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固體力學研究方向范文1

關鍵詞:高速列車; 集電部; 導流罩; 氣動噪聲; 數(shù)值模擬; FLUENT

中圖分類號:U270.1; U260.16; TB115

文獻標志碼:A

Numerical simulation on aerodynamic noise of

power collection equipment for high-speed trains

YANG Fan, ZHENG Bailin, HE Pengfei

(Institute of Applied Mechanics, Tongji Univ., Shanghai 200092, China)

Abstract: As to the issues that the aerodynamic noise produced by the power collection equipment of high-speed trains becomes significant as the speed increase of railway, a current-guide cover is introduced into the power collection equipment, and the flow field and the aerodynamic noise of the power collection equipment are numerically simulated and analyzed using FLUENT. The flow field is calculated by the steady-state Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) method and the boundary layer noise source model is selected for the acoustic model. The computational results indicate that the design of the current-guide cover is very important. A good design can make it well lead the airflow and decrease the aerodynamic noise produced by the power collection equipment.

Key words: high-speed train; power collection equipment; current-guide cover; aerodynamic noise; numerical simulation; FLUENT

な嶄迦掌:2009-06-23 修回日期:2009-09-13

作者簡介: 楊 帆(1984―),男,吉林長春人,碩士研究生,研究方向為固體力學,(E-mail);

鄭百林(1966―),男,陜西岐山人,教授, 博士, 研究方向為復合材料力學與數(shù)值模擬,(E-mail)0 引 言

2007年4月18日,中國鐵路進行第6次大提速,提速后的列車運行時速達200 km,部分區(qū)段時速達到250 km;2008年4月18日,舉世矚目的京滬高速鐵路全線開工建設,這是目前世界上線路最長、標準最高的高速鐵路項目;2008年8月1日,時速350 km的京津城際鐵路開通運營,中國鐵路從此開啟“風時代”.隨著列車速度的提升,噪聲污染問題愈加突出,集電部的空氣動力噪聲增長迅速,遠高于其他噪聲增長幅度,這是因為空氣動力噪聲與速度的6次方成正比,而其他噪聲與速度的2次方或3次方成正比.[1]噪聲既是影響列車舒適性的重要指標,也是環(huán)境污染的重要公害之一,隨著我國鐵路的飛速發(fā)展,對高速列車氣動噪聲的研究將變得更有意義.

氣動噪聲的數(shù)值模擬始于20世紀90年代,雖然起步較晚,但隨著計算流體力學的迅速發(fā)展而取得許多進展.國內很多學者采用數(shù)值模擬的方法計算車輛周圍瞬態(tài)流場,通過計算流場的瞬態(tài)壓力直接計算氣動噪聲[2-3]或者導入聲學軟件中進行求解[4].然而,對于比較復雜的模型,計算瞬態(tài)流場存在一定困難,網(wǎng)格質量要求較高,計算時間過長.穩(wěn)態(tài)雷諾平均納維斯托克斯(Reynolds Averaged Navier-Strokes,RANS)方法[5]

相對于瞬態(tài)方法的優(yōu)勢就在于其對網(wǎng)格質量要求并不高,而且計算時間也在可承受的范圍內,計算結果具有一定的工程

固體力學研究方向范文2

關鍵詞:裂隙巖體;注漿;擴散理論;注漿參數(shù)

中圖分類號:TD743文獻標識碼:A文章編號:1009-2374 (2010)10-0188-02

一、概述

由于裂隙巖體內部構造的復雜性和多變性,給注漿理論研究帶來了很大的困難。漿液在裂隙巖體中的流動規(guī)律、擴散范圍、漿液擴散壓力以及注漿加固體強度和變形特征等與裂隙巖體幾何形狀、空間分布特征和空隙度特性等有密切的關系。

目前,人們研究漿液在構造面中流動和在孔隙中滲透擴散時均把漿液簡化為與時間無關的牛頓流體,而絕大部分漿液屬非牛頓流體的時變性賓漢姆流體,這就導致了注漿過程中的理論計算與實際相差太大。

在裂隙巖體中注漿,是長期以來尚未解決的技術難題。研究賓漢姆流體在裂隙巖體中滲透擴散過程 (運移規(guī)律)及滲流機理對注漿加固工程的設計和注漿效果預測等有重大的理論指導意義。

二、研究現(xiàn)狀及存在的問題

(一)研究現(xiàn)狀

隨著注漿實踐發(fā)展,目前已發(fā)展的注漿理論有滲透注漿理論、劈裂注漿、壓密注漿、電動化學注漿、低滲透介質注漿理論。但由于漿體運動是隱蔽于地下復雜性的地基構造中,且縫隙分布又難于模擬,因而理論方面的研究相對滯后于實踐。

注漿理論是借助于流體力學和固體力學的理論發(fā)展而來的,對漿液的單一流動形式進行分析,建立壓力、流量、擴散半徑、注漿時間之間的關系。傳統(tǒng)的注漿工藝是以“滲入性理論”為基礎,注漿時只采用相對較低的注漿壓力,使?jié){液在孔隙或縫隙中擴散時不致破壞巖土的原有結構。

滲透注漿是指在壓力作用下使?jié){液充填土的孔隙和巖石的裂隙,排擠出孔隙中存在的自由水和氣體,而基本上不改變原狀土的結構和體積 (砂性土注漿的結構原理),所用注漿壓力相對較小。代表性的注漿理論有球形擴散理論、柱形擴散理論和袖套管法理論。

