采矿工程数值模拟
分析报告
学院：资源与安全工程学院
班级：硕13-3班
姓名：孟浩
学号：TSZ130101026Q
中国矿业大学(北京)
2013年1月2日
1关键问题
1301工作面上、下平巷掘进过程中曾多次发生煤炮，工作面回采过程中，曾于2010年2月3日发生采场支架压死现象。根据煤层、顶板冲击倾向性鉴定结果和曾发生的动力现象，并考虑到1301工作面复杂的开采条件(深部、特厚煤层、高地压、强承压水、高温、厚表土层、构造发育等)，认为1301工作面回采过程中面临潜在的冲击地压等动力灾害威胁。
本项数值模拟分析报告是根据龙固煤矿主采煤层为3（3上、3下）煤层1301工作面实际工程条件，以煤层赋存条件、采矿工程条件和水文地质条件为基础，应用FLAC3D数值分析软件进行数值分析计算，模拟并分析开采高度分别为9.0m 时，不同推进距离（8m、24m、48、80m）条件下，工作面前方支承压力分布、顶板来压步距、覆岩冒落高度、塑形破坏范围等,对提前预知、预防和减少灾害发生提供理论和实验依据。
2工程背景
地层区划属华北地层区鲁西地层分区，区内多为第四系覆盖。矿井地质储量16.83亿吨，可采储量5.1亿吨，设计生产能力600万吨/年，设计服务年限82年。3煤层平均厚度为8.82m，可采指数为1，为较稳定煤层，煤层倾角0～6°，平均3°；其单向抗压强度为32.13 MPa，基本顶为厚度为12.42m的粉砂岩互层，其单向抗压强度为100.17 MPa，由于煤层厚度较大，采空区冒落高度相对较高，煤层顶板又较为坚硬，因此可能存在顶板大面积悬顶。随着工作面的继续推进顶板集聚足够的弹性能，突然断裂对工作面支架、煤壁造成冲击诱发采场、巷道冲击地压发生。因此，3煤层顶板是否形成大面积悬顶是工作面顶板明显动压发生的必要条件。
3.软件介绍
FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由美国ITASAC公司于20世纪80年代提出并程序化，是岩土连续介质的二维和三维专业分析软件。二维计算程序V3.0以前的为DOS版本，V2.5版本仅仅能够使用计算机的基本内存（64K），所以，程序求解的最大结点数仅限于2000个以内。1995年，FLAC2D 已升级为V3.3的版本，其程序能够使用护展内存。因此，大大发护展了计算规模。FLAC3D是一个三维有限差分程序，目前已发展到V2.1版本。
FLAC3D的输入和一般的数值分析程序不同，它可以用交互的方式，从键盘输入各种命令，也可以写成命令（集）文件，类似于批处理，由文件来驱动。因此，采用FLAC程序进行计算，必须了解各种命令关键词的功能，然后，按照计算顺序，将命令按先后，依次排列，形成可以完成一定计算任务的命令文件。
FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的护展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发变形和移动（大变形模式）。FLAC3D 采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够非常准确发模拟材料的塑性破坏和流动。无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。FLAC3D采用ANSI C++语言编写的。
4.模型建立
基于FLAC 3D 建模原理，参照新巨龙龙固矿井田1302N 工作面L-8号钻孔揭露的地层及岩性结构建立模型。根据工程背景，建立400×90×117大小的模型，在节省单元、提高运算速度的同时，为保证计算精度，按照区域需要确定单元体的疏密如图4.1
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 6254 Model Perspective 15:10:30 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.95Ang.: 22.500
Block Group
15细粒砂岩14泥岩13_3上煤12粘土11_3上煤10粉砂岩9细粒砂岩8粗粒砂岩7中粒砂岩6泥岩5细粒砂岩4粗粒砂岩3细粒砂岩2粉砂岩1中粒砂岩
图4.1 模型
5参数确定
参数的确定见表5.1
表5.1 参数
煤岩名称
密度 Kg/m3 切变模量GPa 体积模量GPa 抗拉强
度 MPa
内摩擦角
（°） 粘聚力 MPa 粗粒砂岩 2000 1.22 2.85 1.20 33 4.20 中粒砂岩 2300 2.38 4.34 1.80 35 2.50 细粒砂岩 2400 2.60 6.67 2.00 38 3.00 泥岩 2400 1.00 2.00 0.80 30 1.00 粉砂岩 2400 3.65 1.20 1.00 33 2.00 煤层 1370 0.88 2.44 0.90 33 0.90 粘土 1800 0.019 0.0172 0.588
25 2.00
6计算过程
计算过程如下：数值模型如图4.1所示，开切眼左边预留宽100m 的边界煤柱，分步开挖，每次开挖8m ，共开挖10次，工作面推进80m ，每次开挖计算至平衡为止。
开切眼
7.结果分析
考虑到不同推进距离条件下分析方法的一致性，在此仅分析，推进距离为8m 、24m 、54m 、90m 时的图像和数据，其他条件下的数值分析可参考以上分析结果。
（1）垂直位移分布图
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 9254 Model Perspective 21:50:58 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of Z-Displacement
Magfac = 1.000e+000
-5.9372e-002 to -4.0000e-002-4.0000e-002 to -2.0000e-002-2.0000e-002 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.0000e-002 2.0000e-002 to 4.0000e-002 4.0000e-002 to 6.0000e-002 6.0000e-002 to 6.5177e-002 Interval = 2.0e-002
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 7254 Model Perspective 21:43:30 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of Z-Displacement
Magfac = 1.000e+000
-3.8379e-002 to -3.0000e-002-3.0000e-002 to -2.0000e-002-2.0000e-002 to -1.0000e-002-1.0000e-002 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 1.0000e-002 1.0000e-002 to 2.0000e-002 2.0000e-002 to 3.0000e-002 3.0000e-002 to 4.0000e-002 4.0000e-002 to 5.0000e-002 5.0000e-002 to 5.7162e-002 Interval = 1.0e-002
推进8m 推进24m
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 12254 Model Perspective 21:54:28 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of Z-Displacement
Magfac = 1.000e+000
-8.9131e-002 to -8.0000e-002-8.0000e-002 to -6.0000e-002-6.0000e-002 to -4.0000e-002-4.0000e-002 to -2.0000e-002-2.0000e-002 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.0000e-002 2.0000e-002 to 4.0000e-002 4.0000e-002 to 6.0000e-002 6.0000e-002 to 7.3891e-002 Interval = 2.0e-002
