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西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 清洗槽是构成土壤清洗机系统不可缺少的元件，清洗槽的性能对整个土壤 清洗机的清洗效果起着至关重要的作用。随着清洗槽内的叶片转动，清洗槽内 的流场分布发生变化，相应的出水口附近的速度也发生变化，这样直接影响着 清洗性能。 本文运用流体解析技术对清洗槽内流场进行了数值模拟，并在此基础上分 析了土壤清洗机的工作原理及其性能的影响因素。 本文应用三维流体解析软件s t a r c d 建立了清洗槽的稳态和瞬态计算模型。 并通过对清洗槽模型的c f d 稳态和瞬态计算，得到清洗槽内的速度分布可视化 图像。对速度分布进行分析，结果表明：出水口附近速度大小是直接影响清洗 效果的因素，而叶片转速、叶片倾斜角和出水口高度又影响清洗槽内的流场分 布，进而影响到出水口附近的速度大小。根据日立公司提供判断准则：携带直 径小于等于7 5 岬的土颗粒需要的速度大小为0 0 8 i i l s ，由此来判断出水口附近 速度是否合适。 最后，基于上述分析，本文提出了合理改变左、右两边出水口的高度差、 叶片转速、叶片倾斜角和出水口高度，有效改善了清洗效果，提高了土壤清洗 机的工作效率，为清洗槽的优化设计提供了具有实用价值的参考依据。 关键词：清洗槽；c f d 解析：可视化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 土壤污染 第1 章绪论 土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层，其厚度一般在 2 m 左右。土壤不但为植物生长提供机械支撑能力，而且能为植物生长发育提 供所需要的水、肥、气、热等肥力要素。近年来，由于人口急剧增长，工业 迅猛发展，固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒，有害废水不断向土壤中渗 透，大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中，导致了土壤污染。 凡是妨碍土壤正常功能，降低作物产量和质量，还通过粮食、蔬菜、水果等 间接影响人体健康的物质，都叫做土壤污染物。 土壤污染物的来源广、种类多，大致可分为无机污染物和有机污染物两 大类。无机污染物主要包括酸、碱、重金属( 铜、汞、铬、镉、镍、铅等) 盐类、放射性元素铯、锶的化合物、含砷、硒、氟的化合物等。有机污染物 主要包括有机农药、酚类、氰化物、石油、合成洗涤剂、3 ，4 一苯并以及由城 市污水、污泥及厩肥带来的有害微生物等。当土壤中含有害物质过多，超过 土壤的自净能力，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动 受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累，通过“土壤一植物一 人体”，或通过“土壤一水一人体”间接被人体吸收，达到危害人体健康的 程度，就是土壤污染。 土壤污染的危害： 1 土壤污染导致严重的直接经济损失 对于各种土壤污染造成的经济损失，目前尚缺乏系统的调查资料。仅以 土壤重金属污染为例，全国每年就因重金属污染而减产粮食1 0 0 0 多万吨，另 外被重金属污染的粮食每年也多达1 2 0 0 万吨，合计经济损失至少2 0 0 亿元。 2 土壤污染导致生物品质不断下降 我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的污染，有许多地方粮食、 蔬菜、水果等食物中镉、铬、砷、铅等重金属含量超标和接近临界值。据报 道，1 9 9 2 年全国有不少地区已经发展到生产“镉米”的程度，每年生产的“镉 米”多达数亿公斤。仅沈阳某污灌区被污染的耕地已多达2 5 0 0 多公顷，致使 粮食遭受严重的镉污染，稻米钓含镉浓度高达0 4 1 o m g k g 。江西省某县 多达4 4 的耕地遭到污染，并形成6 7 0 公顷的“镉米”区。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 3 土壤污染危害人体健康 土壤污染会使污染物在作物体中积累，并通过食物链富集到人体和动物 体中，危害人畜健康，引发癌症和其他疾病等。 4 土壤污染导致其他环境问题 土地受到污染后，含重金属浓度较高的污染表土容易在风力和水力的作 用下分别进入到大气和水体中，导致大气污染、地表水污染、地下水污染和 生态系统退化等其他次生生态环境问题。 1 2 本课题的研究背景及目的 现阶段传统的治理土壤污染的方法有很多种，但是都是针对某种污染进 行的，而且存在一定的局限性n 一，。 ( 1 ) 挖掘搬迁法 将被污染的土壤挖掘搬迁到指定地点，再用干净的土壤进行回填。但采 用这种方法只是将被污染的土壤运送到另一地点，并没有从根本上解决土壤 的污染问题。而且，必须将含有污染物的土壤运到指定的污染物填埋场地。 然而排放有害污水的生产厂家仍未承担相应责任。 ( 2 ) 固化处理法 这一方法就是将被污染的土壤进行固化处理，以达到防止污染物扩散的 目的。但污染物仍然存在，且用这种方式处理的场地须由政府指定安排，并 记录在案，而且需要继续监控很长一段时间。由于固化后的土壤无法再次利 用，因此这种方法尚需改进。 ( 3 ) 不溶解处理 该法通过搅拌，使重金属与沉淀剂充分反应，防止重金属溶解于水。