顶盖驱动流数值模拟分析
汽车顶盖冲压成型的CAE模拟研究
汽车顶盖冲压成型的CAE模拟研究汽车顶盖是整车的关键部件之一，决定了整车的车身结构和设计风格。
而汽车顶盖冲压成型技术是实现汽车顶盖质量稳定、工艺精度高的关键技术之一。
为了确保汽车顶盖在生产过程中能够保证质量和性能，CAE模拟技术被广泛应用于汽车顶盖的设计和制造过程中。
汽车顶盖冲压成型技术是指利用压力，在板材上形成所需几何形状的成形工艺。
通过此方法，我们可以制造出形状各异的汽车顶盖。
在冲压成型过程中，数值模拟是设计和优化汽车顶盖工艺的重要手段。
数值模拟可以预测汽车顶盖在不同形变过程中的形变分布、应力状态以及预测成形冲击力等信息，以便确定合适的成形工艺参数。
在汽车顶盖的制造中，CAE模拟可以帮助工程师快速产生多个设计方案，以及预测成形的效果。
通过CAE技术，我们可以为生产过程中的设置压力、液压力、液压缸工作位等参数进行优化并确定，以获得优秀的成形效果。
此外，CAE模拟技术还可以帮助工程师更好地了解材料的应变和强度特性，以较小的成本预测和评估大量成形过程的不同参数和实验情景，同时也能够评估模具的设计和工艺的合理性。
在CAE模拟研究中，需要先建立汽车顶盖的有限元模型。
模型应尽量满足实际情况，包括材料模型、模拟数据、模具尺寸、材料参数等等。
模拟参数的准确性将直接影响到最终的成形过程。
通过模型的建立，我们可以预测汽车顶盖在不同形变过程中的形变分布、应力状态以及预测成形冲击力等信息。
通过CAE模拟分析，我们可以研究不同的冲压工艺参数对于汽车顶盖冲压成形过程的影响。
例如，我们可以分析开闭式成形的效果，同时还可以分析顶盖内托槽的位置和形状对成形工艺的影响。
此外，我们还可以对材料的强度特性和应变特性等进行分析，以帮助工程师获得合理的冲压成形工艺参数，进一步优化汽车顶盖的性能。
总之，CAE模拟研究在汽车顶盖冲压成型领域中发挥了重要作用。
通过CAE模拟技术，工程师可以快速产生多个设计方案，预测成形效果，并最终确定了合适的成形工艺参数，从而提高制造精度，并使汽车顶盖的质量和性能得到更好的保障。
LB-SGS方法和MRT-LBM方法对高雷诺数顶盖驱动流的数值模拟对比
LB-SGS方法和MRT-LBM方法对高雷诺数顶盖驱动流的数值模拟对比作者：陈春媚王东杨志刚来源：《计算机辅助工程》2012年第01期摘要：针对格子Boltzmann方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）广泛采用的LBGK模型虽然简单易行，但对高雷诺数流动模拟稳定性不佳的问题,分别采用结合亚格子模型的LBM(LBM with Sub Grid Scale(SGS)，方法和多松驰时间LBM(Multiple Relaxation Time(MRT) LBM，方法对高雷诺数顶盖驱动流进行数值模拟.取对比2种方法得到的涡位置与标准解之间的误差，结果表明方法更接近标准解；保持雷诺数和顶盖速度不变并减少格点数观察收敛情况，结果表明方法更稳定关键词：顶盖驱动流；高雷诺数；格子Boltzmann方法；多松驰时间；亚格子模型中图分类号： O354 文献标志码： BComparison between LBhigh Reynolds number lid driven flowCHEN Chunmei, WANG Dong, YANG Zhigang(Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji University, Shanghai 201804, China)Abstract：Although LBGK model is widely used in Lattice Boltzmann Methods(LBM) because of its simplicity, it shows poor stability for high Reynolds number flow simulation. The numerical simulation of high Reynolds number lid driven flow is performed by LBM with Sub GridsolutioReynolds number and lid velocity, the convergence obtained by reducing the mesh number shows thatKey words：lid driven flow; high Reynolds number; lattice Boltzmann method; multiple relaxation time; sub grid scale0 引言格子Boltzmann方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）源于20世纪70年代提出并发展的格子气自动机方法，可被视为求解连续Boltzmann方程的离散格式之一，又称为格子Boltzmann方程（Lattice Boltzmann Equation，LBE）方法，是流体计算的新方法之一理论上，一个流体系统可用微观分子动力学、介观动力学模型或宏观连续守恒方程进行描述，同时，也存在一些用这3类方法都不能很好地进行描述的问题.在任一宏观体系中，每个分子的微观运动都遵守力学规律，因此只需计算出大量粒子的个别运动，就可以确定系统的宏观参数，这是分子动力学模拟的基本出发点；另一方面，Boltzmann方程的基本思想为，可以不确定每个分子的运动状态，而是求出每个分子处在某一状态下的概率，通过统计方法得出系统的宏观参数.[1]设速度分布函数为f，其为空间位置矢量1 物理模型顶盖驱动流是计算流体和计算传热学中的经典问题之一，常用作不可压缩流动的校核算例.在顶盖驱动流中，方腔的上边界以某个恒定速度水平右移，其他3个边界保持静止不动.其基本特征为：当流动稳定后，在方腔中央会出现一个一级大涡，而在左下角和右下角会分别出现一个二级涡，当雷诺数Re超过某个临界值后，在方腔左上角还会出现一个涡.这些涡的中心位置是Re的函数，L为方腔的高和宽，U为顶盖的移动速度.顶盖驱动流示意见图2.2 数值方法在LBM的几种模型中，LBGK近似法（又称单松驰因子法）因编程简单、实施容易而备受青睐，但其对边界条件的依赖性强，尤其在高雷诺数时计算稳定性不佳，经常难以收敛.其原因是，LBGK只有一个松驰因子，其中，若固定网格数和速度不变，随着增大黏度减小，流场中的大速度梯度会引起计算的不稳定；另一方面，虽然可以保持黏度和速度，通过增加网格数达到高雷诺数，但过密的网格不但会消耗计算资源，而且容易带来压缩性误差.[2]本文针对高雷诺数，采用结合亚格子模型的LBM(LBM with Sub Grid Scale(SGS)，方法和多松驰时间LBM(Multiple Relaxation Time(MRT) LBM，方法对顶盖驱动流进行数值模拟，并比较其准确性和收敛性在顶盖驱动流中，当时流动为非定常的，流线随时间变化.由于将涡中心位置作为比较的主要特征，所以本文方法。
顶盖驱动方舱流的动力学模态分解
航空航天科学技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald1二维顶盖驱动方舱流动,可以用于简化由某一壁面引起的空腔内部环流[1]。
从热力学角度分析，是典型的功热转化过程。
该文选用二维顶盖驱动方舱流动模型作为D N S 方法研究的载体。
N a v i e r -S t o k e s 方程具有抛物型和椭圆型两个特性，尽管控制方程具有混合特性，但采用M a c C o r m a c k 格式进行时间推进求解是适定的。
M acCor m ack格式是L a x-We nd rof f格式的一个变种，在时间和空间上都具有二阶精度的显式有限差分格式[2]。
由于M acC or m ack 格式是最容易理解和实现的格式，同时得到的结果在很多实际应用中都有令人满意的结果，所以该文选用M acCor m ack格式直接求解Nav ier-S toke s方程。
当雷诺数为6 000～8 000时，流动为转捩状态；当雷诺数达到10 000时，流动为局部湍流[3]。
为了分析流场振荡产生的原因，该文应用动力学模态分解(D M D)技术对原流场进行处理[4-7]。
1 数值模拟该文考虑二维剪切力驱动方舱流动，方舱为长宽均为=1 m m 的正方形区域，雷诺数(=ρV L /μ=9 000)，壁面为无滑移恒定壁温边界条件，理想气体初始压力为101 k Pa。
