3 下分层开切眼围岩变形失稳研究
3 Study on deformation instability of surrounding rock under Stratified open cut
下分层开切眼围岩变形、失稳与破坏由以下两个方面因素影响：第一，由其围岩地质条件决定，下分层开切眼顶板为上分层工作面回采过后跨落的矸石重新压实、稳定、胶结而成的再生顶板，整体稳定性差，具有明显的非连续介质破裂体或块裂体的性质，下分层开切眼两帮煤体与顶板层面的黏结系数及内摩擦角小于一般回采巷道，而与底板层面的黏结系数及内摩擦角则基本相同，这是由于下分层开切眼顶板是破碎矸石，虽经过了压实、稳定、胶结过程，与原始地层沉积的粘结性相比，胶结状态仍比较差；第二，由其巷道工程应力赋存环境决定，下分层回采巷道围岩已经受到上分层回采巷道开挖、上分层回采及附近煤柱的影响，并引起应力的重新分布、部分区域应力集中，临近上分层工作面回采使下分层回采巷道周边应力条件更复杂，围岩更破碎，维护也更困难；第三，由其应力赋存环境决定，下分层开切眼围岩已经受到上分层回采巷道开挖、上分层回采及附近煤柱的影响，并引起应力的重新分布、部分区域应力集中，临近上分层工作面回采使下分层开切眼周边应力条件更复杂，围岩更破碎，维护也更困难。
3.1 下分层巷道掘进前围岩应力分布和变形特征(In Front of the Lower Slice Roadway the Stress Distribution and Deformation Characteristics)
3.1.1 数值模拟方案
本章采用FLAC3D建立数值计算分析模型，分析上分层回采巷道掘进与工作面回采对底板围岩应力分布和变形特征、下分层开切眼内错距离对巷道围岩应力特性和变形特征影响规律，从而研究下分层开切眼失稳的机理及破坏原因。根据分析，注浆的目的即是为了加固顶板以及上覆岩层，所以我们通过改变上覆岩层的力学参数来模拟注浆深度对开切眼围岩稳定性的影响。本文数值模拟分为四种
情况，即下分层开切眼在未注浆，注浆1m 、2m 、3m 情况下的顶底板离层量、两帮移进量、屈服破坏情况和垂直应力分布的情况。
3.1.2 数值模拟模型的建立
FLAC 3D 是FLAC 的三维扩展，它不仅包含了FLAC 所有的功能，并且在其基础上进一步开发，可用于求解有关深基坑、边坡、基础、坝体、隧道、地下采场以及洞室的应力分析，而且也可以用来进行动力分析，因此在国际岩土领域非常流行。
FLAC 3D 采用的“显式拉格朗日”算法和“混合—离散分区”技术，能够非常准确的模拟材料的塑性破坏和流动，由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维岩土工程问题。由于采用了自动惯量和自动阻尼系数，克服了显式公式存在的小时间步长的限制以及阻尼问题。所以，FLAC 3D 是一个求解三维岩土问题的最理想工具之一。
FLAC 3D 有良好的前处理功能，计算时程序自动将模型剖分成六面体单元，每个单元都可以有自己的材料模型，材料可以在外力及应力场的作用下发生屈服流动，节点的位置也会随着模型的屈服流动而发生改变(大变形时)，因此，FLAC 3D 在模拟大变形问题上有其独到之处。
针对不同的材料，FLAC 3D 软件提供多达10种材料模型，能更真实地模拟实际材料的力学行为。另外，FLAC 3D 可以模拟多种岩土工程地质不连续面，包括断层、节理等以及常见的多种支护形式，例如梁(beam)、锚杆(索)(cable)、桩(pile)、壳(shell)等。
本文需要模拟的内容是下分层开切眼顶板在未注浆，注浆1m 、2m 、3m 情况下的顶板离层量、两帮移进量、屈服破坏情况和垂直应力分布情况。
数值模拟中采用Mohr -Coulomb 屈服准则：
131sin 21sin +=-+-s f ?σσ? （3-1）
式中：1σ-最大主应力；3σ-最小主应力；c -内聚力；?-内摩擦角。该模型包含剪切和拉伸两个准则。当0s f <时，材料将发生剪切破坏［57］。
针对永红煤矿3511工作面的生产地质条件，综合考虑各方面影响因素，将
模型划分为9层，建立如图所示的FLAC3D模型（煤层倾角3～6°），为研究开切眼失稳的一般规律对模型进行简化：模型按0°建模，开切眼为宽×高=4m×3m的模型，数值模拟计算模型见图3-1所示，模型尺寸(长×宽×高)确定为：200m×1m×60m，网格单元12000个，模型节点数24522个。模型顶边界为应力边界，底边界为垂直位移固定，左右边界水平位移固定。煤层埋深300m，上边界施加应力7.5MPa，侧压系数为1。模型中各岩层和煤层的岩体力学参数如
表3-1所示。
图3-1 数值计算模型
Figure3-1 Numerical calculation model
表3-1 数值计算模型的岩体力学参数
Table3-1 Rock mass mechanics parameters of numerical calculation model
岩层
岩层厚度
h/m
密度
Kg/m3
体积模量
K/GPa
剪切模量
G/GPa
摩擦角
f/°
粘结力
C/MPa
抗拉强度
T/MPa
上覆
岩层
222500 3.9 1.226204粉砂岩 4 2500 4.8 2.45242010
细砂岩
6 2550 5.8 3.0 29 20 10 砂质
泥岩
8 2450 4.2 2.0 24 16 8 3#煤