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 16254 Model Perspective 22:26:35 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of Z-Displacement
Magfac = 1.000e+000
-1.6177e-001 to -1.5000e-001-1.5000e-001 to -1.2500e-001-1.2500e-001 to -1.0000e-001-1.0000e-001 to -7.5000e-002-7.5000e-002 to -5.0000e-002-5.0000e-002 to -2.5000e-002-2.5000e-002 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.5000e-002 2.5000e-002 to 5.0000e-002 5.0000e-002 to 7.3749e-002 Interval = 2.5e-002
推进48m 推进80m
当工作面推进8m 时，顶板最大下沉量为3.8cm ；当工作面推进24m 时，顶板最大下沉量为5.94cm;当工作面推进48m 时，顶板最大下沉量为8.91cm ；（4）当工作面推进80m 时，顶板最大下沉量为16.27cm 。综上所述，随着工作面推进，最大下沉量与最大底鼓量随着工作面推进而增大。 （2)垂直应力分布图
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 7254 Model Perspective 20:21:04 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.95Ang.: 22.500
Contour of SZZ
Magfac = 1.000e+000 Gradient Calculation
-2.0465e+007 to -2.0000e+007-2.0000e+007 to -1.8000e+007-1.8000e+007 to -1.6000e+007-1.6000e+007 to -1.4000e+007-1.4000e+007 to -1.2000e+007-1.2000e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -8.0000e+006-8.0000e+006 to -6.0000e+006-6.0000e+006 to -4.0000e+006-4.0000e+006 to -3.9664e+006 Interval = 2.0e+006
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 9254 Model Perspective 21:37:08 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of SZZ
Magfac = 1.000e+000 Gradient Calculation
-2.2637e+007 to -2.2500e+007-2.2500e+007 to -2.0000e+007-2.0000e+007 to -1.7500e+007-1.7500e+007 to -1.5000e+007-1.5000e+007 to -1.2500e+007-1.2500e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -7.5000e+006-7.5000e+006 to -5.0000e+006-5.0000e+006 to -2.5000e+006-2.5000e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.0269e+005 Interval = 2.5e+006
推进8m 推进24
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 16254 Model Perspective 21:36:00 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.95Ang.: 22.500
Contour of SZZ
Magfac = 1.000e+000 Gradient Calculation
-3.0966e+007 to -3.0000e+007-3.0000e+007 to -2.5000e+007-2.5000e+007 to -2.0000e+007-2.0000e+007 to -1.5000e+007-1.5000e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -5.0000e+006-5.0000e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 3.7334e+005 Interval = 5.0e+006
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 12254 Model Perspective 21:38:50 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of SZZ
Magfac = 1.000e+000 Gradient Calculation
-2.6945e+007 to -2.5000e+007-2.5000e+007 to -2.0000e+007-2.0000e+007 to -1.5000e+007-1.5000e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -5.0000e+006-5.0000e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.1936e+005 Interval = 5.0e+006
推进48m 推进80m 如图所示，（1）当推进8m 时，工作面所受垂直应力最大值为20.4Mpa ，原始应力为17.6Mpa ，最大应力集中系数为1.16。峰值点距离工作面8~10m 。（2）当工作面推进24m 时，工作面所受垂直应力最大值为22.6Mpa ，最大应力集中系数为1.29，此时距工作面9~28m 。当推进48m 时，工作面所承受垂直应力最大值为27Mpa,最大应力集中系数为1.53，距离工作面11~29m 。（4）当工作面推进80m 时，工作面所承受垂直应力最大值为30.9Mpz ，最大应力集中系数为1.76，此时距离工作面13~21m 。综上所述：随着工作面的推进，工作面所受垂直应力最大值增大，即最大应力集中系数增大，且随着工作面推进峰值点距离工作面距离增大。
（3）塑性区破坏
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 7254 Model Perspective 23:23:19 Thu Jan 02 2014Center:
X: 1.164e+002 Y: 4.500e+001 Z: 1.918e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 5.96Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None
shear-n shear-p shear-p
shear-p tension-p
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 9254 Model Perspective 09:24:30 Fri Jan 03 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 2.44Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None