顶盖运动方向与右侧壁面交接处被称为DUE，右侧壁面与下壁面的夹角处被称为DSE，左侧壁面与下壁面的夹角处被称为USE，顶盖运动反方向与左侧壁面交接处被称为UUE，4个区域如图1所示。
求解忽略体积力和体积热的二维守恒形式N a v i e r -S t o k e s 方程：定义为单位体积动能和内能的和，正应力与剪切应力为、、、，由Fou r ie r 定律得到热交换率。
采用M acC or m ac k显示时间推进求解离控制方程，并运用预测校正两步法保证在时间和空间上都具有两阶精度。
方腔顶盖驱动流动
一、问题描述方腔顶盖驱动流动如图1所示的一个简化两维方腔（高，宽都等于L)，内部充满水分。
上表面为移动墙，非维化速度为ｕ／ｕ0 =1。
其他三面为固定墙。
试求方腔内水分流动状态。
u=1, v=0u=0, v=0 u=0,v=0u=0, v=0图1常微分方程理论只能求解极少一类常微分方程；实际中给定的问题不一定是解析表达式，而是函数表，无法用解析解法.二、离散格式数值解法:求解所有的常微分方程 计算解函数 y(x) 在一系列节点a = x 0< x 1<…<x n = b 处的近似值),...,1()(n i x y y i i =≈节点间距为步长，通常采用等距节点，即取 hi = h (常数)。
步进式：根据已知的或已求出的节点上的函数值计算当前节点上的函数值，一步一步向前推进。
因此只需建立由已知的或已求出的节点上的函数值求当前节点函数值的递推公式即可。
欧拉方法1(,) 0,1,...n n n n y y h f x y n +=+=几何意义在假设 y n = y (x n )，即第 n 步计算是精确的前提下，考虑公式或方法本身带来的误差: R n = y (x n +1) y n +1 , 称为局部截断误差.截断误差: 实际上，y (x n ) ? y n ， y n 也有误差，它对y n +1的误差也有影响，见下图。
但这里不考虑此误差的影响，仅考虑方法或公式本身带来的误差，因此称为方法误差或截断误差。
局部截断误差的分析：由于假设y n = y (x n ) ，即y n 准确，因此分析局部截断误差时将y (x n +1) 和 y n +1都用点x n 上的信息来表示，工具：Taylor 展开。
显式欧拉公式一阶向前差商近似一阶导数推导如下：223111232()[()()()()][ (,)] ()()h n n n n n n n n n h n R y x y y x hy x y x O h y hf x y y x O h +++'''=-=+++-+''=+1()()()n n n y x y x y x h+-'≈111()()() ()()(,)n n n n nn n n n n y x y x hy x y x y y x y y h f x y +++'≈+↑≈≈=+隐式欧拉公式xn +1点向后差商近似导数 推导如下：几何意义设已知曲线上一点 P n (x n , y n ),过该点作弦线，斜率为(x n +1 , y n +1 ) 点的方向场f (x ,y )方向,若步长h 充分小，可用弦线和垂线x =x n +1的交点近似曲线与垂线的交点。
基于数值模拟的混流式水轮机顶盖内流场分析
基于数值模拟的混流式水轮机顶盖内流场分析摘要：本文以某高水头电站为研究对象，采用数值模拟方法研究了漏水量和顶盖压力分布。
分析结果表明水轮机采用适当的止漏环间隙值、装设适当数目的减压排水管和泵板，可以起到减小漏水量、顶盖压力和转轮轴向水推力的效果。
关键词：间隙流道；漏水量；轴向水推力；数值模拟0 引言混流式水轮机的应用最为广泛，这种机组形式具有结构紧凑，运行可靠，能适应很宽的水头范围以及满载时效率高等优点。
但是国内外许多电站在投产运行后出现了不同程度的顶盖压力过高、主轴密封漏水量大和水力振动问题。
工程界对于如何降低顶盖压力和减小主轴密封漏水量，主要是采取设置减压结构的方法。
减压排水管、泵板、引水板和卸荷孔等是比较常用的结构形式。
本文以某高水头电站为研究对象，使用ANSYS FLUENT商业软件，采用RNG模型对密封间隙流道和顶盖上腔部分进行数值模拟，得到止漏环处的漏水量和主轴密封处的压力，计算出减压排水管流速，并分析了密封、减压排水管和泵板的减压效果。
1 数值计算方法本文的计算对象是密封间隙流道和顶盖上腔部分。
采用有限体积法在空间上离散控制方程，在时间离散上使用二阶全隐式格式，压力项应用二阶中心差分格式，其他项采用二阶迎风格式，使用SIMPLEC算法实现压力和速度的分离求解。
边界条件采用压力进口，压力出口条件[2]。
2 物理模型以某高水头电站为研究对象，水轮机的参数是额定水头214.5m，最大水头236.0m，转轮直径1600mm，额定转速600r/min，额定流量16.8 m3/s，额定出力33.2MW。
原始转轮密封间隙为1.35mm，装设2根Ф80mm减压排水管，泵板为径向式，均布8个。
顶盖与转轮上冠间隙流道部分的网格单元数约为825万。
新转轮密封间隙为1.0mm，装设4根Ф80mm减压排水管，泵板为斜向式，均布8个。
顶盖与转轮上冠间隙流道部分的网格单元数约为880万。
3 压力记录点为了分析密封、泵板和减压排水管的减压效果，在顶盖与转轮上冠间隙流道部分设置有上止漏环进口（P11）、密封前（P12）、密封中间（P13）、密封后（P14）、中间腔体（P15）和主轴密封处（P16）共6个测点。
方腔顶盖驱动流动
一、二、问题描述方腔顶盖驱动流动如图1所示的一个简化两维方腔（高，宽都等于L)，内部充满水分。
上表面为移动墙，非维化速度为ｕ／ｕ0 =1。
其他三面为固定墙。
试求方腔内水分流动状态。
u=1, v=0u=0, v=0u=0,v=0u=0, v=0图1常微分方程理论只能求解极少一类常微分方程；实际中给定的问题不一定是解析表达式，而是函数表，无法用解析解法.二、离散格式数值解法:求解所有的常微分方程 计算解函数 y(x) 在一系列节点a = x 0< x 1<…<x n = b 处的近似值),...,1()(n i x y y i i =≈节点间距为步长，通常采用等距节点，即取 hi = h (常数)。
步进式：根据已知的或已求出的节点上的函数值计算当前节点上的函数值，一步一步向前推进。
因此只需建立由已知的或已求出的节点上的函数值求当前节点函数值的递推公式即可。
欧拉方法1(,) 0,1,...n n n n y y h f x y n +=+=几何意义在假设 y n = y (x n )，即第 n 步计算是精确的前提下，考虑公式或方法本身带来的误差: R n = y (x n +1)y n +1 , 称为局部截断误差.显式欧拉公式一阶向前差商近似一阶导数223111232()[()()()()][ (,)] ()()h n n n n n n n n n h n R y x y y x hy x y x O h y hf x y y x O h +++'''=-=+++-+''=+推导如下：隐式欧拉公式x n +1点向后差商近似导数 推导如下：1()()()n n n y x y x y x h+-'≈111()()() ()()(,)n n n n nn n n n n y x y x hy x y x y y x y y h f x y +++'≈+↑≈≈=+11()()()n n n y x y x y x h++-'≈11()()()()n n n n ny x y x hy x y x y ++'≈+↑≈几何意义设已知曲线上一点 P n (x n , y n ),过该点作弦线，斜率为(x n +1 , y n +1 ) 点的方向场f (x ,y )方向,若步长h 充分小，可用弦线和垂线x =x n +1的交点近似曲线与垂线的交点。
OpenFOAM顶盖驱动流详解!使用手册
OpenFOAM顶盖驱动流详解!使用手册引言这是开源场运算和操作c++库类（openfoam）的使用指南。
他详细描述了OpenFOAM的基本操作。
首先通过第二章一系列教程练习。
然后通过对更多的独立组件的更详细的描述学习openfoam。
Of 首先主要是一个c++库类，主要用于创建可执行文件，比如应用程（application）。
应用程序分成两类：求解器，都是为了解决特定的连续介质力学问题而设计的；公用工程，这些是为了执行包括数据操作等任务而设计的。
Of 包括了数量众多的solver和utilities，牵涉的问题也比较广泛。
将在第三章进行详尽的描述。
Of 的一个强项是用户可以通过必要的预备知识(包括数学，物理和编程技术)创建新的solvers 和utilities。
Of 需要前处理和后处理环境。