与 固化法一样，这一方案也只能在政府指定的区域进行，并且要求记录在案， 继续监控一段时间。 ( 4 ) 分类和清除被严重污染的土壤微粒 该法通过分类和清除土壤微粒而达到清洗的目的，因此可以降低对其余 土壤的污染。理论分析表明：若土壤中微粒的污染程度较高，除去部分微粒 即可降低污染程度。但是这一方法的应用有一定的局限性，取决于土壤的特 性和整体污染水平。而且，被分离出来的微粒将作为废弃物被运输到工地以 外，然后进行监控。 ( 5 ) 热处理法 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 这一方法需要专用设备来加热被污染的土壤，然后使土壤中的低沸点污 染物蒸发气化从而得以清除。但是这一方法的应用也有一定的局限性，只适 用于沸点相对较低的重金属。例如汞和铅等。 ( 6 ) 生物处理法 这是一种应用微生物的清洗处理方法。这一方法适于处理有机污染物。 例如三氯乙烯等。但对重金属污染物无效。而且整个清洗工艺耗时较长。 ( 7 ) 氧化分解法 此法通过采用氧化剂将污染土壤重的有害物质转化成无害化含物。与生 物处理法相似，这一方法也是只适用于有机污染物。例如三氯乙烯，但对重 金属无效。 上面所述的方法不但操作麻烦，而且对污染的土壤清洗不彻底，容易造 成二次污染。因此在此基础上，日立公司提出了用水洗法清洗被油污染的土 壤，不但操作简单，而且还可以节约资源，降低浪费。 本课题的研究重点是针对油污染的土壤，采用水洗法，即在清洗槽内用 水作为清洗剂将油和土壤分离开，达到清洗的目的，这是一种正在探索中的 土壤治理方法。该方法的工作原理是由于土颗粒随着水的流动速度不同，其 在清洗槽中的分布位置会发生相应的改变，通过不同位置的出水口。当水的 速度大时，较大直径的士颗粒能被携带起来，相应的水的速度小时，只能携 带较小直径的土颗粒。通过改变水的速度来改变所携带的土颗粒直径，从而 将油与土壤分开。该项目是新型驱动中心和日立公司的合作项目。 本课题的研究目的是应用c f d 解析及可视化的方法从清洗槽内流场的速 度分布出发，分析影响分离效果的因素，找出各种因素和分离效果的关系， 对清洗槽结构的优化设计具有重要的实际意义。 1 3c f d 方法的应用 1 3 1 应用领域m u ” 近十多年来，c f d ( c 0 m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 有了很大的发展， 替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解法，所有涉及流体流动、熟 交换、分子输运等现象的问题，几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分 析和模拟。e f d 不仅作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、 土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 典型的应用场合及相关的工程问题包括： 水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动 飞机和航天飞机等飞行器的设计 汽车流线外型对性能的影响 洪水波及河口潮流计算 风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响 温室及室内的空气流动及环境分析 电子元器件的冷却 换热器性能分析及换热器片形状的选取 河流中污染物的扩散 汽车尾气对街道环境的污染 食品中细菌的运移 对这些问题的处理，过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模型 实验，而现在大多采用c f d 的方式加以分析和解决，c f d 技术现已发展到完 全可以分析三维粘性湍流及漩涡运动等复杂问题的程度。 1 3 2 流场可视化技术m s ， c f d 解析方法首先用数学方程式表示实际流体，为使其简化，采用位势 流理论、边界层近似、完全流体近似等，进而导入相应的紊流数学模型，进 行数值计算。由于计算是基于对实际流体的近似进行的，故应考虑其计算前 提的近似影响，应根据计算结果的精确度、可信性、过去的计算经验等，确 定采用的数值解法。最后用f o r t r a n 等语言建立程序，进行计算机运算，计 算所得的大量数据借助于可视化技术转变成便于对流场直观分析和研究的可 视化图形或图像形式。c f d 的数值解法有很多种，主要有有限差分法、有限 元法、有限体积法等。 复杂的数据以视觉形式表示是最容易理解的，因为图像是沟通思维的最 重要手段之一。计算可视化技术是依靠计算机本身的能力，把流体力学数值 模拟中产生的数字信息转化为直观的、易于人们理解的并可以进行交互分析 的图形或图像形式，把静态的或动态的画面呈现在人们面前，以加快和加深 人们对流场的结构、流动现象及本质的认识，发现那些仅仅通过数字信息发 现不了的规律，获得意想不到的启发和灵感。它的基本思想是从准备数据， 实施计算到表达结果都是由图形或图像来完成或表现，最后结果也以具有真 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 实感的静态或动态图形来描述。由于用数值计算方法所得到的流场有关物理 量的数据量是十分巨大的，如果不借助于计算可视化技术，把计算所得到的 大量数据转变成便于对流场直观分析和研究的可视化图形或图像形式，就不 可能有效地利用计算数据对流场进行正确的理解和认识。