球形擴散理論雖然考慮了漿液性質隨時間變化對滲透規(guī)律的影響,但仍然把漿液簡化為了牛頓流體,這也正是他們的不足之處。

柱形擴散理論和袖套管法理論研究中,仍然把漿液簡化為了牛頓流體,沒有考慮漿液性質隨時間變化對滲透規(guī)律的影響。

查閱國內外大量文獻資料發(fā)現(xiàn),在目前的滲透注漿理論研究中,人們多是把漿液簡化為牛頓流體,而且沒考慮漿液的時變性,沒有任何一個公式能真正準確地反映出漿液在多孔介質中的滲流規(guī)律,這些公式各自存在著某些缺陷,甚至與實際之間相差很大,公式的結論多為指導性的,因此,大多數(shù)注漿工程報導或論文中,只介紹注漿工藝過程和注漿效果,很少進行注漿理論的分析研究。因缺乏完善的理論指導,影響了注漿效果和技術經濟指標的提高,造成人力物力的許多浪費。

(二)存在的問題

1.大多漿液為非牛頓流體,而目前的理論研究中均簡化為牛頓流體。

2.在注漿過程中,漿液的性質隨時間而變化,而目前的理論研究中視漿液的性質與時間無關。

目前,人們研究漿液在構造面中流動和在孔隙中滲透擴散時均把漿液簡化為牛頓流體且與時間無關,而絕大部分漿液屬非牛頓流體的賓漢姆流體,且具有時變性,這就導致了注漿過程中的理論計算與實際相差太大,甚至是荒謬的。理論研究落后于工程實際需求,尚需進行研究的方面有:漿液流體力學及其本構方程、漿液在多孔松散介質中的滲透擴散規(guī)律、多孔松散介質的滲透力學模型、多孔松散介質的空隙度特征、漿液的充填機理、注漿加固的力學作用、注漿基本理論與觀念、注漿工藝等。

3.注漿設計隨意性太大,注漿效果難以估計。注漿方法主要是壓入法,漿液在壓力差的作用下從注漿孔向巖體裂隙內擴散,其擴散距離 (常稱為擴散半徑)決定著注漿孔的布置和漿液消耗量,也是選擇工藝參數(shù)、評價注漿效果的重要依據(jù)。但漿液在裂隙巖體內的擴散過程是隱藏的,目前還不可能在施工中對這一過程進行監(jiān)測,這樣,漿液的擴散距離只能靠理論或經驗公式計算。而現(xiàn)有的計算漿液擴散距離的理論公式還遠未成熟,實用價值有限,經驗公式又往往是針對某些特定漿液 (主要是化學漿液)總結的,不具有普遍意義。因此,目前在裂隙巖體中注漿還沒有可靠的預先確定漿液擴散距離的方法。

由于這一理論缺陷,給裂隙巖體注漿帶來了如下問題:(1)注漿工程的投資和效果難以預計。當工程目的明確、場地條件清楚時,由于漿液的擴散距離不能預先準確確定,鉆孔數(shù)量和材料消耗量的預算便沒有依據(jù)。如果憑經驗或工程類比法確定了鉆孔數(shù)量和材料消耗量,則在這些工程量完成之后所能取得的效果又難以準確預計 (如注漿帷幕是否已形成要求的封閉條件),這樣,在方案論證階段,難以將注漿法與別的方法作對比。由于這一原因,注漿法的應用受到了一定程度的負面影響。國內礦山帷幕截流技術的推廣中便遇到了這一問題,國外有些水利工程的業(yè)主也是因為這一原因而不愿進行壩基注漿。(2)確定孔距、漿液配比和注漿壓力時的隨意性太大。許多工程都需要通過多孔注漿,且要求注入的漿液能形成連續(xù)、穩(wěn)定的膠結體。這時注漿孔的距離必須依漿液的擴散距離而定。當?shù)刭|條件一定時,漿液的擴散距離又主要取決于漿液的性質和注漿的工藝參數(shù)。因此,孔距應該根據(jù)所選用的漿液在允許壓力和時間內可能達到的擴散距離來確定。但在目前的注漿設計和施工中,注漿孔距和注漿材料都主要是憑經驗確定的,這樣便很可能因孔距太大或太小而出現(xiàn)工程質量問題或投資上的浪費。

三、結論

1.部分學者已驗證了裂隙巖體結構面的分布具有統(tǒng)計意義上的自相似性,因此,裂隙巖體結構面分布應具有分形特征,并可計算出其分維數(shù)。

2.巖體的分維數(shù)可以反映出巖體的破碎程度、節(jié)理發(fā)育程度、可灌性。而裂隙巖體的這些特征又嚴重影響著注漿擴散規(guī)律及注漿效果,因此可以嘗試將分形理論應用于注漿工程,用裂隙巖體結構面的分維數(shù)來定性的確定注漿參數(shù)。

3.工程巖體往往被節(jié)理和結構面所切割形成明顯的節(jié)理巖體,具有明顯的不連續(xù)性,用離散單元法可以得到較好的處理,因此,可以將分形理論與離散元方法相結合,模擬出漿液在裂隙中擴散的真實情況。

參考文獻

[1]葛家良.注漿技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].礦業(yè)世界,1995,(1).

[2]楊米加.注漿理論的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].巖石力學與工程學報,2001,(6).

[3]李長洪.碎裂巖體注漿理論及應用研究[D].北京科技大學,1999.

[4]謝和平.分形―巖石力學導論[M].北京:科學出版社,1997.

[5]徐光黎.巖石結構面幾何特征的分形與分維[J].水文地質工程地質,1993,(2).

[6]丁多文.巖體結構分形及應用研究[J].巖土力學,1993,14 (3).