前处理、后处理接口就是of本身的实用程序（utilities），以此确保协调的数据传输环境。
图是of总体的结构。
第4章和第五章描述了前处理和运行of 的案例。
既包括用of提供的mesh generator划分网格也包括第三方软件生成的网格数据转换。
第六章介绍后处理。
Chapter 2指导手册在这一章中我们详细描述了安装过程，模拟和后进程处理一些OpenFOAM测试案例，以引导用户运行OpenFOAM的基本程序。
$FOAM_TUTORIALS 目录包含许多案件演示of提供的所有求解器以及许多共用程序的使用，在试图运行教程之前，用户必须首先确保他们已经正确地安装了OpenFOAM。
该教程案件描述 blockMesh预处理工具的使用，paraFoam案例设置和运行OpenFOAM求解器及使用paraFoam进行后处理。
使用OpenFOAM支持的第三方后处理软件的用户可以选择：他们要么可以按照教程使用paraFoam，或当需要后处理时参阅第六章的第三方软件使用说明。
OpenFOAM安装目录下的tutorials目录中所有的指导手册都是可复制的。
格子玻尔兹曼方法顶盖驱动流
格子玻尔兹曼方法顶盖驱动流格子玻尔兹曼方法（LBM）是一种近年来在流体力学模拟中被广泛应用的数值模拟方法。
该方法可以在复杂的几何和边界条件上精确地模拟各种流体现象。
其中的顶盖驱动流模拟，是一种受到广泛关注的研究领域。
1.什么是顶盖驱动流？顶盖驱动流是指由上端盖板施加外力所形成的流场，它是在一个密闭的正方形边界中进行模拟。
流场通常是由重力和顶部盖板的驱动力组成的。
对于使用LBM计算的顶盖驱动流，由于模型简单，计算效率高，因此已取得了广泛的应用。
2.LBM是如何模拟顶盖驱动流的？LBM的基本原理是通过在大量的离散速度上进行策略性模拟，以模拟物质运动。
与传统的流体动力学方法不同，LBM使用离散的速度和密度来描述流体的运动，因此它可以非常方便的用于复杂的几何和边界条件下的流体模拟。
在顶盖驱动流模拟中，LBM将二维正方形边界分为许多离散化的小单元格，并在每个单元格上施加离散速度和压力值来模拟流体行为。
3.顶盖驱动流模拟的应用领域是什么？顶盖驱动流模拟在许多领域具有广泛的应用，包括地质、生物学、工程学和环境科学等领域。
在地质学中，它被用于模拟岩石的岩石圈运动并对流体流动的地质效应进行分析。
在工程学中，它被用于模拟汽车空气动力学和水力学作用以及结构物的振动和熱传导等现象。
4.顶盖驱动流模拟存在的挑战是什么？尽管顶盖驱动流模拟为模拟流体行为提供了强有力的工具，但仍然存在一些挑战。
例如，该方法需要高度离散化的速度空间和网格结构，这可能会导致计算效率低下和计算成本高昂。
此外，顶盖驱动流模拟还需要对物理设置和计算参数进行大量的调整和测试，才能使模拟结果更加准确和可靠。
总之，格子玻尔兹曼方法顶盖驱动流是一种新兴的数值模拟方法，在流体力学和其他领域的应用越来越广泛。
将来，随着计算机硬件和软件的不断发展，顶盖驱动流模拟将进一步提高计算精度和计算效率，为工程学、生物学和环境科学等领域能提供更准确的解决方案。
格子Boltzmann方法三种边界格式的对比分析
格子Boltzmann方法三种边界格式的对比分析刘连国;杨帆;王宏光【摘要】采用格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method- LBM)对二维顶盖驱动方腔流动进行数值模拟.在计算中分别使用半步长反弹、非平衡反弹、以及非平衡外推三种边界处理格式,并得到了不同格式对应的流线分布,流函数最小值、涡心坐标、几何中心线速度分布等.通过将所得结果与基准解进行比较,就三种边界格式的计算效率,计算精度、以及计算稳定性等方面进行了讨论和分析,为LBM计算中边界格式的选择提供了有益的参考.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2012(000)001【总页数】5页(P18-22)【关键词】格子Boltzmann方法;边界处理格式;半步长反弹格式;非平衡反弹格式;非平衡外推格式【作者】刘连国;杨帆;王宏光【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】O357.11 引言格子Boltzmann方法(LBM)是近年来迅速发展的一种新型数值计算方法。
边界条件的处理是LBM实施中一项非常关键的内容。
实际计算表明:选取不同的边界条件会对数值计算的精度、稳定性以及效率产生很大影响。
作为LBM的一个基本问题，边界条件的处理一直是流体力学一个重要的研究方面。
根据边界条件的类型，可将之分为两类:压力边界和速度边界［1］，其中的速度边界又可细分为:平直边界和曲面边界。
笔者从经典的流体力学问题二维顶盖方腔流模拟入手，对三种平直边界格式进行对比和分析，为LBM计算中边界格式的选择提供了有益的参考。
2 二维九点格子Boltzmann模型目前最常用的格子Boltzmann模型为LBGK模型，通过引入“单一弛豫时间”来简化Boltzmann方程中碰撞项的计算［2］。
九点格子LBGK模型的演化方程为:式中:(x，t)是在t时刻、x处的平衡态分布函数;τ为单一弛豫时间因子;eα为网格点各方向上的粒子速度。
计算流体大作业-基于C++的顶部驱动流模拟
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计算流体力学大作业
第8页 共9页
图 6
Re=2000 时顶盖驱动流的流线图
图 7
Re=ห้องสมุดไป่ตู้000 时的顶盖驱动流流线图
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计算流体力学大作业
第9页 共9页
图 8
Re=10000 时顶盖驱动流流线图
如图 6 至图 8 三幅图所示，基于 C/C++顶盖驱动流的流线图中，具有如下特 征： a) 方腔中心具有一个大漩涡； b) 方腔的左上角、左下角以及右下角具有次级漩涡； c) 随着雷诺数的增大，右下角的次级漩涡逐渐变小，左上角的次级漩涡逐 渐变大。
Re
ul Re ，其中顶盖流速 u = 0.1，l = 1
GAM 1 Re
4.程序组织
本文借助 D2Q9 格子波尔兹曼方法，在 Visual Studio 2012 平台上运用 C/C++语 言编程，运用有限差分方法，对上述传统问题进行了求解，并借助 Tecplot360 工具， 对所得数据进行后处理。所述程序组织如下图所示（完整程序参见所提交作业的文件 夹） ：
式中，p 为压力，v 为动力粘性系数。 根据上述分析，可以方便地设计出格子波尔兹曼算法。
（7）
3.2 顶部驱动流控制方程
方腔顶盖驱动流是考核程序的经典算例之一，其满足如下控制方程：
uu uv 2u 2u p 2 2 y x y x x uv vv 2v 2v p x 2 y 2 y y x
7.结论
本文借助 D2Q9 格子波尔兹曼方法， 在 Visual Studio 2012 平台上运用 C/C++ 语言编程，求解了顶部驱动流模型，运用 tecplot360 对所得数据进行处理，得 到了图 6 至图 8 三幅对应于不同雷诺数的流线图， 显示了该流动模型的典型现象， 验证了本文所述方法的正确性。
方腔顶盖驱动流数值模拟
方腔顶盖驱动流数值模拟张鑫（浙江理工大学 动力工程 2013G0502003）摘 要：在计算流体力学的研究中，通常要计算方腔驱动流问题来检验各种N-S 数值方法的有效性。
本文利用Fluent 软件对标准计算流体力学测试算例——方腔驱动流问题进行了模拟分析，其计算结果与文献中的标准解符合的比较好。
关键字：N-S 方程 方腔驱动流 Fluent 数值求解0引言流体流动的数值模拟广泛应用于气象、航天、机械、采矿等自然研究和工程计算的各个领域。
近年来，随着高性能计算与通信的迅速发展，针对流体流动的数值模拟以及求解相应Navier -Stokes 方程(简称N-S 方程)的高级算法研究现已成为目前国内外备受关注的热点和前沿课题。
Fluent 软件是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序，可以有效地模拟方腔驱动流问题，为计算流体力学的算法理论研究提供仿真参考。
高殿荣等学者采用液压冲击进行了分析；韩善玲等分析流体在空腔内的运动规律和物理机制，指出微小的凹凸是引起噪声的原因之一。
杨晶用Fluent 软件对方腔驱动流动进行了模拟分析，研究了不同雷诺数对计算结果的影响。
1模型介绍下图描述了本文所研究的物理模型，模型为边长等于0.1m 的正方形，上壁面为有一定速度的水，两侧壁面及地面均固定。
