获得广泛应用。在建筑领域应用计算流体动力学技术，可以对小区建筑物是空气流动、室内通风、室内供热制冷设备布置、建筑物与外界环境换热等状况进行模拟与研究，从而提高建筑设计方案的科学性及合理性，打造宜居环境。

（一）计算流体动力学分析方法

计算流体动力学技术的应用，是在计算机基础上，对实际流体流动状况进行模拟仿真。其技术实现的基本原理为：通过数值求解控制流体流动微分方程，获得流体流动流场在区域范围内离散分布状况。计算流体动力学技术分析方法主要分为三个环节，分别为数学物理模型构建、数值算法求解与结果可视化。

1.数学物理模型构建。针对所需要研究的流动问题，通过构建数学物理模型进行描述与研究。在建筑环境领域，其流体流动问题主要是进行不可压流体粘性流体流动控制微分方程求解，为此，可以建立湍流模型并进行数值求解。如下公式为粘性流体流动控制微分方程：

在方程中，S代表源项，Γ代表扩散系数，p代表密度，其变量φ所代表的物理量不同，其方程含义不同。在应用该方程的基础上，可以进行建筑工程环境中温度、浓度、流场速度等物理量分布。

2.数值算法求解。考虑到粘性流体流动控制微分方程具有较强的非线性特征，只能应用数值方法进行求解。为此，应对求解区域进行离散处理，一般采取有限元、有限差分、有限容积等离散形式。在进行不可压流动与传热问题研究时所采取有限容积法进行离散。通过离散，可以获得代数方程并进行求解，获得流场离散分布。

3.结果可视化。单纯进行方程求解无法让一般工作人员进行理解，应用计算流体动力学技术将速度场、温度场等进行模拟描述，通过计算机图形，直观表达出模拟结果。在可视化处理后，可以将复杂数值以直观图像进行显示，便于非专业工作人员理解。当前，应用计算流体动力学技术，可以生成静态速度图、静态温度场图，并可以描绘出流场轨迹。

（二）计算流体动力学技术优势

在建筑环境工程中，其建筑群风环境预测、室内热环境、风环境、设备性能等均是通过试验方式来实现，如进行风洞试验等，其试验存在着一定缺陷，且试验周期较长。应用计算流体动力学技术进行计算机仿真模拟，其成本较低，速度较快，且模拟真实度较高，其模拟准确性有保障。应用计算流体动力学技术可以生成可视化结果，可以为建筑设计及优化发挥指导意义。

二、计算流体动力学在建筑环境工程中的应用

（一）建筑外环境分析设计。在建筑工程中，其外环境对建筑内居住者生活存在着很大影响，尤其是建筑设计较为密集的区域，其小区热环境问题与二次风问题逐渐受到人们的重视。应用计算流体动力学技术，可以对建筑外环境进行仿真模拟，为建筑设计提供依据，实现建筑风环境设计的合理性与科学性。在仿真模拟建筑外环境风流动分布状况的基础上，还可以对建筑内自然通风设计提出意见。按照模拟获得风速大小，进行住宅建筑风荷载承受值计算，有助于优化建筑结构设计。

（二）通风空调空间气流组织设计。通风空调空间气流组织是建筑环境设计的重要内容，其空调空间气流组织直接关系着通风空调效果，如空调空间气流组织质量较好，则室内空调温度及速度能够满足建筑环境设计的要求，反之，则不能实现其设计目标。为此，在进行建筑空调系统设计施工之前，应进行空调空间气流组织的设计与预测。在传统方法中，多是选择典型送回风方式的气流组织状况研究，其精度及应用范围难以满足设计要求。应用计算流体动力学技术，可以通过模拟仿真对建筑物内部空气气流分布及温度分布情况进行描述，可以实现对室内通风效果及空气质量的评价，指导通风空调空间气流组织设计工作。

（三）建筑物及外环境传热计算。在建筑工程中，其建筑围护结构所具备的热工性能会对室内热环境造成直接影响。如隔热保温性较差的围护结构其建筑室内热环境表现为冬冷夏热。为此，在工程施工中应综合分析室内与室外热交换等情况。通过应用计算流体动力学技术，结合数值传热学，可以对建筑流固耦合进行传热计算，根据研究结果，合理选择建筑围护材料，有效控制建筑室内热环境，实现节能目的。

（四）建筑设备性能研究。在建筑工程施工中，会应用到多种设备，如风机、空调等，其设备运行均是通过流体工质流动来实现，流体流动状况直接影响着设备性能，如流道设置良好，其流体流动阻力较小，可以降低设备噪音，节约能耗等。应用计算流体动力学，可以对设备内部流体流动状况进行模拟研究，在研究结果上分析设备性能，改进设备结构，实现设备应用的综合效益。

三、结语

计算流体动力学技术的应用可以实现流体流动与换热模拟，在航空航天、能源、石油化工、建筑工程等众多领域获得广泛应用。计算流体动力学技术分析主要分为数学物理模型构建、数值算法求解与结果可视化三个环节，在实际应用中展示出较大优势。从建筑外环境分析设计、通风空调空间气流组织设计、建筑物与外环境传热计算、建筑设备性能研究四个方面对建筑环境工程中计算流体动力学技术的应用进行了研究。实践证明，通过计算流体动力学技术的应用，可以有效提高建筑环境质量，实现建筑施工综合效益。

参考文献：

[1]李康吉. 建筑室内环境建模、控制与优化及能耗预测[D].浙江大学，2013.

[2]陈雪宇，黄晓家，谢水波，沃留杰，谭斌. 计算流体动力学（CFD）在建筑排水系统中的应用[J]. 给水排水，2009，11：204-208.

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关键词：液压支架；流体；动力响应；非稳态

1液压支架前连杆三维结构模型

利用大型有限元分析软件Solidworks对液压支架前连杆进行建模，并且进行简化处理，以便进行流体动力学分析。简化的具体情况：（1）忽略倒角圆角等细小特征，该特征将直接影响收敛速度，从而影响结果的精度；（2）忽略建立销轴零件模型，在载荷设置中可以设置相关的约束，否则会影响前连杆动力学参数曲线的输出精度；（3）忽略焊缝的影响。材料属性为：弹性模量210GPa，泊松比μ=0.3，密度7850kg/m3，前连杆三维结构模型如图1所示。图1前连杆三维结构模型在网格划分过程中，单元选择SHELL63，该单元是一种应用于大变形和应力刚化的四节点弹性壳单元，每个节点自由度具有绕X、Y、Z轴的转动和沿X、Y、Z方向的平动6个自由度。通过赋予4个节点来建立不同厚度分布的模型，对于不规则形状的结构具有较高精度。网格化的前连杆如图2所示，节点数14537，单元总数7089。