shear-n shear-p
shear-n tension-n shear-p tension-p shear-p
shear-p tension-p
tension-n shear-p tension-p tension-n tension-p tension-p
（a ）推进8m (b)推进24m
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 11254 Model Perspective 10:13:45 Fri Jan 03 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 1.95Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None
shear-n shear-p
shear-n shear-p tension-p
shear-n tension-n shear-p tension-p shear-p
shear-p tension-p
tension-n shear-p tension-p tension-n tension-p tension-p
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 10254 Model Perspective 10:11:25 Fri Jan 03 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 2.44Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None
shear-n shear-p
shear-n shear-p tension-p shear-p
shear-p tension-p
tension-n shear-p tension-p tension-n tension-p tension-p
（c ）推进32m (d)推进40m
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 13254 Model Perspective 10:17:28 Fri Jan 03 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 1.95Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None shear-n
shear-n shear-p
shear-n shear-p tension-p
shear-n tension-n shear-p tension-p shear-p
shear-p tension-p
tension-n shear-p tension-p tension-p
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 12254 Model Perspective 23:21:36 Thu Jan 02 2014Center:
X: 1.766e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 1.95Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None shear-n
shear-n shear-p
shear-n shear-p tension-p
shear-n tension-n shear-p tension-p shear-p
shear-p tension-p
tension-n shear-p tension-p tension-p
(e)推进48m （f ）推进56m
随着工作面的推进，顶板破坏深度加大，老顶塑性破坏范围也逐渐增大，当推进达到24m 之后时，直接顶初次发生破断，当工作面推进到32m 时，老顶发生破断，工作面发生初次来压，当工作面继续推进8~10m 时，老顶发生规律性破断，形成周期来压。
基于CFX的离心泵 内部流场数值模拟基于CFX的离心泵内部流场数值模拟 随着计算流体力学和计算机技术的快速发展，泵内部的流动特征成为热点研究方向，目前应用 CFX 软件的科研人员还较少，所以将CFX 使用的基本过程加以整理供初学者参考。如有不对之处敬请指教。 、CFX数值计算的完整流程 、基于ICEM CFD勺离心泵网格划分 2.1导入几何模型 2.2修整模型 2.3创建实体 2.4仓U建PRAT 2.5设置全局参数 2.6划分网格 2.7检查网格质量并光顺网格2.8导出网格—选择求解器2.9导出网格 、CFX-Pre设置过程 3.1基本步骤 3.2新建文件
3.3导入网格 3.4定义模拟类型3.5创建计算域3.6指定边界条件3.7建立交界面
3.8定义求解控制 3.9定义输出控制 3.10写求解器输入文件 3.11定义运行 3.12计算过程 四、CFX-Post 后处理 4.1计算泵的扬程和效率 4.2云图 4.3矢量图 4.4流线图 2.1导入几何模型 在ICEMCFD软件界面内，单击File宀Imort Geometry^STEP/IGES（—般将离心泵装配文件保存成STEP格式）， 将离心泵造型导入I C E M如图3所示。 图3导入几何模型界面
2.2 修整模型 单击Geometry^Repair Geometry 宀Build Topology，设置Tolerenee，然后单击Apply，如图 4 所示。拓扑 分析后生成的曲线颜色指示邻近表面的关系：gree n =自由边，yellow =单边，red =双边，blue =多边，线条 颜色显示的开/关Model tree T Geometry T Curves T Color by cou nt,Red curves 表示面之间的间隙在容差之 内，这是需要的物理模型, N41 f !孕ECHH 匚丁E> !1 Z-和-1 ：z? ...... ....................... 兰直卤* 百曲gw 卜宀-im * Q涕曲空JIT^J 厂社tt-sfri- Piwpe^ifl-5 CorFklr air^ i Cphcri s Quip^jr 匸* JO 匸叭和皈X XWM X ■an. y% wn- Yellow edges 通常是一些需要修补的几何。 亠 图4修整模型界面 2-3 创建实体单击Geometry^Creade Body,详细过程如图5所示。
第一部分：数值模拟技术研究文献综述 浅析数值模拟技术 1．引言 近年来，随着我国大规模地进行“西部大开发”和“南水北调”等巨型工程，越来越多的岩土工程难题摆在我们面前，单纯依靠经验、解析法显然已不能有效指导工程问题的解决，迫切需要更强有力的分析手段来进行这些问题的研究和分析。自R.W. Clough 上世纪60年代末首次将有限元引入某土石坝的稳定性分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域取得了巨大的进步，并成功解决了许多重大工程问题。特别是个人电脑的普及及计算性能的不断提高，使得分析人员在室内进行岩土工程数值模拟成为可能。在这样的背景下，数值模拟特别是三维数值模拟技术逐渐成为当前中国岩土工程研究和设计的主流方法之一，也使得岩土工程数值模拟技术成为当今高校和科研院所岩土工程专业学生学习的一个热点。 采用大型通用软件对岩土工程进行数值模拟计算，在目前已成为项目科研、工程设计、风险评估等岩土类项目的必须，学习和掌握Ansys、FLAC3D、UDEC 等数值计算软件已成为学校、科研院所对工程从业人员的基本要求。 数值模拟方法主要有限元法、边界元法、加权余量法、半解析元法、刚体元法、非连续变形分析法、离散元法、无界元法和流形元法等，各种方法都有其对应的软件。 2.数值模拟的发展趋势 可以说, 继理论分析和科学试验之后, 数值模拟已成为科学技术发展的主要手段之一。随着软件技术和计算机技术的发展, 目前国际上数值模拟软件发展呈现出以下一些趋势： （1）. 