6.25 1420 2.4 1.0 20 2.8 1.4 碳质
泥岩
6 1620 2.2 0.9 22 3.6 1.2 泥岩
8 2300 2.6 1.0 23 4.5 1.8
下覆 岩层 10
2500 3.9 1.2 26 20 4
3.1.3 上分层巷道掘进时围岩应力和变形特征
按弹塑性理论，把煤岩体作为弹塑性体进行分析，巷道尺寸远小于均值煤岩体尺寸。巷道围岩沿径向应力表达式[78]为：
()()112121-??-+=??+??c c p R r εεδδε （3-2）
式中：
c δ—理论上的单轴抗压强度理论值，MPa ，2cos 1sin =-c c φδφ
； ε—理论上的单轴抗压强度的斜率，1sin 1sin +=
-φεφ
； c —内聚力，MPa ； φ—内摩擦角，°；
p —初始应力，MPa ；
R—塑性区半径，m。
从公式3-2可知：初始应力p，巷道半径为r以及自身岩体强度对塑性圈半径有影响。
δ为7.99实例计算：以永红煤矿初始应力7.5
P MPa
=为计算条件，φ为20°，
c MPa，c为2.8MPa，巷道塑性区半径为2.39m。
巷道开挖影响巷道围岩应力状态、围岩位移场及塑性区分布，巷道围岩变形矢量图、塑性区分布图、垂直应力分布图分别见图3-。
从图3-（1）可以看出，掘进巷道引起周边及深部向巷道中央位移，使巷道周边围岩位移场重新分布，并且围岩位移是从浅部逐渐向深部位移的，表现为周边位移大，深部位移小。即在围岩深部出现零位移点，从围岩表面到围岩深部（零位移点）表现为围岩的剪应力区域；围岩深部、围岩浅部与围岩表面之间的变形为依次升高。
由巷道垂直应力分布（图3-（2））特征来看，巷道围岩应力发生变化，应力集中区域由巷道围岩表面向围岩深部转移，最终表现为围岩表面出现应力降低而在围岩深部出现对称的应力集中核，也就是弹性压缩核。巷道围岩浅部到深部围岩应力变化的过程即巷道变形破坏的过程，终态显现为两帮的围岩深部出现弹性压缩核，应力集中系数为1.33。与围岩表面位移相反，表现为巷道浅部应力小，距离巷道两帮2m处，应力最大，为10MPa。从图3-（3），沿巷道水平或竖直中心线方向，围岩塑性区呈对称分布；塑性区范围表现为底板塑性区大于顶板塑性区，两帮范围一致。向底板深处影响为3.5m，而对两帮的影响为3.6m。
（1）位移矢量图（2）垂直应力图（3）塑性区分布图
图3-2 上分层巷道开挖对围岩变化的影响
理论分析和数值模拟计算表明：塑性圈半径不仅与岩体自身的强度有关，而
且还受到初始应力p，巷道半径为r的影响（巷道宽度为3.5m，即理论计算影响范围为2.39m）。而数值计算表明，对两帮的影响为3.6m，对底板影响为3.5m。
巷道开挖对围岩周围影响范围较小。围岩深部变形与围岩浅部、围岩表面变形之间具有明显的相关性，围岩深部、围岩浅部与围岩表面之间的变形为依次升高。而通过数值计算和理论分析，巷道开挖影响巷道围岩应力状态、围岩位移场及塑性区分布，并且两者在计算误差范围内相吻合；巷道围岩位移表现为浅部位移大，深部位移小；应力由浅部向围岩深部转移，垂直应力最终表现为浅部应力小，深部应力大；塑性区的破坏也是从表面、浅部到围岩深部依次发生变化，塑性区范围沿巷道水平或垂直方向对称分布，并且顶底板塑性区小于两帮塑性区。
3.1.4上分层工作面回采时底板应力分布特征
图3-3 煤体与采空区交界处垂直应力等值线分布图
Figure3-2 Coal mined-out area at the junction of the vertical stress contour maps 上分层30103工作面回采后，沿煤层倾向方向底板垂直应力场如3-3所示。
由图3-可知，煤体与采空区交界处的采空区下出现应力降低区，应力值为2MPa，远低于原岩应力；而在交界处的煤体下出现应力集中区，并且应力曲线呈现U型分布，距离采空区与煤体交界10m位置处，垂直应力高达20MPa，应力集中系数为2.67，明显高于只掘进巷道的应力集中系数。结合上分层工作面底板应力分布情况，应将下分层开切眼布置在应力降低区域的的采空区下方，开切眼布置方向上即与上分层开切眼的内侧平行布置。
3.2 布置不同位置时下分层巷道围岩应力分布特征(The Lower Slice Roadway Layout Different Position Surrounding Rock Stability)
影响下分层巷道稳定性的因素有：围岩地质条件，巷道工程赋存环境，巷道
施工因素以及布置位置等，本节着重研究巷道的布置位置对巷道稳定性的影响。
3.2.1 下分层开切眼布置不同位置时围岩应力特性
（1）平行上分层采空区内侧0m （2）平行上分层采空区内侧3m
（3）平行上分层采空区内侧6m （4）平行上分层采空区内侧9m
（5）平行上分层采空区内侧12m （6）平行上分层采空区内侧15m
（7）平行上分层采空区内侧20m （8）平行上分层采空区内侧25m
图3-4 下分层开切眼内错0~25m垂直应力分布图
上分层煤体回采结束后，底板煤体垂直应力分布如图3-所示。图中显示煤柱中央呈现应力集中，为“弹性压缩核”，垂直应力值均为36MPa，应力集中系数为4.8。在煤柱中央位置，应力以“椭圆”形式向底板深部逐渐降低传递；在采空区位置应力降低，应力以“椭圆”形式向底板深部逐渐升高传递，但在煤柱左侧应力变化区域梯度较小，应力释放范围较小，；从巷道变化形状来看，随着远离上分层煤柱布置巷道，开切眼形状变化越小，说明随着内错距离的增大有利于维护开切眼的稳定。