2基本控制方程

液压支架前连杆附近流体为黏性不可压缩流体流动，运动类型为湍流运动，雷诺数为4200，并且满足以下控制方程：连续性方程。

3前连杆流体动力学分析

边界条件及数值计算方法为前连杆承受的载荷主要为液压支架的摆动及转动。在工程应用中，一般转速为0.8m/s，本文模型的计算域大小为长5m、宽3m、高4m，前连杆位于计算域的中心位置。数值计算方法为Simple算法，周围流体满足的连续性方程、动量方程、能量方程等的残差均小于10-6，当参数趋于渐近值时，达到收敛，之后采用Quick格式求解，再次进行迭代直至收敛。图3、图4为前连杆在非稳态情况下切面云图变化。由图3可知，前连杆切面周围温度由同一方向293.17~293.25K过渡，最终趋于293.19K，呈稳态变化，这是由于该系统符合能量守恒定律，表面有一定的温度，流体接触前连杆形成散射波，并且绕流在前连杆周围，导致温度升高。流体距离前连杆越远，绕流逐渐散去，温度降低。图4给出了塔架切面静压等高线，经过流体的前连杆静压变化由1.01278×105Pa向1.01348×105Pa过渡，呈非线性增长，最终趋于1.01320×105Pa，压力变化平缓，避免了由于压力变化幅度过大引起结构失效。图3、图4说明了前连杆结构能够适应在非稳态流体载荷的温度及压力变化，数值模拟结果中的温度及压力变化没有出现极值幅度，周围不易形成漩涡，保证了前连杆在液压支架中的正常运行。图5、图6、图7分别为湍流动能、平均动能、相对压力变化曲线。从图5可知，前连杆的湍流动能最大值为4.8J/kg，随着长度的逐渐增大先减小后增大，最后达到最大值，这是由于前连杆机械能增大，随后逐渐减小，趋于一个定值。从图6可知，平均运动能在0~12s出现振幅较小的振荡，12~24s出现幅度较大的振荡，最后趋于定值，完成了一个脉动周期，说明能量耗散变化趋势和机械能与内能之间转换的关系，12~24s能量耗散是最大的，内能转换为机械能也是最大的，符合能量守恒定律，辐射阻尼使系统的部分能量向四周辐射出去，使前连杆平均运动能呈现振荡。从图7可知，随着长度的增加呈现减小与增加的交替现象，这是由于前连杆在刚启动时，相对压力与平均力矩即扭矩呈正比关系，随着前连杆的转动，扭矩的劲逐渐增大，然后减小，呈现交替现象，符合扭矩变化规律。图8、图9分别为前连杆应力和位移变化云图，应力变化在范围允许之内，整个前连杆应力幅度变化不大，承受主要载荷的区域显示浅绿色，其余部分由图中应力的颜色可知在安全范围内，符合强度要求。从位移变化云图可知，位移在0.02~0.15mm浮动，符合稳定性要求，稳定性尤为重要，直接关系前连杆与其他配合零件相对位置，进而影响整个系统的稳定。

4结语

经过液压支架前连杆的流体动力学分析，可以得出，液压支架前连杆承受非稳态流体载荷的静压与温度变化，符合流体动力学规律，压力变化平缓，呈现非线性增长。平均动能出现振幅较小的振荡，最后趋于定值，符合能量守恒定律，应力与位移变化幅度较小，位移变化量有10%以上的裕度，稳定性较好，符合强度要求，从而为前连杆在运行过程中动力学参数的监测提供一定的参考。

参考文献：

［1］陆丹丹,陆金桂.基于灰熵关联的液压支架前连杆疲劳寿命影响因素分析［J］.机械制造与自动化,2016,45(5):37-39.

［2］廖华林,李根生,李敬彬,等.径向水平钻孔直旋混合射流喷嘴流场特性分析［J］.煤炭学报,2012,37(11):1895-1900.

［3］王永龙,王振锋,孙玉宁,等.水力割缝阀体实现切换的流体动力学分析［J］.煤矿机械,2015,36(3):123-125.

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关键词：管道系统 CFD技术 气流脉动 FLUENT 孔板

往复式压缩机是石油、天然气、化工及电力等工业生产中的重要机械设备，其管道系统又是实现物质运输的主要途径，然而管道系统的振动会对安全生产造成很大的威胁，众多生产实践表明压缩机管路的绝大多数振动问题都是由气流脉动引起的，而压缩机吸排气的间歇性、周期性特点是产生气流脉动的主要原因。因此研究气流脉动的产生机理，建立合理的流体动力学模型进行管道中气流脉动的预测具有重要的理论意义和工程实用价值。

现有研究气流脉动较为成熟的方法大多基于平面波动理论[1]或一维非定常流动理论[2]，它们均未考虑流体流动时湍流的影响，同时对缓冲器、孔板、冷却器、分离器等管路元件的气流脉动计算精度也较差。随着计算机速度的提高和近年来CFD技术的发展，选用有限元方法[3，4]及有限容积法[5]计算管系的气流脉动取得了一定的成效。CFD方法[6]应用于稳态的工业流场模拟已有较多的报道，但对非稳态的脉动流场研究较少。

本文基于CFD方法建立管道系统流体动力学模型。在考虑湍流的情况下[7]，模拟了含空冷器及孔板管道等管路原件的管道系统非定常流动时气流脉动及流场特性。通过和实验数据对比验证了CFD方法计算管道系统气流脉动的合理性及准确性。

一、CFD模拟计算理论

目前广泛用于计算流体力学的数值方法有有限差分法、有限元法、有限体积法等，其目的都是将控制方程离散化，本文用到的CFD软件FLUENT[8-9]采用有限体积法将非线性偏微分方程转变为网格单元上的线性代数方程，然后通过求解线性方程组得出流场的解。因此对于所有流动，FLUENT都求解质量和动量守恒方程；对于包含传热或可压性流动，还需要增加能量守恒方程；如果是湍流问题，还有相应的输运方程需要求解；我们称以上各方程为控制方程。根据模型特点，本文所用FLUENT中的标准 湍流模型对低速可压管流问题有良好的表现。

1.统一控制方程形式

式中， 为通用变量，可以代表 ， ， ， 等求解变量； 为广义扩散系数； 为广义源项 ，式中各项依次为瞬态项（transient term）、对流项（convective term）、扩散项（diffusive term）和源项（source term）。

2.标准 方程

标准 模型需要求解湍动能 和耗散率 方程。该模型假设流体流动为完全湍流，忽略分子的粘性影响。该模型的湍动能 和耗散率 方程为：

-由于平均速度梯度引起的湍动能；

-由于浮力影响引起的湍动能；

-可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；

-湍流粘性系数， 。

此模型中的各个常数在FLUENT中的默认值为 ，

，湍动能 和 耗散率 的湍流普朗特数分别为： ，

该模型适合对完全湍流流动的模拟。

二、气流压力脉动实验及管道系统计算模型

1.孔板消减气流脉动实验

为了对管道系统气流脉动的模拟结果进行验证，依照图1搭建了往复式压缩机管道系统压力脉动测试实验平台。测试系统主要由一台往复式压缩机、变频器、与其相连的管道系统、直流稳压电源、压力传感器、示波器、数据采集及分析系统组成。

2.管道系统的计算模型

根据搭建的管道系统实验平台，在不影响模拟结果的前提下，为提高计算效率采用如图2所示（尺寸单位为mm）的二维计算模型。将模型导入Gambit中划分单元网格，网格类型采用非结构化（Pave）