固體力學研究方向范文3

從北京黃莊小區(qū)到中科院力學所，這條從家到單位的路，他一走就走了56年。而今，雖已米壽之年，只要身體狀況好，他依舊會步行上班。

在中科院力學所，也許你會經常看見這位準點到三樓上班的忙碌身影。他，就是中國爆炸力學的奠基人與開拓者之一的鄭哲敏。

從頑童到負笈少年

1960年，中科院力學所，一個小型爆炸成形實驗正在進行。科研人員屏息靜氣，只聽“砰”的一聲，一塊5厘米長寬，幾毫米厚的鐵板被單發(fā)雷管炸成一個小碗。大家歡呼雀躍。所長錢學森興奮不已，拿著小碗給大家看：“可不要小看這個碗，我們將來衛(wèi)星上天就靠它了。”

隨之，在中國，一個新興的專業(yè)就此誕生，錢學森起名為“爆炸力學”。其創(chuàng)始人便是錢學森的得意門生鄭哲敏。

與爆炸力學結緣，并非刻意的人生規(guī)劃。“我從過去走到現(xiàn)在，并沒有什么清晰的路線。但有一點是確定的，那就是富國強民的愿望。”

冥冥之中，鄭哲敏與力學似乎也有不解的緣分。鄭哲敏出生于商人家庭，因為父親在山東經營亨得利鐘表，他小時候就喜歡拆表拆鐘，擺弄各種光學儀器。

在鄭企靜童年的記憶中，二哥鄭哲敏是一個活潑甚至有點淘氣的頑童，并非一天到晚死讀書，而是興趣廣泛，愛好音樂，最喜歡吹口琴、唱京劇。“他在家排行老三，點子多，是我們的領頭人，一到冬天，他打來井水，撒在自家院子結成薄冰，他領著兄弟姐妹在‘人工冰場’溜冰，好開心。”

8歲那年，父親與鄭哲敏聊天，語重心長說道：“你長大以后不要像我一樣做生意，要念書做學問。”他還教導鄭哲敏，做人要誠實、實在，要憑實力。在父親影響下，鄭哲敏兄妹也都一生剛正不阿，一心向學，并學有所成。

1938年，鄭哲敏讀中學。期間因身體不好休學在家，父親讓他看《家書》。他學到了很多做人的道理，確立了做人的底線。家里還請老師教他學英語。鄭哲敏自學了英文原版的歐幾里得，書中嚴密的邏輯推理給鄭哲敏很大的影響。他自此就迷上了數(shù)學、物理，并由此進入到科學的殿堂。“打那以后，成績就好了，學習也很輕松。”

童年，有美好的記憶，也烙下了歷史的陰影。日本侵華后，鄭哲敏一家都生活在頻繁轟炸的恐怖中。一次鄭哲敏在路上撿子彈殼，突然遭到一個拿步槍的日本兵的追趕，他嚇得一路狂奔逃命。從此，這一幕就成為他經常出現(xiàn)的夢魘。初中填報志愿時，鄭哲敏就立下兩個志愿：一是當飛行員，打日本鬼子；二是當工程師，實業(yè)救國。

1943年，鄭哲敏中學畢業(yè)后考入西南聯(lián)大電機系。鄭哲敏有幸見到了梅貽琦等知名教授。雖然沒有親聆教誨，卻受到潛移默化的影響。例如梅貽琦走路從不抄近路，按規(guī)矩辦事，遵守紀律；聯(lián)大有各種各樣的集會，大家各唱各的調，科學和民主氣氛很活躍；老師教書認真負責，一板一眼。“這些大師，在心中是一種榜樣標志，一種人格的代表。”鄭哲敏回憶道。

抗戰(zhàn)勝利后，西南聯(lián)大回遷，鄭哲敏在北平（北京）清華大學機械系學習。畢業(yè)后，便留校做錢偉長教授的助教。1948年，經四級選拔，同時在梅貽琦、陳福田、錢偉長、李輯祥等人的推薦下，鄭哲敏脫穎而出成為全國唯一的一名“國際扶輪社國際獎學金”獲得者，赴美學習。

錢偉長為他寫了留學推薦信：“鄭哲敏是幾個班里我最好的學生之一。他不僅天資聰穎、思路開闊、富于創(chuàng)新，而且工作努力，盡職盡責。他已接受了工程科學領域的實際和理論訓練。給他幾年更高層次的深造，他將成為應用科學領域的出色科學工作者。”

23歲的鄭哲敏，背起行囊，負笈留學。他來到美國加州理工學院，師從錢學森先生，攻讀博士學位，鄭哲敏有機會聆聽許多世界著名學者的課程或報告，尤其受錢學森所代表的近代應用力學學派影響很深：著眼重大的實際問題，強調嚴格推理、表述清晰、創(chuàng)新理論，進而開辟新的技術和工業(yè)。這也成為鄭哲敏后來一生堅持的研究方向和治學風格。

他還接受馮卡門、錢學森等應用力學學派的思想精髓：應用自然科學的基礎理論，探索工程基本規(guī)律，形成工程理論，進而產生新技術解決工程難題。

后，美國移民局取消了對一批留學生不得離境的限制，鄭哲敏成為首批回國的留學生。離美之前，恩師錢學森為他送行。他請教：回國后干什么？錢先生說，國家需要做什么，你就做什么。不一定是尖端的，哪怕是測量管道水的流動也可以做。

1954年9月26日，鄭哲敏從紐約乘船離美，途經歐洲輾轉近5個月，于次年回到了闊別6年半的祖國。

半個世紀后，總有人問他“當時為什么回來？后悔過嗎？”在鄭哲敏看來，這不是個問題：“沒有想過不回來。這是長在骨子里的東西。雖然美國物質生活很好，但感覺像浮萍，沒有根的感覺。”

沒見過雷管的書生到爆炸力學專家

爆炸的機理就是能量的快速釋放和有效的控制。爆炸現(xiàn)象在自然和人類歷史中經常出現(xiàn)，如宇宙大爆炸、戰(zhàn)爭轟炸等。爆炸力學就是研究爆炸能量的傳播規(guī)律、力學效應及其控制方法與定量應用。在高速沖擊和爆炸荷載作用下，固體材料流體化，有了新的材料特性，既是固體又是流體，既非固體也非流體。描述介質的新特性，傳統(tǒng)的固體流體力學方程不夠用了，鄭哲敏花費近三年時間，深入研究爆炸力學新的理論，闡明基本規(guī)律。

