钉盘磨齿钉气流阻力模型构建（可编辑）

钉盘磨齿钉气流阻力模型构建（可编辑） 钉盘磨齿钉气流阻力模型构建 : . ..:.’ :: : ::. .,独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得西南科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名:蔷 嗍砌岍 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校 有权保留学位论文的复印件,允许该论文被查阅和借阅;学校可以公布该论 文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名: 氪鹏 导师签名搬日期:川够第页 西南科技大学硕士研究生学位论文 摘 要 为了考察钉盘磨所受气流的阻力矩随主要工况的变化情况,同时得到一 个较准确的气相流场,本文采用计算流体力学和正交试验设计的方法对只有 两圈齿钉的钉盘磨内部流场和所受气流阻力矩进行研究,通过量纲分析的方 法和神经网络的方法构建钉盘磨气流阻力矩建模并进行预测。 为了保证计算结果的准确性,采用与钉盘磨内部流场类似的圆柱绕流问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 进行计算模型的验证。按照正交试验设计法,在合理的参数取值范围内, 对数值计算 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行设计。采用求解器对所安排的计算方案进行数 值计算。对计算结果采用极差分析法和方差分析法进行处理,得到了各个参 数对钉盘磨气流阻力矩的影响趋势,探讨了各个因素对钉盘磨气流阻力矩影 响的显著性。 分别采用量纲分析和神经网络的方法构建阻力矩模型。对无量纲函 数关系式的形式和神经网络的隐层层数的设计、隐层神经元数目的确定、 算法的选择等均进行了研究确定。两种方法构建的模型预测结果表明:两种 方法构建的模型均能够用于阻力的预测,但是神经网络模型的最大预测 误差比量纲分析模型的最大预测误差降低了.%,因此将神经网络 模型作为本文最终的模型,为钉盘磨的设计提供参考;同时量纲分析法也为 机型放大设计和运行参数整理等方面提供了理论依据。 关键词:钉盘磨气流阻力矩 正交试验量纲分析神经网 络第页 西南科技大学硕士研究生学位论文 , .. ,.... . . , ’ . ..%. . , . . . ; : ;;; ;西南科技大学硕士研究生学位论文 第 页 目 录 绪论??. . 磨机粉碎件与圆柱绕流阻力研究现状? .. 磨机粉碎件研究现状??.. ..圆柱绕流阻力的研究现状.. .钉盘磨齿钉气流阻力矩研究方法 .. 钉盘磨齿钉结构?.. ..钉盘磨齿钉气流阻力研究方法?.. .课题目的和意义? .课题研究总体思路 构建齿钉气流阻力模型理论基础. 钉盘磨齿钉所受阻力矩分析.. 钉盘磨齿钉阻力矩的计算一 ..钉盘磨齿钉所受流体作用力.流体力学基础? ..流体性质? ..流体的流动状态? .. 不可压缩粘性流动基本方程. 计算流体力学基础??. .. 有限体积法简介? ..流场数值计算方法 ..湍流的数值计算方法..计算流体力学软件 . 正交试验设计简介??. .. 正交试验设计基本步骤? ..正交试验结果的极差分析 .. 正交试验结果的方差分析 .量纲分析简介? . 神经网络简介 .本章小结 计算方案的确定及计算模型验证?一 . 计算模型的简化.西南科技大学硕士研究生学位论文 第 页 .主要试验参数的确定?. .正交试验方案设计??. .计算模型的验证. .. 圆柱绕流重要参数介绍? .. 圆柱绕流计算区域及网格划分? .. 计算条件及计算结果. 本章小结 数值计算条件和正交试验结果及讨论??.. . 钉盘磨气流阻力计算网格划分. .钉盘磨气流阻力计算条件及数值计算结果?.. .. 钉盘磨气流阻力数值计算条件? .. 网格无关性检验计算结果 .. 正交试验设计工况的计算结果? .正交试验结果的极差分析??. . 正交试验结果的方差分析??. . 本章小结 基于量纲分析的气流阻力模型构建一 . 量纲分析 .数学模型的拟合. .. 拟合数据的无量纲化..拟合模型的选择? . 本章小结 钉盘磨气流阻力神经网络模型构建.输入输出节点的确定?. . 训练样本和预测样本的组织?. . 隐层数的设计? .隐层神经元数目的确定. .算法的选择. 网络的训练和仿真??. .本章小结 结论与展望?. . 主要 工作总结 关于社区教育工作总结关于年中工作总结关于校园安全工作总结关于校园安全工作总结关于意识形态工作总结 ? .后续研究展望?西南科技大学硕士研究生学位论文 第页 参考文献? 致 谢? 攻读硕士学位论文期间发表的学术论文第页 西南科技大学硕士研究生学位论文 绪论 超细粉体技术是近几十年发展起来的一门新兴技术。超细粉体由于其本 身具有粒度小、比表面积大、表面活性高、反应速率快等十分优秀的性能, 被广泛应用于国民经济的各个领域?。 随着超细粉体的需求量越来越大,这对超细粉体的制备提出了挑战。对 于超细粉体的制备方法,主要分为物理方法和化学方法两类。一般来讲,化 学的方法成本较高,通常只能用于小规模的制备,但产品细度好,分布窄; 物理的方法相对于化学方法更适合于大规模的生产。