（机械设计及理论专业论文）曝气机的创新设计及其模拟分析研究.pdf

塑坚查兰堡主兰竺笙兰 一一! ! 兰 摘要 曝气机作为一种有效的污水处理设备在市场上的需求量很大，市场要求加速 产品设计，但是曝气机传统的设计方法设计效率低，设计可靠性差，生产周期长， 这对企业取得市场竞争优势很不利。同时，市场对曝气机的功能提出了更高的要 求，需要改进设计方法和手段，进行曝气机的创新设计，改善现有产品的技术性 能、可靠性、经济性以及使用性能，满足生态环境保护的新需要。因此在当前形 势下，进行曝气机的创新设计具有非常现实的、重要的意义。 本文运用刨新设计的思想和方法，进行曝气机创新设计的应用研究；通过功 能提取、功能分解和功能原理求解进行方案创新设计，建立计算机辅助评价系统， 评价得到最优方案；借助c a d 进行产品结构的创新设计，利用c a e 进行结构的 模拟分析计算；设计出具有功能创新和结构创新特点的曝气机。 本文研究的主要内容分为以下四个方面： 1 根据市场需求和客户反映的意见建立设计任务书，分析设计要求，运用 创新设计的思想和方法，提取产品的总功能，进行功能的分解，对分功 能进行原理求解，产生一系列的方案： 2 结合产品的经济因素、技术因素以及社会因素，确定较为合理的评价准 则，运用适当的评价方法，建立计算机辅助评价系统，对方案进行评价 和筛选，选出相对较优的方案： 3 结合工作原理和设备的性能要求，运用计算机辅助设计手段，对曝气机 的水力推进装置，气水混合装置和气水导流装置进行结构创新设计； 4 应用计算流体力学软件对气水导流装置进行模拟分析，在不同的出水口 支管数量、不同形状的导流底盖和不同锥角的锥形导流底盖三种情况下 得出各自的模拟结果，根据结果进行方案的筛选和设计结构的参数确 定。 企业对设计的曝气机样机进行了试制和下水试验。结果表明：样机的溶氧 效果和服务面积都有很大的改进和提高。 曝气机的创新设计加快了设计进程，提高了设计效率，缩短了生产周期； 方案的计算机辅助评价系统使方案的评价变得较为方便、直观；在设计过程中 计算机辅助设计和数值模拟分析的应用对设计结构的参数的确定起到了积极的 作用，提高了设计的可靠性。 关键词：曝气机创新设计设计方法学评价准则评价系统数值模拟 堑望查兰婴主兰堡丝壅! 堕曼 a b s t r a c t t h ei r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o dt h ea e r a t o ri si n e f f i c i e n ta n du n r e l i a b l e i tl e a d st o l o n gp e r i o d i c i t yo fp r o d u c t i o n t h ee n t e r p r i s ec a r m _ o tb el nr e s p o n s et o t h em a r k e t r a p i d l y a n df a i l st ow i n t h em a r k e tc o m p e t i t i o n t h em a r k e tm a k e sh i g hd e m a n d so n t h ef u n c t i o no ft h ea e r a t o r ，s oi ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h ed e s i g nm e t h o da n ds k i l l ， t om a k ei n n o v a t i o nd e s i g no ft h ea e r a t o r ，a n dt oa d v a n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t y , t h e r e l i a b i l i t yt h ee c o n o m i c a lp e r f o r m a n c e a n dt h ep r o p e r t yo fu s e 1 1 1 eh i g hd e m a n d so f t h em a r k e ta l s of o r c et h es t y l i s tt om a k ei n n o v a t i o nd e s i g no fn e w a e r a t o r st os a r i s f y n e wd e m a n d si n l i f e c o n s e q u e n t l y , i t i s v e r ys i g n i f i c a n ta n di m p o r t a n t t om a k e r e s e a r c h e so ni n n o v a t i o nd e s i g no f p r o d u c t s t 1 1 i st h e s i sa p p l i e st h et h o u g h t sa n dm e t h o d so fc r e a t i v ed e s i g ni n t oa p p l i c a t i o n r e s e a r c ho fi n n o v a t i o nd e s i g no fa