流体材料为水，密度为998.2kg/m3，黏度310005.1-⨯=u 。
2数值计算2.1、N-S 方程本文控制方程采用纳维司托克斯方程，纳维司托克斯方程是描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程。
简称N-S 方程。
在直角坐标系中，可表达为如下所示： 连续方程：0=∂∂+∂∂yv x u 动量方程：）（yu x u x p y u v x u u 22221∂∂+∂∂+∂∂-=∂∂+∂∂υρ ）（yv x v x p y v v x v u 22221∂∂+∂∂+∂∂-=∂∂+∂∂υρ 2.2、网格划分及边界条件设置在gambit 软件中建立模型划分网络，由于模型几何形状比较规则，故全部采用四边形的的结构化网格，如下图所示。
4.2 顶盖驱动流(8)
4.2顶盖驱动流4.2.1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0.1m，其顶板以0.1m/s 的速度向右移动，同时带动方腔内流体的流动，流场内的流体为层流。
计算区域示意图如图4-2-1所示。
图4-2-1 计算区域示意图4.2.2在Gambit中建立模型Step1：启动Gambit并选择求解器为Fluent5/6。
Step2：创建面操作：→→打开对话框如图4-2-2所示。
输入长度和宽度10，在Direction中选择XY Centered。
图4-2-2 创建面设置对话框Step3：划分面网格操作：→→打开对话框如图4-2-3所示，Shift+鼠标左键选择正方形面，Internal size=0.5，其它保留默认，点击Apply确认。
划分后的网格如图4-2-4所示。
图4-2-3 网格划分设置对话框图4-2-4 计算区域网格图Step4：设置边界类型操作：→●在Name栏输入边界名称wall-1，将Type栏选为Wall，在Entity栏选取Edges，并选中方腔顶部边线。
●在Name栏输入边界名称wall-2，将Type栏选为Wall，在Entity栏选取Edges，并选中方腔其它三条边线。
Step5：输出网格文件操作：Fil m→export→mesh打开对话框如图4-2-5所示，选中Export 2-D mesh 前面的复选框，输出网格文件。
图4-2-5 网格文件输出对话框4.2.3求解计算Step1：启动Fluent选择2d单精度求解器，点击Run，如图4-2-6所示。
图4-2-6 启动求解器图4-2-7 网格尺寸设置对话框Step2：导入并检查网格1．读入网格文件操作：Fil e→Read→Case...找到文件后，单击OK按键确认。
2．检查网格操作：Grid→Check网格读入后，一定要进行网格检查，注意最小体积不能为负值。
3．网格比例设置操作：Grid→Scale...在Gambit中，生成网格使用的单位是cm，在Grid Was Created In下拉菜单中，选取cm，如图4-2-7所示，然后单击Scale，关闭对话框。
格子玻尔兹曼方法顶盖驱动流
格子玻尔兹曼方法顶盖驱动流
格子玻尔兹曼方法是一种用于数值模拟流体动力学的方法，适用于微观尺度上的非平衡流体系统。
其中一个经典的案例是顶盖驱动流。
顶盖驱动流是一种实验室中常见的流体力学现象，其涉及到一个长方形的容器，其中底部被加热，顶部被保持在常温下。
流体在容器内自然对流，并产生了一个横向的流动。
这种流动很适合用格子玻尔兹曼方法来模拟。
在模拟过程中，首先需要将流体分割成小的区域，然后在每个区域中计算流体的速度、密度和分布函数。
通过这些值的计算和更新，可以模拟出流体的运动和演化过程。
针对顶盖驱动流，需要在容器的顶部施加一个固定的速度场，以模拟顶部的运动。
通过格子玻尔兹曼方法的模拟，可以得出流体的速度场、温度场和压力场等信息，从而更好地理解和预测顶盖驱动流的行为。
这对于流体力学的研究和应用都具有重要意义。
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OpenFOAM顶盖驱动流详解使用手册中文翻译版样本
引言这是开源场运算和操作c++库类（openfoam）使用指南。
她详细描述了OpenFOAM基本操作。
一方面通过第二章一系列教程练习。
然后通过对更多独立组件更详细描述学习openfoam。
Of 一方面重要是一种c++库类, 重要用于创立可执行文献, 例如应用程（application）。
应用程序提成两类: 求解器, 都是为理解决特定持续介质力学问题而设计；公用工程, 这些是为了执行涉及数据操作等任务而设计。
Of 涉及了数量众多solver和utilities, 牵涉问题也比较广泛。
将在第三章进行详尽描述。
Of 一种强项是顾客可以通过必要预备知识(涉及数学, 物理和编程技术)创立新solvers 和utilities。
Of 需要前解决和后解决环境。
前解决、后解决接口就是of自身实用程序（utilities）, 以此保证协调数据传播环境。
图1.1是of总体构造。
第4章和第五章描述了前解决和运营of 案例。
既涉及用of提供mesh generator划分网格也涉及第三方软件生成网格数据转换。
第六章简介后解决。
Chapter 2指引手册在这一章中咱们详细描述了安装过程, 模仿和后进程解决某些OpenFOAM测试案例, 以引导顾客运营OpenFOAM基本程序。
$FOAM_TUTORIALS 目录包括许多案件演示of提供所有求解器以及许多共用程序使用, 在试图运营教程之前, 顾客必要一方面保证她们已经对的地安装了OpenFOAM。
该教程案件描述 blockMesh预解决工具使用, paraFoam案例设立和运营OpenFOAM求解器及使用paraFoam进行后解决。
使用OpenFOAM支持第三方后解决软件顾客可以选取: 她们要么可以按照教程使用paraFoam, 或当需要后解决时参阅第六章第三方软件使用阐明。
OpenFOAM安装目录下tutorials目录中所有指引手册都是可复制。
教程依照流动类型分列在不同目录下, 相应子目录依照求解器slover分类。
应用Lattice Boltzmann方法数值模拟顶盖驱动流
ＴＡＮ ｕ ｎ Ｉ Ｙ ａ ， ，Ｐｉｇ ， Ｎ ， ｎ Ｌ４ Ｋｅ ＨＵ Ｐａｎ一 ｎ ｇ
（ ｈｎ ｑｎ ｎｖｒ ｔ ｏ ｃ ｎｅ＆ Ｔ ｃ ｎｌ ｙ ｈｎ ｑｎ ０ ３ １ １Ｃ ｏｇ ｉｇＵ ｉ ｓｙ ｆ ｉ ｃ ｅ ｉ Ｓ ｅ ｅｈ ｏ ｇ ，Ｃ ｏｇ ｉｇ １３ ； ｏ ４
４Ｇ ｓＰｏ ｕｔ ｎａ ｄＴａ ｓ ｉ ｉ ｐ ｒｔ ｎＡ ｅ ， ｈ ｎｑｎ ０ ０ ０， ｈｎ ） ａ ｒ ｃ ｏ ｎ ｒｎｍ ｓ ｏ Ｏ ｅａｏ ｒａ Ｃ ｏ ｇ ｉ ４ ０ Ｃ ｉａ ｄ ｉ ｓｎ ｉ ｇ４
Ａｂ ｔ ａ ｔ ａｔ ｅ Ｂ ｈ ｍａ ｎ ｍｅｈ ｄ ｉ ａ ｎ ｗ ｔ ｅ ｒ ｅ ｅｏ ｅ ｎ ｒ ｃ ｎ ｅ ｒ ．Ｔ ｉ ｍｅｈ ｄ ｉ ｂ ｓ ｄ ｏ ｅ Ｋｉ ｅｉ ｓｒ ｃ ：Ｌ ｔ ｃ ｏ ｚ ｎ ｔ ｏ ｓ ｅ ｏｙ ｄ ｖ ｌｐ ｄ ｉ ｅ ｅ ｔ ａ ｓ ｈ ｓ ｔ ｏ ａ ｅ ｎ ｔ ｎ ｔ ｉ ｈ ｙ ｓ ｈ ｃ
关 键 词 ： ｔ ｅ ｏｚａｎ ａ ｉ Ｂ Ｌ ｔ ｈｍ ｎ 方法 ； ｃ 数值模拟 ； 顶盖驱动；Ｇ Ｂ Ｋ碰撞模型 ；２ ９ Ｄ Ｑ 模型
Ｔｈ ａ ｆＳ ｍ ｕ ａ ｉ ｇ Ｃａ —ｄｒｖ ｎ Ｆｌ ｗ ｔ ｔｉｅ Ｂｏｔ ｍ ａ ｎ Ｅｑ ａ ｉ ｎ ｅ Ｗ ｙ ｏ ｉ ｌ ｔｎ ｐ — ｉ ｅ ｏ ｗｉｈ Ｌａ ｔｃ ｌｚ ｎ ｕ ｔｏ
汽车顶盖冲压成型的CAE模拟研究