因此计算可视化技 术在科学计算中( 包括对流场的数值计算中) 占有重要的地位。实现计算可 视化可大大加快数据的处理速度，可以在人与数据、人与人之间实现图像通 讯，从而观察到传统计算中不可能观察到的现象和规律，了解物理过程中发 生的现象，并可通过改变参数对计算过程实现引导或控制。目前国外正在积 极开展计算可视化技术的研究，国内这方面的研究也已开始。 1 3 3c f d 常用软件s t a r c d m s t a r c d 是由英国帝国学院提出的通用流体分析软件，由1 9 8 7 年在英 国成立的c d a d a p c o 集团公司开发。s t a r c d 这一名称的前半段来自于 s i m u l a t i o no ft u r b u l e n tf 1 0 1 】ri na r b i t r a r yr e g i n 。该软件基于有限体积 法，适用于不可压流和可压流的计算、热力学的计算及非牛顿流的计算。 s t a r c d 的前处理器( p r o s t a r ) 具有较强的c a d 建模功能，而且它与当前流 行的c a d c a e 软件有良好的接口，可有效地进行数据交换。具有多种网格划 分技术和网格局部加密技术。具有对网格质量优劣地自我判断功能。s t a r c d 在适应复杂计算区域的能力方面具有一定优势。它可以处理滑移网格的问题， 可用于多级透平机械内的流场计算。它提供了多种高级湍流模型，如各类 七一占模型。s t a r c d 具有s i m p l e 、s i m p i s 0 和p i s o 等求解器，可根据网格质 量的优劣和流动物理特性来选择。在差分格式方面，具有低阶和高阶的差分 格式，如一阶迎风、二阶迎风、中心差分、q u i c k 格式和混合格式等。s t a r c d 的后处理器，具有动态和静态显示计算结果的功能。能用速度矢量图来显示 流动特性，用等值线图或颜色来表示各个物理量的计算结果，可以进行气动 力的计算。 1 4 本课题的研究内容及方法 通过对课题的研究背景及流场有限元数值计算的综述可以看出，怎样得 到合适的出水口附近流体速度是清洗中有待解决的问题，而有限元数值计算 方法又被证实是一种可行而有效的流场计算方法，。因此可以通过有限元数值 计算方法对清洗槽内的流场进行数值模拟和可视化研究，在对槽内流场的速 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 度分布特点进行研究的基础上，分析影响清洗效果的主要因素，为合理设计 清洗槽结构提供参考依据。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 建立清洗槽的计算模型。模型必须尽量反映出研究对象的本质。这是 本课题研究的前提和关键，对计算结果的精确度和可信性有着决定性的影响。 笔者采用六面体单元的模型，在对清洗槽内流场影响较大的叶片处，对网格 予以细化，保证计算结果的准确性。 ( 2 ) 以出水口高度为1 5 0 啪的清洗槽模型的稳态计算为例，分析清洗槽内 的流场分布，找出影响分离效果的不同因素。 ( 3 ) 分析不同因素影响清洗效果，包括：叶片转速对清洗效果的影响： 不同转速下的稳态计算；叶片倾斜角对清洗效果的影响：不同叶片倾斜角 下的稳态计算；出水口高度对清洗效果的影响：不同出水口高度下的稳态 和瞬态计算。清洗槽壁上出水口的配置对清洗效果的影响：出水口不对称 情况下的稳态计算。 应用流体解析及可视化技术对清洗槽进行研究，可为土壤清洗槽的开发 和设计提供可靠的理论依据，并大大降低实验研究费用，缩短前期研发周期， 对清洗槽的优化设计具有重要的理论意义和参考价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章c f d 应用基础 清洗槽内流场的研究是以流体在槽中流动的运动学和动力学规律为基础 的，所以需要掌握槽内流体的流动状况以及流体与固体部件之间的动力学联 系。本文选用流体分析软件s t a r c d ( s i 口u l a t i o no f1 u r b u l e n tf l o wi n a r b i t r a r yr e g i o n sc o m p u t a t i o n a ld e s i g n ) 对清洗槽内流场的速度进行研 究。下面介绍用s t a r c d 软件进行c f d 分析的流体力学理论基础。 2 1 紊流理论 2 1 1 紊流特性m “ 为方便对清洗槽内的流体流动特性进行讨论，有必要先分析流体的流动 状态。前入的分析和实验表明，流体在管道中的运动具有两种截然不同的运 动形态，即层流状态和紊流状态。处于层流状态的流体，质点呈有条不素、 互不掺棍的层状形式；而处于紊流状态的流体，质点的运动形式以杂乱无章、 相互掺混与涡体旋转为特征。在某些条件下，层流与紊流运动可以相互转化。 随流体速度的增加，层流会逐渐丧失它的稳定性，这时任何偶然的小扰动， 起初只会引起在稳定的层流附近的微小振荡，随后开始迅速发展，从而进入 新的流体运动形态一紊流状态。 流体试验表明，当r e y n 0 1 d s 数小于某一临界值时，流动是平滑的，相邻 的流体层彼此有序地流动，这种流动称作层流。当r e y n o l d s 数大于临界值时， 会出现一系列复杂的变化，最终导致流动特征的本质变化，流动呈无序的混 乱状态。这时，即使是边界条件保持不变，流动电是不稳定的，速度等流动 特性都随机变化，这种状态称为紊流。