爆破成形的小碗，就是最早的實驗模型。在這之前，鄭哲敏是連雷管都沒見過的書生，但他心中一直謹記并踐行著老師的話--“祖國的需要就是我的專業(yè)”，白手起家，著手研究。上個世紀60年代，利用爆炸成形研究，鄭哲敏團隊成功制造出高精度衛(wèi)星火箭部件。

鄭哲敏還接受判斷地下強爆效應的科研任務，建立了流體彈塑性理論。該模型將爆炸及沖擊荷載作用下介質的流體、固體特性及運動規(guī)律用統(tǒng)一的方程表述，堪稱爆炸力學的學科標志，可準確預測地下強爆炸試驗壓力衰減規(guī)律。他和同事在山溝溝一干就是幾年，為該項研究工作理論計算和數(shù)字模擬做出了開創(chuàng)性的工作。

1969年前后，鄭哲敏和研究集體花了近10年時間進行穿破甲機理的研究，拓展了流體彈塑性理論，他提出用子彈打鋼板的辦法研究炮彈打裝甲的規(guī)律，通過準確計算，能夠讓武器在精確的規(guī)定距離里打透相應厚度的裝甲。

鄭哲敏還在爆炸焊接理論和應用研究中，揭示了爆炸焊接機理，奠定了爆炸加工工藝的基礎。產業(yè)部門就此開發(fā)出新工藝，形成中國人自己的技術。數(shù)十年后中國是全世界最大的爆炸加工國家，成為爆炸加工產品的出口國。

上世紀80年代，國家急需港口建設，又有產業(yè)部門找上門來。建港首先需要處理構筑防波堤下的海底淤泥層，如用挖泥船，需要挖泥、填石兩步工序，不僅工期長，耗資大，而且形成回淤導致不安全。

鄭哲敏提出：用炸藥爆炸擾動淤泥，降低淤泥強度，堆石體靠自重作用下滑。這樣，排淤和推填石料同時進行，提高了效率，工藝簡單，工期縮短1/3，節(jié)約成本1/4。爆炸處理水下軟基技術納入國家規(guī)范，目前已經能夠處理厚度30米以上的淤泥，成為無可替代的技術。

近些年來，鄭哲敏還將爆炸力學研究應用于煤與瓦斯突出機理、納米壓痕標度、三峽三期圍堰爆炸拆除等。

1956年至2004年的半個世紀，鄭哲敏一直是我國力學學科的組織者和領導者。他長期主持力學學科發(fā)展規(guī)劃的制定，倡導建立了多個新的力學分支學科，他提出的流體彈塑性理論，是當今爆炸力學的基本模型。（來源：中國科技網(wǎng)）

固體力學研究方向范文4

關鍵字：流固耦合；滑動軸承；耦合算法

Abstract: this article introduces the high-speed bearing bush-oil-shaft neck fluid-structure coupling heat-transfer systems. This paper research the new progress of the results.

Key word: fluid-solid coupling; Sliding bearing; Coupled algorithm

中圖分類號：B025.4 文獻標識碼：A 文章編號：

1流固耦合的算法進展

流固耦合力學是流體力學與固體力學交叉而生成的一門力學分支，從獲得的文獻來看，它在算法方面的研究從很早就開始了，發(fā)展也比較迅速和成熟，目前已經形成了一些主流算法。

流體-結構耦合數(shù)值研究方法，其模型經歷了由簡單到復雜、從解耦到弱耦合（或松耦合）再發(fā)展到強耦合這樣一個過程。根據(jù)這一發(fā)展過程大致把算法分為三類：古典積分算法、交錯積分耦合法和整體積分方法。其中古典積分算法現(xiàn)在已經基本淘汰。交錯積分耦合法和整體積分法發(fā)展還比較迅速。交錯積分耦合法和整體積分法都是雙向的耦合方法，可以考慮流體和結構的各種非線性因素，也可預測到極限環(huán)振蕩現(xiàn)象。兩者的差別主要是時間積分推進是否同步。

1.1交錯積分耦合法的進展

Charbel Farhat等人提出的CSS（Conventional Serial Staggered）法起步較早，發(fā)展也比較成熟。這種方法能充分利用計算流體動力學和計算結構動力學的方法和程序，只做少量的修改，從而保持程序的模塊化。但是它有一個缺點至今仍未克服，就是流體、結構的時間推進積分總是存在時間滯后，耦合見面上的能量不能保持守恒，無法滿足動平衡。這個缺點一直制約著CSS方法的發(fā)展。

S．Piperno提出的帶預估和預估迭代交錯法應用較為廣泛，發(fā)展比較快。它克服了CSS方法的缺點，提高了算法的精度和穩(wěn)定性，引入了流體積分的子循環(huán)方法可使積分過程中采用不同的時間步長，節(jié)省了CPU時間及I/O文件傳遞。

1.2 整體積分法的進展

整體積分法的發(fā)展起步比較晚，但是發(fā)展迅速。不同于交錯積分耦合法，這種方法的時間積分完全同步，且不存在時間滯后和能量不守恒現(xiàn)象，因此是一種具有相當吸引力的完全的強耦合方法。它把流體和結構看作通過耦合界面的單一連續(xù)介質，用單一的算子來描述控制方程。但是這種算法發(fā)展還很不成熟，應用不是十分廣泛，但是我們有理由相信，不久的將來這種最出色的算法會得到廣泛的應用和研究。

從獲得的文獻資料來看，由于歐美等發(fā)達國家的國防、航空航天領域發(fā)展的需要，國外在流固耦合算法上的研究比較活躍；相比較而言，國內這方面的研究開展的較晚，涉及人員較少，不過還是取得了一些成果。

2高速滑動軸承流固耦合的進展

就目前來說，對滑動軸承做流固耦合的想法還比較新，查看所獲得的有關文獻，關于軸承方面的流固耦合主要是轉子和軸承之間動力性和穩(wěn)定性的耦合分析，關于軸承軸瓦-軸頸系統(tǒng)的熱耦合比較少。在熱耦合方面主要取得的進展有在靈敏度分析和流固耦合傳熱模擬方面的進展。