物理制备方法又可分为 粉碎法和构筑发。目前,工业上用的最多的是粉碎法。而粉碎法的主要粉碎 设备有辊压式粉碎机、辊碾式粉碎机、高速旋转撞击式粉碎机、搅拌磨、球 磨式粉碎机、气流式粉碎机等纠。 . 磨机粉碎件与圆柱绕流阻力研究现状 ..磨机粉碎件研究现状 钉盘磨属于旋转冲击粉碎机,这一类粉碎机应用较早,目前许多公司对 该类机型均有研究,且出现了一些比较成熟的机型,如德国阿尔皮内 公司的克罗普列克斯粉碎机,日本公司的型粉碎机。另外,日 本细川公司、公司。德国.公司也有这类机型。 对于直接研究钉盘磨齿钉的文献资料比较少,但是对于高速旋转撞击式 粉碎机的粉碎部件研究较多。这类粉碎机与钉盘磨齿钉的粉碎方式相同,均 是采用运动的部件对物料颗粒产生一种冲击作用来达到粉碎的目的,这对钉 盘磨齿钉的研究有一定的借鉴作用。对冲击式粉碎机粉碎件的研究主要有两 种方法:理论分析与试验结合和数值模拟与试验结合。 在理论分析与试验结合方面: 沈义俊【】研究了空气及物料在高速冲击粉碎室内的运动规律,探讨了冲 击粉碎机的粉碎机理,并进行了形成工艺性试验。 朱美玲,颜景平等【】对机械法粉碎机理和粉碎能耗进行研究,结果表明 挤压、研磨力作用方式是超细粉碎的较好方式。提出了超细粉的疲劳破碎机 理和颗粒粉碎能耗机制,并把脆性材料的破碎能定义为颗粒破碎时所具有的 弹性应变能,推导了粒度与能耗的解析关系式。 朱美玲和颜景平】对离心冲击式超细粉碎机粉碎机理进行了理论研究,第页 西南科技大学硕士研究生学位论文 分析了其结构、工作原理、特点以及粉碎机理,给出了关键参数的设计方法。 分析表明,在相同线速度条件下,较高的转角速度和小的转子半径有利于细 化粒度。 曾洪茂和周恩浦川提出了冲击破碎机通用的冲击速度理论计算公式,对 最大破碎力和平均破碎力之间的关系和冲击时间进行了探讨。 】研制了一种超细旋转冲击磨,对 和 .?粒径范围含量为%石灰石进行试验表明,转子轴线速度为 /时,物料可以被粉碎到以下,且最大粒径为?。 和 提出了一种在旋转冲击磨中,在考虑摩擦情况下, 使物料颗粒的速度达到最大的加速叶片的型线。通过对直线型叶片和对数螺 旋线型叶片中颗粒的加速情况的对比发现,新的叶片线型可以显著提高颗粒 的速度,从而获得更多的破碎能。 和 采用试验的方法对冲击磨的一些主要现象,如细 分团聚、能耗、产品的流动性和结块的趋势进行了研究。试验表明冲击磨中 的主要粉碎机理是冲击粉碎,其次是剪切作用;试验中的能耗情况同邦德理 论负荷较好;产品的流动性受到粉磨参数的影响,并且在机械负载的作用下, 颗粒的表明活性增强,导致流动性降低,易结块。 和 建立了对于静止和转动两种情况下优化叶片转子 倾角的解析的方程组,并且研究了颗粒的动力学行为和颗粒重滑动区到纯滚 动区的动力学行为的变化。 和 采用了四种材料在不同的粒径、冲击速度和碰 撞次数下进行试验,并将试验结果同现有破速率的经验公式和一个新提出的 以冲击速度和碰撞次数为变量关于破速率的经验公式相对比,发现新的经验 公式同试验很好的吻合。新的经验公式同时也用于物料颗粒粒径减小过程的 描述。 采用量纲分析的方法提出了两个量化不同材料在 和 冲击粉碎机中的粉碎性能的参数。 尚志新,吴成宝和盖国胜等,采用自制的冲击磨在不同给料量下对不同 含水率的木屑进行粉碎,并对产品的平均粒径、特征粒径、形貌、单位能耗 及磨机的最大处理能力进行分析,探索生物质粉碎的机理。 随着计算机的发展和对粉碎细节了解的需要,越来越多的研究者开始采 用数值模拟与试验相结合的方式进行研究,以得到更多的物料颗粒的运动细 节。第页 西南科技大学硕士研究生学位论文 刘东升等?,建立了粉碎腔的流体动力学模型,研究了流场介质分别为液 体和流体两种情况下流场的运动机理。 和 等采用试验与数值模拟相结合的方法研究 了机械冲击磨转子叶片形状对流场和颗粒运动轨迹的影响。在不同的叶片数 和叶片倾角情况下的计算表明:颗粒与壁面的碰撞频率随着叶片数量的增加 而增加;叶片在旋转方向的倾角可以阻止物料颗粒直接通过粉磨区,颗粒的 冲击速度和冲击的能量在倾角为 .的范围内达到最大。 和 等【】采用方法对冲击磨中颗粒的运动轨迹进 行数值模拟,并与之前的试验结果进行对比。结果表明,颗粒的细度和颗粒 与冲击磨壁面的碰撞有关;当叶片倾角在的时候产品的粒度分布较窄。等【】 分别在气相和空气和滑石混合的两 和 相的情况下进行试验,结果表明粉碎机磨损最严重的部位是转子叶片和出口 管道壁。采用的方法进行数值模拟,结果表明在单相和气固两相的情况 下,流场内均有很高的湍流强度,且模拟结果同流动可视化试验的趋势相符。 作者还提出了一个颗粒的破碎模型。 和 等】采用三种不同材料的球在不同的冲击速度 下对颗粒的破碎行为进行试验研究,结果表明颗粒的破碎行为依赖于颗粒的 微观和宏观结构,破碎概率服从统计分布。为了进一步研究颗粒的 破碎行为,采用二维的离散单元法对颗粒与壁面的碰撞过程进行了数值模 拟。 吴浩,对针盘式粉碎机进行了气固两相的数值研究,根据粉碎机的结构 和工艺参数的变化,研究了粉碎区速度场和压力场的变化情况。并其对不同 形状的齿钉的粉碎性能进行研究。 杨波和李新华等?睬用双流体模型对冲击式食物破碎机粉碎室内液固两 相流场进行模拟,并用相位多普勒粒子测速仪在不同转速工况下对冲击式食 物破碎机破碎机理径向测试,并与模拟结果进行对比。结果表明:粉碎效率 以转速的.次方增加,并得出了高效粉碎区的具体位置。 和 等】采用.