e r a t o r n l es c h e m eo fi n n o v a t i o nd e s i g ni sg o tb y f u n c t i o n d i s t i l l i n g ，f u n c t i o nd e c o m p o s i n g a n d e x p l a i n i n g ac o m p u t e r a i d e d e v a l u a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d t h eo p t i m u ms c h e m ei sf i g u r e do u t t h ei n n o v a t i o n d e s i g no fs t r u c t u r ei s m a d ea n ds i m u l a t i o ni sd o n ew i t ht h ea i do fc a da n dc a e f i n a l l y , an e wa e r a t o r ，w i t hn e w s t r u c t u r ea n ds p e c i a lf u n c t i o n ，i sa c c o m p l i s h e d t h ec o n t e n to f t h er e s e a r c ho f t h i sp a p e r m a i n l yi n c l u d e sf o u rs e c t i o n sa sf o l l o w ： 1 c o n s t i t u t et h et a s kb o o ko ft h ea e r a t o rd e s i g n a c c o r d i n gt o t h em a r k e t d e m a n d sa n dc u s t o m e r sa d v i c e ；a n a l y z et h ed e s i g nd e m a n d ；a p p l yt h et h o u g h t sa n d m e t h o d so ft h ec r e a t i v ed e s i g n ；a n dd i s t i l lt h em a i nf u n c t i o no ft h ea e r a t o r ；t h e n d e c o m p o s et h em a i nf u n c t i o nt og e tt h er e s o l u t i o no fe a c hf u n c t i o n ；f i n a l l y , g e tas e t o fs c h e m e so ft h ea e r a t o r 2as e to fr e a s o n a b l ee v a l u a t i n gr e g u l a t i o n sh a v eb e e na d v i s e da c c o r d i n gt o e c o n o m i c a lf a c t o r s t e c h n i c a lf a c t o r sa n ds e c t a l f a t i e r s b yu s i n gg o o da n dr i g h t e v a l u a t i n gm e t h o d ，ac o m p m e ra i d e de v a l u a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dt o f i l t e ra n d e v a l u a t et h es c h e m ef i n a l l y , t h eo p t i m u ms c h e m ei ss o u g h to u t 3 c o n s i d e r i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dp r o p e r t yo f t h em a c h i n e t h ei n n o v a t i o n s t r u c t u r ed e s i g no ft h ew a t e r - p u s h i n ge q m p m e n t ，g a s - w a t e rm i x i n ge q m p m e n ta n d m i x t u r et r a n s m i t t i n ge q u i p m e n ti sm a d eb yt h ea i do f c a d f i n a l l y , a ne x p e r i m e n ti s c o n d u c t e dt ov a l i d a t et h er e s u l to f t h ei n n o v a t i o nd e s i g n 4 t h em i x t u r e t r a n s m i t t i n ge q u i p m e n t i s a n a l y z e d b vc f ds o f t w a r