的四边形网格（Quad），共得到17644个单元。最后在Gambit中对管道系统添加边界条件，入口边界条件采用非定常压力入口边界条件，出口边界条件为压力出口边界。

三、气流脉动模拟及实验分析

1.模拟分析

将在Gambit中化分好的网格模型导入Fluent中，在Fluent中根据管道内部介质的性质采用基于密度（耦合式）的隐式2ddp（二维双精度）求解器，并指定其计算模式为非稳态；计算模型选择标准

双方程湍流模型；流体类材料为理想空气。根据现场实验条件，出口边界条件采用非定常压力边界条件： （根据其公式用C语言编译非定常速度UDF函数）即施加一个频率为7.3Hz（模拟转速为438r·min-1压缩机）、压力不均匀度为24%的脉动压力条件，入口边界条件采用定常压力边界条件（由储气罐上的背压阀控制），文中设定为101325Pa。图3为未加孔板时缓冲器前后压力脉动曲线图，由图可以看出缓冲器对消减气流脉动有一定的作用；图4为加入孔径比为0.5的孔板后缓冲器前后压力脉动曲线图，对比图4发现孔板对消减气流脉动有明显的作用效果，但在加入孔板时需要选择适当的孔径比，由图可知0.5的孔径比衰减效果很理想。

2.实验测试结果

图5为当压缩机以438 r？min-1转速运行时，添加孔径比为0.5，厚度为8mm的孔板后，孔板前后主管线上压力脉动的对比图；与模拟结果 （图4所示曲线）十分吻合。从二者对比结果可看出利用CFD的方法计算管道系统的脉动压力具有直观、形象、准确的特点。

四、结论

1.基于CFD技术，通过利用FLUENT软件对管道系统内部流场的计算，直观形象的验证了缓冲器、孔板等管路原件对气流脉动的消减作用。

2.通过与实验数据的对照，发现利用CFD技术计算气流脉动更加可靠、准确。

参考文献

[1]党锡淇，陈守五.活塞式压缩机气流脉动与管道振动[M].陕西西安：西安交通大学出版社，1984：7.143.

[2]陈守五，黄幼玲.往复式压缩机一维不稳定气流方程的数值解法[J].西安交通大学学报，1982，1：55～66.

[3]Enzo Giacomelli，Marco Passeri.Control of pulsation and vibrations in hyper compressors for LDPE plants. ASME ╞ PVP2004 Pressure vessel & piping conference， San Diego California 2004.7 19-22.

[4]Ing.Attilio Brighenti，Ing.Andrea Pavan.ACUSCOMP and ACUSYS-A powerful hybrid linear/nonlinear simulation suite to analyses pressure pulsations in piping[M].Italy：SATE Systems and Advanced Technology Engineering，Santa Croce 664/A，301 35 Venezia，2006，7 23-27.

[5] 苏永生，王恒杰. 应用CFD消除气流脉动[J].华东理工大学学报（自然科学版） ， 2006， 32 （4） ： 480 - 483.

[6] 任玉新，陈海昕.计算流体力学基础[M].北京：清华大学出版社，2006：1-11.

[7] 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[8] 韩占忠，王敬，兰小平.流体工程仿真计算实例与应用.北京理工大学出版社，2004.

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论文关键词：数值模拟，有限体积法，闸阀，ANSYS软件

 

无论是在流体机械中, 还是在流体传动与控制系统中, 人们都会用到各种各样的阀门。 这些阀门装置的主要作用是对流体的流量、压力和流动方向进行调节和控制, 以满足工作系统的要求。对阀门的要求：一是控制可靠；二是阻力小、损失少。21世纪前，对各类阀门, 尤其是对阀门流道流动特性的研究尚未引起重视, 在设计中基本上还是依据常规设计方法和经验, 只注重结构型态而不注重考虑流阻损失, 从而引起较大的能耗论文提纲格式。近年来，随着计算流体动力学( CFD)和计算机技术的飞速发展，数值模拟手段已广泛应用于内部的复杂流动研究。本文通过ANSYS软件的FLOTRAN CFD工具模拟了闸阀内部的流场，并对闸阀的阻力特性进行了研究有限体积法，。

1 模型与数值方法

本文主要研究的是闸阀内部流场。笔者将闸阀的原型简化，使得闸阀通道是圆形通道，闸板是平板闸板，故在此只需建立带有闸板的闸阀通道模型闸阀的CFD模型与实物的比例为1：1，以闸阀左下端点为原点，建立直角坐标系，其几何模型如图1所示（以闸板开度50%为例）。

本文采用阀门的进口速度及进口压强作为进口的边界条件，在绝对参考系下给定一均匀来流，方向垂直于进口面，速度大小分别为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s，强度和水力直径由公式推出有限体积法，进口表面压强为2000Pa；出口边界采用自由出流，由于全部流场只有一个出口，其出口表面压强设为0。由于在固壁处质点满足无滑移边界条件，设壁面速度为0。

本文根据闸阀特点，采用二方程湍流模型，并选用ANSYS软件的流体动力学分析类型进行分析。笔者还借助提供了专用于分析二维和三维流体流动场的先进工具ANSYS软件的FLOTRANCFD工具计算了闸阀的内部流场并分析其特性论文提纲格式。

2计算结果及分析

当水为常温20℃时：密度为998.2kg/m3，粘度为100.5×10-5Pa.s。此时当闸阀开度分别为10%、20%、25%、35%、45%、50%、60%、75%、100%，进口速度分别为1、2、3、4、5m/s等情况时，模拟出各节点压力场分布图等情况。

当开度一定（以50%为例），进口速度分别为1、3、5m/s时，闸阀内部节点压力场分布情况如图2-1~3所示。

图2-1进口速度为1m/s有限体积法，开度为50%的节点压力场分布图

图2-2进口速度为3m/s，开度为50%的节点压力场分布图

图2-3进口速度为5m/s，开度为50%的节点压力场分布图

从节点压力场分布图2-1~3中可以清楚的看到，当闸阀闸板开度一定时（以50%为例）：随着进口速度依次逐渐增大，内部流场的最低静压降低。

对于DN50的闸阀，当水温为20℃,进口相对压强为2000Pa，闸板开度为50%时，发生气蚀的临界进口速度介于4～5m/s之间。同理可得当闸板开度为10%、20%、25%、35%时，发生气蚀的临界速度都低于1m/s；当闸板开度为45%时，发生气蚀的临界速度低于介于3~4m/s之间；当开度大于60%时，进口速度少于5m/s时都不会发生气蚀现象。具体结果如表2-1所示：

表2-1 气蚀临界速度与闸板开度之间的关系

 

闸板开度

10%

20%

25%

35%

45%

≥60%

气蚀临界速度（m/s）

＜1m/s

＜1m/s

＜1m/s

＜1m/s

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[关键词] 福建东山华浮码头 EFDC 水动力 模拟

福建东山湾海洋环境自然资源非常丰富，地理位置优越，是天然的旅游胜地。但是，随着经济不断发展，越来越多的码头出现在东山湾海岸，改变了东山湾海岸的岸线分布情况，对航道的正常通行产生了影响，也改变了局部的冲淤环境，造成局部水域泥沙淤积严重，失去原使用功能。因此，通过模型对码头建设前后水动力环境的模拟，可以较好地掌握工程建设前后水动力环境可能产生的变化，从而采取相应的措施，从海洋环境保护角度对工程可行性做出明确结论，为管理部门决策、建设单位海洋环境管理提供科学依据。