耦合的方法对干法冲击磨 中的流场和单个颗粒的运动进行研究。首先只对气相进行计算,并将计算结 果与试验结果相比较,两者符合很好。在不同的转子转速和颗粒粒径的条件 下,对颗粒与磨槽壁面的碰撞速度和频率也进行了研究,表明随着颗粒粒径 的下降,颗粒与定子的碰撞作用越来越弱,且在同样的转速下碰撞速度也随 着下降。这些现象表明,颗粒在被粉碎的过程中,由于碰撞频率和碰撞速度 随粒径的减小而减小,因而存在一个极限粒径。第页 西南科技大学硕士研究生学位论文 ..圆柱绕流阻力的研究现状 圆柱和圆柱群在实际的工程中随处可见,如桅杆、桥墩、冷凝器排管、 冷却塔等。因此,对于圆柱绕流的研究具有十分实际的工程背景。随着计算 机的发展,越来越多的研究人员采用数值计算的方法来研究圆柱绕流问题。 闵强利:】采用有限体积法、结构化网格和方法求解不可压缩.方 程,对的圆柱绕流进行数值模拟,在线了圆柱尾流部流动分离、 涡街生成和脱落以及随时间推移尾涡区非定常的发展过程。结果表明:圆柱 尾部存在稳定的“回流区”,回流区的长度大约等于圆柱的直径;涡街脱落 具有明显的周期性和强烈的三维效应。 胡卫华【】应用软件,采用数值求解方程的粘性流方法,对 多圆柱黏性绕流场进行模拟。结果表明,串列双圆柱绕流场与圆柱间距有关; 并列双圆柱尾流存在反向对称涡街;斜置双圆柱与圆柱绕流场存在后柱抑 制前柱涡的分离现象;方形排列柱绕流场为我存在分对称性。 詹吴,李万平和方秦汉等】采用软件对不同雷诺数下的圆柱绕流 进行计算。采用大涡模型,不可压缩?方程,计算三维圆柱绕流的气动力 特性。系统分析了涡脱落形态,阻力系数,数随雷诺数的变化情况。 刘松等【采用有限体积法,对绕串列双圆柱的二维不可压缩流动在不同 的间距比时进行了数值计算,结果表明,间距存在临界值,在临界值附近, 圆柱所受的动力学量突然变化。 和 】采用有限体积法,自适应三叉树网格,全隐式和半 隐式格式对二维自由圆柱与流体之间的相互作用进行了数值研究,并且求解 出了圆柱在流体的作用下的运动。 】综述了进年来关于双圆柱绕流问题中的各种排列组合的 研究。文献总结了两个等直径无限长的圆柱在来流中的尾流模式,雷诺数的 影响,尾涡结构和运动行为,测量动力学系数和数的一般方法。等研究了二维 双圆柱串列在层流和湍流时的流体特性。 为了揭示雷诺数和圆柱间距对流动的影响,对数,阻力和升力系数 进行了详细研究。结果表明,在层流和湍流情况下呈现出了完全不同的特性。 】等研究了雷诺数在和情况下,固定双圆柱在串列、 并列和交错排列时的流动情况。重现了一些在实验中观测到的现象,并且得 到了一系列的双圆柱交错排列的力学特性和流动状态。第页 西南科技大学硕士研究生学位论文 .钉盘磨齿钉气流阻力矩研究方法 ..钉盘磨齿钉结构 钉盘磨如图.是属于高速旋转撞击式粉碎机中的一种,一般又称作针 盘式粉碎机、销棒式粉碎机、万能粉碎机等,其工作原理是在两个磨盘上按 要求排列数圈齿钉,将两磨盘上的齿钉相互啮合,在电机的带动下高速旋转, 产生一个强烈的相对运动,从而对物料颗粒产生碰撞、挤压、摩擦和剪切等 作用,进而使物料被粉碎到一定的粒度。钉盘磨由于其结构简单、维护方便、 生产能力大、生产成本低等优点,在工业生产中被各行各业广泛使用。 一门 一左带轮 一左轴 一左轴承座一进风 一进料 一壳体 一左钉盘 一右钉盘一右主轴 一右带轮一右轴承座 一底座 图卜 钉盘磨磨结构.? 钉盘磨齿钉作为钉盘磨中最重要的粉碎部件,其结构和排列形式有许多 种类。以二维情况为例,图.为最典型的只有圈齿钉的钉盘磨齿钉的结 构形式和布局形式。在此种典型的结构中,齿钉的外形结构为圆柱型齿钉; 两圈齿钉分别均布在半径不同的圆周上,分别在电机的带动下高速旋转,对 物料颗粒产生冲击作用,以达到粉碎物料的目的。 钉盘磨齿钉对应于不同属性的材料,又有着不同的结构上的变形。对于 脆性材料和颗粒粒度较大的情况,钉盘磨对物料颗粒的粉碎主要靠物料颗粒 与齿钉之间的冲击碰撞作用来对物料进行粉碎。此时,钉盘磨的齿钉的形式 必然要求其要耐磨蚀,且有较好的刚性,不易损坏,因此,在此种情况下对 物料进行粉碎,其齿钉的形式应该为钝体,如圆柱齿钉等。而对于弹性、韧第 页 西南科技大学硕士研究生学位论文 一步的粉碎:而颗粒粒度较小的情况,由于颗粒的尺寸效应【】颗粒的破坏逐 渐由脆性破坏为主转变为塑性破坏为主,颗粒越小,所需要的碰撞的相对速 度越大,而钉盘磨的机械制造工艺限制了磨盘的转速不能无限的增大,此 时,. 冲击碰撞对颗粒的粉碎作用不显著。因此,在这两种情况下,颗粒的粉碎应 主要以剪切粉碎为主,以便物料颗粒得到进一步的粉碎。相应地,钉盘磨齿 钉可以做成三角形来增强齿钉对颗粒的剪切作用;同时,也可以减小相邻两 圈齿钉之间的径向间隙,以较大的气流速度梯度对颗粒进行气流剪切、撕裂。 ..钉盘磨齿钉气流阻力研究方法 如图.,两圈钉盘磨齿钉在粉碎流场中高速转动;同时气流也以一定 的速度从入口进入流场区域。取图.中用点划线框出的齿钉,分析其与气 流之间的相对运动。如图.所示,气流以速度进入流场区域,且齿钉自 身也以速度口绕圆周旋转。将齿钉视为不动,则流体除了具有从入进入流 场区域的速度外,还有一个与齿钉自身运动速度大小相等、方向相反的一个 相对速度向。将,与励合成,得到气流与齿钉的和相对速度。至此,钉盘 磨中单个齿钉与流体相对运动转化为了圆柱在流动速度为的流体中的绕流 问题。