e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eu s e dt oa s s i s ti ns c h e m ee v a l u a t i o na n ds t r u c t u r ed e s i g n ，w h i c h a r cu n d e rt h r e ed i f i e r e n tc a s e s ：d i f i e r e n tq u a n t i t yo fo u t f l o wb r a n c h p i p e s ，d i f i e r e n t s h a p eo fe q u i p m e n t st a g ) e rb o t t o m ，a n dd i f i e r e n ta n g l eo f t h et a p e rb o t t o m t h ef i n a le x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h es e r v i c ea r e aa n d o x y g e nd i s s o l v ei sg o o d t h ei n n o v a t i o nd e s i g nq u i c k e n st h ep r o g r e s so fa e r a t o rd e s i g n ，a n dm a k e si t m u c hm o r ee f f i c i e n t ，a n ds h o r t e n st h ep e r i o do ft h e d e s i g n t h ec o m p u t e ra i d e d e v a l u a t i o ns y s t e mo ft h es c h e m em a k a st h ee v a l u a t i o nc o n v e n i e n t ，i n t u i t i o n i s t i c ，a n d e f f i c i e n tt h e a p p l i c a t i o no f c a da n dc a e i sa ni m p o r t a n ta n da c t i v ea i di nd e c i d i n g t h ep a r a m e t e ro f t h e s t r u c t u r e ，a n di tm a k e st h ed e s i g nm u c hm o r er e l i a b l e k e yw o r d s ：a e r a t o r , i n n o v a t i o nd e s i g n ，d e s i g nm e t h o d o l o g y , e v a l u a t i n gr e g u l a t i o n s ， e v a l u a t i o ns y s t e m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l 堑垩查堂堡圭兰垡丝苎旦 1 1 课题的研究背景 1 1 1 课题的提出 第一章绪论 随着现代化建设步伐的加快，工业生产中不可避免的排放出大量的废水和废 气，使生态环境受到了严重的影响，环保问题就被提到日程上来。环保设备的推 广和使用弥补了工业生产带来的环境污染，改善了被污染的河流和池塘的生态环 境，进而改善了人们的生活环境。目前，曝气机作为一种有效的污水处理设备得 n t 推广。设备使用的最主要目的是增加水中的含氧量，来改善污水环境，使水 质得到净化。目前，曝气机作为一种重要的环保设备主要具有以下四个功能： 1 向水中供氧，这是最主要的功能。 2 氧和水的混合，通过曝气设备的搅拌冲击，使有机物、微生物和氧之间 充分混合、接触，这有利于有机物去除和微生物生长。 3 推动水流前进，使溶解了氧的水流尽可能的流的更远，并促使水流循环。 4 保证污水环境中的活性污泥呈悬浮状态：一般保持氧化池中的固体呈悬 浮状态而不致沉淀。 曝气机的功能主要为上述四个方面，但是它可以分为很多种 2 1 0 在众多的曝 气设备中，按轴的放置方式来分：水平轴曝气机研究最多、应用最广，它充氧能 力高、结构简单、安装维修较方便，水平轴曝气机还包括转刷曝气和盘式曝气机： 此外，还有竖直轴曝气机。按曝气方式的不同来分：可以分为水下曝气机和水上 曝气机。本文研究设计的曝气机是竖直轴水下曝气机。 现在国内各个企业为占领曝气机产品市场，一方面纷纷投入大量的人力物力 进行改进设计，另一方面增强了知识产权保护的意识，对本企业生产的产品进行 专利性的保护，防止其它企业仿造其产品，对其产品市场构成威胁。所以在这样 个大环境下，提出曝气机的创新设计是非常及时的，也是非常有意义的，对一 个企业的发展，对企业积极响应市场，溶入市场，占领市场具有举足轻重的作用。 到目前为止，国内关于曝气机的专利可查的己达到4 0 多个，可见许多企业 对产品保护的重视程度。一个企业要在知识产权保护日益受到重视的今天，只有 通过创新，设计出自己特色的专利性产品，才能够发展壮大下去，不然就会被创 新的潮流所淹没。企业通过创新设计可以突破常规的设计，提高设计效率，提高 浙江夫学硕i j 学位论文 绪论 设计的可靠性，缩短生产周期，降低生产成本，来创造更大的经济效益。 