1 研究区域概况

东山县是福建省第二大岛，位于厦、漳、泉闽南三角经济区的南端，东濒台湾海峡，西临诏安湾与诏安一水之隔；康美镇地处东山县东北部，东接铜陵镇，西连樟塘镇，地理位置优越。

拟建东山华浮码头位于东山县康美镇城村东北侧，地处东山港区城作业区，其地理坐标为东经117°30′、北纬23°44′。东北向与厦门经济特区毗邻，南与广东省汕头市接壤，东濒台湾海峡，与台湾省隔海相望；水路离厦门77海里、距汕头73海里、距广州332海里，陆路距东山县城约10km，距漳州市约160km，规划的厦深铁路东山铁路支线的终点站紧邻港区，水陆交通十分方便。具体地理位置见图1。

2 模型简介

环境流体动力学模型，简称EFDC模型(Environmental Fluid Dynamics Computer Code)是由美国Virginia海洋研究所的Hamrick等根据多个数学模型集成开发研制的综合模型，现在是美国环保署(EPA)推荐使用的模型。该模型是一个多任务、高集成的环境流体动力学模块式计算程序包，用于模拟水系统一维、二维和三维流场、物质输送（包括温、盐、非粘性和粘性泥沙的输送）、生态过程及淡水入流。其模拟

图1 拟建东山华浮码头地理位置图

范围为：河口、河流、湖泊、水库、湿地以及自近岸到陆架的海域。可以同时考虑风、浪、潮、径流的影响，并可同步布设水工建筑物。该模型到目前为止已经用于几十个海域的相关计算，得到广泛的应用[1-10]，被誉为21世纪最有发展前途的环境流体动力学模型。采用该数学模型对本工程海域潮流场进行模拟计算，计算中采用水平方向上的变笛卡尔正交坐标与垂直方向上的Sigma坐标相结合以及三维数学模型二维化的方法。

动力学方程是基于三维水动力学方程组，在水平方向上采用曲线正交坐标变化和在垂直方向上采用Sigma坐标变换得到的，经过两种变换后的流体动力学方程组分别为：

式(1)～(6)中u和v分别为坐标x和y方向上的水平速度分量；mx和my为水平坐标变换因子；经坐标变换后垂直方向z方向的速度w与坐标变换前的垂直速度w*间的关系为：

H = h＋δ为总水深；p为压力；动量方程(1)和(2)中，f为Coriolis系数，Av为垂直紊动粘性系数；Qu和Qv为动量源汇项；QS和QT为温盐源汇项；ρ为海水密度；S为海水盐度；T为海水温度；b为浮力；连续方程(4)是在区间(0，1)对z积分并用垂直边界条件当z = (0，1)时，w = 0，运动边界条件和方程(7)以得到深度积分连续方程(5)。

给出垂向紊动和扩散系数，方程(1)～(8)则给出了一个求解变量u，v，w，p，S，T和ζ的封闭的系统。紊动粘性和扩散系数采用的是Mellor和Yamada(1982)模型，模型相关的参数由下式确定：

以上各式中，q为紊动强度，l为紊动长度，Rq为Richardson数，фv和фb是稳定函数，以分别确定稳定和非稳定垂向密度分层环境的垂直混合或输送的增减。

紊动强度和混合长度由下列方程确定：

式中B1、E1、E2和E3均为经验常数；Qq和Ql为附加源汇项；例如子网格水平扩散；垂直耗散系数Aq一般取与垂直紊动粘性系数Av相等；上述式中m = mxmy。

式(1)～(8)与Mellor和Yamada(1982)紊动模型(10)～(13)一起及适当的初边值条件给出了一个求解u，v，w，p，S，T，ρ和ζ的封闭的系统。

动力学方程采用有限体积法和有限差分结合的方法来求解，水平方向采用交错网格离散。数值解分为沿水深积分长波重力波的外模式和与垂直流结构相联系的内模式求解。

3 模型构建

3.1 模型模拟边界

计算区域包括整个东山湾，见图2，海岸线主要采用岸线修测成果，并结合历史海图和遥感图确定；采用变迪卡尔正交网格，工程附近网格最密50m×50m，最大网格间距为200m×200m，水平网格数为224×189，总网格数24139；设东和南两个开边界，用实测潮位数据驱动，由于实测潮流潮位数据的时间为1月，故不考虑漳江的径流；垂向分为1层，计算时间步长1s；由于该海区潮差较大，采用动边界。

图2 东山湾网格图

3.2 模拟运算过程及检验

模拟采用零初始条件，为了保证计算的稳定性，强迫的边界潮位从零开始逐步增加，经过两个潮周期后达到正常变化，第三个潮周期后形成稳定的潮波，选择大潮周期计算结果做分析。利用东山大澳中心渔港3个站位实测潮位潮流数据作为对比，结果见图3～图6，从验证结果看，潮位和流速验证较好，比较准确地反映了潮汐特征，可以认为模拟结果是可信的。

图3 潮位验证曲线

图4A站位流速流向验证曲线

图5B站位流速流向验证曲线

图6 C站位流速流向验证曲线

4 水动力变化模拟结果

4.1 流场变化

工程前后数学模型陆地边界：考虑到大澳中心渔港已经批建，而且据了解，对面岛附近的渔港防波堤正在建设中，故把中心渔港防波堤等填海区加入原始海岸线边界，作为工

程前陆地边界，然后进行数学模型的模拟计算；工程后既包括本工程填海区，又包括东侧临近的已批未建的旗滨码头填海区，作为工程后的陆地边界进行数值模拟；对工程前后的数值模拟结果进行比较分析。工程附近海域工程实施前后海域的大潮涨急、落急的流场见图7～图10。

从图7～图10可以看出，工程附近海域工程施工后的潮流场趋势仍与工程前相同，工程附近流态略有变化。本工程的填海基本位于滩涂之上，水深较浅，本身流速较小。工程后，本工程对潮流有阻挡和挑流作用，涨潮时，潮流从旗滨码头和本工程东侧连线往北流动，到达本工程码头后，沿着本工程的东北侧填海区延线往西北流动，在本工程北端往西流动；另有一小股涨潮流沿着旗滨码头前缘外西北流动，然后往西流入旗滨码头北侧与本工程形成的呈“凹入”地形的滩涂中，流速较小；落潮，潮流趋势相反。

4.2 流速变化

为了进一步分析工程实施前后流速的变化规律，选择了工程附近36个试验点（位置见图11），进行工程前后流速比较，结果见表1。

根据表1和图7～图10中对试验点进行工程前后流速的比较分析，可以看出：工程实施前，涨潮时，一部分涨潮流先往西流入工程西南侧的小澳中，然后受地形影响往西北流出，到达小澳北端的突出角后转往西流动；落潮时相反，小澳内潮水汇入落潮流，流速较小。