由二维扩展为三维。早期计算机的能力十分有限，受计算费用和计算机储存能力的限制，数值模拟程序大多是一维或二维的，只能计算垂直碰撞或球形爆炸等特定问题。随着第三代、第四代计算机的出现, 才开始研制和发展更多的三维计算程序。现在，计算程序一般都由二维扩展到了三维，如LS-DYNA2D 和LS - DYNA3D、AUTODYN2D 和AUTO-DYN3D。 （2）.从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题。数值模拟分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值模拟方法。近年来数值模拟方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流等求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如内爆炸时，空气冲击波使墙、板、柱产生变形，而墙、板、柱的变形又反过来影响到空气冲击波的传播，这就需要用固体力学和流体动力学的数值模拟结果交叉迭代求解。 （3）.由求解线性问题进展到分析非线性问题。随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。诸如岩石、土壤、混凝土等，仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性数值算法才能解决。众所周知，非线性的数值模拟是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此，近年来国外一些公司花费了大量的人力和资金，开发了诸如LS- DYNA3D、ABAQUS和AU-TODYN等专长求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效
数值模拟的概念基础知识 Excel 在数值模拟中的应用MatLab 软件应用Ansys WorkBench 简介 1. 2. 3. 4. 5. 及软件应用 数值模拟 基础知识 2. ?用简单易懂的方式和例子，说明数值模拟的思想； ?掌握一些简单的数值计算方法；?数值模拟思想在专业问题中的应用。 数值模拟的本质?在理论家眼里，大坝是一堆偏微分方程... ?神秘的偏微分没有理论解 数值模拟的本质 ?试坏了才知道结果 ?在实验员眼里，大坝是个黑箱... 数值模拟的本质?每一个单元都符合：牛顿定理，建立平衡方程； ?每一个单元都符合：应力—应变关系，建立物理方程。 ?单元之间，符合：作用力与反作用力定理。 ?所有单元联合，组成方程组求解。 数值计算，化整为零 ?数值求解偏微分方程 数值模拟的本质 ?数值模拟的本质是：将问题离散化，利用计算机求解。 实际问题数学模型数值方法运行程序输出结果 数学化离散化程序化（理论分析） 编制程序（数值模拟） 12 34 56
7 D are De sign 水工进水塔intake tower 2011-2014青海省果洛藏族自治州—黄河玛尔挡泄洪洞 8 D are De sign 水工进水塔intake tower 2009-2012羊曲泄洪洞进水塔·青海 9 D are De sign 水工进水塔intake tower 新疆自治区阿克苏地区—大石峡泄洪洞 数值积分 ?数值积分体现了离散化→ 利用计算机求解的思想，也是其他数值模拟方法的基础。 依据微积分基本定理，对于积分 只要找到被积函数的原函数, 便有下列牛顿-莱布 尼茨(Newton-Leibniz)公式： 但对于下列情形： 数值积分 （1）被积函数，诸如等等，找不到用初等 函数表示的原函数； （2）当是由测量或数值计算给出的一张数据表. 这时，牛顿-莱布尼茨公式也不能直接运用. 因此有必要研究积分的数值计算问题. 数值积分 ?数值积分体现了离散化→ 利用计算机求解的思想，也是其他数值模拟方法的基础。 由于定积分表示的是函数与坐标系围成的面积，我们可以将这个面积分割为用n 个很窄的矩形，这些矩形的面积之和近似等于定积分的值。这个分割的过程就是离散化的过程。 78 910 1112
基于CFX的离心泵内部流场数值模拟 基于CFX的离心泵内部流场数值模拟 随着计算流体力学和计算机技术的快速发展，泵内部的流动特征成为热点研究方向，目前应用CFX 软件的科研人员还较少，所以将CFX使用的基本过程加以整理供初学者参考。如有不对之处敬请指教。 一、 CFX数值计算的完整流程 二、基于ICEM CFD的离心泵网格划分 2.1 导入几何模型 2.2 修整模型 2.3 创建实体 2.4 创建PRAT 2.5 设置全局参数 2.6 划分网格 2.7 检查网格质量并光顺网格 2.8 导出网格－选择求解器 2.9 导出网格 三、CFX-Pre 设置过程 3.1 基本步骤 3.2 新建文件 3.3 导入网格 3.4 定义模拟类型 3.5 创建计算域 3.6 指定边界条件 3.7 建立交界面 3.8 定义求解控制
3.10 写求解器输入文件 3.11 定义运行 3.12 计算过程 四、 CFX-Post后处理 4.1 计算泵的扬程和效率 4.2 云图 4.3 矢量图 4.4 流线图 2.1 导入几何模型 在ICEM CFD软件界面内，单击File→Imort Geometry→STEP/IGES（一般将离心泵装配文件保存成STEP格式），将离心泵造型导入ICEM，如图3所示。 图3 导入几何模型界面 2.2 修整模型 单击Geometry→Repair Geometry→Build Topology，设置Tolerence，然后单击Apply，如图4所示。拓扑分析后生成的曲线颜色指示邻近表面的关系：green = 自由边， yellow = 单边，red = 双边， blue =多边，线条
华中科技大学体育馆数值模拟分析 6.1分析模型的建立 采用有限元软件ANSYS建立该网壳结构有限元分析模型。整体屋盖结构共计1481个节点，4430个单元，16种截面类型。建模时，网壳结构主体结构部分 （包括主桁架、次桁架、水平支撑和檩条）采用ANSYS的LINK8杆单元建模，两侧翼的主梁、次梁和支承钢管柱均采用BEAM4梁单元，网壳结构屋面下部混凝土支承结构亦采用BEAM4梁单元。分析时，屋面板、设备管线等荷载等效为节点荷载，施加在结构节点上。 在网壳结构有限元分析中，对于杆件采用的LINK8 3-D Spar单元为三维单元，假设材料为均质等直杆，且在轴向上施加载荷，可以承受单向的拉伸或者压缩，每个节点上具有三个自由度，即沿X、丫和Z坐标轴方向。该单元具有塑性、蠕变、应力硬化和大变形等功能，能较好的模拟三维空间桁架单元。 对于两侧翼结构和下部支撑体系的柱、梁等结构采用的BEAM4单元是一个轴向拉压、扭转和弯曲单元，每个节点有三个平动自由度和三个转动自由度，具有应力刚化和大变形功能。 施工过程模拟分析时考虑时，同时考虑温度效应影响，计算时材料假定为理想弹塑性材料。
6.2分析工况选取 按照实际施工顺序，将网壳结构屋盖施工过程划分为 5个工况进行施工数值 模拟，计算温度取为该阶段施工完成时的环境温度。 工况1: 7榀拱形主桁架安装完毕，但临时支撑未撤除，计算温度为温度15C ； (a )短轴立面 1' 裁灌 1::“ 麻 MM ■■号 -? ■?■ 水 * S-ES-B- Kir *￡靈曲 r-…；： 1 ;u * 图6-1有限元分析模型
图6-4工况2中屋盖结构平面图图6-5工况2中屋盖结构立面图工况3：次桁架、水平支撑及楼梯安装完毕，临时支撑拆除，计算温度为29C; 图6-6工况2中屋盖结构平面图 (b )长轴立面 图6-7工况2中屋盖结构立面图工况4：檩条及设备管线安装完毕，计算温度为41C; 完成后拆除其临时支撑，计算温度为8C； (a)短轴立面 (b)长轴立面 (a)短轴立面
现代数值模拟方法及其应用 这是一门什么样的课？ 研究生的全校公选课。 （怎么讲，有待实践和探讨） 假设应当具有的基本知识 高等数学 如微积分、级数展开、微分方程 线形代数、概率统计 问题：关于级数展开及其应用 21 ()(0)'(0)''(0)...2! f x f f x f x =+++ 答： * 当x 较小时，可取前面几项作为函数的近似 * 当函数形式未知时，可用级数逐项逼近 计算机编程 包括 Linux 系统、画图和数据分析软件， 例如 xmgrace ，mitlab 问题：A=0.0D+00 DO 10 I=1,10 A=A+1.0D+00*I 10 CONTINUE 代表什么含义 物理学 （50％内容或多或少与物理学有关） 最理想是学习过普通物理学 或者中学的物理学，能理解基本的物理问题 比如，物理是研究物质的结构和运动的学科 物质有各种形态，如气态、液态和固态等