（1）平行上分层采空区内侧0m （2）平行上分层采空区内侧3m
（3）平行上分层采空区内侧6m （4）平行上分层采空区内侧9m
（5）平行上分层采空区内侧12m （6）平行上分层采空区内侧15m
（7）平行上分层采空区内侧20m （8）平行上分层采空区内侧25m
图3-5 下分层开切眼内错0~25m水平应力分布图
根据上分层回采后下分层内错距离0~25m水平应力图可知，煤柱中央应力产生应力集中核，随着下分层巷道内错距离的增大，煤柱中央应力值先减小后增大，煤柱附近两侧的应力值呈倾斜层状分布，而在采空区下方呈现水平分布，向煤层底板深部应力值逐渐增大，根据最大水平应力理论，煤柱附近布置巷道，易引起顶底板变形剧烈；沿煤柱纵向方向，应力值逐渐降低。
（1）平行上分层采空区内侧0m （2）平行上分层采空区内侧3m
（3）平行上分层采空区内侧6m （4）平行上分层采空区内侧9m
（5）平行上分层采空区内侧12m （6）平行上分层采空区内侧15m
（7）平行上分层采空区内侧20m （8）平行上分层采空区内侧25m
图3-6 下分层开切眼内错0~25m剪应力分布图
根据下分层内错0~25m剪应力分布图。若沿剪应力为0MPa建立十字坐标系，第一象限和第三象限应力为负值，应力值为-4MPa，巷道附近为剪应力负值；第二象限和第四象限为应力为正值，应力值为4MPa，应力集中系数在-1和+1之间变化。内错距离为0~6m时，下分层回采巷道右帮和顶底板出现剪切滑移破坏，同时剪应力向巷道底板处转移，导致巷道煤柱帮及顶底板板变形严重，由于下分层回采巷道剪应力分布的不对称，导致巷道变形破坏的呈现不对称性；在内错距离为9~25m时，下分层回采巷道远离剪应力集中区域，巷道变形逐渐减小。
3.2.2 下分层开切眼布置不同位置时巷道变形特性
为了更加直观的分析下分层巷道布置不同位置时巷道变形特性，在建立模型时运用fish语言记录巷道围岩表面位移特征。在巷道布置不同位置时，巷道表面位移特征如表3-2。
在只计算上分层煤层回采稳定后，布置下分层回采巷道，运用十字交叉法记录巷道围岩表面位移，顶板下沉量、底鼓量、左帮移近量、右帮移近量以及顶底相对移近量、两帮相对移近量与上分层煤柱边缘水平距离的关系如
图3-所示。紧靠上分层两侧采空的煤柱边缘时，巷道的围岩变形量最大，随
着远离煤柱，围岩变形量按负指数衰减，直到巷道与煤柱之间的距离增至9m左右时，才不受上分层两侧已采煤柱的影响；在与上分层巷道平齐布置时，顶板下沉量最大为430.1mm，底鼓量最大为303.2mm，顶板变形量大于底鼓量（见错误!未找到引用源。）；在与上分层巷道平齐布置时，右帮移近量为393.7mm，左帮移近量最大为91.6mm，巷道右帮变形量明显大于左帮变形量（见错误!未找到引用源。）
表3-2 巷道表面位移随内错距离的变化
内错距离/m
左帮
移近
量/mm 底鼓量/mm 顶板下沉量/mm
右帮
移近量
/mm
顶底板
相对移近量
/mm
两帮
移近量
/mm
0 91.6 303.2 430.1 393.7 733.3 485.3 3 38.2 133.4 248.7 190 382.1 228.2 6 18.5 48.2 155.9 103.9 204.1 122.4 9 12.7 35.3 101.7 71.4 137 84.1 12 8.4 30 75.6 56.7 105.6 65.1 15 4.2 23.1 61.3 52.9 84.4 57.1 20 3.3 21.8 60.9 52.1 82.7 55.4 25 2.5 20 63 51.3 83 53.8
图3-7 内错距离与围岩位移量的关系
综上所述，下分层开切眼布置在上分层已经稳定的采空区下方的应力降低区，但是离煤柱越近，应力集中程度越高，开切眼围岩变形量越大，维护也越困难；但离煤柱越远，煤炭损失率就越大，采空区的压力也越大，因此，内错距离是影响下分层回采巷道稳定性的重要因素；紧靠上分层两侧采空的煤柱边缘时，巷道的围岩变形量最大，随着远离煤柱，围岩变形量按负指数衰减，直到巷道与煤柱之间的距离增至9m左右时，才不受上分层两侧已采煤柱的影响。
3.3下分层开切眼破坏原因分析（Failure cause analysis of delamination in open cut）
由现场实际情况和数值模拟结果可知，下分层开切眼破坏的可能性有以下原因：
（1）下分层开切眼开挖前，其周围的应力重新恢复平衡。开掘后，开切眼周边的围岩应力重新分布，在其应力再一次受到影响时，围岩应力作用在煤体上，同时传递给单体支柱和π型梁。由于下分层开切眼布置在采空区，这次压力相对来说是微弱的。从开切眼贯通后围岩的破坏情况也能够说明这一点。
（2）上分层回采后，顶板自稳结构被破坏。3511工作面回采稳定后，老顶逐渐形成一种自稳结构。随着下分层的掘进和开切眼的开挖，这种自稳结构被破坏，使下分层开切眼顶板受到较大的应力冲击，这就直接影响到下分层开切眼工字钢支架上，导致点柱折断和工字钢扭曲，以致使下分层开切眼顶板变形。
（3）上分层回采后，顶板自稳结构被破坏。上分层工作面回采稳定后，
老顶形成一种自稳结构。随着下分层的掘进，这种自稳结构被破坏，结果使下分层巷道顶板受到较大的应力冲击影响，这就直接影响到下分层巷道工字钢支架上，导致点柱折断和工字钢扭曲，以致使下分层巷道顶板变形。