1 1 2 曝气机的发展现状 1 国外的发展现状 根据资料以及近几年零星的情报，国外氧气曝气的发展特点，可以概括以下 几点： ( 1 ) 氧曝在污水处理中是一种较新的高技术。从美国开始，逐渐扩散到其他 发达国家，发展中国家少有应用。 ( 2 ) 发展速度很快。特别是在美国，氧曝污水厂发展数目增长较快，在上个 世纪7 0 年代以后就有2 万多座，到目前就远不止此，确切数量待查证。 ( 3 ) 已经发展到一定规模。美国的些污水厂每天处理的总污水量已达2 2 0 0 多万立方米( 上世纪八十年代中已达5 千多万m 3 d ) 。 ( 4 ) 应用领域广泛，主要有工业废水处理，也有城市污水处理。根据实践， 氧曝更适用于较高浓度的难降解工业废水，但在美国，氧曝用于城市污水比工业 废水多，而且这一趋势目益明显。据分析，这可能是由于城市的文明和卫生要求 ( 如防臭) 日益提高的缘故。 ( 5 ) 供氧方式以深冷分离法就地制氧为主，特别是用在大型污水厂；分子筛 就地制氧多用于中小型污水厂；现场贮存液氧，只是为各用。 氧曝处理工艺的发展按其出现先后分为：有加盖多段式反应池；按池中曝氧 机械又分为：水下叶轮式和表曝机式；其后出现的有不加盖的反应池，池中设有 微气泡曝氧装置，有固定式的( f a d ) 和旋转式的( p a d ) ；以后又有所谓f 3 0 装置，为预制的成套曝气装置，可放在已有空气法曝气池中，使其改为氧曝池。 在以上作法中，目前最普遍的是表曝式，其次是水下叶轮式。微气泡法在1 9 7 6 年以前的实例较少，由于在空气法中运用微气泡近年又有进展，故在氧气法中是 最有进展和前途的。 2 国内发展概况 在我国，因为氧曝法在大型污水厂中应用更为经济，但由于市政管理部门倾 向于成熟的可靠工艺，故未能采用。后来又转向工业部门找用户，但也都未能实 现。直到上个世纪9 0 年代，我国第一座氧曝法污水厂才在天津石化公司成功投 产。以后就有许多公司实现了氧曝设施的建设和运行，如：金山、扬子、齐鲁和 大庆石化公司等。 对于国内氧曝设施的发展情况，可概括如下： 2 浙江夫学硕士学位论文 绪论 f 1 ) 上世纪七十年代基本上没有什么发展，还是准备阶段( 如北京市政院的 试验研究、氧曝专题文献的翻译、国外考察) 。 f 2 1 上世纪八十年代是初步实施阶段，到八十年代末，从无到有我国已有氧 曝设施五处，总水量18 2 m 3 s ( 约1 6 万m 3 d ) 。除美、日以外，这一发展速度还 是较快的。五处设施中，有三处完全引进，一处( 天津) 部分引进，一处( 金山) 完全国内设计制造，五处所用氧曝均采用表曝机，供氧方式均采用深冷制氧。 f 3 ) 从上世纪九十年开始，一些大公司开始在设备国产化等方面做工作。如： 中国石油化工总公司拟定点在航空部门所属的保定螺旋桨厂试制氧曝专用表曝 机。 ( 4 ) 上世纪九十年代中期到现在，随着国家对环境保护的重视，科学技术的 发展和大量研究工作的投入，生产曝气设备的企业日益增多，曝气机的类型也就 不断的增加，目前专利性产品( 含发明专利，实用性专利) 就有4 0 多个，如： 0 2 b g 复叶式节能曝气机、泵型叶轮表面曝气机、大功率倒伞曝气机和转刷曝气 机、表面曝气机、螺旋桨式曝气机、潜水曝气机、导流式曝气机、转刷曝气机、 增压式曝气机，等等。 3 。总结 从国内外曝气机的发展情况可以总结出以下几个方面： ( 1 ) 氧曝在人工污水处理技术中是一项新的高技术，不是常规技术，应用范 围也很广。 ( 2 ) 氧曝在我国处于起步阶段，虽然起步艰难，但终究已经迈出了可喜的一 步。这证明了氧曝在中国既不是“透不可及”也不是“高不可攀”。 ( 3 ) 氧曝在中国的应用，是以石油化工行业为突破点的，但其应用范围决不 会止于石油化工。它在工业废水处理方面，化工、轻工、冶金、医药，特别是对 造纸、染料等难降解的废水，它有很广泛的适用范围。它在我国当前的大规模经 济建设中，对于环保起到了积极的作用。 ( 4 ) 在城市污水方面，由于我国国情与美国等其它国家不同，不会像它们那 样广泛应用氧曝来处理城市污水。特别是近年我国大力研究稳定塘、土地处理以 及排海、排江等到人控自然处理技术，一般说来这些技术比氧曝更适合我国国情。 但这些方法也各有其局限范围，在一定条件下，也不能绝对排除氧曝在城市污水 厂的应用。 ( 5 ) 目前国内对曝气设备的需求日益增加，使得许多企业纷纷投产曝气设备 的研制和开发，曝气设备的品种和类型日益增加，这对于曝气设备在国内的发展 将起到积极的作用。 塑坚查堂堡! ：兰垡笙奎 一! ! 鱼 根据上述总结的内容得出结论：在当前形势下，提出曝气机的创新设计是较 为及时的，同时也是较为必要的，本文将对这一课题进行分析研究。 i 2 创新设计研究现状 1 2 。1 设计方法学的发展与研究现状 在科学技术飞速发展的今天，人们对产品功能需求提出了更高的要求。企业 要在市场竞争中立于不败之地，必须积极响应市场的需求，运用先进的设计方法， 加快产品设计速度，提高产品的设计质量，缩短产品生产周期，从而满足市场的 需求。这样，在设计中运用设计方法学就显得尤为重要了。 设计方法学是一门研究设计的一般方法、技巧、手段、进程和规律的科学， 是一门在深入研究设计过程的基础上，以系统论的观点研究设计进程和具体设计 方法的科学1 3 1 。它研究现代设计理论与方法在设计领域中的应用，本身也构成了 现代科技发展的一个组成部分。