工程实施后，流速变化的点主要有14、15、19、20、21、22、25。14点位于本工程与旗滨码头形成的凹入地形中，流速变化率最大，工程后该处的流速明显减小，涨潮减少为60%，落潮减少为67%；根据前面的分析，涨、落潮流流向变化也很大，涨落潮流从凹入地形口出入。15点位于本工程西侧，由于受工程挑流的影响，涨、落潮最大减少变化量都为0.07m/s。19、25点位于旗滨玻璃厂东侧，受填海区阻挡的作用，涨落潮的流速都有所减小。点20、21、22涨潮时，由于工程的挑流束窄作用，流速变大，落潮时20点由于工程的挑流作用及填海区汇入20点潮水量的减少，流速变小，21、22在落潮时由于束窄作用流速略微变大。本工程的建设对工程西侧的潮流基本没有影响，1~13试验点流速变化最大仅为0.01m/s。工程对北侧较远的点17、18、23、24、29、30、35、36也基本没有影响，流速变化最大也仅为0.01m/s。东侧较远处的26、27、28、31、32、33、34变化很小，流速变化均小于等于0.01m/s。

总之，本工程填海会使码头前沿极小段航道区垂直潮流方向靠码头一侧潮流流速增大约0.04m/s，远离码头一侧潮流流速减小约0.05m/s，对航道区其他区域的潮流流速基本没有影响；会使旗滨码头附近潮流流速有所减小，减小约0.01m/s左右；对工程附近其他码头及整个东山湾的潮流流速没有影响。

5 结论

EFDC模型对于东山湾海域具有较强的适用性，模拟结果较为准确，预测值与实测值的拟合程度较好。模拟结果显示，东山华浮码头的建设对所在海域水动力环境影响较小。该模型有较大的应用和推广价值，还可以对未来发展进行定量的预测研究，为实际的决策过程提供科学依据。

参考文献:

[1] 王翠,孙英兰,张学庆.基于EFDC模型的胶州湾三维潮流数值模拟[J].中国海洋大学学报:自然科学版,2008,38(5):833-840.

[2] Jin K R.Hamrick J H.Todd T Application of three-dimensional hydrodynamic model for Lake Okeechobee 2000.

[3] Jin K R.Hamrick J H.Todd T Application of three-dimensional hydrodynamic model for Lake Okeechobee 2000.

[4] 陈异晖.基于EFDC模型的滇池水质模拟[J].云南环境科学,2005,24(4):28 30.

[5] Lewis C Linker.Gary W Shenk.Robin L Dennis.Jeffry S.Sweeney Cross-Media Models of the Chesapeake Baywatershed and AirshedJ 2000(1-4)

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[8] JIN K R.JI Z G.JAMES R T Three-dimensional water quality and SAV modeling of a large shallow lake 2008,(1).

篇6

关键词：FLUENT，气流组织，厨房，温度场，模拟分析

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

中图分类号：R122.2+4 文献标识码：A 文章编号：

1.引言：

据中国室内装饰协会室内环境监测中心的研究表明，厨房是家庭中空气污染最严重的空间，其污染源主要有两个方面：一是从煤气、液化气等炊火源中释放出的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等有害气体；二是烹饪菜肴时产生的油烟。当今社会，几乎每家每户都安装了排油烟机，但是大多主妇都会遇到这样的情况，即使排油烟机开启，油烟依然弥漫在厨房，甚至会“流窜”到室内。造成这种情况的原因就在于，在厨房空间内，没有形成良好的气流组织形式，在排风的同时，缺少补风。厨房的空气只出不进，油烟自然就排不出去。

2.数值模拟方法与分析模型

目前,国内外研究室内气流组织的方法通常分为4种:传统的射流公式方法、模型实验方法、区域方法和CFD 模拟方法[1]。综合比较了4种研究方法,笔者选用CFD 数值模拟方法，利用计算机仿真技术对厨房的气流组织进行模拟分析，得出多种工况下的速度、压力分布图。分析验证几种补风形式对厨房气流组织形式的影响。

2.1 数值模拟方法

数值模拟方法根据计算流体力学的原理[2]，利用 Fluent 软件，采用压力基的耦合求解器，Formulation格式为隐式，定常流，并运用具有较的稳定性、经济性和计算精度的k -ε湍流模型进行模拟，有限体积法对方程经行离散计算[3]。

数值计算的基本方程式[4-7]：

连续性方程 (1)

动量方程(2)

K的运输方程 (3)

的运输方程(4)

(5)

其中 ，

其中符号

K紊流动能，

L紊流长度尺度

U V Wx y z方向上的速度分量

Ui i=1（水平x方向），2（纵深y方向），3（垂直z方向）

三个方向在x方向的速度分量

希腊字母能量耗散率，

涡黏性系数

2.2 建筑模型的介绍

图1 房间Gambit平面图 图2 房间Gambit布置图图3 划分网格后模型

建立稳定的气流组织形式，保证有害物沿着人活动频率低的区域排出室内，平衡室内的空气环境。这就是考虑这一模型的核心思路。

以某住宅户型实例，取厨房房间，规格为长×宽×高（2850mm×2400mm×2600mm，通常住宅净高为2550—2650mm）（如图1）。房间北侧为窗，南侧设门与餐厅相连接。以现代普通厨房布置为参照，厨房内设置橱柜，某品牌排油烟机，灶台，并示出人正常活动位置（如图2）。笔者所设计的厨房气流组织，是分别在侧壁和近地面设置两个机械送风口，规格为200mm×200mm。具置参照图2。

3.建模与边界条件处理

3.1 模型处理

模型房间尺寸与原建筑保持一致，为了便于划分计算，在不影响模拟准确性的前提下，局部装饰装修进行了简化处理，大大减少了模拟的复杂程度和计算量。

人以一般家庭主妇身高为依据，1.65m。橱柜高度0.9m。排油烟机以主妇不碰头高度为准，1.7m。窗户为可单扇开启玻璃窗。门可开启关闭。2个送风口与房间连接。如图1,2。

3.2 模型网格划分

网格划分采用多块拼接网格划分，块与块之间有公共交界面，网格划分后模型如图3所示。本模型对各个风口处都进行了网格加密，这样在模拟中更能真实反应出室内的气流组织形式。

3.3 边界条件处理

设计夏季室内温度为27℃，以排油烟机处为机械排风出口，设为排气扇，压力跳跃出选择多项式，4个多项式系数各为230.83、50.119、-25.0769、1.7965,定义湍流参数时选择湍流强度与水力直径,经过计算,湍流强度的百分率为10% , 入口水力直径为191mm。门、窗高度分别为2000mm和1600mm，设置为自然出流。中、下设两个机械送风口为200mm×200mm，侧送风口为送风1，下送风口为送风2，定义为湍流强度与水力直径。炉灶做近似处理，经过计算，湍流强度的百分率为10% , 出口水力直径为264mm。