（4）上分层工作面回采形成的弧形三角顶板断裂不均匀，导致下分层开切眼破坏有时严重有时微弱。
（5）开切眼支护质量差。单体支柱和π型梁支护属于被动支护，且π型梁与围岩接触不均匀，其强度较低，本身的结构不稳定，其对下分层开切眼变形不适应；若开切眼采取被动支护，其对支护质量要求严格，切眼成形不好，背板不实将造成单体支柱没有任何约束力，导致此处的巷道变形剧烈，π型梁扭曲和点柱折断的数目增大。
（6）下分层开切眼赋存环境差，下分层切眼道顶板为上分层工作面回采过后跨落的矸石重新压实、稳定、胶结而成的再生顶板，整体稳定性差。
综上可知，永红煤矿下分层开切眼失稳是由巷道围岩地质条件、巷道工程赋存环境与围岩应力控制型失稳的综合表现。
3.4注浆数值模拟结果及其分析（Numerical simulation results of grouting and its analysis）
下分层开切眼受上分层开采影响，开切眼的顶板较为难以支护。并且由于开切眼顶板为松软、破碎的岩石，开切眼在掘进期间就发生了大变形,维护困难，仅采用单体和π型梁支护顶板支护强度较小,不能控制受上分层工作面采动影响开切眼的剧烈变形，为此必须对开切眼进行注浆加固,提高围岩承载能力,保持开切眼稳定。
3.4.1不同注浆深度时下分层巷道围岩应力分布特征
通过模拟得到巷道所处围岩应力状态，可以直观的看出巷道周围的应力环境，巷道围岩应力状态分布情况是判断巷道稳定性的一个重要指标。图3-8是开切眼的顶板在不同注浆深度情况下的围岩垂直应力效果图。
（1）注浆0米（2）注浆1米
（3）注浆2米（4）注浆3米
图3-8不同注浆深度下分层开切眼垂直应力分布图
在以上四种不同情况下开切眼围岩应力分布图中可以看出，开切眼在注浆前后的应力分布发生了很大的变化，在未注浆时开切眼应力影响范围比较广，应力集中系数较大，应力集中系数达到了2.33，而随着注浆的开始以及注浆深度的增加，开切眼应力影响范围逐渐减小，应力集中系数也不断降低，注浆1m、2m、3m时应力集中系数分别为2、1.8、1.67。足以充分说明注浆加固有整体效果能够提高被支护巷道松动岩体的稳定性，从而改善巷道围岩中的应力分布情况，有效减小顶板対支架的压力。
3.4.2不同注浆深度屈服破坏情况分析
巷道开挖后，围岩应力重新分布，一般情况下，开挖巷道周边围岩由近及远依次会形成破碎区，塑性区和稳定弹性区。破碎区一般较小，塑性区的分布范围大小则直接反映巷道的稳定性强弱及所需支护强度高低。如下图所示分别是开切眼顶板在不同注浆深度情况时的塑性区分布图。
（1）注浆0米（2）注浆1米
（3）注浆2米（4）注浆3米
图3-9不同注浆深度时下分层开切眼屈服破坏情况
通过对比上图中塑性区的分布情况可以得到以下结论：
（1）受上分层开采影响，下分层开切眼在未注浆的情况下塑性区非常大，随着注浆深度的不断加大，塑性区逐渐减小。
（2）开切眼顶板板塑性区远大于底板及两帮，底板塑性区很小，顶板比较难以支护。
（3）受上分层回采影响，下分层开切眼两帮和顶底板出现剪切滑移破坏。
（4）巷道支护的作用之一就是改善减小围岩塑性区范围，故对顶板注浆能够有效地使破碎的岩石胶结成为一个整体，从而有效地改善顶板围岩应力，起到加固作用。
3.4.3受上分层采动影响下分层开切眼围岩变形分析
巷道变形量包括顶板下沉量、底鼓量和左右两帮移近量，是评价现场巷道稳定程度的最直观因素，支护前后其数据变化也是判断支护效果的主要标准。如图3-10到3-12所示，为开切眼在不同注浆情况下的围岩变形量。
（1）注浆0米（2）注浆1米
（3）注浆2米（4）注浆3米
图3-10不同注浆深度时顶板离层量
（1）注浆0米（2）注浆1米
（3）注浆2米（4）注浆3米
图3-11不同注浆深度时底鼓量
从上述开切眼变形曲线图中不难发现：下分层开切眼受上分层采空区的影响，在未注浆的情况下，顶板的离层量为300mm，而底板的变形量为26mm；在注浆深度为1mm时，顶板离的层量为83mm，而底板的变形量为18mm；在注浆深度为2mm时，顶板的离层量为34mm，而底板的变形量为15mm；在注浆深度为3mm时，顶板的离层量为12mm，而底板的变形量为13mm。
（1）注浆0米左帮（1）注浆0米右帮
（1）注浆1米左帮（1）注浆1米右帮
（1）注浆2米左帮（1）注浆2米右帮
（1）注浆3米左帮（1）注浆3米右帮
图3-12不同注浆深度时下分层开切眼两帮变形量
从上述变形曲线图中不难发现：下分层开切眼受上分层采空区的影响，在未注浆的情况下，开切眼左帮的的移进量34mm，而右帮的移进量同样为34mm；注浆深度为1m时，左帮的移进量为16mm，而右帮同样为16mm，在注浆深度为2m的情况下，左帮移的进量为12mm，而右帮同样为12mm；在注浆深度为3m的情况下，左帮移的进量为8mm，而右帮的移进量同样为8mm。
综上所述，随着注浆的开始和注浆深度的增加，开切眼顶板由较为破碎的岩石逐渐胶结成为一个整体，使得开切眼围岩变形量逐渐减小，所以上分层的回采是造成下分层开切眼变性破坏的主要因素，而注浆能够有效加固开切眼顶板，改善其应力环境，减小开切眼围岩变形。
3.5 小结(Summary)
（1）永红煤矿下分层开切眼失稳主要是由于上分层回采对下分层的影响，上分层的回采破坏了下分层顶板的稳定性以及原来煤层稳定的应力环境，除此之外还受巷道围岩地质条件与围岩应力控制型失稳的的综合影响。