虽然在实际流场中,各个点的流体速度并不是均匀的,但是同样可以 借鉴圆柱绕流问题的研究方法。而对于圆柱绕流问题中,圆柱所受流体阻力 的研究的文献很多。因此,本课题中的齿钉所受流体阻力的研究可以借鉴圆 第页 西南科技大学硕士研究生学位论文 柱绕流问题中单个圆柱,双圆柱及多个圆柱的阻力研究。 ,、、. .态 \ 』\ \ / 图 单个齿钉和气流相对运动分析 图卜 钉盘磨齿钉和气流运动 .卜。 .?由..节可以知道,对于圆柱绕流问题的研究一般是采用方法进 行,故本课题对于钉盘磨中齿钉阻力矩的研究也采用技术进行;同时为 了在较少的计算次数下就能得到构建阻力矩模型所需要的各个工况的阻力 矩 数据,采用正交试验设计的方法进行计算方案的设计;最后采用量纲分析和 神经网络两种方法分别建立阻力矩模型,并对比两种方法建立的模型的预 测误差,最终确定本课题的阻力矩模型。 .课题目的和意义 一般的高速旋转式粉碎机都带有筛网,以保证出料颗粒达到一定的细 度。加了筛网之后的粉碎机的运行状况十分依赖于喂料量的大小:若喂料量 太小,则粉碎区内主要粉碎方式为冲击粉碎,颗粒间的摩擦作用很小,而随 着颗粒粒径的减小,产品会出现一个极限粒径,,使得物料颗粒更加难以粉 碎;若喂料量太大,则在粉磨的过程中,前一批物料还没有粉磨到所要求的 细度,后面的物料也连续不断地进入粉碎区,导致物料的堵塞,增加电机负 荷,使粉碎室和轴承的温度增加,不仅会降低轴承寿命,而且若是粉磨某些 热敏性材料的话,还有可能造成产品的失效。西南科技大学硕士研究生学位 论文 第页 针对上述情况,绵阳某公司开发了一套无筛网的粉碎系统。其中,粉碎 机采用钉盘磨,内部不含筛网。物料颗粒进入钉盘磨被粉碎之后,物料通过 负压的作用进入后续的空气分选设备,将其中符合要求的颗粒分选出来,而 还未达到要求的物料颗粒则返回到钉盘磨中继续粉磨。经过此种改进之后, 整个系统的处理量大大增加,磨机对喂料量的敏感性相对降低,且整个系统 处在一个负压的状态下,磨机产生的热量将随着空气排出,故系统的温度将 保持在一个较低的水平。但是,由于颗粒进入磨机后,没有筛网的阻挡,其 一旦通过了齿钉啮合的区域就直接被空气带走,只能在后续的空气分选设备 中被选出返回磨机再一次进行粉磨,直接导致循环负荷增加。 根据已有的文献资料,越来越多的研究者采用数值模拟的方法来研究粉 碎机内部流场和颗粒运动的情况,却很少有人研究过磨机中齿钉的受力情 况, 并且在已有的资料中,大部分研究都是稳态时的情况,而齿钉这一类钝体在 流场中,其流场的本质是瞬态的,这相对于稳态对颗粒轨迹的影响也有较大 的区别。因此,本课题的主要目的是:探索流体对齿钉的阻力矩情况;在此 基础上得到磨机较准确的瞬态流场,为今后研究颗粒运动奠定基础;对钉盘 磨所受阻力矩进行建模,预测在各种工况下钉盘磨所受阻力矩。 .课题研究总体思路 直接对于钉盘磨齿钉受流体阻力矩情况的研究文献资料还比较少,但对 其比较准确的预测对于磨机的减阻、流场的演化和颗粒运动规律的研究均有 较大的意义。因此,本文主要采用方法,对钉盘磨所受到的流体阻力矩 进行预测和建模,课题具体的总体研究思路如下: 计算模型的进行算例验证。为了保证计算的准确性,需要对计 算模型进行算例验证。由于本课题中的钉盘磨采用的是圆柱型齿钉,故采用 与其流动状况相似的均匀来流中圆柱绕流问题进行模型的验证。 正交试验设计。结合已有的一些文献资料,对磨机的结构和参数进行 分析,确定出对齿钉受力情况有影响的参数。为了节省计算资源,对这些参 数进行正交试验设计,并进行数值计算,得到齿钉所受到的流体阻力矩。对 计算结果进行极差分析和方差分析,对个因素的影响程度进行初步的分析。 钉盘磨阻力矩模型的建立。采用各种方法对齿钉所受的阻力矩进行建 模,并且使建立的模型能够比较准确地预测新工况钉盘磨所受的阻力矩。西 南科技大学硕士研究生学位论文 第页 构建齿钉气流阻力模型理论基础 . 钉盘磨齿钉所受阻力矩分析 .. 钉盘磨齿钉阻力矩的计算 在钉盘磨内部流场中,齿钉在内部旋转,同时气流也从入口进入流场。 考虑流场中单个齿钉的受力情况,如图.所示。 鼍 图? 单个齿钉堂流体作用力 ’.?若流动过程中某个时刻,假设流体作用在齿钉上和方向的合力分 别为,工和?则它们在其所在圆周切线方向的分力和乃,,分别为: ? 州, “,, 则单个齿钉所受的流体的阻力矩尬的大小为 ? ,。一鼻,, 若在半径为尺,的圆周上一共有个齿钉,则这一圈齿钉所受的流体阻 力矩,的大小为 ,, 、 ?:。?一民 \ / 若整个流场中,在半径为,,,?,。上有胛圈齿钉,每圈齿钉上有 ,,,?,。个齿钉,则整个钉盘磨齿钉所受的阻力矩的值为西南科技大学硕士研 究生学位论文 第页 ?’ ,兰‘,一瓦 ? ,?嘛一瓦? :窆 , \ / 从以上分析可以知道,要求得钉盘磨所有齿钉在某一时刻所受的合阻力 矩,关键是求得该时刻所有齿钉所受到的流体的作用力。 ..钉盘磨齿钉所受流体作用力 齿钉在流体中运动所受到的阻力按力的性质,可以分为摩擦阻力和压差 阻力。摩擦阻力指的是作用在面上的切应力在运动方向的合力,其大小取决 于粘性系数及物体表面的面积。压差阻力是垂直物面的压力在运动方向的合 力。 若流场中某时刻气流的速度和压力分布已知,则压差阻力和摩擦阻力 凡分别为 ‘上面嬲 ‘ 其中,为壁面的压力分布;刀为壁面的法向量;为壁面的切应力,其表达 式为 陋, 书 删嘉‖ 弘面? 其中,‖为流体粘度;罢为壁面法向的速度梯度。 \砌//? 由以上分析可知,要求得每个齿钉所受流体阻力,需要知道流场中流体 的压力和速度分布。因此,速度场和压力场是求解齿钉所受阻力的关键。关 于流场速度和压力的求解方法将在下面做进一步介绍。 .流体力学基础 流体力学的基本任务在于对于不同的具体问题建立描述流体运动的基本 方程,确定流场中的速度、压力的分布,探求能量的转换及损失情况,解决 流体与固体壁面之间的相互作用等问题。对于后面的数值计算,必须要建立 在一定的流体力学理论基础之上,故本节对数值计算需要的一些相关的流体 西南科技大学硕士研究生学位论文 第页 力学知识进行简要介绍。 .. 流体性质 流体本身具有许多性质,包括粘性、可压缩性、热传导和扩散、表面张 力等。在本课题中,按照连续性假设,不考虑热传导,且空气速度较低,可 不考虑空气的可压缩性,故在此主要介绍流体的粘性。 真实世界中,粘性是所有流体固有的基本属性。第一个直接研究流体摩 擦力的也许是。,他发明了天平系统,应用以测量人工气流中静止 模型的阻力【引】。年牛顿在他的《自然哲学的数学原理》中,对流体的粘 性作了简单的定义:“流体的两部分由于缺乏润滑性而引起的阻力,同流体两 部分彼此分开的速度呈正比”。为了纪念牛顿,这一类流体被称作牛顿流 体。 用数学语言来描述即成为牛顿内摩擦定律: ??“?? . 仁’坐:“一/. ’ ’ 其中,为流体间的摩擦力;/为速度在壁面法向上的变化率;‖为 比例系数,即为流体的动力粘度,单位为?/。它是流体的固有属性,仅 与流体种类、温度和压力有关。 除牛顿流体外,自然界中还存在着另外的所谓非牛顿流体,两者的主要 区别在于流体之间的摩擦力是否与速度梯度成线性关系。由于本课题中所涉 及的流体是空气,属于牛顿流体,故对于非牛顿流体的介绍在此忽略。 ..流体的流动状态 流体的流动有两种截然不同的流动状态,即层流和湍流。层流的主要特 点是流动规则,流体各层之间的流动互不干扰。湍流则完全相反,其主要特 点是流场中的物理量随时间和空问均有一定的随机的脉动,脉动的频率在 .赫兹之间,各部分相互混杂。两种流动状态在一定条件下可以相互转化。 在自然界与工程问题中,绝大部分流动都属于湍流。 年,雷诺最早对湍流现象进行了研究。他在圆管内的粘性流体运动 进行实验。为了清楚的识别管内流体的流动状态,他在流体中注入了有色的 颜料。实验表明:当流速不大时,管内出现一条条与管壁平行的有色细丝, 各个流体层间的流动并不相互干扰;随着流速的增加,细丝逐渐变粗,当速 度达到某一数值时,细丝突然分裂成为许多小漩涡,并迅速扩散并消失,此西 南科技大学硕士研究生学位论文 第页 :::二:: ??一 ??????????????????????????????????????????????一一?? 时整个流体矩呈现出~层淡薄的颜色。实验表明流动由层流状态转变为湍流 状态,同时也有力地说明了两种流动状态各自的特征。 .. 不可压缩粘性流动基本方程 前面已说明,本课题中的流体不考虑热传导和可压缩性,故流体运动的 基本方程即为不可压缩粘性流动的基本方程,忽略外力之后,其具体形式如 下: . ??“??????一一二 、一. 、 祟“罢娑坐:一土罢旦‘却 瓠 空“竺’,坐生:一望旦? 《? ??十“??十’,????一一二二? . 礅 谚 弛 . ? ??材??十????一一二二 一材塑丝坐:一三至旦 谚?/.‘ 坐竺坐: . 一牟~上一 孤 劫 方程...对层流和湍流均适用,但是由于湍流中存在着剧烈的随 机脉动,这种强烈的无规则的变化使得我们无法解析的求解,并且这种随机 的过程中的每一次单独的过程意义不大,有意义的是总体过程的统计特征; 且若采用以上方程组来直接求解湍流的话,需要的计算量相当大。因此,对 于湍流的基本方程,我们按照雷诺平均法建立。首先,利用方程?将 ...改写为 丝望塑塑:~三至旦 . 么。斗 ????一??~一二二 瓠 两. ~。 一塑竺塑:一三望旦? ????一??一一二一? 融 却 砂 ?塑塑竺:一望旦? . 印连续性方程不变,依然为式.。方程一..中的所有变量均为 瞬时值。引进时均量,将方程中各个变量表示为时均量与脉动量之和,即 甜甜,可’,一 ? ,乃’ 将.带入.一.,并在各个方程的两端进行时均化运算,按照 时均化运算法则,经整理有西南科技大学硕士研究生学位论文 第 页 .一 票票要:一 鲫 ,墨石墨矿盟诼堡:一至邮?瓦捌盘垒型丛趔 百?瓦?万一素肚?二兹亨专 ,堡历翌可堡面盟:一至肚可丛竺型捌盘竺型 、\ \ 曲 ,亚厉堡歹亚万亚:一望脚生巫型生巫亘捌 百栅瓦瓦栅瓦』一言必?亏一十二亩一半 ? 对比层流情况流体运动的控制方程组...,流体湍流运动的方程 组多出了一项由于流体随机脉动而引起的应力项,即所谓雷诺应力项,其 早一个对称的二阶张量表达式为 一“’ ~“’’ 一’’ ’ 一’’ 一 一 ? 二’ ~’’ 一’ 。计算流体力学基础 计算流体力学 ,是采用数值方法通过 计算机直接求解描述流体运动的基本方程,揭示流体运动规律的一门学科。 的基本思想可归纳如下:将时间和空间中连续的物理量的场,用一系列 有限个离散点上的值的集合来代替,通过一定的原则建立起这些离散点上变 量值之间关系的代数方程,求解所建立的代数方程以获得所求解变量的近似 值。 有着许多传统方法所不具有的优点。首先,对于流动问题非线 性的控制方程、复杂的边界和多自变量的问题有着很强的适应性;而一般的 解析的方法要求解多变量的非线性偏微分方程组十分困难。