4.模拟结果与流场分析

图4 空间流场矢量图图5 截面Y=1100mm处速度云图

模拟结果如图4～11。图4 为房间流场矢量图，颜色深浅对应不同的流速。

图6 截面Y=1100mm处速度矢量图 图7截面Z=1200mm处速度等值云图

首先，将排油烟机关闭，由图5Y=1100mm 速度剖面云图可以得出，下部送风口处气流速度大，到达灶台位置速度有部分衰减，带动空气向上部流动，形成一道“空气墙”，绕过人所处活动区，由图6 Y=1100mm 速度剖面矢量图可以得出，人活动区内空气向灶台附近流动，可以认为油烟流向不会接近于人，保持空气的洁净。

由图7 Z=1200mm 速度剖面云图可以看出，在关闭2号送风口后，油烟会流经人活动区，部分油烟脱离排油烟机捕集范围，扩散到餐厅和窗外。图8 Z=1200mm 速度剖面矢量图可以看出在送风口全部关闭的情况下，气流由下至上流向排烟油烟机，周围空气进行补流。室内空气不足以满足需求补流的空气量，由门和窗口引入室内外空气，并有少量气流被带入室内，这样便会产生“窜味”现象，使有些居民在家烹饪的时候，卧室内就会闻到油烟味。厨房与餐厅在门处有气流补充，在机械送风2的作用下，油烟大多沿着竖直方向流动。

图8 截面Z=1200mm 速度矢量图 图9 截面X=2600mm速度矢量图

由图9 X=2600mm 速度剖面矢量图可以看出，在关闭门和窗，送风口2不送风的工况下，空气由周围补入，门和窗口向厨房补充空气，烟气大多被有效地吸入排油烟机，仅有少量被气流带出。图10 为边界全部开启工况下X=2600mm 速度剖面云图。

5.结果与讨论

本文利用计算机仿真技术模拟三维模型是为了便于观察研究控制空气流场的分布和方向，建立合理的气流组织形式。特别是考虑到与周围空间的关系。对三维模型模拟结果表明：

1.封闭空间内，必须做到有效的补风，遵循质量守恒定律，才能满足正常的排除油烟的需求。

2.利用自然通风补风，可以改善厨房的排污效果，但是会有油烟逸出，流入室内。

3.在开启送风口2的工况下，送风速度为4m/s，可以加强对油烟流向的控制。

4.开启门或者窗，都可以对顺利排放油烟进行补风的。但是开门的时候应该注意, 在保证厨房维持良好的空气品质的同时,需控制好气流的流向,防止烟气流入室内；在不开门的时候，也要适当的控制好气流的流向，不然烟气也会沿着门的缝隙钻入室内。

5.在开启送风口1的工况下，可以对室内进行补风，但是送风速度不宜超过1.3 m/s，风速过大会造成油烟偏离控制区域，直接流入人活动区。

参考文献

1. 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

2. 于勇，张俊明，姜连田.FLUENT入门与进阶教程.北京：北京理工大学出版社，2008

3. 李凌风,林鑫. CFD 方法及其在空调气流组织设计中的应用[ C ]. 杭州:浙江大学出版社, 2005.

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5. Nielsen P V. The selection of turbulence models for prediction of room airflow [ J ]. ASHRAE Transactions, 1998, 104 (1) : 1119 - 1126.

篇7

NavierStokes方程描述、刻划了自然界中粘性流体（又称真实流体）流动的基本力学规律，在流体力学中具有十分重要的意义。NavierStokes方程是当今非线性科学研究中的重点研究对象，其研究已有100多年的历史，现已成为非线性偏微分方程、数值分析和动力系统研究的推动力量。美国克莱数学研究所在公元2000年把三维不可压缩NavierStokes方程整体光滑解的存在性或局部光滑解在有限时间内爆破列为七个“千禧难题”（又称世界七大数学难题）之一。著名数学家 Fefferman在公元2006年专门为这个问题作了介绍和评论。他断言，如果没有新的分析工具和数学思想，这个问题是很难完全解决的。

本书主要关注平面域上的粘性不可压缩NavierStokes方程，共分两部分。第1部分是介绍基本理论，含第1-6章：1.引言；2.光滑解的存在性和唯一性；3.光滑解的旋度在Lebesgue空间中的范数估计；4.解算子的延拓；5.速度场在初始时刻为一般测度时的唯一性；6.长时间的渐近解，包括靠近稳态解时的衰减速率等；最后介绍源自于泛函分析中一些非常有用的定理。

本书的第2部分主要研究近似解，即数值计算性质，含第7-14章：7-8.引言和常用符号、格式；9.二阶边值问题的有限差分近似，三点拉普拉斯的最大原理分析、能量估计、矩阵表示及其收敛分析等；10.从厄米特导数到紧致离散双调和算子及该算子的有限元方法，三点双调和算子的精确度、稳定性质、矩阵表示及用该表示进行收敛分析等；11.离散双调和算子的多项式方法，包括在长方形和不规则区域中的双调和问题；12.利用流函数方法对NavierStokes 方程进行紧致逼近分析，包括用流函数表示NavierStokes 方程，对流函数方程离散化以及相应的收敛分析等；13.对NavierStokes 方程进行完全的离散逼近，包括对一般边值条件下的四阶逼近、对时间的隐式-显式离散化格式及相应的稳定性分析，以及数值模拟结果；14.带驱动的腔问题的数值模拟，对雷诺数由小变大时，考察了二阶格式趋于稳态解的收敛性。

本书研究平面域上的粘性不可压缩流体NavierStokes方程，涉及的内容相当广泛，包括理论、数值计算及模拟等；给出了基于流函数方法的一大类详细的现代紧致格式，特别对完全非线性问题给出了完整的证明。本书可供应用数学（特别是计算流体动力学）、偏微分方程和数学物理等领域的科研人员、工程师和高校教师及研究生使用、参考。

韩丕功，研究员

（中国科学院数学与系统科学研究院）

Han Pigong Professor

（Academy of Mathematics and

System Science ，CAS）Yogendra P Chaubey

Some Recent Advances in

Mathematics and Statistics

2013

篇8

热平衡状态下，各处温度保持恒定不变，各系统的吸、放热量相等。(1)发动机冷却系统Q0＝Q1＝P1，式中：Q0为冷却液通过发动机时的吸热量；Q1为冷却液通过水箱散热器时的放热量；P1为水箱散热器的换热量。(2)液力传动散热系统Q21＝P2，式中：Q21为液力油通过液力散热器时的放热量；P2为液力散热器的换热量。Q21+Q22＝Q2，其中Q22＝∑KdiAdiΔtdi。式中：Q22为液力系统油箱、变速箱和输油管路等表面的放热量；Q2为液力变矩器的液力损失；Kdi、Adi和Δtdi分别为液力系统油箱、变速箱和输油管路等表面的散热系数、外表面面积和油与环境的温度差。(3)液压传动散热系统Q31＝P3，式中：Q31为液压油通过液压散热器时的放热量；P3为液压散热器的换热量。Q31+Q32＝Q3，式中：Q3为液压系统的能量损失；Q32为液压系统油箱、液压缸和输油管路等表面的放热量。(4)冷却风散热系统Q4＝Q1+Q21+Q31＝P1+P2+P3，式中：Q4为空气通过散热器组时的吸热量。虽然传统设计方法存在对细节考虑不足的缺点，但其具有对问题表达方便以及计算过程简单等优点，对某些问题也不失准确性，故仍作为设计和研究热交换系统的基本方法，具有较大的使用价值。