本文所研究的清洗槽，工作原理就是 干净的水从清洗槽底部的入水口进入，土壤从清洗槽的顶部进入，叶片在转 动过程中，把土壤和水一起搅动，实际上该过程的流体流动为很复杂的三维 流动，因此清洗槽内的流动状态可以看为紊流。 由此可见，紊流是粘性流动当霄诺数相当大( 至少大于临界雷诺数) 时 产生的一种流动现象。紊流晟重要的特性可以归纳为：随机性，扩散性，有 涡性和耗散性。不规则的随机运动是紊流运动的一种主要特征，在紊流运动 中流场的各种特征量均是时间和空间坐标呈随机的脉动。紊流的扩散性使它 可以更为有效地将动量、能量、含有物质的浓度、温度等向各个方向扩散、 可以更为有效地将动量、能量、含有物质的浓度、温度等向各个方向扩散、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 混合和传输。紊流使三维有涡流动而且伴随着涡的强烈脉动，通过三维涡量 场中漩涡的拉伸和变形，形成紊流中各种不同尺度的漩涡。而这些不同尺度 的漩涡在紊流运动中起着不同的作用，大尺寸漩涡从时均流动中取得能量， 能量由大尺度漩涡向小尺度漩涡逐级传递，并最后在小尺度漩涡中，通过流 体的粘性将能力耗散。而维持紊流运动必须要消耗相当的能量，这就是紊流 的耗散性。由于紊流的上述特性，用确定性的方法很难解决紊流运动问题。 因此，应用有限体积法对紊流运动进行可视化分析是研究素流问题的有效手 段。 2 1 2 紊流方程m w t ， 粘性流动的运动方程( 纳维一斯托克斯方程) 和连续性方程对于紊流的 瞬时运动同样适用，这一点已为多年实践所证明。对n s 方程关于时间进行 平均可以得到雷诺方程。雷诺方程是不封闭的，为了使方程封闭，需加上它 们与平均量之间的关系，这些公式一般是半经验的和带有启发性的，称为紊 流模型。 本文采用的是高雷诺数 一f 紊流模型，适用于紊流状态的可压缩或不可 压缩流体，并允许考虑一定程度的浮力影响。所用的标准方程( 适用于线性 和非线性) 如下： ( 1 ) 紊流能量： 去昙“三内+ 毒c 店七一等孝。h 妒+ 动一p 卜；嵯+ 伪善+ “c z 啕 其中 p 酐= + l l f p 。弧堕 ”屯 p ：旦土望 一a h jpa x i 一号万善一卜；c 善+ 争蓍， 当= o 时为线性模型，t 是经验系数值，方程右边的第一项代表由剪 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 切应力、正应力和浮力产生的紊流能量，第二项是牯性扩散项，第三项为由 可压缩性引起的体积变化项，最后一项用于非线性模型中。 ( 2 ) 紊流耗散率： 击昙c 以汹+ 毒喊s 一等考，= g ；p 一；詈+ 伪善】+ ；h b 一p 妄+ 巳喀+ q ；h ( 2 嘲 其中仃。，c 。l ，q 2 ，c 。3 和4 是经验系数值，其取值见表2 一l ，方 程右边各项的含义与上述紊流能量方程各项相同。 表2 1经验系数值的取值 qo k o 仃m e ，e 2e ，e 4 0 0 91 01 2 20 9 o 91 4 41 9 2o 或1 4 40 3 3 注：在岛 0 时e 3 = 1 4 4 ，其它情况下为o 。 紊流粘度由下列方程得出： 采用七一占模式，则“：l 丛 。 s 若改用t 一，模式，则一：巴；肚； 兰 由上述方程获得七g 和，之间的关系式：，= q ；等 其中q 是经验系数值，通常认为是固定的，是另一个系数，它对应 于各个模型参数。 所有的上述方程都可以表示成一个统一的形式如下： 击v ( p 【，) = 挑( r l g m 彩) + s( 2 4 ) 式中庐为广义变量，可以为速度、温度或浓度等一些待求的物理量。r 是相 应于的广义扩散系数，s 为广义源项。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 方程的离散和求解方法 数值计算方法的实质就是把描述流体运动的连续性数学模型离散成大型 代数方程组，建立可在计算机上求解的算法。通过偏微分方程的离散化和代 数化，即将无限信息系统变为有限信息系统( 离散化) ，把偏微分方程变为 代数方程( 代数化) ，再通过采用适当的数值计算方法，求解方程组，得到 流场的数值解。离散的实质解通常以两种形式给出：网格上的近似值，如差 分法；单元中易于计算的近似表达式，如有限元等。 2 2 1 方程的离散m 一， 对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解的。但是，由于 所处理的问题自身的复杂性，如复杂的边界条件，或者方程自身的复杂性等， 造成很难获得方程的真解，因此，就需要通过数值的方法把计算域内有限数 量位置上的因变量当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的 代数方程，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位 置上的值则根据节点位置上的值来确定。这样，偏微分方程定解问题的数值 解法可以分为两个阶段。首先，用网格线将连续的计算域划分为有限离散点 集，并选取适当的途径将微分方程及其定解条件转化为网格节点上相应的代 数方程组，即建立离散方程组；然后，在计算机上求解离散方程组，得到节 点上的解。节点之间的近似解，一般认为光滑变化，原则上可以应用插值方 法确定，从而得到定解问题在整个计算域上的近似解。这样，用变量的离散 分布近似解代替了定解问题精确解的连续数据，这种方法称为离散近似。可 以预料，当网格节点很密时，离散方程的解将趋近于相应微分方程的精确解。 