其次,可以 很方便的改变流动问题中的某些条件,从而进行充分的数值试验,并且可以 大幅节约成本。再次,可以得到流场中流体的流动细节,如压力场、速 度场、颗粒轨迹等,而要在真实流动中实际测量全流场的流动细节比较困难 西南科技大学硕士研究生学位论文 第页 且成本较高。 .. 有限体积法简介 在过去的几十年里,已经发展出了多种数值方法,其问主要区别在 于区域离散方式、方程的离散方式及代数方程组求解方法这个环节。在 中应用较广的有:有限差分法 ,、有限元法 ,和有限体积法 ,。下 面主要对本课题所采用的有限体积法进行介绍。 有限体积法是将计算区域划分为一系列的控制体积,在每个控制体积内 对控制方程进行积分来导出离散方程的方法。在有限体积法中,每个控制体 积中的变量值储存在节点上。由于离散方程是通过积分导出的,因此离散方 程中将出现控制体积边界上各个变量的值,而变量的值是储存在节点中,故 需要利用相邻节点上的变量值来表示边界上的值。采用有限体积法导出的离 散方程具有守恒性,且离散方程系数的物理意义明确,是目前中应用最 广泛的一种方法】。 离散方程中边界上的变量值需要用节点上的值来表示,而不同的插值方 法具有不同的计算量和精度,这些插值方法般称为离散格式。最初的离散 格式采用中心差分格式,即界面上的值取相邻节点值的算术平均值,其具有 二阶精度。但是其只有在对流作用较小时才会成功,当对流作用较大时,中 心差分格式会导致物理上的不真实的解。为克服这种困难,提出了一阶迎风 格式,其界面上的值恒取为上游节点上的值。之后,又陆续提出了混合格式、 指数格式、乘方格式等,这些格式均被称为低阶格式?。由于低阶格式的数 值计算误差较大,会引起所谓的假扩散,使得数值解的结果与真实解之间的 误差增大,因此学者们又发展出了一些高阶的离散格式,如二阶迎风格式 【”,、 】。高阶格式的主要思想是对控制体积界面上 三阶迎风格式和格式】 的变量值采用更多的相邻节点上的值进行插值。高阶格式的精度高,但由于 引入了更多的相邻节点进行插值,因而计算量较大。以上均是在空间上对方 程进行离散,而对于瞬态问题中的时间域上的离散一般有显示格式、 ?格式和隐式格式等三种【】。 ..流场数值计算方法 在将控制方程离散之后,需要采用数值计算方法来对这些离散的代数方 程组进行求解。在发展过程中出现了许多数值计算方法,如拉克斯一温第页 西南科技大学硕士研究生学位论文 德罗夫.方法、麦考马克方法、交替方向隐式. 方法、压力耦合方程的半隐式算法. ,等,其中目前应用最为广泛的是算法,其在 年被和提出后,在此基础上又发展出了许多改进的方法, 如、等。算法主要应用于可压缩.方程的求 解,其克服了以前的一些差分方法不能对棋盘式的压力和速度分布有所察觉 的困难。 算法本质上是一种带有迭代性质的方法,其计算步骤如下【】: 假设一个速度场,记作、,以此计算动量离散方程中的系数及常 数项; 假设一个压力场; 以此求解两个动量方程,得到甜、; 求解压力修正方程,得到’; 根据’改进速度值; 利用改进后的速度场求解那些通过源项物性等于速度场耦合的变量 伊,若妒不影响流场,则应在速度场收敛后再求解; 利用改进后的速度场重新计算动量离散方程的系数,并用改进的压力 场作为下一层次迭代计算的初值,重复以上步骤,直到获得收敛的解。 ..湍流的数值计算方法 在..节中已得出了湍流的时均化方程,相对于层流的控制方程,湍 流时均化方程中多出了雷诺应力项,使得控制方程多出了个未知数,方程 不封闭,因此要对湍流进行数值计算必须首先对控制方程进行封闭。 年,假设湍流脉动造成的附加应力可以同时均的应变率 关联起来,即假设。对于层流情况下流体应力与应变率的本构方 程为 彩, ,一鹏‖考等詈如若 其中‖为流体的动力粘度;西为 函数,时,;?, 时,『。 仿照此式,将雷诺应力表示为西南科技大学硕士研究生学位论文 第页 纠, 一弼一卵。?【等等一舻。考 其中,,和甜,均为时均值;/,为湍流粘性系数,其仅取决于流体流动状 态;,为脉动速度造成的压力,定义为 ,:三铲?矿肚 此处的为单位质量流体湍流脉动动能 . 尼:去旷?一 则.可以写为 功, 一瓦销考筹詈降?善一 而对于不可压缩流体,其雷诺应力具有更简单的形式 瑚,. 一弼硼蔷等一了脚。 由矢,要确定雷诺应力,关键在于如何确定湍流粘度‖,。历史上曾 发展出了许多种确定湍流粘度的方法,即湍流模型。根据确定湍流粘度方程 的多少,可以分为零方程模型、一方程模型和两方程模型等。其中两方程模 型是目前工程中的主流。两方程模型又包括: 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 模型、 模型、 模型、尼.模型、尼.?模型、尼.,模型、尼.模型等。 七.?模型是由于年在七.?模型的基础上发展而成。七.? 模型是一种低雷诺数的模型,其直接对粘性底层进行计算,并不像一般的 模型需要引入壁面函数来处理近壁区。由此,采用一个混合函数 将计算壁面边界层内部的模型和计算壁面边界层外区 的模型结合起来,因而使得 模型能同时计算流动区域中远场的 高雷诺数区和近壁的低雷诺数区,而不需要额外的壁面函数。由于 模型的这一优点,使其在计算有逆压梯度、流动分离的情况存在时表现较好。 结合本课题的计算模型,可以预见其中存在的圆柱齿钉会导致流动在齿钉背 部会出现流动分离的现象,因此,在之后的计算中均采用 模型。 