2试验研究

试验研究是利用先进的物理试验技术，对实际热管理系统关键部位的主要工作参数进行测量分析。任何理论计算方法都是建立在某些假定条件上的抽象方法，都有其适用范围，偏离了其适用范围，计算结果就会产生较大偏差。由于流体传热问题的复杂性，人们目前对某些方面的认知还不够深入和准确，试验研究仍是不可缺少的手段。试验测试系统结构如图1所示[5]84,88[7]20。

3流场的数值模拟分析

工程机械主要利用流体来完成传热，流动特征对传热效果和能量损失有着较大影响，合理设计流道是非常必要的。随着计算流体动力学(CFD)技术在传热方面应用的不断深入，利用数值模拟计算分析流场，可获取大量的流动细节数据，有利于分析产生不良性能的原因。可利用CFD技术对冷却风流场、散热器中流体流动及传热特性、发动机冷却水腔内部流动、液力变矩器以及液压元件内部流动等进行分析。引入CFD技术可弥补传统设计方法的不足，并降低开发成本和缩短开发周期，它已成为国内外自主创新和自主设计的重要技术支持之一[5]8[6]4[7]20,501。例如冷却风流道由机罩、发动机、导风罩、风扇和散热器组构成，其中流动比较复杂，不同部位流态差别也较大。在设计机罩、导风罩和风扇等时，可以借助CFD软件对流场进行数值模拟分析，由此对上述部件的结构形状进行优化改进。利用冷却风流场的数值模拟结果，还可以计算出冷却风的平均集总参数，用于对整机热管理系统的计算机仿真分析[10-11][12]092802-6。

3.1流场数值模拟分析

对流场进行数值模拟分析主要包括建立计算域、计算域网格划分、流场数值模拟计算和计算结果分析。目前常用的CFD软件有Fluent、STAR-CD和CFX等，由此进行数值模拟计算大多可以得到比较满意的结果，其中准确设定流体密度和黏度等物性参数以及边界条件是获得准确计算结果的关键[7]507。计算结果分析包括以下内容。(1)流场分析观察分析流速及压强等物理量的大小及分布特点，分析流场中涡流、滞流、回流、卡门涡列等流动特征的位置和强度，分析它们对工作性能的影响。(2)典型断面主要参数的分析利用流场模拟计算结果，可计算出平均流速、平均压强、流量和阻力等参数，进而可计算出流速系数和阻力系数等参数。据此分析流动参数与流道几何结构、尺寸以及工作参数之间的相互影响，为设计高性能产品提供有价值的建议。

3.2装载机冷却风流道的分析

针对XG953型装载机，利用CFD技术计算了原结构和几个改进方案的冷却风流场。重点从流速场、压力场、流量和风阻4个方面进行比较分析，由此提出改善散热效果的措施：①封堵或尽量减小散热器四周的间隙，避免热风回流；②机罩后部靠顶部处开出风口，以保证热风排出顺畅；③进风口采用风阻较小的网状结构，其位置尽量靠近风扇进口，以减小进风风阻。采用前两个措施后，可增加冷却风有效流量约15.2%。采用某一改进方案，在高速跑车工况下，装载机机罩出口冷却风速度分布如图2所示。将机罩出口冷却风速度的计算值与试验测量值比较发现，计算值与试验测量值基本接近，表明采用数值分析方法能很好地解决实际问题。

4计算机仿真

工程机械热管理系统由多个子系统组成，实际工作中它们之间相互影响，单纯依靠传统计算分析方法，不易设计出整体性能良好的热管理系统。因此，借助先进的计算机系统仿真技术，对整机热管理系统的工作特性进行模拟计算，无疑是解决这种复杂问题的有效手段。利用计算机仿真技术，可以计算出系统中各个部位的温度、压力和流量等参数的静态和动态特性，可以分析各参数对各子系统的影响以及各参数对系统性能的影响，有助于人们对系统更直观、更全面、更深入的认知，弥补传统计算方法和试验的不足。可用于该方面的仿真软件有EASY5、Flowmaster、MATLAB/Simulink和20-sim等[14]。

4.1XG953型装载机散热系统仿真模型

笔者利用EASY5软件构建了改进后的XG953型装载机散热系统仿真模型，散热系统包括发动机散热、液力传动系统散热、液压系统散热和冷却风4个子系统，如图3所示。

4.2仿真结果分析

在36℃环境温度下，对装载机在高速跑车工况下的热平衡状态进行了仿真计算与试验测试，结果基本吻合(如表1和表2所列)。其中发动机冷却水和液力传动冷却油的热平衡仿真曲线如图4所示。

5结语

篇9

关键词：低压电器；数字化仿真设计；发展；应用

一、低压电器仿真与数字化设计技术进展

解决了从三维造型软件，如UG-Ⅱ和pro/E的三维建模与三维仿真，到如ADAMS和Ansys的接口问题，为低压电器的仿真与数字化设计技术在实践中的应用打通了前进的道路。该项技术的开始阶段，着眼于低压电器各个部件的仿真，依靠静态至动态特性仿真，寻求各个部件的优化设计，如以低压断路器的机构操作速度为提高目标的优化设计，磁脱扣器的保护特性仿真与优化设计，交流接触器磁系统的静、动特性仿真与优化设计等。但一个电器的基本性能不是仅由单个部件的优化设计所能决定的。对低压断路器来说，分断特性与各个部件的配合有关，与多种物理现象的综合有关；另外，与仿真条件是否完全按照国家和IEC标准的要求进行也有关，因为实际样机的型式试验和出厂试验都是严格按照标准进行的。为了满足上述要求，当前低压电器仿真与数字化设计技术正向以下几个方面进展：

（1）多场域、多物理现象综合的仿真技术

例如，在对低压器结构进行仿真设计的时候，如果不考虑计算连杆本身的应变、应力，而只针对连杆之间的相互配合，那么这种低压电器无论是从部分结构到整体功能都不能实现设计的最优化；另外，如万能式断路器短时耐受的仿真设计，它的仿真不是单领域、单独部分的，而是对瞬态电磁场、热场和电路瞬态包括材料相变等相结合的仿真设计。想要将这种仿真技术实现好，不仅需要利用当下的电磁场仿真软件，还需要将自开发设计的软件、代码和商品软件的特点综合起来进行整合利用。

（2）基于磁流体动力学（MHD）电弧数学模型

想要实现灭弧室的仿真，一定要对灭弧室的电弧的物理现象进行具体的分析掌握，才能使灭弧室的仿真设计达到最佳效果。当前，已经有数位研究人员对电弧数学模型进行分析，研究表明电弧的磁流体动力学模型能够准确具体的将灭弧室的分段过程的物理现象表现出来，从而加快了其应用发展。电弧数学模型可以将灭弧室内的温度、磁场、压力以及离子密度等在分段过程中的先向变化进行分析，可以得到以下结论：灭弧室的几何尺寸、结构、材料等都会影响到电弧电压和电弧电流过后的介质性强度的恢复。MHD的电弧数学模型发展还不完善，对于一些复杂的计算，难以同电路瞬态、电极表面、机构动态等物理现象结合起来，计算中涉及电流过大时，难以进行收敛。