由于应变量在节点之间的分布假设及推导离散方程的方法不同，就形成 了有限差分法、有限元法和有限体积法等不同类型的离散化方法。有限体积 法是近年发展非常迅速的一种离散化方法，其特点是计算效率高。它的基本 思想是：将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控 制体积；将待解微分方程( 控制方程) 对每一个控制体积积分，从而得出一 组离散方程。从积分区域的选取方法看来，有限体积法属于加权余量法中的 子域法，从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方 法。 因为方程组中各方程均可表示成式( 2 4 ) 的形式，下面就以此式为例进 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 行离散。采用的离散格式为乘方格式。对于源项的离散，有限体积法只考虑 一种线性的函数关系，即设：i = 疋+ s 砟，式中砟为节点处的变量值，t 代 表源项的常数部分，而蚱为用来近似变量值在该点的变化系数。而对于其它 项的离散，则先对该项在划分后的子域内进行积分，以保持各量的守恒特性， 再用合适的近似函数来进行近似并得到离散形式的表达式。对所有的过程进 行这样的处理后，得到的最终形式如下： 口p 办= 口百九+ 口矿卉r + d s 九+ 口“+ 口抖妒h + d l 九+ s 。 ( 2 5 ) 式中下标p 代表中心网格点，e 、s 、肌、日、上分别代表尸点 的东、南、西、北、上、下六个相邻点，见图2 1 。各系数的求法为： 口。= d 。彳0 乓1 ) + m a x ( _ ，o ) = 凤4 0 墨1 ) + m a x 佤，o ) 口，= d ，4 0 昂1 ) + m a x ( ，o ) 订。= d 。a 0 珞1 ) + m a x ( 目，o ) = 巩爿岛) + m 8 ) 【( - r ，o ) 吒= 仇4 0 e i ) + m a x ( 皖，o ) 图2 1 圆柱坐标下的网格划分 a ，= d e + a + 口s + 口+ 日+ d + l s ， 上面几式的系数中，d 与f 是与离散过程有关的参数，其中f 表示通过 界面上单位面积的对流质量通量，简称对流质量流量，d 表示界面的扩散传 导性。佩克里数最= 4 ，乓表示对流与扩散的强度之比。函数彳0 户i ) 采 用幂函数公式，即： 爿= m a x ( 0 ，( 1 _ 0 l | p | ) 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 2 计算方法m u c f d 数值计算方法首先用数学方程式表示实际流体，为使其简化采用位 势流理论、边界层近似等，进而导入相应的紊流数学模型，进行数值计算。 由于计算是基于对实际流体的近似进行的，故应考虑其计算前提的近似影响， 应根据计算结果的精确度、可信性、过去的计算经验等，确定采用的数值解 法。因此选择合适的计算方法是非常重要的，它对计算的效率和精确性都有 很大的影响，需要根据实际的流体运动数学模型及其计算条件选择最优的 c f d 数值计算方法。 稳态计算和瞬态计算是c f d 数值计算中最基本的两种计算过程，稳态计 算是指在给定的固定边界条件下经多次数值迭代后达到稳定的流体状态：瞬 态计算是在任意定义( 即可以是变量) 的初始边界条件下，经过一系列的离 散时间步后达到一个新的状态。由于这两种计算过程的初始条件不同，因而 适合于它们的c f d 数值计算方法也有所不同。在s t a r c d 中有三种可选的内部 数值计算方法，s i m p l e 、p i s 0 和s i m p i s o 算法。s i m p l e 算法是s t a r c d 稳态 计算中默认的内部计算方法，其结果大多数情况下很好；p i s 0 算法通常用于 瞬态计算，也可用在主要参数间有密切关联的稳态计算中，如浮力流场；当 流场划分的网格扭曲变形严重时，常采用s i m p i s 0 算法。本文稳态计算采用 s i l p l e 算法，而瞬态计算采用p i s o 算法。 ( 1 ) 稳态计算中的s i m p l e 算法 s i m p l e 是弓莲文s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e l i n k e de q u a t i o n s 的缩写，意为“求解压力耦合方程组的半隐式方法”。采用“猜测一修正”的 过程，在交错网格的基础上来计算压力场，从而达到求解动量方程 州a v i e r s t o k e s 方程) 的目的。 s i m p l e 算法的基本思想是：对于给定的压力场( 它可以是假定的值，或 是上一次迭代计算所得到的结果) ，求离散形式的动量方程，得到速度场。因 为压力场是假定的或不精确的，这样，由此得到的速度场一般不满足连续方 程，因此，必须对给定的压力场加以修正。修正的原则是：与修正后的压力 场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续方程。据此原则，我们把动 量方程的离散形式规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散形式，从而 得到压力修正方程，由压力修正方程得出压力修正值。接着，根据修正后的 压力场，求得新得速度场。然后检查速度场是否收敛。若不收敛，用修正后 的压力值作为给定的压力场，开始下一层次的计算。