尼.?模型中,分别对湍流动能和比耗散率建立输运方程】西南科技大学硕士 研究生学位论文 第页 彩, 昙似,毒咖扣毒睁尝考彘一 珈, 昙?毒呲毒?等筹。一圪见 其中、%分别为湍动能和比耗散率【的湍流普朗特数; 、?分别为平均速度梯度引起的湍动能和比耗散率?的产生项; 圪、比分别为湍流引起的湍动能和比耗散率?的耗散项; ?为交叉扩散项。 在式?和中,‖,和吼、仃?的表达式如下 似 ? 肼一? 七一, 南 吼币瓦可函而 ? 吒币可瓦 系数限制了湍流粘 其中,为应变率的模,‖陀,品为应变率张量; 度,对低雷诺数进行修正,其表达式为 ?????』? ? 栽酱 其中,,印坳,,邓,/,/,.。 混合函数,,乃分别定义为 ? , 卟志,黜若 陆, 仃础 ,出, 。。?瓦?? 西南科技大学硕士研究生学位论文 第页 扣; ? 卟志,筹 对于湍流产生项的计算分别如下 的产生项茸 反。, 其中,。.,为应变率张量;‖为修正系数。 ?的产生项? ? 。:旦々 其中 仅》鬻 盱》彘一一鼻悟彘 %霄一丽。霄一丽 式中,.。 对于湍流耗散项的计算如下 的耗散项 ’? . 式中 ? 卢卢:制,,】 ?的耗散项圪 筇? 式中 脚,愕和川第页 西南科技大学硕士研究生学位论文 卢,卢?一卢心 . 为压缩函数,其表达式如下 ,?, ,:』, , , 一二 ?: 式中 ?: ,. / 交叉扩散项的计算如下 优:一。土兰娑 ?戗.戗. 模型中的常数如下【】 ,厂.,,.,..,‰.,.,‖,尸.,‖,,尸., 【。,/,‖。.,口,,尺?.,.,蚴. ..计算流体力学软件 随着计算流体力学的发展,市面上出现了如、、 .、、等通用商业软件,为进行工作的人员提供 了极大的方便,这些软件的显著特点为: 功能比较全面、通用性强,几乎可以求解工程界各种复杂问题。 具有较好的前后处理系统和与其他软件的接口能力,同时还允 许用户根据自己的需要开发自己的模块。. 具有较完备的容错机制和友好的操作界面,稳定性高。 支持多种计算机、多种操作系统,也可以在并行环境下运行。 本课题选择软件进行,以下对其进行较详细的介绍。 是美国公司于年推出,是继之后第 二个投放市场的基于有限体积法的软件。是目前功能最全面、适用 性最广、国内使用最广泛的软件之一。 提供了丰富的网格形式,包括三角形、四边形、四面体、六面 体金字塔形等网格,并且有专门的前处理软件,同时也提供了与其他网格生 西南科技大学硕士研究生学位论文 第页 产软件,如,,等的接口。其速度与压力耦合采 用同位网格上的算法。对流项提供了一阶迎风、中心差分、 等离散格式。还提供了丰富的湍流模型,包括标准模型、 模型、 模型、模型、 模型、模型、模型 等。可以完成多参考系下流场模拟、定常与非定常流动模拟、不可 压和可压流模拟、层流和湍流模拟、传热和混合分析、化学组分混合和反应 模拟、多相流模拟、流固耦合传热模拟等。还提供了丰富的宏,可 以使用户根据自己的需要开发用户白定义程序进行扩展计算,可以让 用户设定方程中的源项,自定义边界条件、初始条件、流体的物性、添加新 的标量方程和多孔介质模型等。同时,还支持并行计算,较高的计 算效率使得大尺度计算成为可能。 .正交试验设计简介 正交试验设计【是采用正交表安排试验方案。正交表是在组合理论推导 出的,其中各因子水平的搭配比较均匀。在有多个影响因素的试验中,随着 因素个数的增加,相应所需要的试验次数也会增加,有时试验次数甚至多到 无法承受。如有个因素,每个因素有种试验水平,若进行全面试验,则 总共需要次试验。而正交试验设计就是为了解决在多因素情况下,试 验次数过多的问题,其主要思想是选出某些最具代表性的水平组合进行试 验, 通过较少的、最具代表性的组合的试验结果来观察试验中所有因素在各个水 平上对试验结果的影响程度。 .. 正交试验设计基本步骤 正交试验设计总的来说包括两个部分:试验设计和数据处理。其基本步 骤如下: 明确试验目的,确定 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 指标 对于任何一个试验均是为了解决某个问题,对于这个问题的解决,试验 者需要根据已有的经验提出一个或几个量化的指标。 挑选因素,确定水平 在试验设计之前,需要对实际问题进行分析,选出主要因素,略去次要 因素;而对已选因素水平数的确定,一般尽可能是因素的水平数相等,以方 便处理。以上两点主要靠专业知识和实践经验来确定,是正交试验设计能够 西南科技大学硕士研究生学位论文 第页 顺利完成的关键。 选正交表,进行表头设计 根据因素和水平数来选择合适的正交表。其选取原则: 、先看水平数。 、再看正交表列数是否能容下所有因素包括交互作用。 、要看试验精度的要求。精度高,则选用试验次数多的正交表。 、若试验费用很昂贵,或试验的经费很有限,或人力和时间都比较紧 张,则不宜选试验次数太多的正交表。 、按原来考虑的因素、水平和交互租用去旋转正交表,若无正好使用的 正交表,简便且可行的办法是适当修改原定的水平数。 、对某因素或某交互作用的影响是否确实存在没有把握的情况下,选择 正交表时常为该选大表还是小表而犹豫。若条件许可,应尽量选用大表,让 影响存在的可能性较大的因素和交互作用各占适当的列,某因素或某交互作 用的影响是否真的存在,留到方差分析进行显著性检验室再做结论。 