（3）建立简化的工程用电弧数学模型

对低压器的分段过程进行仿真，分段特性作为低压开关电器的主要特性，若要实现低压器的优化仿真设计，就要保证低压电器在无论尺寸怎样缩小的同时，都能够将额定极限短路分断能力ICU和额定短路分断电流ICS提高。要想实现这样的优化目标，其关键不是磁脱扣器、机构和触头系统，重点是建立简化的工程用数学模型，在电弧模型MHD难以耦合的时候，进行应用。

（4）使仿真技术严格按国家标准要求进行

产品通过仿真和优化设计后是否满足技术要求，需要用国家标准来考核，因而仿真工作必须严格按国家标准要求来进行。如万能式断路器的短耐仿真，在规定的功率因数条件下，选择合闸相角使短路电流第一个半波峰值达到可能的最大值；又如接触器的热仿真，按国家标准要求，发热试验时接触器的主回路和线圈要同时通电，且主回路触头间的连接导线要按规定选择。

（5）建立更有效的工程计算方法

在对多场域的静态或者动态仿真进行计算时往往会耗费大量的时间。因此我们应该从实际应用的角度出发，找到一种简单省时且不影响计算准确度的计算方法这也是仿真技术发展的需要和前进的目标。例如，我们将三维有限元热场应用于电器热计算当中，另外，当前所被广泛应用的热路网络计算方法，不仅能够减轻计算难度和计算量，还能够确保计算的准确度。

（6）仿真与数字化设计技术和节能减排的关系

社会经济的飞速发展，人们的用电需求越来越大，而我国的主要电力供给都是以煤炭资源为主体，所以说，节能减排、加大利用可再生能源、发展智能电网已经成为当今电力工业发展的必然趋势和目标。在配电系统中，低压电器是其中最主要的元器件，所以在进行研究的时候始终将低压电器作为重点研发对象。为了节能减排的需要，要加大对小尺寸低压气的开发，保证其性能和可靠性，从而使配电系统能够正常运行。随着直流系统、光伏系统作为可再生能源的发展应用，因而要不断提高直流开断技术。

二、实例应用介绍

1、与多体动力学耦合求解

近些年，我国对接触器的动态性仿真技术已经有了一定的研究分析，接触器动态性仿真的主要功能就是减少在分闸时出头的弹跳，从而延长AC―3的使用寿命，对触头弹跳进行仿真，将电磁场、电路瞬态两者结合起来，同时与多体动力学进行耦合，之后运用ADAMS软件以对偶和计算的接口进行计算。

2、热路网络的应用及紧凑型断路器的设计

想要减少原料，避免资源浪费，那么就要加强对紧凑型开关电器的设计，从而避免工艺与资源的浪费。核心技术是降低温升和热计算，之前一般都是借助三维有限元热仿真技术，但是这种方法计算复杂且耗时过长，因此当前一般都发展并广泛应用热路网络的热分析，不仅计算简单还能够在工程中得以应用发展。

3、基于MHD电弧数学模型的中间和两侧出气

中间和两侧出气在直流分断过程中存在差异性，出气结构不同从而决定了电弧不同的动态过程，尤其是电弧弧柱运动到出气口附近。中间出气是比较传统的的方式，出气口的电弧前端为尖形，并主要集中在灭弧室中间区域，这是由于在出气口处流体受到明显压缩作用；两侧出气结构中，由于气流场的作用，在出气口处电弧呈现向两侧出气口分裂，有利于增大电弧与灭弧栅片和介质的接触面积，增加电弧在灭弧栅片“腹部”的运动。

4、 基于链式电弧模型，实现低压断路器的分断特性仿真

虽然低压电器一直在发现进步，各个零件特性的仿真性也越来越好，但是仍旧受到电弧数学模型的制约，特别是低压器在分断这一部分的仿真性还需要深入研究。虽然MHD在国内外都收到广泛的关注，但是MHD模型的最高断电仿真不能高于几千分，否则电弧不容易收敛，而且该模型不能和机构运动、触头拆开等阶段进行结合，因此，在实际的应用中，国内外都普遍选择比较简单的电弧数学模型，达到使低压电器达到整个过程的仿真。

三、结语：

综上所述，本文主要分析了低压电器数字化仿真设计的发展进程，并通过具体的实力应用做进一步的详细分析，从而进一步证明了数字化仿真技术的可信、可靠性，以及在低压电器上的应用推广，为今后低压电器数字化仿真设计的发展和应用提供一定的借鉴参考意义。

参考文献：

[1]陈德桂.虚拟样机成为开发新型低压电器的关键技术[J].低压电器，2002（6）：3-7.

[2]许文良，尹天文，周英姿，等，智能电器数字化创新设计关键技术研究与应用[J].低压电器，2012 （16）： 14-17.

篇10

Mario Primicerio Universita di Firenze,Italy

Renato Spigler Univerita di Roma 3, Italy

Vanda Valente IACCNR, Roma, Italy(Eds.)

Applied and Industrial

Mathematics in Italy

Proceedings Of The 7th Conference

2005,587pp.

HardbackUSD:162.00

ISBN 9789812563682

本书是意大利应用和工业数学协会(SIMAI)于2004年9月20~24日在意大利威尼斯举行的第7届学术会议的论文集。该会议展示了意大利学术界近年来在应用数学和工业数学研究中取得的成果，涉及到的应用领域很广泛，如工程、财金、材料科学、环境科学、生物学等，与之有关的数学分支也很多，从严格的分析学到计算技术，从建模到源于工程的模拟，等等。

全书共收从提交大会的报告中选取的52篇论文，其中一部分是全文，多数是扩展了的简报。部分论文作者和题目如下：①G.Ali等：半导体数学建模的新视野；②G.Argentini：计算流体动力学模拟中稀疏矩阵和样条插值的应用；③R.Balli等：高速火车附近的空气动力学效应；④A.M.Bersani等：MAPK级联中信号传输通道研究中的数学方法；⑤D.Carfi:具有连续状态变程的量子统计系统；⑥A.Casagrande等：并行网络适应；⑦P.Ciarlini：数字成像中线亏损的多水平恢复方法；⑧M.Costanzo等：球上散布数据拟合的并行算法；⑨N.Del Buono等：一般线性矩阵群上的常微分方程的几何积分；⑩D.De Tommasi等：一类各向同性弹性材料中的不连续性曲面；P.Di Lorenzo：数学与音乐：乍看之下令人惊异!R.Fabbri等：指数对分法与非线性H∞控制问题；H.Herrmann等：相对论连续统理论中的自旋公理；N.Parolini等：粘滞自由曲面流的有限元水平集方法；S.Spinella等：微电子部件中参数选取的后验多目标最优化；P.Teofilatto：最优控制论中的纤维丛；F.Tosi：格Boltzmann模型对开系统的一个应用。

本书对于了解意大利近年来应用和工业数学研究情况具有参考作用，可供应用数学科研人员和有关工程人员阅读。

朱尧辰，研究员

(中国科学院应用数学研究所)