找了一些文獻，加上自己對軸承模型的理解，總結如下：

2.1簡述

首先來談談介質的問題。根據(jù)Reynolds方程和能量方程，軸承的溫升與軸承采用介質的黏度有關，因此，采用低黏度的介質―水，是解決軸承熱變形的一條途徑。接下來是模型問題。軸承可以有不加腔的模型，還可以有加腔的模型，最真實最有效的模型就是軸承加深淺腔的模型，有兩腔、三腔、四腔等結構。最后，為了分析模型的網(wǎng)格數(shù)量、類型以及模型對稱性邊界條件對CFD模擬分析結果的影響，一般的軸承模型都做了靈敏度分析。

2.2模型假設及控制方程

查文獻可知，高速滑動軸承由于模型過于復雜，因此要對模型進行適當?shù)募僭O：1、介質為水，不可壓縮流體，黏度不隨剪切速率、溫度變化；2、考慮介質的黏性生成熱以及軸承介質與軸瓦、軸頸之間的傳熱；3、工作環(huán)境壓力101kpa；4、由于軸頸轉速較高，考慮介質慣性作用；4、入口處壓力、流速恒定。

目前使用的控制方程依舊是質量連續(xù)性方程、N-S方程、能量方程。形成了經典的控制理論。

介質水在油腔內的流動為不可壓縮流動，根據(jù)流體力學基本方程組，得到平面定常粘性流體的質量連續(xù)性方程為：

運動微分方程，即N-S方程

能量方程：

2.3靈敏度分析

大部分的軸承都對網(wǎng)格的類型、數(shù)量及模型對稱性進行了靈敏度分析。網(wǎng)格的類型有六面體網(wǎng)格、楔形網(wǎng)格等。不同的網(wǎng)格類型可能會得出不同的結果；眾所周知，網(wǎng)格數(shù)量越多，網(wǎng)格越精密，所得到的結果就越好，但是網(wǎng)格數(shù)量的增多必然使計算時間變長，本人曾用了一個簡單的軸承模型進行計算，2萬數(shù)量的網(wǎng)格10分鐘就算好了，而90萬的網(wǎng)格要算一個下午加一個晚上，因此合理選擇網(wǎng)格數(shù)量也很重要；選擇1/2軸承寬度作為對稱進行分析，也能取得較好的效果，而且能大大減少計算時間。

2.4深淺腔軸承壓力模擬及研究成果

目前的軸承壓力分析主要是對軸頸、軸瓦和油膜三者之間進行了流固耦合，再使用相應的求解器，設置相應的邊界條件就可以得出相應的分析結果。

深淺腔的壓力模擬的主要研究成果有：沿軸向從油腔到封油面再到軸承邊緣，油膜壓力逐漸減小；最高壓力一般出現(xiàn)在淺腔和周向封油面結合處，因此處有形成動壓的趨勢，同時深腔和淺腔的結合處壓力也較高；在相同的供油壓力下，隨著軸頸轉速的提高，油膜壓力相應增加，但同時也增大了油膜發(fā)生破裂的概率，油膜發(fā)生破裂后，隨著轉速的增大，破裂區(qū)相應增大；對應的，軸頸轉速不變時，隨著供油壓力的降低，油膜發(fā)生破裂的概率增大，破裂發(fā)生后，隨著供油壓力的降低，破裂區(qū)域增大。

2.5流固耦合熱模擬及研究成果

依然使用流固耦合模型，對熱耦合的研究成果有：油膜周向封油面和深腔遠離進油口區(qū)域的溫度較高，由于進油口低溫油的冷卻作用，淺腔區(qū)域的溫度較低；由于軸瓦靜止不動，介質對軸瓦的冷卻效果明顯，由于軸頸的高速運動，截面溫度保持恒定，溫度值取決于表面處的介質溫度。

參考文獻

【1】蔣興奇，馬家駒，趙聯(lián)春。高速精密角接觸球軸承熱分析[J].軸承，2000（8）。

【2】張建斌，池長青。淺腔階梯液體動靜壓混合軸承溫度場分析[J].北京航空航天大學學報，1997,23（3）。

固體力學研究方向范文5

關鍵詞：煤泥水沉降；混凝沉淀；磁種絮凝

引 言

煤泥水處理不好會造成水資源浪費和環(huán)境污染。而且會對選煤廠正常的生產作業(yè)造成影響。可以說，煤泥水治理是選煤廠正常生產作業(yè)的關鍵問題之一。

煤泥水處理在選煤廠中變得越來越重要，由于大量極細顆粒的存在，使得煤泥水處理起來十分困難。雖然隨著高效絮凝劑、工藝流程及設備的不斷開發(fā)和改進使這一現(xiàn)象已有所改觀，但并沒有從根本上消除煤泥水對選煤廠正常生產造成的影響。因此，進一步研究新型的煤泥水處理技術在實際生產應用中是勢在必行的。

傳統(tǒng)上煤泥水的處理方法有混凝沉淀法、電化學法、磁處理法等。然而，在環(huán)境工程上，工業(yè)廢水中沒有磁性的污染物可用磁處理法除去，即用磁性物(即磁種)來吸附它們，然后再用磁場處理，達到廢水處理的目的。因此，研究磁種絮凝分離技術處理煤泥水的工藝，探究該方法處理煤泥水的優(yōu)勢，不僅為解決當前很多選煤廠存在的煤泥水處理不達標的問題，實現(xiàn)選煤廠煤泥水循環(huán)利用和提高精煤質量具有重要的現(xiàn)實意義，而且該研究填補了磁種絮凝工藝在煤泥水處理中的理論空白。