表头设计原则: 、若考察交互作用,则先安排含有交互作用的因素,按交互作用列表的 规定进行表头设计防止含有交互作用的因素发生混杂;然后再安排不含交 货作用的因素,可以在剩余列上任意安排。 、若不考察交互作用,则各因素可顺序入列或随机安排在各列上。对 试验之初不考虑交互作用而选用较大的正交表,空列较多时,最好仍与有交 互作用时一样,按规定进行表头设计。只不过将有交互左右的列先视为空列。 明确试验方案,进行试验,得到结果 完成表头设计之后,只需把正交表中各列上的数字、、分别看作该 列所填因素在各个试验中的水平数,这样正交表的每一行就对应着一个试验 方案,即各因素的水平组合。 对试验结果进行统计分析 正交试验结果的分析,通常有两种方法:直观分析;方差分析。通过试 验结果分析可以得到因素主次顺序、因素显著性及最佳方案等有用信息。 进行验证试验,作进一步分析 ..正交试验结果的极差分析 极差分析是对正交试验结果的一种直观的分析方法,其具有简单易懂, 应用性强等优点。西南科技大学硕士研究生学位论文 第页 极差分析的主要思想是求出每个因素在组合方案中所有水平试验值的 极差,比较极差的大小,越大表示该因素在所试验的水平范围内对试验值的 影响越大;反之,则越小。对于极差的计算,可以按以下步骤进行: 计算墨。表示任一列上水平号为时所对应的试验结果之和。 计算。,表示任一列上因素取水平时所得试验结果的算术平均值, ,/,其中为任一列上个水平出现得次数。 计算极差。在任意一列上,,?.,.,,?.,, 或,,幻?.,岛.,,也?.,一般试验水平数较少且水平数相 同时,可用,?.,墨.,,?.,墨作为极差。 一般来说,各列极差是不相等的,即各因素的水平改变对试验结果的影 响是不相同的,极差越大,表示该列因素的数值在试验范围内的变化会导致 试验指标在数值上有更大的变化,故极差最大的那列,就是因素的水平对试 验结果影响最大的因素。 一般来说,在对试验结果进行分析后需要确定最优的因素水平组合方案, 各优水平的确定于试验指标有关,若指标越大越好,则应选取是指标大的水 平,即各列或尼,最大的那个值对应的水平;反之亦然。 .. 正交试验结果的方差分析 极差分析虽然简便易懂,但是其不能估计各因素对试验指标的影响是否 显著,且不能估计误差的大小,因此,采用方差分析的方法是很有必要的。 方差分析的基本步骤如下: 偏差平方和的计算与分解 若用正交表安排个因素的试验包括存在交互作用因素,则有 占爿。??。 式中,’表示总偏差平方和;函,品,瓯。分别表示因素,因素和与 的交互作用的偏差平方和;表示误差的偏差平方和。 若用正交表。来安排试验,则。偏差平方和’为 . ,, 月 ,,,, 、 丁 ,‘ ,?,一?;一吉【、?, ,‘\ / 式中, 为各数据的平方和;为所有数据之和。 对于任意一因素,假设其安排在地列,用砀表示的第,,..., 个水平的,.个试验结果的平均值,则 ,,一第页 西南科技大学硕士研究生学位论文 用一丁一一丁 爿言‖一三芝 误差的偏差平方和为:.各因素含交互作用的偏差平方之和。 计算平均偏差平方和与自由度 将个偏差平方和分别除以各自相应的自由度,即为各个因素的平均偏差 平方和及误差的平均偏差平方和。如厶,%?,圪? 对于 ,爿。 有 厶厶丘 ? 式为.自由度分解公式,即总自由度等于各列偏差平方和的自由度 之和,其中,总试验次数一.;办因素的水平数..;如因素 的水平数?;币?怕。 若、两因素存在交互作用,则。的自由度.厅。等于两因素自由度 之积,即办。口办呖,此时,磊丹?怕场。占。 值计算机检验 因素水平变化引起的平均偏差平方和与误差的平均偏差平方和的壁纸称 为因素的检验值,即以因素为例 ? 等 / 对于给定的,从分布表中查出?,工,并与因素的检验值想比 较,若乃?凡以,石,则说明因素变化对试验指标的影响大于误差的影响, 即该因素影响显著;反之,则影响不显著。对其他因素和交互作用的检验也 一样。 .量纲分析简介 不同的物理量的量纲可以用来分析或检验几个物理量之间的关系,这种 分析方法称为量纲分析?】【。为了辨识某类物理量和区分不同类物理量的 方 便,人们用“量纲”这个术语来表示物理量的基本属性。物理量总可以按其 属性分为两类。一类是有量纲量,即其大小与度量时选用的单位有关;二类西 南科技大学硕士研究生学位论文 第页 是无量纲的量,即其大小与度量时所用的单位无关。 在一个物理问题中,物理量又可以分为两类,即基本量和导出量。基本 量指是指具有独立量纲的量,其量纲不能表示为其他物理量量纲的组合,如 时间,质量,长度等;导出量是指其量纲可以表示为基本量量纲的组合的量, 如流量,密度,能量等。物理量的量纲记为,学术界沿用习惯记为 。..在 年提出:对于力学问题,任意物理量的量纲在 长度、质量、时间量纲分别为三、、乃的系统中,可以表示为基本量量纲 的幂次形式,即 三‖, . 其中,,‖,,为实数;而纯数的量纲与长度、质量和时间无关,可表示为 纯数三。硝 量纲分析的理论核心是定理,首先由.提出,后在 年,..将其命名为定理。 在一个物理问题中,其变化规律可以表示为确定的函数关系。若问题中 有心个自变量,,,?,盯,则因变量为这胛个自变量的函数,即 ,,?々,女,?。 若前个自变量为基本量,其量纲分别为彳,,,?,彳。;其余.个 自变量,,,?,一,其量纲可以表示为基本量量纲的幂次形式 。,彳,。么多?彳‘, 彳。?彳‖, 。彳,彳于?彳?而因变量也是导出量,其量纲为 么”。彳