如此反复，直到获得收 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 敛的解。 用广义变量击表示n s 方程的通用形式： d 知( 户带) = d 知( 殛m 彬) + e ( 2 6 ) 式中r 一耗散系数 瓯一源项 式( 2 6 ) 左端分别为十的变化率项和对流项，右端分别为耗散项和源项。 ( 2 ) 瞬态计算中的p i s 0 算法 p i s 0 是p r e s s u r ei m p l i c i tw i t hs p l i t t i n go fo p e r a t o r s 的缩写，意 为压力的隐式算子分割算法。p i s 0 算法与s i m p l e 算法的不同之处在于： s i m p l e 算法是两步算法，即一步预测和一步修正；而p i s 0 算法增加了个 修正步，包含一个预测步和两个修正步，在完成第一步修正得到( “，v ，p ) 后寻求二次改进值，目的是使它们更好地同时满足动量方程和连续方程。 瞬态下的连续方程为： 亟+ 型+ 型；of 2 7 1 研 缸 咖 在瞬态问题中，动量方程变化不大，压力修正方程需要重新建立。将式 2 7 所示的连续方程在二维空间的一个标量控制体积上进行积分，有： ，o 、 譬掣肌x 一) ，】+ 脚k 一胁帅 ( 2 8 ) 其中 p ：一时间f 时刻的密度值 户，一时间f + 缸时刻的密度值 上标o 表示在上个时间步结束时取值 从上式导出的压力修正方程，自然要包含代表瞬态特性的项。按照推 导稳态问题压力修正方程同样的过程，我们可得瞬态问题压力修正方程如 下： 口，j ，j = q “j “j + q 叱j - l + 嘶小l 科小l + q l 1 + 巧，j 其中： 嘶小1 = ( p 幽) ，j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 q “j = ( p d ，4 ) ， q 吨j = ( p 幽) u q “l = ( p 以) ，l a i j = a i “i j + q f 。j + a f ，j “+ a i ，j t 以广b 彳l 厂妇一h + b + 4 ) ，厂b 彳i ，+ 垃掣 ( 3 ) 两种算法主要控制参数比较 s i m p l e 算法和p i s o 算法在计算过程中对主要的控制参数有不同的要 求，列表比较如表2 2 所示。瞬态p i s 0 算法中除了s i m p l e 算法中所需的控 制参数外，还需要考虑一个很重要的控制参数，即计算的时间间隔血，它的 选取通常取决于精确性的要求，因而在计算过程中有时需要改变。在计算过 程中某些控制参数值可能会超过表2 2 所给的极限值，如果这种情况只是在 计算中偶尔发生，那是可以接受的，但这种情况如果持续发生，则需要按实 际情况对表中所列的控制参数值做相应的改变。具体的补偿办法为减小时间 间隔f ，并增大相应参数的内迭代次数值，减小压力修正松驰因子和修正步 公差值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 表2 2 两种算法控制参数的比较 变量 算法控制参数 速度压力紊流能量热焓含量百分比 稳态 求解公差 0 1o 0 50 10 10 1 s i m p l e 算内迭代次数 1 0 0 1 0 0 01 0 0 1 0 0 1 0 0 法 松驰因子 0 7o 30 70 9 51 o 求解公差 o o l0 0 0 lo 0 10 o l o ，0 1 内迭代次数 1 0 0 1 0 0 01 0 0 1 0 0 l o o 瞬态p i s 0 修正次数= 2 0 算法 压力修正松驰因子= 1 o 修正步公差= 0 2 5 2 2 3 求解过程 对于离散后所得的代数方程组，需要将边界条件及其它附加条件代入， 对紊流动能和耗散率与压力、速度交量进行迭代计算。可以将总的求解过程 表示如下： a 初始化，给待求各量赋一初始值； b 并入边界条件的约束，由现有值求得方程中的各相关系数； c 用上述所述的迭代算法求出下一轮的各变量值； d 用求得的值进行校验，判断是否已达到所要求的近似解； e 若各值已经满足要求，则输出结果，结束计算，否则，转到b 步继续 下一轮的迭代。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 赵 4 5 b 处放大图 b 图3 1 清洗槽的结构简图 如图3 1 所示，图中的尺寸h 、以及叶片的转速，! 均可以改变，用来 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 模拟不同的出水口高度、叶片倾斜角和叶片转速。通过改变这些参数，就可 以用这样一个计算空间来模拟清洗槽的各种工作状态。 表3 一l 清洗槽的主要参数 叶片与轴的夹叶片总数( 对)入水口总数出水口总数入、出水口直 角口( 。)( 个)( 个)径d ( m ) 4 5 1 4 72 81 3 叶片长度l 1两个出水口的 入水口的总流 出水口的总流 ( m 皿) 距离l 2 ( m m ) 量9 ( l m i n )量8 ( l m i n ) 1 5 01 0 55 2 55 2 5 以图3 1 所示的流动区域作为求解区域，表3 1 所列参数为例建立清 洗槽的三维c f d 模型如图3 2 a 所示。为了更清楚的显示入水口的位置，现 取图3 2 a 所示模型的七分之一，如图3 2 b 所示。坐标系原点。位于轴心处， 图3 2 三维c f d 清洗槽模型 西南交通大学硕士研究生学位论丈第18 页 后面章节的分析都是基于该坐标系下。 