汽车顶盖冲压成型的CAE模拟研究黄跃东;邱晓刚【摘要】DYNAFORM is used in finite element analysis of a vehicle roof cover,which studies the influence of factors such as friction factor, die clearance, material parameters on such component forming. The analysis shows that the friction factor between female die and panel has the greatest influence on forming of automotive roof cover; whereas the friction factor between male die and panel has the greatest influence on deformation uniformity, and improving lubrication in the areas between the male die and panel can remarkably improve deformation uniformity of roof cover; the influence of strain hardening exponent n on margin of safety of this component forming is much greater than the plastic strain ratio r. The actual stamping production proves that the technological plan and material parameters defined by numerical simulation can be applied in production.%采用DYNAFORM软件对某汽车顶盖进行了有限元分析,研究了摩擦因数、模具间隙、材料参数等因素对该零件成型的影响.结果表明,凹模与板料之间的摩擦因数对该汽车顶盖的成型影响最大:凸模与板料之间的摩擦因数对该零件变形均匀性影响最大,改善凸模与板料之间的润滑条件可以显著提高顶盖的变形均匀性:应变硬化指数n对该零件成型的安全裕度的影响作用远大于塑性应变比r.实际冲压生产证明,由数值模拟确定的工艺方案和材料参数可应用于实际生产.【期刊名称】《汽车技术》【年(卷),期】2011(000)006【总页数】5页(P54-58)【关键词】汽车;顶盖;冲压;CAE【作者】黄跃东;邱晓刚【作者单位】东南(福建)汽车工业有限公司;攀钢集团公司钢铁研究院【正文语种】中文【中图分类】U463.83+41 前言汽车覆盖件因其独特的特性决定了汽车整车开发周期，若汽车覆盖件的冲压工艺性设计不合理，将直接影响模具结构的复杂程度及加工工艺性，给冲压模具的设计、制造、加工及覆盖件的生产和装配带来困难，而成型模具设计制造依靠设计者的经验和反复试模的传统设计方法已不能满足市场需求[1]。
变高宽比空腔顶盖驱动流的格子Boltzmann方法模拟
变高宽比空腔顶盖驱动流的格子Boltzmann方法模拟曹先齐;杲东彦;文先太;蔡宁;王亮【摘要】采用格子Boltzmann方法构建空腔顶盖驱动流的数学模型,进行模型验证,并重点分析不同雷诺数Re下高宽比K对腔体流函数分布的影响.结果表明:Re=400,K=0.25时,二级涡由两个变成了三个,除了左下角和右下角的二级涡之外,在一级涡的内部还出现了第三个二级涡,位于腔体的中上部;Re=2000,K=0.5时,腔体出现了两个一级涡,一个位于腔体左侧,一个位于腔体右侧,基本呈对称分布;当腔体高度增加时,腔体内只有两个一级涡,一个一级涡在上方,另一个一级涡在下方,二级涡则未出现;Re=2000时腔体的流函数分布与Re=400时基本相同;腔体宽度对流函数分布的影响大于腔体高度.【期刊名称】《南京工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(016)003【总页数】6页(P1-6)【关键词】顶盖驱动流;高宽比;格子Boltzmann方法【作者】曹先齐;杲东彦;文先太;蔡宁;王亮【作者单位】南京工程学院能源与动力工程学院,江苏南京211167;南京工程学院能源与动力工程学院,江苏南京211167;南京工程学院能源与动力工程学院,江苏南京211167;南京工程学院能源与动力工程学院,江苏南京211167;南京工程学院能源与动力工程学院,江苏南京211167【正文语种】中文【中图分类】TK121顶盖空腔驱动流的研究在现代飞机、汽车的噪声控制、城市街道峡谷内污染物扩散机理、建筑墙体节能保温等诸多领域中均有着广泛的应用价值.如城市街道峡谷内污染物扩散问题,街道峡谷是指两旁都有连续的高大建筑物的相对狭长的街道空间,是城市的重要组成部分,也是居民活动中最为活跃的场所[1-3]，这些高大建筑物虽然可以在夏天为行人遮阴,但也存在不利的因素,例如阻碍交通污染物的扩散,对人类健康造成严重危害.随着社会的不断发展,城市化进程不断加块,城市大气污染这一问题也越来越严重,影响经济社会的可持续发展[4-6].因此,为了研究城市街道中污染物的分布状况,减缓城市大气污染对人体及周围环境的负面影响,需要深入研究城市街道峡谷内空气的流场特性.流场中蕴含有诸如多级涡、不稳定层流和紊流等复杂物理现象,因此顶盖空腔驱动流的研究成为复杂流体流动流场最为经典的物理模型,也成为验证各类流体流动数值计算方法准确度和计算效率的理想研究对象[7].除控制体积法、有限元法、有限差分法等传统流体流动数值计算方法外,格子Boltzmann方法由于清晰的物理背景、高效的并行效率等优异特征,近年来得到广泛的关注[8].国内外许多学者采用格子Boltzmann 方法对空腔顶盖驱动流进行了数值模拟研究[9-13]：文献[9]模拟了方腔顶盖驱动流,给出了详细的求解过程,提出了一种简化的固壁边界条件处理方法,讨论了雷诺数Re的影响；文献[10]模拟周期性流体驱动的方腔顶盖驱动流,研究了不同雷诺数和振荡频率的影响，结果表明,腔内涡的发展很大程度上依赖于Re和ω,在低Re和ω时,顶盖运动的影响可以有效地传递给腔内流体，然而,在较高的Re和ω时,只有在靠近顶盖狭窄区域的流体会受到顶盖驱动的影响；文献[11]研究了十字形腔体内的双顶盖驱动流问题,考察了雷诺数和摆动频率的影响，研究发现摆动的双壁面比均匀壁面驱动的流体混合得更加均匀；文献[12]模拟具有纳米流体的方腔顶盖驱动流,腔内含有一个薄的水平加热装置，研究表明纳米流体可以增强顶盖驱动流腔体的传热，可以通过升高加热器的位置来减少腔体冷壁面的热损失；文献[13]模拟了具有磁流体等粘塑性流体在空腔内的流动,壁面是非等温的,左壁面为高温,右壁面为低温,考察了雷诺数、Hartmann数、Bingham数、高宽比对传热、流动的影响.上述研究对象大多都是方腔,对非方腔体中驱动流的研究却相对较少.以城市街道峡谷内污染物扩散问题为例,其研究对象大多是非方腔体,而为长方体.本文以变高宽比情况下空腔顶盖驱动流为研究对象,采用格子Boltzmann方法,探讨高宽比对顶盖驱动流流场特性的影响.1 问题描述及控制方程图1 顶盖驱动流示意图顶盖驱动流示意图如图1所示.图1中,腔体的上边界以一个恒定速度u水平移动,其它三个边界则保持静止状态；腔体的水平宽度为L,垂直高度为H,定义高宽比K=H/L.宏观控制方程为：·u=0(1)u=-p+·τ(2)式中：u、ρ、p、τ分别为宏观速度、密度、压力、无量纲松弛时间.2 格子Boltzmann方程模型格子Boltzmann方程为(3)式中:r为空间矢量位置;t为时间;ei为格子离散速度;Δt为时间步长;τ为无量纲松弛时间;为平衡态密度分布函数,其中,wi为权系数,ρ为密度,格子速度c=Δx/Δt,Δx为格子步长.宏观密度和速度公式为(4)(5)式中fi指某一点上i个分量或方向上的分布函数.松弛时间系数公式为(6)式中v为流体动力粘性系数.为了保证数值精度及运行的稳定性,松弛时间系数通常在2≥τ>0.5范围即可.使用平衡态时分布函数赋值给初始分布函数(7)边界条件为:固体壁面无滑移，即ux=uy=0;顶盖速度ux=0.1,uy=0.采用非平衡外推方法[14]进行固体壁面速度边界的处理,其整体精度为2阶,具有较好的数值稳定性.(8)式中:rw为边界上的点；rn为离边界点最近一个内部点.3 模拟结果讨论3.1 模型验证图2 雷诺数Re=400时方腔内流函数图图2为方腔内流函数图,雷诺数Re=400,网格数256×256.从图2中可以看出,腔体内部出现了三个涡:一个大的一级涡和两个小的二级涡.大的一级涡位于腔体的中央,两个二级涡分别位于腔体的左下角和右下角，与文献[7]、[10]、[15]的流函数图基本一致.为了进一步验证模型的准确性,测量方腔中央的一级涡以及左右下角附近的二级涡的中心位置,结果见表1.从表1可以看出,本文程序的模拟结果与文献[7]、[10]、[15]中的涡中心位置的数值基本一致,结果吻合很好.表1 顶盖驱动流的一级涡和二级涡的位置Re=400一级涡左下涡右下涡xyxyxy文献[7]0.556 70.602 90.049 60.046 20.889 10.120 1文献[10]0.556 00.606 90.054 00.047 60.883 70.123 4文献[15]0.566 80.606 90.047 10.048 20.885 70.123 1本文0.558 60.609 10.046 30.045 80.885 20.125 53.2 腔体宽度的影响考察雷诺数Re=400和Re=2 000时腔体宽度对流函数分布的影响,见图3和图4. 