在总结规律性，启发创造性的基础上，促进了设 计中的科学理论、合理方法和先进手段的综合运用。它的出现使人类特有的素质 设计活动，走向系统化、理论化，使人们在尽可能短的时间内，得到令人满 意的设计效果。设计方法学的研究在提高设计人员素质、改善设计质量、减少设 计失误、加快设计进度等方面发挥了重大的作用。它的发展将大大提高产品的设 计水平和生产率，提高产品的竞争能力。 研究设计方法学的目的是为了寻求保证设计质量、加快设计速度、减少和避 免设计失误的方法和举措，来指导实际生产设计，以适应科学技术发展的要求。 它将整个设计过程分为四个阶段：功能分析，原理方案设计，结构方案设计，详 细设计。 设计方法学是上个世纪6 0 年代欧洲学者首先创立的学说4 1 ，是机械设计领 域的指导思想，被设计学者称为“设计的哲学”、“设计的设计”。许多国家的专 家学者积极探讨设计方法学研究的内涵。慕尼黑大学的r o d e n a c k e r 在联邦德国 也是世界上第一个被任命为从事设计方法学研究的正教授，被人们称为“设计方 法之父”：德国的工程师协会还制定了有关设计方法学的技术准则v d l 2 2 2 2 规范； 英国和美国的学者注重分析创造性开发和计算机在设计中的应用；日本充分利用 国内电子和计算机优势，在创造工程学、自动设计、价值工程方面着手研究；前 苏联和东欧国家在宏观设计的基础上提出了“新设计方法”。 在7 0 年代末，欧洲出现了有瑞士v h u b k a 博士、丹麦m m a n d e a s e n 博士及加拿大w e e d e r 教授组成的欧洲设计研究组织w d k 。此后它发起组 织了一系列国际工程设计会议i c e d ，还组织出版了有关设计方法学的w d k 丛 浙江人学坝i 学位论史 书，建立了一批国际性的专题研究小组。 在1 9 8 0 年前后，由于德国学者、西北欧学者、日本学者及美国学者先后不 断来我国讲学，我国的学者开始了对西方设计方法学各学派的学习和研究。我国 对设计方法学的研究就开始于上个世纪的8 0 年代。在1 9 8 1 年中国机械工程学会 机械设计学会首次派代表参加了i c e d 罗马会议，并于1 9 8 3 年5 月在杭州召开 了全国设计方法学讨论会，探讨开展设计方法学研究活动，并成立了设计方法学 研究组。 此后，国内学者开始研究设计方法，并把它应用到实际的生产设计中，例如： 戴文跃的设计方法学的应用探讨t 3 3 1 , 结合纸团充填机的方案设计，对设计方法 学的应用作了尝试和探讨；李贵轩的设计方法学在采煤机设计中的应用 3 4 1 阐 述了如何应用设计方法学进行采煤机的设计，从而来实现技术创新的新思路：赵 亮的设计方法学在产品创新设计中的应用 3 5 1 j 阐述了设计方法学在产品创新设 计中的应用技术方法，等等。 总之，设计方法学在产品设计中的应用和研究越来越受到各国学者的重视， 成为开发产品的有力武器。 1 2 2 创新设计的发展与研究现状 在经济全球化的今天，国际竞争日益加剧，竞争的关键是看能否生产出适销 对路的新产品。要使企业在国际竞争的大环境下存活，就需要设计者打破常规， 充分发挥他们的创新能力。此外，随着社会经济和技术的发展，大量新产品的问 世进一步刺激了人们的需求，不仅增大了人们对商品的选择，同时也提高了对产 品的需求层次。企业要跟上消费者的步伐，必须进行产品创新，满足人们不同层 次的需求。再加上高技术的产品不断涌现，它具有批量小、品种广、规格多、生 产工艺复杂、工作条件和工作环境特殊等生产特点，所以不能用传统的方法进行 设计，需要有针对性的进行创新设计。创新设计是应用设计方法学进行产品设计 过程中最富有创意的环节，它把创新的元素溶入到了产品的整个设计过程中。 所谓创新设计”1 ( c r e a t i v ed e s i g n ) 是指充分发挥设计者的创造力，利用人 类已有的相关科学技术成果( 含理论、方法、技术原理等) ，利用创新技术手段、 技术原理和非常规的方法，进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性 的机构或机械产品( 装置) 的一种实践活动。 创新设计按创新的程度来分，可以分为两种类型：一是改进完善生产或生活 中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等；二是创造设计出新机 器、新产品，以满足新的生产或生活的需要。 塑竖查堂里：! 兰竺篓兰! ! 旦 国内外学者对创新设计进行了广泛深入的研究，研究现状概括起来包含以下 两个方面： 1 创新设计在国外的研究现状“5 5 ”眦1 创新设计首先来源于各自专业领域里各种工业实际问题的创造性解决及其 提炼与总结。工业发达的美国、德国等非常重视机械创新设计，他们已取得显著 的成果，并形成独特的设计体系和风格，从文献看，比较著名的机械创新设计大 多从具体的现有机械( 构) 着手进行创新，然后进行理论与方法的总结。例如 e r d m e na 等研究的开窗调节机构的结构类型与选优，油田抽油机的结构类型选 优；f r e d e n s t e i nf 等研究的变冲程内燃机驱动机构结构类型选优、汽车刮雨器机 构结构类型选优等等。美国j e h n s o nrc 教授较早从设计方法学的观点总结机械 创新设计的过程和方法，他认为要顺利解决机械创新设计就必须在结构型式综 合上投入创造性力量以及在材料和尺寸的优选上花很大的技术力量，强调二者有 机结合起来，并推荐了几种激发机械创新设计的辅助方法即连杆机构分类法、逻 辑模块法、蕴含练合法、线图法以及智暴法、自行质疑法、形态构思矩阵法、比 拟法等创造性思维方法。