（2）通过数值模拟研究了下分层回采巷道处于不同时期时的应力分布规律，其内错距离不同时的应力演化规律，得出了内错距离是影响下分层回采巷道稳定性
的重要因素之一，而上分层工作面回采是造成下分层开切眼失稳的根本原因。
（3）在一定范围内，垂直应力、水平应力及剪切应力的集中系数和围岩变形量随内错距离的不同呈负指数降低；在内错距离大于9m时，应力集中系数又有升高趋势，而巷道围岩变形量才不受上分层两侧已采煤柱的影响。
（4）注浆能提高被支护巷道松动岩体的稳定性，控制巷道围岩塑性区的扩展，从而改善巷道围岩中的应力分布情况，减小巷道围岩变形。
（5）本章通过数值模拟得出了开切眼在不同注浆深度的条件下的顶底板离层量、两帮移进量、屈服破坏情况和垂直应力的分布情况，通过对比和分析得出：注浆的确能够对开切眼围岩起到加固作用，改善其周围应力的分布；能够大幅减少顶底板离层量；减少两帮移进量；减小开切眼塑性区的面积；提高开切眼自身的稳定性，使得开切眼更加容易支护。
（6）对比注浆2m和3m的结果，可以看出两者的结果没有太大的差异，说明注浆刚开始一段时间给内，注浆效果比较明显，但达到一定深度后，随着注浆的不断增加，注浆对提高围岩的效果开始趋于稳定不再剧烈变化，出于对经济因素的考虑注浆也不是越深越好。根据结果分析可得，如果是注重于经济因素想要节省成本，可以选择注浆深度为2m的方案，如果是比较重视安全则可以选择注浆深度为3m的方案。
第七章CFD仿真模拟 一．初识CFD CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，CFD相当于"虚拟"地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。 1933年，英国人Thom首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，CFD由此而生。1974年，丹麦的Nielsen首次将CFD用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。之后短短的20多年内，CFD技术在暖通空调工程中的研究和应用进行得如火如荼。如今，CFD技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析工程问题的有力工具。 二．为什么用CFD CFD是一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动情况。以预测室内空气分布为例，目前在暖通空调工程中采用的方法主要有四种：射流公式，Zonal model，CFD以及模型实验。 由于建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展，实际空调通风房间的气流组织形式变化多样，而传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分析或试验得到的射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测，势必会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给出室内的一些集总参数性的信息，不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求； Zonal model是将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况，因此模拟得到的实际上还只是一种相对"精确"的集总结果，且在机械通风中的应用还存在较多问题； 模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，搭建实验模型耗资很大，有文献指出单个实验通常耗资3000～20000美元，而对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上，难于在工程设计中广泛采用。 另一方面，CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。由表1给出的四种室内空气分布预测方法的对比可见，就目前的三种理论预测室内空气分布的方法而言，CFD方法确实具有不可比拟的优点，且由于当前计算机技术的发展，CFD方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所接受。尽管CFD方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题，但这些问题已经逐步得到发展和解决。因此，CFD方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。 进一步而言，对于室外空气流动以及其它设备内的流体流动的模拟预测，一般只有模型实验或CFD方法适用。表1的比较同样表明了CFD方法比模型实验的优越性。故此，CFD方法可作为解决暖通空调工程的流动和传热传质问题的强有力工具而推广应用。 表1四种暖通空调房间空气分布的预测方法比较 比较项目 1射流公式 2 ZONAL MODEL 3CFD 4模型实验 房间形状复杂程度简单较复杂基本不限基本不限 ?对经验参数的依赖性几乎完全很依赖一些不依赖