从图3可以看出,K=1时,大的一级涡位于腔体的中央,两个二级涡分别位于腔体的左下角和右下角;K=0.5时,一级涡不再是基本对称的圆形,而是横向拉伸的椭圆，并且涡中心的水平位置发生了移动,位于腔体偏右的地方，两个二级涡的位置没变,但是涡的大小发生了变化，左下角的二级涡变大,右下角的二级涡变小；K=0.25时,一级涡继续在水平方向拉伸,涡中心的水平位置继续右移.二级涡由两个变成了三个,除左下角和右下角的二级涡之外,在一级涡的内部还出现了第三个二级涡,位于腔体的中上部.(a) K=1(b) K=0.5(c) K=0.25图3 Re=400时宽度对流函数分布的影响从图4可以看出，当K=1时,腔体流线分布与Re=400时基本一致；K=0.5时,腔体出现了两个一级涡(一个位于腔体左侧,一个位于腔体右侧,基本呈对称分布,只是右侧一级涡稍大一些)和两个二级涡(基本未发生变化)；K=0.25时,两个一级涡都在横向进行了拉伸,横向尺寸变大，二级涡则发生了变化,一个位于右下角,另一个位于腔体中上部,与Re=400时类似，而原先位于左下角的二级涡未出现.(a) K=1(b) K=0.5(c) K=0.25图4 Re=2 000时宽度对流函数分布的影响以上结果表明,随着腔体宽度的增加,顶盖对腔体内流体流动的影响越来越显著. 3.3 腔体高度的影响考察Re=400和Re=2 000时腔体高度对流函数分布的影响,见图5和图6.当Re=400,高度增加时,腔体内只有两个一级涡,一个一级涡在上方,另一个一级涡在下方,二级涡则消失了,腔体的下部只有一些单向的流线.这是由于随着腔体高度的增加,顶盖的移动对腔体下部的影响越来越弱,因此腔体下部只有一个单向的流线,而未形成漩涡.当Re=2 000时,腔体的流函数分布与Re=400时基本相同,腔体仅有上下两个一级涡.有所区别的是,下方的一级涡的位置往左有微弱的偏移.4 结论本文建立了顶盖驱动流的格子Boltzmann方程模型并进行了数值模拟,重点分析了不同雷诺数Re下高宽比K对腔体流函数分布的影响,结论为：1) 腔体内顶盖驱动流的格子Boltzmann方法模拟结果与文献结果一致,模型得到了验证；2) Re=400时,随着腔体宽度的增加(K=0.25),一级涡继续在水平方向拉伸,涡中心的水平位置继续右移，二级涡由两个变成了三个,除了左下角和右下角的二级涡之外,在一级涡的内部还出现了第三个二级涡,位于腔体的中上部，当Re=2 000时,随着腔体宽度的增加(K=0.5),腔体出现了两个一级涡,一个位于腔体左侧,一个位于腔体右侧,基本呈对称分布.当腔体的宽度进一步增加时(K=0.25),二级涡则发生了变化,一个位于右下角,另一个则位于腔体中上部,原先位于左下角的二级涡则未出现.(a) K=1(b) K=2(c) K=4图5 Re=400时高度对流函数分布的影响(a) K=1(b) K=2(c) K=4图6 Re=2 000时高度对流函数分布的影响3)当腔体高度增加时,腔体内只有两个一级涡,一个一级涡在上方,另一个一级涡在下方,二级涡则未出现.Re=2 000时,腔体的流函数分布与Re=400时基本相同.腔体宽度对流函数分布的影响大于腔体高度.参考文献:【相关文献】[1] LIU C H, WONG C C. On the pollutant removal, dispersion, and entrainment over two-dimensional idealized street canyons[J]. Atmospheric Research, 2014, 135-136: 128-142.[2] PARK S J, KIM J J, KIM M J, et al. Characteristics of flow and reactive pollutant dispersion in urban street canyons[J]. Atmospheric Environment, 2015, 108: 20-31.[3] PRASHANT T, SHARAD G. The impact of traffic-flow patterns on airquality in urban street canyons[J]. Environmental Pollution, 2016, 208:161-169.[4] FU X W, LIU J F, BAN-WEISS G A, et al. Effects of canyon geometry on the distribution of traffic-related air pollution in a large urban area: Implications of a multi-canyon air pollution dispersion model[J]. Atmospheric Environment, 2017, 165: 111-121.[5] KUBILAY A, NEOPHYTOU M K, MATSENTIDES S, et al. The pollutant removal capacity of urban street canyons as quantified bythe pollutant exchange velocity[J]. Urban Climate, 2017, 21: 136-153.[6] NOSEK S, KUKACKA L, JURCAKOVA K, et al. Impact of roof height non-uniformity onpollutant transport between astreet canyon and intersections[J]. Environmental Pollution, 2017, 227: 125-138.[7] ARUN S, SATHEESH A. Analysis of flow behaviour in a two sided lid driven cavity using lattice boltzmann technique[J]. Alexandria Engineering Journal, 2015, 54 (4): 795-806. [8] 何雅玲,李庆,王勇,等. 格子Boltzmann方法的工程热物理应用[J]. 科学通报,2009,54(18):2638-2656.[9] 韩善灵,朱平,林忠钦. 基于格子Boltzmann方法模拟方腔顶盖驱动流[J]. 中国机械工程,2005,16(1):64-66, 73.[10] MENDU S S, DAS P K. Fluid flow in a cavity driven by an oscillating lid-A simulation by lattice Boltzmann method[J]. European Journal of Mechanics B/Fluids, 2013(39): 59-70. [11] STHAVISHTHA B R, PERUMAL D A, YADAV A K. Computation of fluid flow in double sided cross-shaped lid-driven cavities using Lattice Boltzmann method[J]. European Journal of Mechanics/B Fluids, 2018(70): 46-72.[12] DAHANI Y, HASNAOUI M, AMAHMID A, et al. Lattice-Boltzmann modeling of forced convection in a lid-driven square cavity filled with a nanofluid and containing a horizontal thin heater[J]. Energy Procedia, 2017, 139: 134-139.[13] KEFAYATI G R, TANG H. MHD mixed convection of viscoplastic fluids in different aspect ratios of a lid-driven cavity using LBM[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, 124: 344-367.[14] 郭照立,郑楚光. 格子Boltzmann方法的原理及应用[M]. 北京:科学出版社,2009.[15] 何雅玲,王勇,李庆. 格子Boltzmann方法的理论及应用[M]. 北京:科学出版社,2009.。