运用这些创造性方法，j e h n s o nrc 教授进行了大量的 工业实例创新设计并获得成功，将创新技术引入机械设计过程，是他的杰出贡献。 2 创新设计在国内的现状 国内开展创新设计的研究大体分为二个方面：一方面在实际应用上独创设计 了中国专利产品，像“梅花抓斗”、“三环减速器”、“轮胎成形鼓机构”，取得了 较好的经济效益：另一方面，已有学者开始对m c d 进行论述介绍，机械( 构) 创 新设计的提法在机械学期刊上不难见到，其研究已列入国家自然科学基金发展战 略研究课题，但由于m c d 课题的复杂性，尚未形成具有中国特色的，又有较强 可操作性的创新设计技术，已引起了专家学者们的重视。 李学荣教授是国内较早系统地提出机构创意设计这一概念的，他在综合分析 了各行各业及日常生活中的各种自动化生产线设备及装置后，提出了“广义机构 综合”的概念。他认为包括液、气、电、光、声及其组合的机构应当是机构学的 研究对象，而且在研究方法上强调“创意念设计”。 肖云龙教授则从长期的机械设计教学和科研工作体会出发。结合大量机电新 产品的设计，对创新设计的基本特征、设计原理与创新方法等作了较为系统而通 俗的阐述。 我国台湾学者颜洪森教授则通过多年的大量具有工业背景的实际机械的创 新设计，总结提出了机械( 构) 创新设计的一种具有较强操作性的程式，即基于 机构分析理论将一个已有机械中的机构( 多数是刚性杆系机构) 抽象转化为运动 链，然后基于某些原9 l l j 及约束条件，演化出众多的再生运动链，从中选择一个不 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 同于原运动链的、具有较好性能的新运动链，从而诞生一种新机构。这一机械创 新设计技术已被学者们接受和应用。 另外，珙允媚教授的“机构组合变异法”、华大年教授的“同性异性机构演 化法”等机械创新实用方法都是在相应的m c d 实践基础上总结而成，都有一定 的应用范围及场合。 近几年来，我国学者在机电产品的创新设计研究中取得了一定成果。结合生 产实际，针对不同的设计对象，进行了深入探讨。例如阳大志在q z d 型排钉机 创新设计的研究”1 中对排钉机的关键结构进行了创新；再例如郭峰等对多功能 钥匙复制机夹具的创新设计的研究 ；刘世刚对应答机的创新设计研究8 ，他 的创新设计研究成果使得所研制的应答机始终处于国内领先水平，等等。 可见我国在创新设计领域内取得了一定成绩，对整个创新设计理论的发展也 做出了一定的贡献。 通过总结创新设计的发展和研究情况，可以得出在设计中运用创新设计具有 较大的经济效益和社会效益，主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 创新设计研究将为新机器、新机械的创造发明提供有效的理论和方法。 ( 2 ) 创新设计的研究必然要涉及人的思维过程、创造机理及过程等研究内 容，因此创新设计研究能加速机械专家智能化实现真正的“专家”系统。在加 速机械设计水平向自动化、智能化、集成化实现过程中可以做出自己的贡献。 ( 3 ) 创新设计的机械产品蕴含了较高的创造性，郎含有较高的关键技术附加 值。产品具有优越的使用性能和较完美的造型性能，这包括科学技术原理与艺术 性的完美结合、人机系统的良好协调性以及良好的经济性等。所以提高了产品在 同类产品中的竞争力、特别是当专利产品技术形成产业化的时候，可以创造出较 高的经济效益及社会效益。 ( 4 ) 在创新设计的实践中培养了设计人员的创造性思维，增强了其创新能 力，提高了人们进行创新设计的自觉性及技术上的可操作性，使创新设计成为一 种工具或手段，促进了新产品( 含专利产品) 的繁荣与更新，为社会创造了财富。 1 3 基于计算流体力学的模拟分析的研究现状 1 3 1 计算流体力学的研究现状 计算流体力学州( c f d ) 是近代流体力学，数值数学和计算机科学相结合的 产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以计算机为工具，应用各种离散化 浙江大学碗j 学位论史 的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以 解决相应的实际问题。它和相关的计算传热学，计算燃烧学一样，是用数值方法 来求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求 解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和 放大定量设计的有力工具。 计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出 发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技 术中产生巨大的影响。 目前国际上比较流行的商用计算流体力学软件包f l u e n t “0 1 ，在国外使用 比较普遍，在美国的市场占有率为6 0 。近几年，国内一些研究人员也逐渐把它 应用到设计工作中。凡是跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用 f l u e n t 软件来解决一些实际问题。