1. 煤泥水概況

1.1 煤泥水的產生

目前，在我國煤炭是主要能源，占一次能源的70%左右，在未來相當長的時間內，煤炭在我國能源結構中的主體地位不會改變。

濕法選煤需要大量的水，原煤在水中經分級、脫泥、精選、脫水等作業(yè)后分選出產品，大量粒度小于0.5 mm的顆粒殘留在水中形成煤泥水。

煤泥水有兩種，一種是煤質較好的原煤洗選所產生的洗煤廢水，這類廢水所含的顆粒粒度較大，濃度較低，處理相對比較容易。另一種是高泥質原煤洗選所產生的洗煤廢水，這類廢水懸浮物濃度高，顆粒細小，且表面帶有較強的負電荷，是一種穩(wěn)定的膠體體系，難于處理。我國有相當數(shù)量的原煤是年輕煤種，屬于高泥質化原煤，洗選所產生的洗煤廢水濃度高，處理難度大。

1.2 煤泥水的特點

煤泥水是一種復雜的多分散體系，它由一些粒度、形狀、密度、巖相等不同的顆粒，以不同比例混合而成。煤泥的成分很復雜，各選煤廠煤泥的礦物組成以及巖相特征都不一樣。

煤泥水主要表現(xiàn)為懸浮液的性質，它的沉降性不僅受固相煤泥的影響，還受液相水的影響。在固相煤泥性質中，煤泥的粒度及灰分對絮凝、沉降性質影響最大；而煤泥的礦物組成較為復雜，隨產地、煤種不同而不同，主要有石英、方解石、粘土和黃鐵礦等，對煤泥水的處理及產品的脫水影響較大的是粘土礦物。由于粘土礦物遇水極易泥化且粒度微細,大大增加了煤泥水中細粒級的含量，這些微細顆粒物本身難以沉降而且還使煤泥水的粘度大大增加。因此粘土類礦物含量越高，意味著煤泥水處理越困難。

1.3 煤泥水的危害

隨著選煤機械化程度的提高，細粒煤所占的比重越來越大。同時，對選煤產品的要求愈加嚴格、選煤工藝的愈加復雜、選煤廠的大型化愈加明顯，以及水資源的愈加珍貴和環(huán)境保護標準的愈加苛刻，煤泥水處理已經變成了整個選煤工藝中涉及面最廣、投資最大、最復雜、最難管理的工藝環(huán)節(jié)。它的完善程度、管理水平及效果好壞反過來又對其他環(huán)節(jié)產生很大影響，甚至決定全廠的經濟指標、技術效果和社會效益。

2 .煤泥水處理技術現(xiàn)狀

目前，國內外對處理煤泥水的研究主要有混凝沉淀法，電化學法，磁處理法等。

2.1 混凝沉淀法

基本原理是煤泥水的“穩(wěn)定性”與膠體的ζ電位間存在一定依存關系，如果在煤泥水中加入混凝劑降低ζ電位，則“穩(wěn)定性”被破壞，顆粒可沉降。通過向煤泥水中加入各種混凝劑，使分散顆粒與溶解態(tài)絮凝劑間產生固-液相間的化學吸附、電中和脫穩(wěn)以及粘結架橋作用，同時在流體力學作用下進行強化脫穩(wěn)、顆粒間碰撞結合，從而形成大的絮團顆粒而迅速沉降，達到加速煤泥水澄清的目的。

煤泥水中普遍使用的絮凝劑是PAM，借助其“橋聯(lián)”作用促使顆粒形成絮團，加速沉降。PAM的加入可提高煤泥顆粒的沉降速度，形成較密實的固體沉淀物，但所得表層液渾濁，透光率低，表明其中仍有許多細泥顆粒未能沉降。這主要由于是細泥表面帶有較強的負電荷，靜電斥力阻礙了藥劑與顆粒表面的作用。實際生產中,表層液要用作循環(huán)水，其濃度過高對分選設備的效率、精煤產品的質量等都將產生不利影響,嚴重時甚至導致全廠停產。

2.2 電化學法

研究表明，煤粒表面帶負電荷。這些電荷基本上集中在膠體部分，雖然電荷量很小，但正是這些電荷決定了細粒煤的一系列電化學特性。這些電化學特性對煤泥的電化學脫水有直接的影響。在中性水中煤漿表面帶負電荷。溶液中的金屬陽離子M+作為反離子進入擴散層和固定層形成雙電層。向溶液中加入Al3+后，Al3+強烈的電性作用甚至可交換固定層中的M+，使表面正電荷過剩，即Stern層顯正電性質。此時，陰離子反而成為反離子，形成新的擴散雙電層，表面熱力學電勢φ雖無變化，但φ和電動電勢ζ先減小，后改變符號。

固體力學研究方向范文6

關鍵詞 ：道路綠化；綠化型式；自然通風；計算流體力學；仿真分析

中圖分類號： TU024；X7

文獻標識碼：A

文章編號：1671-2641（2012）06-0000-00

近年來，隨著CFD（計算流體力學）技術的長足進步，計算機仿真模擬設計不僅在綠色建筑和城市規(guī)劃領域得到了極大的應用和普及，還從室內走向了建筑外環(huán)境。一些研究者開始嘗試在不同綠化型式對于室外熱環(huán)境和風環(huán)境的影響方面開展數(shù)值模擬研究比較[1]。但是，由于植物自身具有的流動性冠層、蒸騰介導熱質傳遞等特性，用對于計算機模擬綠化植物的流體環(huán)境計算機模擬仍面臨著是個難題，制約了CFD技術在定量預測綠化對于通風環(huán)境和熱環(huán)境的影響方面的發(fā)展[2]。本文通過建立綠化植物的三維冠層模擬方法，結合植物冠層分析技術，建立綠化植物多孔介質模型，模擬研究了兩種綠化型式對廣州城市道路自然通風環(huán)境的不同影響。在此基礎上，與現(xiàn)場測試結果進行擬合度驗證，以期幫助定量化評價、優(yōu)化道路綠化設計，進而為改善城市自然通風環(huán)境和建設生態(tài)城市提供技術支撐。