顶盖驱动流数值模拟分析
《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。
LB-SGS方法和MRT-LBM方法对高雷诺数顶盖驱动流的数值模拟对比
图 ２ 顶 盖驱 动 流 示 意
Ｆ ｇ ２ Ｓ ｈ ｍａｉ ｉ ｇａ ｏ ｉ ｒ ｅ ｏ ｉ ． ｃ ｅ ｔ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｌ ｄ ｖ ｎ ｆ ｗ ｃ ｄ ｉ ｌ
善 ＝
（ １ ） ２数 方 值法
在 Ｌ Ｍ 的几 种模 型 中 ， Ｂ Ｋ近 似 法 （ 称 单 Ｂ ＬＧ 又 松 驰 因子法 ） 因编 程 简单 、 施 容 易而 备 受 青 睐 ， 实 但
中图分类 号 ：０ ５ ３４ 文献标 志码 ： Ｂ
Ｃｏ ｐａ ｉｏ ｅ ｗｅ ｎ ＬＢ— Ｇ Ｓ ｍ ｅ ｈ ｄ ａ ｄ Ｍ ＲＴ・ ｍ ｒｓ ｎ ｂ ｔ ｅ Ｓ ｔｏ ｎ ＬＢＭ
ｍ ｅ ｈｏ ｌ １ ｒ ｎｕｍ ｅ ｉ ａ ｉ ｕｌ ｔ ｎ ｒ ｔ ｄ ● ’ ● ０ ｒ Ｉ ｓ 一 ‘ ‘ １ ‘ ｃ ｍ ｉ ａ‘ ｏ ｏｎ ＂
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａｌ ｏ ｇ ＢＧ ｍｏ ｅ ｓｗｉｅｙ ｕ ｅ ｎ Ｌ ｔｃ ｏ ｚ ｎ ｔｏ ｓｆ Ｂ ） ｂ ｃ ｕ ｅ ｏ ｔ ｔ ｕ ｈ Ｌ Ｋ ｄ ｌｉ ｈ ｄ ｌ ｓ ｄ ｉ ａｔ ｅ Ｂ ｈ ｍａ ｎ Ｍｅｈ ｄ Ｌ Ｍ ｉ ｅ ａ ｓ ｆｉ ｓ
ｈ ｇ ｙ ｏ ｄｓｎｕ ｂ ｒ ｌ ｒｖ ｎ ｆｏ ｉ ｈ Ｒｅ ｎ ｌ ｍ ｅ ｉ ｄ ｉ ｅ ｗ ｄ ｌ
Ｃ ＨＥ ｈ ｎ ｉ Ｎ Ｃ ｕ ｍｅ ，Ｗ ＡＮＧ ｎ ，ＹＡＮＧ ｈｇ ｎ Ｄｏ ｇ Ｚ ｉａ ｇ
（ ｈｎ ｈｉ ｕｏ ｏｉ ｎ ｕ ｎｌ ｅｔｒ Ｔ ｎｊ Ｕ ｉ ｒｉ ， ｈｎ ａ ２ １０ ， ｈｎ ） Ｓ ａｇａ Ａ ｔ ｔ ｅＷｉｄＴ ｎ ｅ Ｃ ｎｅ， ０ｇｉ ｎ ｅｓｙ Ｓ ａｇ ｉ ０ ８ ｍ ｖ ｖ ｔ ｈ ４ Ｃｉ ａ
第２ ｌ卷 第 １ 期 ２１ ０ ２年 １月
鼠标上盖流动平衡数值模拟分析
鼠标上盖流动平衡数值模拟分析许建文;刘斌;骆灿彬【摘要】非平衡式浇注系统的鼠标上盖注塑模,容易导致熔体流动不平衡,需要进行浇注系统优化.运用Moldflow软件模拟浇口位置设计、熔体的填充及流动平衡过程,初步优化浇注系统,并得到流动平衡分析的结果.以分析结果为基础,调整浇注系统设计后,进行填充及流动平衡模拟分析.结果表明:浇注系统优化后,型腔间的填充时间不平衡率低于5％,压力不平衡值小于5 MPa,有效改善熔体的流动平衡性.【期刊名称】《华侨大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】6页(P801-806)【关键词】浇注系统;鼠标上盖;流动平衡;熔体;填充;Moldflow软件【作者】许建文;刘斌;骆灿彬【作者单位】华侨大学福建省特种能场制造重点实验室,福建厦门 361021;华侨大学福建省特种能场制造重点实验室,福建厦门 361021;华侨大学福建省特种能场制造重点实验室,福建厦门 361021【正文语种】中文【中图分类】TQ320.66在一模多腔的注塑成型过程中，塑料熔体同时到达各型腔的终端，则流动是平衡的；否则，流动不平衡[1].流动不平衡很难保证不同型腔内产品质量的一致性，容易导致飞边、短射、产品密度不均匀、气穴和过多熔接痕等缺陷[2-4].为使塑料熔体能平衡填充，在模具设计时，需对型腔和浇注系统进行流动平衡分析，优化浇注系统设计[5-7].传统的多型腔注塑模设计过程中，为获得理想的产品，通常依靠经验，在试模阶段，不断修改流道与浇口来调整流动不平衡问题，致使生产周期较长，成本较高[8-9].利用Moldflow软件，对模具浇注系统设计进行数值模拟分析，预测熔体流动不平衡的原因，经过优化可以得到理想的浇注系统设计方案，缩短了生产周期[10-14].在注塑模多型腔浇注系统的设计过程中，非平衡式布局具有缩短分流道长度、减少注射压力损失、缩短充模时间及减小模具总体尺寸等优点，具有一定的应用优势[15-16].因此，本文针对非平衡式浇注系统，以鼠标上盖为例，以填充时间不平衡率和压力不平衡值为评价指标，运用Moldflow软件进行一模八腔的流动平衡分析，优化浇注系统设计.1 浇注系统的创建与填充分析1.1 浇注系统的创建运用PRO/E软件进行鼠标上盖的三维建模，长×宽×高为118 mm×62 mm×38 mm.选用GE Plastics(Europe)公司、牌号为CycolacT的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料.运用Moldflow软件进行浇口位置分析，模具及熔体温度设置分别为60，240 ℃，最大注射压力及锁模力采用自动控制方式，结果如图1所示.图1中:数值接近1是浇口位置较为理想的区域;接近0则是浇口位置较差的区域.考虑到模具设计的合理性以及熔体在型腔内流动的平衡性，将浇口位置设在鼠标上盖尾端位置(图1圆圈处).在运用Moldflow分析过程中，为提高效率，设置模型及浇注系统出现次数为4，即可实现一模八腔分析，第一个型腔、第二个型腔及浇注系统初步设计，如图2所示.图1 浇口位置分析结果图2 浇注系统设计Fig.1 Result of gate location analysis Fig.2 Design of runner system1.2 填充分析浇注系统创建后，进行填充分析，模具及熔体温度分别设置为60，240 ℃，采用自动的填充控制方式，为得到最大注射压力值，设置充填体积为100%时进行速度/压力(V/P)切换，模拟结果如图3所示.图3中：F为注射位置压力；t为时间. (a) 填充时间 (b) V/P转换点压力 (c) 注射位置压力曲线图3 初步的填充分析结果Fig.3 Results of original filling analysis由图3(a)可知：整个型腔填充时间为1.131 0 s，当填充时间为0.969 1 s时，第一个型腔刚好完全充满，第二个型腔尚未充满，时间差异为0.161 9 s，则时间不平衡率为0.161 9/1.131 0，即14.3%.因此，型腔间的时间不平衡率较高，流动较为不平衡，容易造成型腔间的压力分布不均衡.由图3(b)可知：V/P转换点浇口位置压力，即最大注射压力为118.30 MPa.一方面，第一个型腔填充结束时，末端压力达到了76.25 MPa，较高的压力易引起过保压，使产品出现质量缺陷；另一方面，第二个型腔填充结束时，末端压力接近0 MPa，型腔间的压力分布较不均衡，容易造成产品质量不均一.由图3(c)可知：注射位置压力在0.969 1 s时，熔体充满第一个型腔时仅有97.52 MPa，此后，以较快的压力上升速度填充第二个型腔，填充完成时压力为118.30 MPa.分析其原因，熔体充满第一个型腔后，随着温度的下降，不断增大的浇注系统及型腔壁的阻力与仅剩下第二个型腔末端的排气空间，需要更快的压力上升速度才能将熔体注入型腔，致使压力上升的速度较之前快，出现突变.综上，由初步的填充分析可知，型腔间的填充时间不平衡率为14.3%，压力分布较为不均衡，注射位置压力曲线存在突变问题.因此，需要进行流动平衡分析，改善熔体的流动平衡性.2 流动平衡分析2.1 初步的流动平衡分析流动平衡的约束条件设置为:目标压力通常小于最大注射压力值，由初步的填充分析可知其值为118.30 MPa，故设置为115 MPa；迭代计算中，流道截面直径的改变步长为0.1 mm；最大的迭代计算次数为30步；时间收敛精度为5%；压力收敛精度为5 MPa；流道尺寸约束条件设置为不限制.运用Moldflow软件进行流动平衡分析，填充分析界面设置同前述填充分析，结果如图4所示.(a) 迭代结果 (b) 流道优化结果图4 流动平衡分析结果Fig.4 Results of flow balance analysis由图4可知：时间不平衡率为1.417 7%，压力不平衡值为4.84 MPa，均在设置的约束条件之内；但第一个型腔的二级分流道直径仅有2.8 mm，小于潜伏式浇口的大端直径3.0 mm，说明初始浇注系统的设计有问题，需要重新设计.2.2 优化的流动平衡分析由初步的流动平衡分析结果可知，初始时间不平衡率为14.288 3%，较高的时间不平衡率使迭代后分流道尺寸变换较大.