物质的运动遵从一定的运动规律 如运动方程，分布函数等 问题：力学、统计物理和量子力学的基本知识 化学、生物学和经济学 简单的基本知识 基本的英文阅读和书写能力 不打算非常系统地讲授种种数值模拟方法 因为时间有限、精力有限 重点讲两种方法 Monte Carlo 模拟 和 分子动力学 简单介绍一些重要的基本方法 一定程度上给出数值模拟方法的概况 目的是学习应用计算机模拟方法研究科学问题 至少了解如何用计算机模拟方法研究科学问题 包括 方法本身 科学问题的表述，模型化 Ising 模型的种种应用 {} 1 1 1 i j i j i H k T i S i H K S S h S kT Z S e -- =+==±∑∑∑
300mm单晶硅提拉法生长数值模拟案例报告 一、模型背景 案例演示了基于FEMAG/CZ生长考虑磁场的300mm单晶硅的工艺过程，目标是模拟评估全局热场，优化加热系统，模拟晶体热应力等分布，最终改善热场和生长工艺，提高晶体质量。 FEMAG/CZ软件是专业化的CZ法晶体生长的模拟软件，也是2015年11月举办的IWMCG-8第八届国际生长模型化会议公认的求解性能和精度最好的晶体生长模拟软件。国内以新昇半导体公司为代表的优秀企业，成功的应用FEMAG 软件，为300mm单晶硅提拉法生长工艺研发提供了建设性的帮助。 FEMAG/CZ的模拟可以是反向模拟或直接模拟。前者通过定义晶体形状和单晶生长速度来计算加热器功率和其它未知变量，如温度场、流场、应力和掺杂和杂质等的分布。后者通过定义加热器功率和单晶生长速度来预测晶体生长形状和上述未知场变量。 二、模型设置 FEMAG晶体生长模拟过程包括以下几个部分：几何模型的绘制、网格划分、模拟参数的设定、求解、结果分析。 2.1几何模型 几何模型采用实际用于生长300mm单晶硅的工业晶体炉构建，模型可以通过CAD文件导入，也可以在FEMAG中自行建模。
图1. 几何模型 2.2 网格划分 绘制完成几何模型后，划分网格，全模型网格剖分结果如下: 图2 全局网格
图3 弯液面计算与局部边界层网格 FEMAG 可以自动计算弯液面，对熔体、气体交界面进行修正，并考虑表面张力的作用，最终生成更符合真实物理模型的Melt/Gas 弯液面，如上图（1）区域。对于固液界面以及液相和坩埚界面，存在明显的边界层效应，对于考虑磁场的提拉法生长过程，边界层效应将会更加显著，为了更好地表征该界面区域的速度场分布，也为了模型更好的收敛，软件提供了定制化的界面边界层网格功能，用户可以选择启用。如上图（2）和（3）区域: 2.3 模拟参数的设定 2.3.1 工艺条件设定 可以在FEMAG 中设定工艺操作条件，如下所示： 提拉速率：0.5 mm/h; 晶转：-10 RPM ； 埚转：5 RPM ； 1 2 3
溃坝水流数值模拟研究进展 史宏达,刘 臻 (中国海洋大学工程学院,山东青岛 266071) 摘要:溃坝问题在水利工程的设计管理中具有重要地位,也是广大学者长期以来一直关注和研究的课题。回顾和总 结了国内外对溃坝水流演进问题的研究进展:介绍了溃坝水流的数学模型及解析解法存在的困难,进而讨论了数 值解法的最新进展;论述了求解溃坝水流一维问题的有限差分法、近似黎曼解的G odunov 格式法、Boltzmann 法、 K FVS 法和二维问题的T VD 格式法、间断有限元法、有限体积法、特征线法,并分析了各种方法的适用范围和优缺 点,及讨论了限制函数的使用;介绍了利用自由水面追踪方法计算溃坝水流的研究进展,并根据目前存在的不足和 实际工程的需要,提出了进一步研究的方向和发展趋势。 关 键 词:溃坝水流;数值模拟;研究进展 中图分类号:T V1391231;G 353111 文献标识码:A 文章编号:100126791(2006)0120129207 收稿日期:2005206220;修订日期:2005209221 作者简介:史宏达(1967-),男,浙江宁波人,中国海洋大学副教授,主要从事工程水动力学研究。 E 2mail :hd 2shi @2631net 在水利工程的设计和管理中预报坝体溃决这一灾害性水流现象十分重要。溃坝计算是对水库和堤防的失事影响做出定量估算,并合理确定水库或堤坝防洪设计标准以及避险措施的有效手段。溃坝计算的主要内容是算出溃坝坝址的流量和水位过程线,以及下游洪水演进过程中沿程各处的流量、水位、流速、波前和洪峰到达的时间等。溃坝水流的构成复杂,通常包含激波,亚临界流,超临界流等区域。通过数值解与试验数据比较,认为浅水方程能够较好的描述溃坝水流。问题最终归结为求解控制水流运动的非恒定流拟线性双曲型偏微分方程组的有间断问题。 1 溃坝水流的控制方程 对于一维溃坝问题,瞬间全溃引起的不稳定流动可视为一维流动,如果假定为静水压力分布和小底坡,则可用圣维南方程[1～4]描述。对于二维溃坝问题,在静压假定和忽略风应力和柯氏力的条件下,描述溃坝洪水演进的二维控制方程为浅水方程[1～4]。 2 溃坝问题的理论解法 尽管数值计算方法在模拟溃坝水流运动方面取得了一定成功,但其效果及优劣通常需要将其与解析法所得结果作比较来判断。因此,解析解的重要意义是不容置疑的。1957年,Stoker 将坝址流态分为连续波流、临界流和不连续流三个流态,推导了矩形河谷和下游有水但起始流速为零情况的瞬间全溃坝址峰顶流量公式[5]。1982年,谢任之在吸收前人经验的基础上,综合连续波与间断波的解法,用抛物线概化河谷断面,去掉对下游水深和流速的控制条件,推出了“统一公式”,可用于各种情况的瞬间全溃的坝址峰顶流量计算,并给出了便于查用的表格[6]。伍超从溃坝决口形状的任意性出发,定义了断面形态组合参数,提出了组合参数的分离方法,定义了溃坝特征数,探讨了相似性的解结构,建立了一个新的数学模型,反应了真实发生的复杂的溃坝决口的水力特性[7]。1995年,谢任之对平底无阻力解进行了简化和延伸化的扩展,研究了无限水体的平底有阻力河床瞬间全溃的一阶和二阶渐近解,并提出了有限水体的平底有阻力的渐近解[8]。 第17卷第1期 2006年1月 水科学进展ADVANCES I N W ATER SCIE NCE V ol 117,N o 11 Jan.,2006
汽车外流场的数值模拟 宁燕，辛喆 中国农业大学， 北京 （100083） E-mail ：rn063@https://www.doczj.com/doc/0213322449.html, 摘 要：利用CFD 方法，运用FLUENT 软件对斜背式车型的外流场进行了数值模拟，并对结果进行了处理与分析。研究了车身周围涡系的三维结构和车身表面分离流的情况，表明由于车身前后的压力差和主流的拖拽作用等，在汽车尾部形成了极其复杂的涡系。 关键词：汽车空气动力学；CFD ；车身外流场；FLUENT 1. 引 言 汽车空气动力学的研究主要有两种方法[1]：一种是进行风洞实验，另一种是利用计算流体动力学（CFD ）技术进行数值模拟。传统的汽车空气动力学研究是在风洞中进行实验，存在着费用昂贵、开发周期长等问题。另外，在风洞实验时，只能在有限个截面和其上有限个点处测得速度、压力和温度值，而不可能获得整车流场中任意点的详细信息。 随着计算机技术和计算流体动力学的发展，汽车外流场的计算机数值仿真由于其具有可再现性、周期短以及低成本等优越性而成为研究汽车空气动力学性能的另一种有效方法。 2. 控制方程和湍流模型 汽车外流场一般为定常、等温和不可压缩三维流场，由于外形复杂易引起分离，所以应按湍流处理。汽车外流场的时均控制方程式[2]如下：3,2,1,=j i ；z x y x x x ===321,,；，： u u =1w u v u ==32,平均连续方程：0=??i i x u 平均动量方程：??? ???????????????+????+???=??i j j i eff j j j i j x u x u x x p x u u μρ κ方程 ρεκσμμκρκ?+??????????+??=??G x x x u j t j j j )( ε方程 κερκεεσμμερε221)(C G C x x x u j t j j j ?+??????? ???+??=?? -1-