1研究方法

1.1樣地概況：

測試的道路綠地斑塊位于廣州市海珠區(qū)的南洲路（E113°19′， N22°47′），測試路段為東西走向，道路綠化植物種類簡單，長勢良好。綠化型式分為兩種：一種為純行道樹綠化，喬木層種類為非洲桃花心木（Khaya senegalensis）；另一種型式為行道樹

基金/項目： 國家星火計劃項目（No.2011GA7800）、廣東省科技攻關項目（ 2009B021500004）、廣東省教育廳高層次人才項目和廣州市教育局羊城學者科技計劃項目（10B004D）。

第一作者簡介： 聶磊（ 1973- ） ， 男， 吉林長春人， 博士， 教授， 研究方向為園林生態(tài)、綠地植物。

下整齊種植有灌木層，種類為黃金榕（Ficus microcarpa cv.Golden Leaves），其組成效果如圖1所示。測試路段的道路兩側退界距離達到20 m以上，參考巖田達明等的分析結論，對道路綠化風場的影響視為忽略不計[1]。

1.2 植物冠層結構建模：

測量單株植物的樹高、枝下高、冠幅、胸徑、樹冠外輪廓曲率拐點坐標等形態(tài)特征數(shù)據(jù)，其中曲率拐點坐標采用手持紅外線測距儀測定。運用3DMAX軟件建模出圓柱形、圓球形、尖塔形、圓錐形、卵圓形、倒卵形、鐘形、傘形等園林植物冠層的不同結構類型。其中非洲桃花心木為倒卵形樹冠，黃金榕為卵圓形樹冠。

1.3多孔介質模型參數(shù)設定：

由于植物冠層可視為多孔介質，因此必須計算不同植物冠層模型的空隙度。冠層空隙度可由冠層分析儀測出，在陰天或晴天清晨，采用基于半球攝影的HEMIVIEW冠層分析儀對單株植物進行冠層數(shù)據(jù)采集，用魚眼鏡頭捕獲不同方向的冠層圖象后，應用Delta-D軟件計算太陽光直射透過系數(shù)，從而得出群落的葉面積指數(shù)（LAI）及冠層空隙大小、間隙率參數(shù)等指標數(shù)值。經計算非洲桃花心木樹冠的空隙率在0.09～0.15范圍內，黃金榕在0.04～0.10范圍。

1.4 CFD仿真分析

：模擬工具為英國CHEM公司開發(fā)的PHOENICS軟件，設定的氣候條件參數(shù)為：東南方向（廣州夏季主導風向），參考風速為2.0m.s-1（廣州夏季平均風速），區(qū)域溫度為28℃（廣州最熱月室外平均溫度）[3]。邊界風速滿足梯度風變化v/v0=（z/z0）α，其中，v0為標準高度處的風速， 取2.0m.s-1，z0為標準高度，取10m，α為地面粗糙程度， 取0.0333。自然通風環(huán)境通用模擬體系由空氣模型、植物冠層模型、下墊面固體傳熱模型構成[4]。采用流場模擬計算耦合迭代求解，利用有限差分法求解空氣流場模擬計算的邊界條件，由空氣流場計算程序模擬得到整個計算區(qū)域空氣的速度場和壓力場，通過軟件設置固定觀測點，得出1.5m和3.0m高度的風速云圖與壓力圖。

1.5計算機模擬與實際觀測數(shù)值的擬合度檢驗

：采用風速衰減率（R）來討論不同綠化型式影響下的自然通風效果。R=1-Vi/Vo，其中，Vi，Vo分別指綠化帶下風向及上風向觀測點的風速（m?s-1）。從綠化帶設定起點每隔5m共設置10處觀測點，在每處觀測點的前后各5m，采用美國Kestrel 4500手持式氣象儀測定不同型式綠化帶上風向及下風向的實時風速，高度為1.5 m。在計算機模型內輸入上風向的實時風速，測出相同坐標的10處觀測點的下風向模擬風速，并計算風速衰減率。采用SPSS18.0軟件進行風速計算機模擬理論值與實際觀測數(shù)值的擬合度回歸模型檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同綠化型式對自然通風的影響結果

大約2m高度以下的城市空間是人們經常活動的區(qū)域高度大約在2 m以下，同時，3 m高度以上的道路綠化空間中，僅存在有喬木層分布，灌木層是無法達到這個高度的。故本文對1.5 m和3 m高度處的風速進行了分析。一般認為，風速>1m.s-1時，在夏季室外人們感覺是舒適的，風速>5m.s-1時， 會影響人們的活動[5]。所以，1～5m.s-1之內的風速，是比較理想的室外風速。經CFD仿真模擬，結果表明單純喬木綠化的型式下，1.5 m高度的模擬風速達到了1.64 m.s-1的風速，而3 m高度的模擬風速達到了1.31m.s-1的風速，都有著令人感覺較為舒適的自然通風效果（圖2、3）。

綠化型式對于城市道路空氣流動有著重要影響。有研究表明，行道樹對污染物擴散的阻礙作用主要受控于樹木郁閉度而非綠量。當行道樹植株間距較密，形成枝杈搭接時，茂密樹冠會在道路上方產生頂蓋效應，阻礙污染物向上擴散，導致道路兩側污染物濃度升高，惡化街區(qū)大氣環(huán)境。污染物擴散速率很大程度上受到街道內氣流鉛直湍流強度的影響。對于沒有樹冠頂蓋的街道，街谷內有較大的風速梯度，這將會有利于增強機械湍流的增強[6]。但在行道樹郁閉度較高的街道內，高大茂密植物在減低風速的同時，不僅導致街區(qū)內部氣流的垂直渦動減小，也大大減弱了綠化帶內外氣流的垂直交換。我們的計算機仿真模擬結果表明，1.5 m高度時單純喬木的綠化型式較喬木+灌木綠化型式的0.47m.s-1的風速多出了近70%，而3 m高度的模擬風速較喬木+灌木綠化型式的0.73 m.s-1多出了44.3%，表明有灌木層的存在，直接導致道路空氣流通速度明顯下降（圖2～、3）。之所以1.5 m處單純喬木綠化的道路風速較高，主要是因為非洲桃花心在1.5 m處仍處于枝下高以下，且無灌木層遮擋阻礙空氣流通，因為風速衰減的較少；而在3.0 m高度時，喬木冠層對于自然空氣流通起到了明顯的阻礙效應，因此下風向觀測點的風速紀錄僅為1.5 m處風速的79.9%，整個模擬區(qū)域的風速也明顯下降。