因此，考虑减小初始时间不平衡率，即增加第一个型腔的填充时间，将其二级分流道及浇口尺寸减小，如图5(a)所示.由图5(a)可知：一级分流道直径均保持不变；第一个型腔二级分流道直径由6 mm减小为4 mm，浇口大端和小端直径分别由3.0，1.2 mm减小为2.1，1.0 mm；第二个型腔二级分流道及浇口尺寸保持不变.浇注系统修改会导致最大注射压力变化，因此进行填充分析，参数设置同初步的填充分析，结果如图5(b)所示.由图5(b)可知：V/P转换点浇口位置的压力为126 MPa，因此，设置平衡约束条件中目标压力为120 MPa.(a) 浇注系统尺寸 (b) V/P转换点压力图5 修改的填充分析Fig.5 Modified filling analysis为了更好地优化浇注系统，比较2种方案.方案1为分流道直径约束条件均设置为不限制；方案2为一级分流道直径约束条件设置为固定，二级分流道则为不限制，其他则同初步的流动平衡分析.运用Moldflow软件进行流动平衡分析，其他参数设置同初步的流动平衡分析，结果如图6～9所示.(a) 方案1 (b) 方案2图6 迭代结果对比Fig.6 Iterative result comparison(a) 方案1 (b) 方案2图7 填充时间对比Fig.7 Filling time comparison(a) 方案1 (b) 方案2图8 V/P转换点压力对比Fig.8 Pressure comparison at V/P switchover(a) 方案1 (b) 方案2图9 注射位置压力曲线对比Fig.9 Pressure comparison plot at injection location由图6可知：初始时间不平衡率和压力不平衡值分别为9.740 0%和14.20 MPa，较浇注系统调整前的14.288 3%和18.53 MPa，有一定程度的改善；流动平衡分析以后，对于时间不平衡率和压力不平衡值，方案1为0.006 6%和4.70 MPa；方案2为0.015 9%和4.68 MPa，均在设置的约束条件之内.由图7可知：对于方案1，当填充时间为1.078 s时，第一个型腔未充满部分较第二个型腔多，当填充时间为1.082 s，则充满整个型腔；对于方案2，当填充时间为1.078 s时，第一个型腔未充满部分较第二个型腔多，当填充时间为1.081 s，则充满整个型腔；两种方案均能大致实现同一时间充满整个型腔，实现流动平衡. 由图8可知：方案1，2的V/P转换点的压力均为115.30 MPa，小于约束条件中目标压力120 MPa；型腔间的压力大致相同，分布较均匀，流动较为平衡，能够确保产品质量均一.由图9可知：在注塑成型过程中，2种方案浇口位置的压力均能稳定上升，特别是在熔体填充的后期变化较为均匀，没有出现压力突变问题.这是由于流动平衡优化的结果，且在不同的约束条件下，浇口位置压力曲线差别不大.2.3 优化后的浇注系统优化后的浇注系统，如图10所示.由图10(a),(b)可知：对于方案1，一级分流道第一段、第二段的体积分别变化了-9.75%，-21.97%，第一个型腔的二级分流道不变，第二个型腔的二级分流道变化了-30.56%；对于方案2，因一级分流道直径约束条件设置为固定，所以直径没有变化，第一个、第二个型腔的二级分流道分别变化了-9.75%，-55.56%.由图10(c)，(d)可知：对于方案1，第一段、第二段的一级分流道直径分别为5.7，5.3 mm，第一个、第二个型腔的二级分流道直径分别为4.0，5.0 mm；对于方案2，第一个、第二个型腔的二级分流道直径分别为3.8，4.0 mm.(a) 方案1分流道的尺寸变化 (b) 方案2分流道的尺寸变化(c) 方案1优化后的浇注系统尺寸 (d) 方案2优化后的浇注系统尺寸图10 优化后的浇注系统Fig.10 Optimized runner system综上所述，方案1的时间不平衡率小于方案2，相差为0.093%，差异较小，都能保证流动的平衡；方案1的压力不平衡值大于方案2，相差为0.02 MPa，差异不大，都能保证型腔间压力分布均衡；整个注塑过程中，方案1，2均能实现浇口位置压力稳定上升；方案1浇注系统优化后，一级分流道有2种尺寸，后续的加工则更为复杂，加工时间相对较长.因此，在流动平衡效果相差不大的情况下，为了便于加工、提高效率，方案2的优化结果更为合理.3 结束语对于非平衡浇注系统的设计，在运用Moldflow软件分析前，不同型腔的流道及浇口设计的相同尺寸，由此进行流动平衡分析.流动平衡分析过程中，根据时间不平衡率及压力不平衡值评价浇注系统的结构合理性，对流道及浇口设计尺寸进行反复调整，可以得到几种优化的浇注系统设计结果.对结构优化后的几种浇注系统需进行工艺性评估，得出工艺可靠、成本效益好的浇注系统设计方案.参考文献：【相关文献】[1] 何柏海.汽车前保左右加强件注塑流动平衡优化研究[J].塑料工业，2018，46(6):52-57.[2] 孙庆东，杜晋，王传红.CAE技术在GPS壳体注塑模缺陷分析中的应用[J].塑料科技，2009，37(6):55-58.DOI:10.15925/ki.issn1005-3360.2009.06.016.[3] 赵亚穷,韩健,张鸿洲,等.基于CAE技术的注塑模组合型腔流动平衡设计及工艺分析[J].计算机辅助工程，2013，22(4):62-66.DOI:10.3969/j.issn.1006-0871.2013.04.013.[4] 王波,王震,田志飞,等.组合型腔注塑模浇注系统的平衡设计与优化[J].塑料工业，2011，39(8):62-64.[5] 陈为国,李和平.非平衡浇注系统的人工平衡设计与数值仿真[J].模具工业，2006,32(5):38-43.DOI:10.16787/ki.1001-2168.dmi.2006.05.011.[6] 王振飞,陈静波,刘春太,等.基于流动模拟的注射模流动平衡设计[J].模具工业，2000(8):13-16.DOI:10.16787/ki.1001-2168.dmi.2000.08.004.[7] 王艳萍.多腔注塑模具浇注系统的平衡研究[J].塑料科技，2010，38(6):77-79.DOI:10.15925/ki.issn1005-3360.2010.06.013.[8] 姜开宇,横井秀俊.注射成型过程熔体前沿充填不平衡现象的试验研究[J].机械工程学报，2009，45(2):294-300.DOI:10.3901/JME.2009.02.294.[9] 袁根华.基于CAE鼠标多腔异件模具与流动平衡性设计[J].中国塑料，2014，28(7):100-104.DOI:10.19491/j.issn.1001-9278.2014.07.020.[10] 陈开源,程国飞.基于Moldflow的手电筒注塑模组合型腔流动平衡优化设计[J].塑料，2017，46(1):68-71.[11] 时虹.Moldflow在不对称薄壳注塑件浇注系统中的平衡优化[J].现代塑料加工应用，2014，26(5):45-48.DOI:10.3969/j.issn.1004-3055.2014.05.013.[12] 王传洋,沈剑.薄板注塑成型浇注系统的设计与优化[J].机械设计与制造，2013(9):131-133.DOI:10.19356/ki.1001-3997.2013.09.040.[13] 曾喜生,林启权.基于Moldflow软件的多腔注塑模浇注系统设计[J].现代机械，2010(6):33-34,52.DOI:10.13667/ki.52-1046/th.2010.06.006.[14] 尤芳怡,戴秋莲,刘晶峰.Moldflow辅助壳形注塑件变形分析及其加强筋的优化设计[J].华侨大学学报(自然科学版)，2013，34(4):376-379.DOI:10.11830/ISSN.1000-5013.2013.04.0376.[15] 申开智.塑料成型模具[M].2版.北京：中国轻工业出版社，2002.[16] 唐明真，胡青春，姜晓平.多型腔注塑模浇注系统设计及CAE分析[J].塑料工业，2009，37(6):32-35.DOI:10.3321/j.issn:1005-5770.2009.06.009.。
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《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。