《数值传热学》作业： 顶 盖 驱 动 流 数 值 模 拟 分 析
西安科技大学能源学院安全技术及工程 申敬杰201112612
顶盖驱动流数值模拟分析 顶盖驱动流作为经典的数值计算模型，常常用来考核源程序和计算思想的正确性。这种流动边界条件简单，而且不涉及模型的影响，便于直接评价差分格式的性能。 1.引言 数值传热学，又称计算传热学，是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法，通过计算机求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数值传热学的基本思想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场，温度场，浓度场等），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变量值之间关系的代数方程（称为离散方程）。求解所建立起来的代数方程已获得求解变量的近似值。 由于实验方法或分析方法在处理复杂的流动与换热问题时，受到较大的限制，例如问题的复杂性，即无法做分析解，也因为费用的昂贵而无力进行实验测定，而数值计算的方法正具有成本较低和能模拟复杂或较理想的过程等优点，数值传热学得到了飞速的发展。特别是近年来，计算机硬件工业的发展更为数值传热学提供了坚实的物质基础，使数值模拟对流动与传热过程的研究发挥了重要的作用。 目前，比较著名的数值模拟分析应用软件有FLUENT、CFX、STAR-CD、和PHOENICS等，而FLUENT是国内外比较流行的商用CFD软件包，该软件以其市场占有率高、计算准确、界面友好、使用简单、应用领域广、物理模型多而获得较高的市场占有率和用户的肯定。 2.物理模型 在一个正方形的二维空腔中充满等密度的空气，方腔每边长为0.12m，取雷 诺数为Re=12000，由Re=vd/υ，方腔的当量直径d ，计算知d=0.12m，又υ=15.7 ×10 ﹣6m2/s，则顶盖驱动流的速度v=1.57m/s，即其顶板以1.57m/s的 速度向右移动，同时带动方腔内流体的流动，流场内的流体为紊流。计算区域示意图如图1所示。 v=1.57m/s L=0.12m 图1 计算区域示意图
某露天煤矿4-4剖面边坡稳定性分析与沿走向开采 的数值模拟 1概况 以实测4-4剖面为分析对象（如图1），根据钻孔资料确定上覆岩层属性，建立数值模拟分析模型，模型走向长300m、倾向234.17 m、高度为117.975m，模拟计算时需要考虑排土场附加荷载的影响。排土场高15.414m，其坡角35°，距离露天坡肩距离30m。具体各层参数如表1. 图1 实测4-4剖面分布图 表1岩体力学参数表 岩性 密度/ 103kg/m3 内摩擦角/° 凝聚力 /kPa 泊松比 弹性模量 /MPa 抗压强度/ MPa 表土 1.58 24 14 0.23 31.5 砂岩 2.537 33 111 0.25 5000 2.43 泥岩 2.314 34 52 0.35 1250 1.09 煤 1.45 32.7 201 0.30 1200
2二维数值模型 排土场高15m，其坡角35°，距离露天坡肩距离30m。二维模型共有1580个节点，1239个单元（如图2）。破坏判据采用莫尔-库仑准则。 2.1 二维网格划分 图2 4-4剖面二维数值模型 2.2 二维模型稳定性分析 2.2.1 稳定系数：1.3875 2.2.2 位移及应力云图如图2.2.2（a）、（b） 图2.2.2（a）4-4剖面Z方向位移变化色谱图
图2.2.2（b）4-4剖面Z方向应力变化色谱图 3三维模型 三维模型共有24692个节点，29736个单元（如图3）。破坏判据采用莫尔-库仑准则。模型参数取表1。沿走向开挖10步，前3步20m，中间4步10m，后3步20m，共开挖160m。 图3 4-4剖面三维数值模型 3.1第一步开挖 3.1.1位移云图
三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析 在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。雷诺数是判别流体流动状态的准则数。本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。 1 物理模型 三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。 流体介质：水，其运动粘度系数6 2 110m /s ν-=?。 Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口 Wall ：光滑壁面，无滑移 2 在ICEM CFD 中建立模型 2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry 2.2 做Blocking 因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。
2.3 划分网格mesh 注意检查网格质量。 在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图 因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图
2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh等相关文件 3 数值模拟原理 紊流流动
当以水流以流速20.1m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数10000υd Re ν ==，故圆管内流动为紊流。 假设水的粘性为常数（运动粘度系数62 110m /s ν-=?）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下： ①质量守恒方程： ()()()0u v w t x y z ρρρρ????+++=???? (0-1) ②动量守恒方程： 2()()()()()()()()()()[]u uu uv uw u u u t x y z x x y y z z u u v u w p x y z x ρρρρμμμρρρ??????????+++=++??????????'''''????+---- ???? (0-2) 2 ()()()()()()()()()()[]v vu vv vw v v v t x y z x x y y z z u v v v w p x y z y ρρρρμμμρρρ??????????+++=++??????????'''''????+- ---???? (0-3) 2 ()()()()()()()()()()[]w wu wv ww w w w t x y z x x y y z z u w v w w p x y z z ρρρρμμμρρρ??????????+++=++??????????'''''????+- ---???? (0-4) ③湍动能方程： ()()()()[())][())][())]t t k k t k k k ku kv kw k k t x y z x x y y k G z z μμρρρρμμσσμμρεσ????????+++=+++????????? ?+ ++-?? (0-5) ④湍能耗散率方程： 212()()()()[())][())][())]t t k k t k k u v w t x y z x x y y C G C z z k k εεμμρερερερεεεμμσσμεεεμρσ??????? ?+++=+++??????????+++-?? (0-6) 式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。 方程求解：采用双精度求解器，定常流动，标准ε-k 模型，SIMPLEC 算法。 4 在FLUENT 中求解计算紊流流动 4.1 FLUENT 设置 除以下设置为紊流所必须设置的外，其余选项和层流相同，不再详述。