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。
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
有限元软件在焊接热应力分析中的应用和发展 随着焊接温度场、应力场和变形的深入研究，有限元技术的发展与应用，以及近年来由于计算机技术的突飞猛进，目前在进行有限元分析时所用的软件方面已经有了不少优秀的计算分析软件，如:ANSYS,ABAQUS,ADINA,NASTRAN,MARC,SYSWBLD等可供焊接工作者选用[31。我国目前尚不具各开发大型通用有限元软件的条件，没有自主版权的商品化有限元软件，所以我国的有限元发展途径主要是使用、扩充和改进从国外引进的某些有限元软件。这些现有的有限元软件具有自动划分有限元网格和自动整理计算结果，并使之形成可视化图形的前后处理功能。因而，焊接工作者己经无需自己从头编制分析软件，可以利用上述商品化软件，必要时加上二次开发，即可以得到需要的结果，这就明显地加速了焊接模拟技术发展的进程。在国内还很少利用通用有限元软件分析焊接结构应力场的例子。中科院的颜抬霞[231等利用ANSYS对球壳焊接瞬态温度场、应力场进行模拟取得较好的结果。清华大学的鹿安理等利用MARC软件，开发专用用户子程序，使网格自适应技术更趋完善，并用于厚板焊接过程的三维数值模拟，取得了很好的效果，并在模型上利用相似原理及简化热源模型等技术问题进行探讨，提出未来焊接数值模拟应重点研究的几个问题。清华大学的蔡志鹏等人，利用MARC软件，简化热源模型，用串热源模型代替高斯热源进行焊接应力和变形的分析，但其实际分析例子只是进行切割变形分析，其方法的有效性还须进一步验证[241[251[26][271 SYSWELD2．1SYSWELD的特点 SYSWELD的开发最初源于核工业领域的焊接工艺模拟，当时核丁业需要揭示焊接工艺中的复杂物理现象，以便提前预测裂纹等重大危险。随着应用的发展，SYSWELD逐渐扩大了其应用范围，并迅速被汽车工业、航空航天、国防和重型工业所采用。 SYSWEI。D完伞实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算，允许考虑晶相转变及同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响。在具体计算中分两步进行。首先实现温度和晶相组织的计算，然后进行机械力的计算。在机械力计算中，已经充分考虑了第一步计算的结果，如残余应力和应变的影响。 SYSWELD的电磁模型允许模拟点焊和感应加热，并可实现能量损失和热源加载的计算模拟。SYSWELD扩散与析出模型可实现渗碳、渗氮、碳氮共渗模拟，先计算化学元素的扩散和沉积，然后再考虑对热和机械性能的影响。SYS肌IJ)的氢扩散模型能计算模拟氢的浓度，预测冷裂纹的严重危害旧。 2．2 SYSWELD的应用 焊接残余应力是焊接过程中影响构件强度和寿命的主要囚素之一，通过计算机仿真分析可准确分析焊接时温度场、应力场的变化规律，焊接时构件的变形情况[Io-11J。利用SYSWELD 对某零件进行激光焊接仿真分析可得出一些结果云图，由这些云图能够判断构件在焊接过程中瞬态温度场的变化情况、构件中的应力以及焊接完成后残余应力的分布情况。最重要的是利用SYSWELD软件能够方便准确地分析焊接过程中材料金相组织的转化情况，为激光动态焊接过程数值仿真提供理论基础。 在焊接中，热膨胀与收缩伴随着金相转变而发生，从而导致焊接过程和焊后焊件的结构变形。在SYSWELD中这些囚素都可以进行模拟；焊接过程的热效应引发热应力(结构膨胀与收缩)，同样可以利用SYSWELD进行评估；通过SYSWELD，可以对焊接的内应力和金相结构进行预测，并将这些结果直接应用于产品寿命计算与分析。在许多工业上，经常将等厚或不等厚的材料焊接在一起后进行冲压，这些材料可以相同也可以不同。采用SYSWELD把焊接模拟的内应力和冶金特性作为初始条件加载到冲压模拟软件中，如PAM—STAMP就是专业的冲压模拟软件。
毕业设计说明书 作者：学号： 学院： 系(专业)：热能与动力工程 题目：空调房间气流组织数值模拟和优化指导者：讲师 (姓名) (专业技术职务) 评阅者： (姓名) (专业技术职务) 2012 年 6 月2 日 毕业设计（论文）中文摘要
毕业设计（论文）外文摘要 Title Numerical simulation of air-conditioned room air distribution and optimization Abstract Airflow-organizing in air-conditioned indoor air environment, air quality has an important effect is directly related to the indoor temperature, area, flow rate and air-conditioning energy consumption is an important part of the air-conditioned. Effective ventilation and airflow organization has an important significance