2006年建設部的《綠色建筑評價標準》中要求熱島強度不高于1.5℃，同時夏季無渦旋死角，建筑前后壓差不低于1.5Pa[7]。CFD計算機模擬結果表明，由于道路綠化處于開闊的室外空間，道路綠化帶上下風向之間的正負風壓維持在0.5～0.8Pa之間，基本上無法維持較為明顯的風壓。

2.2計算機模擬與實際觀測數(shù)值的擬合度檢驗結果

對1.5 m和3 m的CFD模擬風速衰減率和實地觀測的風速衰減率計算結果進行了線性回歸模型的擬合度檢驗分析，其中1.5 m風速衰減率的擬合度R2=0.726（P

3結論與討論

CFD（Computational Fluid Dynamics）是近代流體力學、數(shù)值數(shù)學和計算機科學相結合的產物。隨著近年來 CFD 物理模型和計算方法的不斷完善和改進，計算機運算速度的不斷提高，許多成熟的商業(yè)化CFD計算軟件得到了不斷地推廣。CFD研究以 3 大守恒定律（質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律）作為計算的控制方程，采用有限體積法（Finite Volume Method）把連續(xù)的計算域離散成許多個子區(qū)域（體積單元），借助高性能計算機在每個體積單元上對控制方程組進行數(shù)值求解，進而在整個計算域上分析流體流動、傳熱和傳質的規(guī)律[8]。近年來，CFD技術已廣泛應用于綠色建筑領域，在該領域 CFD 被用來模擬室內外氣候環(huán)境，然而在園林綠化領域，仍屬于應用的初步階段。目前通用的CFD 軟件主要有CFX、FLUENT、STAR-CD、PHOENICS以及FIDAP等類型，其中PHOENICS是世界上第一個投放市場的 CFD 商用軟件（1981），可以算是CFD商用軟件的鼻祖。這一軟件中所采用的一些基本算法，如SIMPLE方法、混合格式等，由該軟件的創(chuàng)始人D.B.Spalding及其合作者S.V.Patankar等所提出，并得到廣泛驗證和應用[9，～10]。

城市綠化對于改善環(huán)境質量、獲得清新潔凈的空氣、有效降低城市熱島效應有著不可替代的重要意義。自然通風是城市綠地實現(xiàn)節(jié)能、健康、生態(tài)等功能目標的重要形式。城市綠地的綠化型式對于環(huán)境的自然通風效果有著重要影響。例如在我們以往的研究中發(fā)現(xiàn)，當前道路綠化方面，由于種植密度過大，物種之間競爭激烈，植株普遍生長不良，、干旱甚至枯死現(xiàn)象比較普遍，不僅浪費了大量的投資和養(yǎng)護成本， 而且也不利于發(fā)揮綠地的生態(tài)功能，尤其是阻礙了道路的自然通風[11]。然而長期以來對于不同綠化型式在影響自然通風的場效應方面，仍然缺乏有效可靠的定量預測分析方法。在本研究中，利用CFD仿真軟件模擬出的分析圖形直接顯示出不同綠化型式對道路自然通風效果確實存在不同效果。喬、灌木綠化型式下的自然風速明顯低于單純喬木綠化型式，驗證證明了灌木層的存在直接導致了道路空氣流通速度明顯下降。試驗結果顯示，如果從道路綠化的空氣擴散、通風散熱的生態(tài)功能來說，單純喬木層的道路綠化結構效果反而更佳；然而，考慮到綠地的滯塵吸污、固碳釋氧以及增加空氣濕度等方面的整體生態(tài)功能，則更應推薦喬灌草的群落式綠化結構。綜合考慮，道路綠化型式的最優(yōu)方案應為既具備立體結構、同時又留有足夠擴散空間的的疏落式喬灌草立體綠化結構。

試驗結果表明，計算機模擬與實際觀測的風速衰減率數(shù)值存在良好的擬合度，證明CFD仿真分析能較好地預測道路綠化實際自然通風狀況。在本項研究中，通過測定冠層空隙度來設定植物冠層多孔介質模型參數(shù)以及完成冠層三維結構建模的計算模式，在今后推廣CFD分析綠地自然通風方面有一定的參考價值。 當前我國在建設低碳可持續(xù)社會中大力提倡綠色建筑標準，逐步實行了綠色建筑評價標識制度，對于評價為星級的綠色建筑乃至綠色低碳園區(qū)、居住小區(qū)予以高額的資金補貼。當前使用的《綠色建筑評價標準》中要求熱島強度不高于1.5℃[7]。城市綠地在改善熱環(huán)境、降低熱島效應方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。以往在綠化領域欠缺良好可靠的計算機模擬分析技術，而CFD仿真分析能夠建立通用輻射計算體系，結合植物與環(huán)境的熱質傳遞模型及地表、植被、水體、建筑等表面導熱的有限差分計算方法，對有綠化情況下的城市熱環(huán)境進行詳細可靠的預測分析。因此，今后在城市綠化建設中，應大力推廣CFD仿真技術在預測綠化方案在自然通風及熱環(huán)境方面的實施效果應用，幫助定量化優(yōu)化綠化設計方案，從而在真正意義上實現(xiàn)使城市綠化在真正意義上走上生態(tài)可持續(xù)設計的道路。

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