应用FLUENT进行射流流场的数值模拟 谢峻石何枫 清华大学工程力学系 一．引言 射流是流体运动的一种重要类型，射流的研究涉及到许多领域，如热力学、航空航天学、气象学、环境学、燃烧学、航空声学等。在机械制造与加工的过程中，就经常利用压缩空气喷枪喷射出高速射流进行除尘、除水、冷却、雾化、剥离、引射等。在工业生产中，改善气枪喷嘴的设计，提高气枪的工作效率对于节约能源具有重大的意义。 FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，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。本文的工作就是将FLUENT应用于喷嘴射流流场的数值模拟，使我们更加深刻地理解问题产生的机理、为实验研究提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用.。 二．控制方程与湍流模式 非定常可压缩的射流满足如下的N-S方程： （1） 上式中，是控制体，是控制体边界面，W是求解变量，F是无粘通量，G是粘性通量，H是源项。
采用二阶精度的有限体积法对控制方程进行空间离散，时间离散采用Gauss-Seidel隐式迭代。 FLUENT软件包中提供了S-A(Spalart-Allmaras)，K-（包括标准K-、RNG K-和Realizable K-），Reynolds Stress等多种湍流模式，本文在大量数值实验的基础上，亚音速射流选择RNG K-湍流模式，超音速射流选择S-A湍流模式。 三．算例分析 （一）二维轴对称亚声速自由射流 计算了一个出口直径为3mm的轴对称收缩喷嘴的亚声速射流流场，压比为1.45。外流场的计算域为20D×5D（见图1）。 图1 计算域及网格示意图 图2显示的是速度分布，图3、图4分别显示了轴线上的速度分布以及截面上的速度分布计算值与实验值的比较。从图中可以看出，亚声速自由射流轴线上的速度核心区的长度约为5～6D，计算值与实验值吻合的比较一致，证明RNG k-湍流模式适合于轴对称亚音速自由射流的数值模拟。
1工程概况 研究此段为中条山隧道K9+450～K10+560段，此处隧道最大埋深约540m，主要由太古界涑水群表壳岩组合解州片麻岩（Hgn）地层组成，构成中条山隧道分水岭北侧的主体；此段组成隧道的围岩岩性主要为变粒岩、花岗片麻岩等。该套地层岩性复杂，组合无规律。岩层产状整体倾向南东，倾角一般在50ｏ～70ｏ间变化。在AK9+900～AK10+000段为区域性断层影响段，此断层为破碎岩石组成，将为基岩裂隙水下渗提供通道，隧道开挖必将引起涌水，同时此段围岩稍差，施工时易引起坍塌。此段同时也是中条山北侧泉水主要涌出段，水文情况复杂。总体评价，本段工程地质条件差。 在此处，具体运用FLAC3D进行模拟的区段均取洞身YK10+100～YK10+180段。该区段为V级围岩区域，埋深为505～512m，为断层，附近太古界涑水群花岗片麻岩、黑云斜长片麻岩、岩石破碎。隧道断面为SVc型，如图2-2所示。 图2-2SVc型隧道断面图 隧道衬砌按新奥法原理设计，采用SVc型复合式衬砌，该衬砌适用于隧道洞身V级断层影响带及软弱破碎围岩段的初期支护及衬砌，超前支护各环采用42×4mm注浆小导管超前预加固围岩，长4.5m，环向间距35cm，搭接长度1.3m，斜插角10ｏ～15ｏ，每环37根；初衬以喷、锚、网为主要支护手段：钢拱架为I20a型钢，纵向间距75cm，每榀钢拱架之间采用φ22钢筋连接，环形间距1.0m；锚杆采用D25中空注浆锚杆，长3.5m，间距75cm（纵）×100cm（环），与钢拱架交错布置；喷C25早强混凝土26cm。二次衬砌和仰拱均为C30钢筋混凝土结构，厚50cm。 1.2数值计算模型 根据中条山隧道工程的实际状况，为提高计算速度，在保证计算精度的前提下，取桩号YK10+100～YK10+160段采用大型有限差分软件FLAC3D进行建模分析。 对于全断面法、预留核心土法、台阶法，由于整个隧道模型左右对称，为减少计算量，可取隧道模型的一半计算，隧道的计算模型I如图2-3所示。 图2-3计算模型I示意图 x、y、z各方向的长度分别为60m、60m和140m。模型的表面为自由边界，底部为固定边界条件，四周为法向位移约束边界条件。模型共有10912个节点，9360个实体单元。 对于单侧壁导坑法，由于整个隧道模型左右不对称，可取隧道模型的一半计算，隧道的计算模型II如图2-4所示。 x、y、z各方向的长度分别为120m、60m和140m。模型的表面为自由边界，底部为固定边界条件，四周为法向位移约束边界条件。模型共有25637个节点，23220个实体单元。 图2-4计算模型II示意图 FLAC3D提供了丰富的单元库供用户选择，这样可以对各种材料进行模拟。计算中V级围岩均采用摩尔—库伦材料，初期支护体系中的喷层混凝土视为线弹性体，二次衬砌混凝土及仰拱均采用
模拟仿真过程（400mm正方形钢板厚度为1mm中心有15半径为 1mm的圆形孔）。 （一）采用Delauney三角形网格划分建模 1.首先在软件中打开几何分网选项添加点（四点坐标分别为0 0 0,10 0 0,10 10 0,0 10 0），再添加 圆弧，以第一个点为圆心作出半径为1mm的四分之一圆，用直线连接点形成封闭图形。 2.选择自动分网预处理中的曲线布种子点，将分段数改为10并选择直线，再将分段数改为20并 选择圆弧。 3.打开自动分网中的平面实体，选择Delauney三角形网格划分并全选图形。 4.打开几何特性菜单栏，点击新建结构分析，在弹出的菜单中选择平面实体中的平面应力，输入厚 度参数（本例中为1），并在对象一栏中，点击添加单元并全选。 5.打开材料特性—新建—标准，填写泊松比、杨氏模量等参数。 6.打开边界条件—位移约束—x向位移，输入0并选择左侧一栏的单元。 7.重复操作使下方一栏的单元位移为0。 8.打开边界条件—单元边受力，选择上方一栏的单元边，输入压力为-10N，完成建模。 （二）采用前沿法网格划分建模 1.首先在软件中打开几何分网选项添加点（四点坐标分别为0 0 0,10 0 0,10 10 0,0 10 0），再添加 圆弧，以第一个点为圆心作出半径为1mm的四分之一圆，用直线连接点形成封闭图形。 2.选择自动分网预处理中的曲线布种子点，将分段数改为10并选择直线，再将分段数改为20并 选择圆弧。 3.打开自动分网中的平面实体，选择前沿法三角形网格划分并全选图形。 4.打开几何特性菜单栏，点击新建结构分析，在弹出的菜单中选择平面实体中的平面应力，输入厚 度参数（本例中为1），并在对象一栏中，点击添加单元并全选。 5.打开材料特性—新建—标准，填写泊松比、杨氏模量等参数。 6.打开边界条件—位移约束—x向位移，输入0并选择左侧一栏的单元。 7.重复操作使下方一栏的单元位移为0。 8.打开边界条件—单元边受力，选择上方一栏的单元边，输入压力为-10N，完成建模。
高效空气过滤器的数值模拟 摘要： 1.引言 随着人们生活水平的提高，室内的空气质量对人体健康的影响已成为社会普遍关注的重要问题之一。特别是电子技术的发展，生产工艺对生产环境的要求越来越高，其中对洁净度的要求最高，而要达到要求的洁净度，最关键的设备就是高效空气过滤器。高效空气过滤器的好坏直接关系到产品的质量。高效空气过滤器得以推广和普及，设备的廉价和节能是关键。为此本文根据数值模拟方法对不同速度不同流型下的高效空气过滤器模型进行数学物理建模，采用商用软件对其进行数值模拟分析过滤器内部的流场特征，研究过滤器内部的流动和过滤规律,并和理论结果进行比较拟合了阻力计算公式。这样就可以在减少实验费用的情况下，更新过滤器结构，降低过滤器阻力和运行费用。尤其是在当前国际、国内能源相对紧缺的情况下，并且提高了能源的利用率和降低了能耗、保护了环境，对提高人们生活质量具有更加现实的意义。 2. 模型的建立及计算 2.1过滤器结构图 高效空气过滤器结构如图1。 (a)有分隔板结构 (b)无分隔板结构 图1 高效空气过滤器外观图 2.2控制方程 流体运动都受到最基本的三个物理规律的支配，即质量守恒、动量守恒及 能量守恒。描述流动的这些守恒定律的数学表达式—偏微分方程被称为控制方程(governing equations)[]20。本文所研究的问题基本为常温下忽略能量传递的稳态