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及 强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面 都有着广泛的应用。f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角 度出发，针对各种复杂流动的物理现象，f l u e n t 软件采用不同的离散格式和数值 方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从 而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，f l u e n t 开发了适 用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反 应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形晃 面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。 g a m b i t 是专用的计算流体力学的前黉处理器。f l u e n t 系列产品皆采用g a m b i t 前处理软件来建立几何形状和生成网格，然后出f l u e n t 进行问题的求解。g a m b i t 除了本身可以建构分析所需要的简单几何模型以外，也可以通过一些通用的图形 文件交换格式( 如i g e s 、s t e p 、a c i s 等等) 来生成形状较为复杂的几何模型：此 外还为一些大型的软件提供专门图形数据接口( 如p r o e ) ，可以直接导入在p r o e 中生成的模型文件。g a m b i t 可以划分出多种形状的网格，对二维流动，可以生 成三角形和四边形网格；对于三维流动，则可生成四面体、六面体、楔形单元和 金字塔等网格：结合具体计算，它还可生成混合网格，其自适应功能可以对网格 进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。 1 3 2 数值模拟分析 随着行业竞争的日益激烈，企业需要不断推出新产品和完善现有产品来占领 市场，这就需要缩短设计周期，同时也要提高设计精度和保证产品的可靠性。为 实现上述要求，必须充分利用计算机资源和几何物理模型，用数值模拟分析来指 浙江大学硕士学位论文 绪论 导设计工作。采用以往针对不同设计方案分别试制样机、再进行试验分析后才能 确定设计方案的模式已经无法满足市场需要。 计算机数值模拟分析方法是从基本的物理定律出发，用离散化变量描述物理 体系的状态，然后利用计算机计算这些离散变量在基本物理定律制约下的演变， 从而体现物理过程的规律。数值模拟分析可以对设计进行指导和帮助，可以减少 设计者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，可以将更 多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质、优化算法选用和参数的设定上去， 因而提高了工作效率。 数值模拟相对于实验研究有很独特的优点。以往需要通过大量试验得到的数 据可以通过模拟计算获得，并且能获得完整的数据能模拟出实际运行过程中各 种所测数据状态；与试验数据相比，计算结果的准确性和可靠性是令人满意的； 而且可以节省大量的时间，缩短了生产周期，降低了成本。对于设计、改造等商 业或实验室应用起到重要的指导作用。 随着计算机技术的推广普及和计算方法的新发展，基于计算流体力学的模拟 分析得到了蓬勃的发展和应用，特别体现在机电产品设计和一些燃烧、传热设计 中的应用1 。例如： i 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室借助f l u e n t 软件平台，在3 种不同工况下对2 0 0 m w 四角切向燃烧煤粉锅炉炉内的流动、传热以及燃烧进行 了数值模拟，得到了炉膛内的速度场、温度场分布，而且对炉内c o 、0 2 、c 0 2 的质量浓度分布给出了趋势固，给出了煤粉颗粒的运动轨迹。这些模拟结果较为 准确，为锅炉的运行和改造提供了参考依据。 2 清华大学热能工程系由长福等人比较了软件f l u e n t 提供的不同湍流模型 在对四角切向燃烧煤粉锅炉内冷态气相流动进行数值模拟的效果；探讨了为减小 数值伪扩散对强旋流动的影响采用的减小网格尺寸和提高差分格式精度等措施 的优劣，为理论分析强旋湍流流动和对四角切向燃烧煤粉锅炉内流体流动的工程 设计提供了参考依据。 3 中国科学院广州能源所汪小憨等人运用f l u e n t 软件模拟了固体颗粒在连 续流体中的运动，为所研究的喷射器最佳尺寸提供了参考。 4 西安交通大学顾正萌，郭烈锦等人运用f l u e n t 软件对d f t 3 1 2 型滤简 除尘器内部紊流气固两相流动进行了数值模拟，用以掌握滤简除尘器内部流动特 征。对连续相速度和压力分布特征以及颗粒相运动轨迹进行了分析，得出了不同 工况条件下的系统阻力和颗粒沉积量分布规律，对比分析了重力、布朗运动和紊 流扩散作用对颗粒运动和沉积的影响。 