3 1 2 物理参数 在清洗槽的三维c f d 模型中，选用水作为流动介质进行解析计算的。其 物理参数如表3 2 所示“”。 表3 2 流动介质的物理参数( 2 0 。c ) 介质类 参数 密度动力粘度 传导系数 比热 型 ( k g m 。) ( p a s )( w m 一k 1 ) ( j k g - k 1 ) 水 9 9 7 5 6o 0 0 0 8 8 8 74 1 8 1 7 20 6 2 0 2 7 对于所有的模型均采用第二章所述的七一s 紊流方程进行数值计算，稳态 模型求解离散方程组采用s i m p l e 算法，而瞬态模型采用p i s o 算法。 3 1 3 解析假定m 一” 由于流体在清洗槽内的实际流动是非常复杂的三维流动，所以为了满足 数值解析的可行性，必须以实际模型为基础进行一定的简化。考虑到影响流 体流动的因索有主次之分，因而我们可以在分析问题的允许计算误差范围内， 只考虑主要因素而忽略次要因素，对实际模型做下面的一些基本假定： a ) 假定水为不可压缩流体。由于水的压缩性是非常小的，压力每增加 1 0 1 3 k p a ( 一个大气压) 时，其体积变化不到万分之一，因而在计算中完全 可以忽略压缩性的影响，可按不可压缩处理。 b ) 假定水为牛顿流体。即水的动力粘度是恒定的，不随速度而变化。 c ) 进行稳态计算时，假定流体在清洗槽内的流动为定常流动，即流体 速度不随时间而变化。 d ) 计算中假定在系统内部流体无热传导现象。 本文对清洗槽不但进行了稳态方面的计算，而且也进行了瞬态方面的计 算。因此需要建立清洗槽的稳态模型以及瞬态模型。 3 1 4 模型网格划分 三维c f d 清洗槽模型是在流体分析软件s t a r c d 内部建立并进行网格划 分的，每个c f d 模型均划分为数个六面体单元。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 为了分析清洗槽出水口高度、叶片倾斜角及叶片转速与清洗效果的关系， 本文分别建立了不同出水口高度及不同叶片倾斜角下的三维c f d 模型进行分 析，其中六个出水口高度为1 5 0 哪、2 0 0 唧、2 5 0 唧、3 0 0 棚、3 5 0 咖、5 5 0 珊， 六个叶片倾斜角为o 。、1 5 。、3 0 。、4 5 。、6 0 。、7 5 。本章只列举了两 个出水口高度和两个叶片倾斜角的清洗槽模型，其模型网格划分的沿j ，方向 的截面图分别如图3 3 、图3 4 所示，其它出水口高度和叶片倾斜角的模 型与之相似，因此不再赘述。本文所有视图都是从z 轴正方向看的，并且轴 的转向是逆时针方向，在、右两边出水口也是在此基础上定义的。图3 3 中 所加局部坐标系位置代表的是出水口所处的位置，后面章节中与此相同。 图3 3 不同出水口高度下的模型网格划分 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图3 4 不同叶片倾斜角下的网格划分 在清洗槽的叶片处由于流速和压力变化很大，为了得到较精确的解? 所 以在每个模型的叶片处网格都特别予以细化。由于清洗槽出水口的高度不同， 根据结构设计要求，水平面的高度等于出水口高度加上1 0 0 m n ，所以每个模 型的网格划分数目也是不同的。如表3 3 所示，重点列举了三种出水口高度。 表3 3 清洗槽的网格划分数目 出水口高度六面体单元数网格节点数 1 5 0 哪1 7 0 7 4 4 2 0 5 2 2 8 2 5 0 砌 2 0 3 6 7 22 3 9 5 6 4 3 5 0 m m2 2 1 9 0 02 5 8 0 6 4 3 1 5 边界条件 根据清洗槽实际工作的情况，可以确定对应的计算模型的边界条件： ( 1 ) 入口处 将进水口作为入口觇设定入口处睁y 向流黼= 叭譬z = 0 9 4 m s ( 其中流量q l 为5 2 5 l m i n ，入水口直径d 为1 3 m m ，入水口个数z 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 7 ，其取值见表3 1 ) ，其余方向上的流速均为零，即“= o ，w = 0 。 ( 2 ) 出口处 出口设定为入口边界，因为在出口处有个外加泵往外抽水，根据出口的 总流量等于入口的总流量，设定出口处的x 向流速为”= o 2 3 5 m s ，其余方 向上的流速均为零，即v = 0 ，w = 0 。 ( 3 ) 压力边界 将清洗槽内的流体平面设定为压力边界，压力为一个标准大气压，即 p = o 1 1 0 6 p a 。 ( 4 ) 固体边界 将清洗槽的所有固体壁面设定为墙边界，用墙函数法处理。其中，为了 表达轴的转速，将轴的固体壁面单独设置为一个固体边界。在固体边界上流 体将粘附于固体壁面，即流体在墙边界上的各向速度均为零，由于壁面无滑 移和不可穿透条件，故对与壁面平行的速度，其计算的粘性系数应进行相应 的调整，而与壁面垂直速度方向的广义扩散系数为零；对于紊流脉动动能七， 取蕊砂= o 来计算，即要求广义扩散系数为零。 对于最后所得到的代数方程组，因其中的变量都是互相耦合的，而且由 于原始方程本身的非线性，使得计算只能采用迭代的方法。即预先给定个 初始值，然后对方程进行逐步的迭代，最终得到近似于精确解的解。实际稳 态计算时采用第二章所述的s i m p l e 算法，当各变量值的全局迭代误差均小于 1 0 1 时，即认为满足计算精度要求。 