流动。所以控制方程可以写为: 连续性方程（质量守恒）：d()0= U iν 动量方程： ()()() χ ρ ν ν ν? P? - ? = + ? ?1 gradu d uU d u i i t ()()() y grad d U d i i t ? P? - ? = + ? ? ρ ν ν ν ν ν ν 1 ()()() z gradw d wU d w i i t ? P? - ? = + ? ? ρ ν ν ν 1 其中p为压力，ρ为流体的密度，μ为流体的动力粘度，ν为流体的运动粘度。 2.3网格划分及计算模型 网格划分如图2所示，边界条件具体设置为：进口为速度进口；出口采用自由出口边界条件；壁面均采用选择无滑移固体壁面。 分别采用层流模型核湍流模型进行求解，壁面函数采用壁面函数处理，求解算法采用Simplec算法，Pressure采用Standard，Momentum采用Power Law，Turbulent Kinetic Energy采用First Order Upwind，Turbulent Dissipation Rate采用First Order Upwind。
基于C F X的离心泵内部流场数值模拟基于CFX的离心泵内部流场数值模拟 随着计算流体力学和计算机技术的快速发展，泵内部的流动特征成为热点研究方向，目前应用CFX 软件的科研人员还较少，所以将CFX使用的基本过程加以整理供初学者参考。如有不对之处敬请指教。 一、 CFX数值计算的完整流程 二、基于ICEM CFD的离心泵网格划分 2.1 导入几何模型 2.2 修整模型 2.3 创建实体 2.4 创建PRAT 2.5 设置全局参数 2.6 划分网格 2.7 检查网格质量并光顺网格 2.8 导出网格－选择求解器 2.9 导出网格 三、CFX-Pre 设置过程 3.1 基本步骤 3.2 新建文件 3.3 导入网格 3.4 定义模拟类型 3.5 创建计算域 3.6 指定边界条件 3.7 建立交界面 3.8 定义求解控制 3.9 定义输出控制 3.10 写求解器输入文件 3.11 定义运行 3.12 计算过程 四、 CFX-Post后处理 4.1 计算泵的扬程和效率 4.2 云图 4.3 矢量图 4.4 流线图 2.1?导入几何模型 在ICEM CFD软件界面内，单击File→Imort Geometry→STEP/IGES（一般将离心泵装配文件保存成STEP格式），将离心泵造型导入ICEM，如图3所示。 图3? 导入几何模型界面 2.2? 修整模型 单击Geometry→Repair Geometry→Build Topology，设置Tolerence，然后单击Apply，如图4所示。拓扑分析后生成的曲线颜色指示邻近表面的关系：green = 自由边， yellow = 单边，red = 双边， blue =多边，线条颜色显示的开/关Model tree →Geometry → Curves → Color by count，Red curves 表示面之间的间隙在容差之内, 这是需要的物理模型，Yellow edges 通常是一些需要修补的几何。
数值模拟软件大全 GEO-SLOPE Offical WebSite: www. geo-slope. com SLOPE/W: 专业的边坡稳定性分析软件, 全球岩土工程界首 选的稳定性分析软件 SEEP/W: 专业的地下渗流分析软件, 第一款全面处理非饱和土体渗流问题的商业化软件 SIGMA/W: 专业的岩土工程应力应变分析软件, 完全基于土(岩)体本构关系建立的专业有限元软件 QUAKE/W: 专业的地震应力应变分析软件, 线性、非线性土体的水平向与竖向耦合动态响应分析软件 TEMP/W: 专业的温度场改变分析软件, 首款最具权威、涵盖范围广泛的地热分析软件 CTRAN/W: 专业的污染物扩散过程分析软件, 超值实用、最具性价比的地下水环境土工软件 AIR/W:专业的空气流动分析软件, 首款处理地下水-空气-热相互作用的专业岩土软件 VADOSE/W: 专业的模拟环境变化、蒸发、地表水、渗流及地下水对某个区或对象的影响分析软件, 设计理论相当完善和全面的环境土工设计软件 Seep3D(三维渗流分析软件)是GeoStudio2007专门针对工程结构中的真实三维渗流问题, 而开发的一个专业软件, Seep3D软件将强大的交互式三维设计引入饱和、非饱和地下水的建模中, 使用户可以迅速分析各种各样的地下水渗流问题. 特点:GeoStudio其实就是从鼎鼎大名的GEO-SLOPE发展起来的, 以边坡分析出名, 扩展到整个岩土工程范围, 基于. NET平台开发的新一代岩土工程仿真分析软件, 尤其是VADOSE/W模块是极具前瞻性的, 环境岩土工程分析的利器. 遗憾的是其模块几乎都只提供平面分析功能. Rocscience Offical WebSite: www. rocscience. com Rocscience 软件的二维和三维分析主要应用在岩土工程和 采矿领域, 该软件使岩土工程师可以对岩质和土质的地表 和地下结构进行快速、准确地分析, 提高了工程的安全性并 减少设计成本. Rocscience 软件对于岩土工程分 析和设计都很方便, 可以帮助工程师们得到快速、正确的解答. Rocscience 软件对于用户最新的项目都有高效的解算结果, 软件操作界面是基于WINDOWS 系统的交互式界面. Rocscience 软件自带了基于CAD 的绘图操作界面, 可以随意输入多种格式的数据进行建模, 用户可以快速定义模型的材料属性、边界条件等, 进行计算得到自己期望的结果. Rocscience 软件包括以下十三种专业分析模块: Slide 二维边坡稳定分析模块
数值模拟步骤
数值模拟 1、CFD方法简介 利用CFD方法，采用流体力学分析软件Fluent对三相分离器的流场进行了研究和分析，为实验研究提供理论支持。 CFD是英文Computational Fluid Dynamics(计算流体动力学) 的缩写,是一门用数值计算方法求解流动主控方程以发现各种流动现象规律的学科]。用CFD 技术进行数值求解的基本思想是: 把原来在空间与时间坐标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, 通过一定的原则来建立离散点上变量值之间关系的代数方程, 求解代数方程以获得所求解变量的近似值。其主要用途是对流态进行数值仿真模拟计算，因此，CFD技术的用途十分广泛，可用于传质、传热、动量传递及燃烧等方面的研究。 流体机械的研究中多用CFD方法对分离器进行仿真模拟，其基本应用步骤如下： 1) 利用Gimbit进行前处理 a. 根据分离的形状、结构及尺寸建立几何模型； b. 对所建立的几何模型进行网格划分； 2) 利用Fluent进行求解 a. 确定计算模型及材料属性； b. 对研究模型设置边界条件； c. 对前期设置进行初始化，选择监视器，进行迭代计算； 3)利用Fluent进行后续处理，实现计算结果可视化及动画处理。
上述迭代求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值,这样的结果不直观。因此需要将求解结果的速度场、温度场或浓度场等用计算机表示出来，这也是CFD 技术应用的必要组成部分。 利用CFD方法进行仿真模拟可以对分离器的结构设计及参数选择作出指导，保证设计的准确度，也可以为分离器样机的试验提供理论参考。由于CFD仿真模拟的广泛使用及其重要性，国内外很多学者，如Mark D Turrell、M.Narasimha、师奇威等都对其进行了研究，尤其是A.F. Nowakowski及Daniel J.SUASNABAR等人]对CFD 技术在旋流器模拟方面的应用做了详细的介绍，这些工作对CFD技术的发展起到了积极的促进作用。 2、控制方程 流体流动要受物理定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律，动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还应要遵守附加的湍流输运方程。 1、基本假设 （1）鉴于我国各主力油田采出液含水已达到80％以上，故以水代替采出液进行分析计算；天然气的主要成分是是甲烷，故采用甲烷的替代天然气的性质； （2）在工作状态下，流动不随时间变化，流动为稳态； （3）水在管内的流动可以简化成二维流动； （4）不考虑温度的影响，服从绝热流动基本方程。 2、基本控制方程 （1）连续性方程 在直角坐标系下的质量守恒方程又称连续性方程：