for improving indoor air quality, to ensure the realization of healthy buildings, healthy comfort air conditioning. The main factors to affect the flow in room inlet velocity, the location of the air inlet into the return air relative position Firstly, the establishment of a physical model and mesh using Gambit software, and numerical simulations using Fluent software, said in an intuitive way the temperature field and velocity field of airflow under different air distribution program, analyzing the draw for office and other similar air-conditioned room, Side of the send side back, on sending the next time, on to send back, next to send back to the four air distribution are more appropriate. But the better Side of the send side back and on to send back on the air current forms of organization. Keywords：Airflow-organizing;Numerical simulation; Turbulence model;Temperature field;Velocity field.
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
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
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/5c16358186.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-
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
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、Y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。
图6-1 有限元分析模型 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15℃； （a）短轴立面
（b）长轴立面 图6-2 工况1中屋盖结构平面图图6-3 工况1中屋盖结构立面图工况2: 两侧翼结构安装完毕，完成后拆除其临时支撑，计算温度为8℃； （a）短轴立面 （b）长轴立面 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29℃； （a）短轴立面 （b）长轴立面 图6-6 工况2中屋盖结构平面图图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41℃；
用零方程湍流模型模拟通风空调室内的空气.. Simulationofindoorairflowinventilatedroombyzero-equationturbulencemodel 用零方程湍流模型模拟通风空调室内的空气流动: 4MIT零方程湍流模型的应用 采用MIT零方程模型可快速双不失工程上精度地对室内空气流动进行数值模拟。为了考察该湍流模型在室内空气流动中的实用性，此处再给出几个不同类型的算例，以说明该模型在室内空气流动数值模拟中的优越之处。计算工具为上述的清华大学建筑技术科学系自行开发的STACH-3。 4．1室内等温流动 采用的算例和实验资料是1990年Nielsen等人对图6所示的房间进行的测试数据8]。该房间尺寸为：高度H=3.0m，长高比L/H=3.0，宽高比W/H=1.0，送风口高为h，h/H=0.056，回风口高为t，t/H=0.16，送风速度v0取为取为1.0m/s,水平入流。此处将采有用X/H=1.0和X/H=2.0两个断面上，时均速度v沿高度方向Y的分布来进行对比和分析。 图6实验房间示意图 图7为上述两个断面上的实验结果和计算结果的对比，由图可以看出，对于等温流动，MIT 零方程模型仍然能取得和实验数据吻合得很好的模拟结果，并且，对于本次计算所用网格数（37×20×3），在PIII500，128M内存微机上只需3min即可获得收敛结果。 图7速度沿高度方向分布 4．2室内非等温流动 文9]为了验证房间通风情况数值计算的结果，进行了如下实验：在一间长×宽×高为4.2m×4.2m×2.8m的小屋内非等温送风，采用顶送风，送风口为宽度0.024m的条缝风口，回风口位于小屋右下角，高为0.05m.。