3 2 瞬态c f d 模型 在对清洗槽的瞬态计算中，存在着叶片和清洗槽壁面之间的相对运动， 因此需要用移动网格技术来模拟两物体之间的相对运动。 3 2 1 移动网格技术一m ( 1 ) 一般网格移动 在大多数情况下，通过随时间改变单元的部分或全部顶点位置，可以使 网格以预定的方式进行平动、旋转或扭曲，这种类型的网格运动，有时称为 “拉格朗日一欧拉法则”，有时带来大量的移动边界问题，用一种称为“空间 守恒法则”的附加方程求解移动坐标速度分量。这与单元体相对于坐标系速 度的变化有关。空间守恒法则的兼容性和其他流体运动方程用于一般的移动 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 网格问题。当然，网格运动并不是完全任意的，为了满足精确性和稳定性的 条件，就需要将网格的运动限制在允许扭曲程度的范围之内。 ( 2 ) 滑移边界 任何不渗透或可渗透壁面都可以指定在某个方向上有滑移速度。此功能 可用来模拟一个运动物体相对于一个固定物体的运动，如清洗槽的叶片相对 于清洗槽壁面的运动，在此情况下，给清洗槽叶片指定一个圆周方向上的移 动速度相对于清洗槽壁面的运动。 ( 3 ) 内部移动网格 在流体动力学实际应用中，许多情况下流体的运动是由于固体的一部分 与其他部分的相对运动而产生的。在流体特征上这通常伴随有很强的固有不 稳定性。先进的模拟流体( 包括相对运动) 的数值仿真技术可以将参考坐标 下的解固定在其中的一个物体上，然后求解该坐标下的运动方程组。 本论文中采用滑移界面的手段使单元在求解过程中改变它们的相互关 联，以实现流动的全瞬态模拟。在滑移界面方法中，求解域中的网格被分成 两个或多个部分以确定它们相应的参考系，也就是说，一个静止；其它的运 动。在划分为不同部分的网格界面上，滑移网格可以任意放肆滑移通过固定 面。 滑移包括相对于另一界面上单元关联的连续变化，这种变化通过间接确 定法得到满足。此处理方法中，两边保留隐式匹配。另外，通过适当的时间 和空间上的内插来保证通过界面的流量的连续性，以避免向流场外渗透。 ( 4 ) 整齐的滑移界面 实现上述技术的方法之一是选用整齐的滑移界面法，这使得界面上的单 元在求解过程中有规律地改变它们地关联性。如图3 5 所示，在滑移界面所 得单元面之间总是保持一对一的匹配。 此方法的主要要求和特点为： 1 ) 滑移界面两边单元面的几何形状一般是相同的。 2 ) 滑移界面两边单元面在所有时间里是一一对应关系。 3 ) 对于整个( 包括运动固定区) 模拟计算过程在所有时间内总是匹配 的。 4 ) 区域大小以及计算时间通过阶段性边界条件降至最小。 5 ) 可从任一初始条件开始求解。 6 ) 解域中可由任意多个滑移界面。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 求解中单元关联性的变化通过一个指定的单元附着命令激活，单元几何 形状的实际改变必须通过移动网格操作来进行。对于每一单元附着事件，单 元移动部分的界面上的点变化范围实际为一个宽度。参照图3 5 ，附着事件 发生在滑移过程的( 1 ) 、( 3 ) 步。 注：图3 5 中大字体的数字1 1 0 为边界单元号；小字体数字1 6 、 l l 一1 6 为边界界面上相对应单元的顶点号：底部网格运动方向向右。 123d 芝j 5 6 1 112 1 j1 41 b 6789 o ( 1 ) 网格移动前的初始状态 ( 2 ) 底部网格移动网格单元产生扭曲 2 。：。2 。j 4 。 ( 3 ) 界面滑移到一个新的位置 1 6 1 。 234 三5 3 111 21 31 41 b 三)7891o ( 4 ) 底部网格移动消除网格单元的扭曲 图3 5 移动网格示意图 1 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 ( 5 ) 单元层的移除和添加 在移动网格的一些实际应用中，要求计算域的大小有很大的变化。这就 会导致以下问题： 1 ) 需得到暂时精确解的时间步要依赖网格c o u r a n t 数。所以在瞬态过 程中若生成很小单元，原没必要划分成很小的时间步长现也成为必 要，导致计算时间的增加。 2 ) 可能产生与大变化率相关的不稳定问题。 通过在瞬态计算中使单元移除或添加可以解决上述问题，所以平均单元 大小基本上可以维持为常量。 移除单元的一般方法是，网格移动造成两个或更多对立的单元面在某时 间步内相对应，因而使所有其它面塌陷成一条线或点，而使单元体积为零， 此时只能将这些单元移除，否则就会出现错误。网格添加过程与之相反，即 将前面已移除的单元重新添加。 理论上，这些过程可在或多或少任意选取的单独单元或单元组上操作。 然而，为简化应用，规定总是用于层，即有单元厚度的单元组： 需要移除或添加的单元层有下列要求： 1 ) 层中形成外围的单元必须临近边界。 2 ) 塌陷面必须是四边形，而形成层上下表面的可以是其它形状。 3 ) 单元层的上或下表面可全部或部分对应与边界，但两面不能同时对 应边界。 4 ) 最后移除的单元层必须最先添加。 5 ) 当层恢复后，可再取得在移去前曾定义的边界。 用一般网格运动过程可移除单元，要求的面朝着它体积缩减为零的方向 运动，直到除去，单元再重新排列。单元添加操作方法相同但过程相反。移 除和添加操作不需与隐式求解步骤相分离。 3 2 2 清洗槽瞬态建模 清洗槽是土壤清洗机的主要工作部分，在工作过程中清洗槽内的叶片是 转动的。为了研究整个动态过程中的各项性能对清洗效果的影响，必须对清 洗槽进行瞬态计算，因此本文设置了叶片的转动过程。 清洗槽的瞬态c f d 模型仍是以图3 一l 中的