9 浙江大学顽j 学位论文 5 同济大学热能工程系金颖等运用f l u e n t 软件模拟计算了小尺寸下的简单 烟气扩散规律，结果与正态分布假设下的高斯烟羽模型验证表明该软件能很好的 模拟出烟气扩散问题。该研究对象为缩小实验尺寸几何模型，用f l u e n t 计算所得 的烟气扩散与风速、烟速、烟气温度的关系与用正态分布假设下的统计规律一致。 6 此外还有四川工业学院陈次昌的自然科学基金项目离心泵的三维设 计研究中利用f l u e n t 流体分析软件进行流场的分析与校核，检验了水力设计的优 劣，预测了产品的性能。 综上所述，计算流体力学在产品设计中起到了重要的作用，目前计算流体力 学在机电类产品设计中应用的还不是很广，加深c f d 在这方面的应用研究，可 以预见，会给设计带来极大的促进作用，会给企业和社会带来更大的经济效益。 1 4 本文的工作 本文运用设计方法学和创新设计的原理对曝气机进行方案创新设计。对原理 方案进行创新设计，建立方案的评价系统，对特定装置进行模拟分析，为方案的 评价起辅助作用，最后进行结构上的创新设计。具体而言，论文工作主要分为以 下四个方面： 1 方案创新设计。分析设计任务书，提取设备的总功能，然后对各个功能 进行分解得到子功能；对各个子功能进行原理求解，得到相应的一个或者多个解， 最后产生多个方案。在这个过程中，运用创新设计的一些理论与方法来进行方案 的创新设计。 2 方案的评价和评价系统。对多个方案进行评价，确定方案的合理的评价 准则，选择适当的评价方法。本文用p o w e rb u i l d e r 建立曝气机方案的评价系统， 进行方案的计算机辅助评价。 3 结构创新设计。设计过程中根据创新的思维、方法和创新的原理，以提 高设备的性能为目标，对评价得到的方案进行详细的结构创新设计。 4 气水导流装置的模拟分析。运用c f d f l u e n t 和g a m b i t 软件进行气水 导流装置的模拟分析，分析导流装置的底盖形状对水流能量损失的影响，出水管 口的数量和分布对水流能量损失的影响以及导流锥形底盖的锥角对整个设备的 服务面积的影响。 通过论文的工作，帮助企业推动了产品的改进或者革新，提高了产品的设计 效率，提高了产品的设计可靠性，降低了设计成本，缩短了产品的生产周期，使 企业拥有了专利产品，对提高企业的经济效益起到了积极的作用。 o 浙江大学顺i 学位论义 曝气机创新设计的理论基础 第二章曝气机创新设计的理论基础 在制造业快速发展的今天，对产品进行创新设计是企业提高竞争实力、取得 竞争优势的重要手段| 5 4 】。把创新设计应用到产品设计中去，需要以创新设计 的理论和方法为基础。应用创新思维模式和思维方法，结合创新设计的基本要素、 思维特点和基本原理进行产品创新。我们可以根据创新点的不同进行原理方案的 创新，结构创新和外观上的创新，其中原理方案的创新通常和结构创新联系在一 起，创新的含量比较高，但是，取得成效的关键在于原理方案的创新设计，即设 计阶段的创新性方案的产生、改进和完善以及最优方案的确定。所以研究的侧重 点主要在于方案的产生，对方案的评价和优选。 本文在进行曝气机创新设计时，应用创新设计的理论和方法产生了多个方 案，通过建立台理的评价准则，选择合理的评价方法对几个方案进行评价，得到 最优方案，然后再对结构进行创新设计【5 5 】f 5 6 】。 2 1 曝气机创新设计的思维模式 创新思维是创造力的核心。深刻认识和理解创性思维的概念、特点，不仅有 助于掌握现有的创造技法，而且能够推动和促进人们对新的创造方法的开拓。创 性思维是一种反映事物本质和内在、外在有机联系，具有新颖的广义模式的一种 可咀物化的思想心理活动，是最集中体现人类智慧的思维活动。所以在曝气机的 创新设计中要以刨新思维模式作为创新的基础。 在曝气机设计过程中应用到的思维模式有以下几种 1 2 1 1 抽象思维与形象思维 抽象思维是以抽象的概念和推论为形式的思维方式，是认识过程中用反映事 物共同属性和本质属性的概念作为基本思维方式，在概念的基础上进行判断、推 理、反映现实的一种思维方式，使认识由感性个别到理性一般再到理性个别。 形象思维是运用过去感知的事物的映像进行分析、综合、概括的过程，它以 直观形象作为再思维的目标和基础。它在人类思维活动和人类所有实践活动中广 泛存在，具有普遍性。 本文在曝气机方案的创新设计中体现了这两个方面的结合。在曝气机功能的 提取和分解中，首先就需要建立“曝气”这个概念，在考察众多专利产品时就是 根据这个共同的本质属性来判断。有了曝气这个较为抽象的概念后，然后对众多 专利产品进行分析，来了解它们是如何进行“曝气”，根据形象的实例，进行概 浙江大学硕十学位论文 曝气机创新设计的理论基础 括和分析，来理解“曝气”的真正含义以及各个产品的曝气方式和特点，最后根 据上述的分析再形成自己对“曝气”的理解。整个过程从“抽象”到“形象”再 到“抽象”，这对于曝气机的功能提取和分解来说是必要的。 2发散思维与集中思维 发散思维又称辐射思维或求异思维，是指思维者不受现有知识和传统观念的 局限与约束，沿着不同方向多角度、多层次地去思考、去探索问题的各种可能答 案的一种思维方式在技术原理的开发方面，运用发散思维可以多侧面、多角度、 多领域、多场合地对同一技术原理的应用途径进行设想。 集中思维也称为收敛思维、求同思维或定向思维，是以某一种思考对象为中 心，从不同的角度、不同方面将思路指向该对象，以寻找解决问题的最佳答案的 思维方式。 发散思维对于创新设计来说是非常重要的。在曝气机的创新设计