斜向下45°送风，送风量为0.06m3/s,送风温度为15.5℃，回风温度为22℃，送、回风温度为6.5℃，室内由电加热器模拟均匀分布热负荷19W/m3。房间结构如图8所示。 图8实验及计算用房间示意图通常人们关心的只是工作区的温度和速度值，故实验所测点为房间正中（长度方向一半处，X=2.1m）高度依次为0.15m，0.6m，1.2m，1.8m处的温度和速度值。利用前述模型进行计算，所得结果如图9所示。由图9可见，各实验点与模拟值的速度差值均在0.08m/s以下；温度相差也很小，最大差值仅为0.8℃。说明计算值和测量值吻合较好。在前述计算机上，对于本次计算采用的网格数（24×16×14），大约计算10min即可收敛。 图9实验与计算值对比5讨论 通过以上分析得知，采用MIT零方程模型对室内空气流动数值模拟可以获得和实验数据吻合得很好的结果。在CFD发展初 期，限于当时计算机技术的水平，对于湍流的模拟多采用简单的湍流模型，如普朗特混合长度模型等。随着计算机技术的不断发展以及对湍流认识的提高，人们开始采用一些复杂的湍流模型，如常用的k-ε模型等。但是实践表明，k-ε模型对很多问题仍不能获得满意的模拟结果，故出现了更为复杂的湍流模型，如Reynolds应力模型（RSM）、代数应力模型（ASM）等高阶封闭的模型。这些模型需要求解的微分方程均在10个以上，对于工程中需要求解的复杂，三维耗时太多，无法满足工程应用快速的需要，而且，对于某些特定问题，这些复杂模型的模拟结果并不比简单模型模拟得效果好2.7]。于是，近年来零方程等简单模型又为众多学者所重视。 需要指出的是，这些简单模型是建立在高级的湍流数值模拟技术基础上的，如上述的MIT 零方程模型即是借助直接数值模拟的结果提出的，这正表明了"否定之否定"的哲学原理。当
广东省交通厅科技项目 复杂地质条件下隧道施工安全 保障技术研究 茶林顶公路隧道初始应力状态及施工力学数值模拟 目录 1 工程概况 (1) 2 工程地质条件 (1) 2.1地形地貌 (1) 2.2地质构造 (1) 2.2.1褶皱 (1) 2.2.2断层 (1) 2.3地层岩性 (1) 3 MIDAS/GTS简介 (2) 4隧道岩体应力场的数值模拟 (3) 4.1数值分析模型的建立 (3) 4.2数值模拟结果分析 (4) 4.2.1 最大主应力特征 (4) 4.2.2 最小主应力特征 (7) 4.2.3 最大剪应力特征 (9)
4.3主要结论 (12) 5隧道典型横断面施工力学数值模拟 (12) 5.1计算参数的选取 (12) 5.2数值分析模型的建立 (13) 5.3施工过程控制 (14) 5.4数值分析结果及其分析 (14) 5.3.1围岩位移特征 (14) 5.3.2围岩应力特征 (21) 5.3.3围岩屈服接近度特征 (32) 5.3.4断层带位移特征 (35) 5.3.5断层带应力特征 (41) 5.3.6断层带屈服接近度特征 (50) 5.3.7隧道初期支护结构内力及应力特征 (53) 5.5主要结论 (67) 6 结论和建议 (67)
1 工程概况 广梧高速公路茶林顶公路隧道左线起点里程LK71+566，终点里程LK74+261，全长2695m；右线起点里程RK71+632，终点里程LK74+246，全长2614m。为双洞四车道，左、右线隧道分离布设，设计行车速度为80km/h。 2 工程地质条件 2.1地形地貌 隧道地处茶林顶重丘山岭区，山体走向总体呈近北东或北西向，地势总体呈南高北低，隧道线路经过最大高程约为355m，隧道进出口丘山体呈缓坡状，自然坡度为10°~20°，隧道中部山顶及山凹两侧山坡坡度较大，约30°~35°，山体植被茂密，主要生长松树和杂草，山体地表发育有数条小沟谷，部分沟谷内有长年流水，地表水量较小，隧道中部为一较大沟谷（分水凹），呈北东方向，平时无水流，但大雨时水量较大。 2.2地质构造 2.2.1褶皱 根据地质填图岩性组合分析对比，隧道区存在一背斜褶皱构造，其轴部为泥盆系东岗岭组地层，两翼为泥盆系榴江组地层，为一向北西倾覆背斜构造。 2.2.2断层 分布于郁南茶林顶F7断层，地貌上表现为沟谷，推荐线路大致在右线K72＋980处遇该断层，影响带宽20～30m。断层走向NE40?～45?，倾向NW，倾角75?~80?。受断层影响，中泥盆统东岗岭组白云质灰岩破碎，形成构造角砾岩和密集节理带，地表沟谷中有泉水溢出。钻孔岩心显示断层角砾呈棱角、次棱角状，为方解石脉胶结，脉中晶洞及自形方解石发育，反映其晚期活动为张性和正断层特征。 2.3地层岩性 第四系覆盖层主要为亚粘土，下伏基岩主要为上泥盆统榴江组砂岩和中泥盆统东岗岭组白云质灰岩，其褶皱相对发育，从地表看，LK71+730(RK71+710)～LK72+950(RK72+940)，LK73+620(RK73+605)～LK74+000(RK73+960)为上泥盆统榴江组砂岩、页岩、石英砂岩，其余为中泥盆统东岗岭组白云质灰岩、灰岩。 1、耕植土（Q pd）：灰褐色，湿，可塑状，主要由亚粘土组成，局部可见有植物根系，偶
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。
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