过程工程中的数值模拟2016(2)全解
深基坑施工监测与数值模拟
人 工 填土 层 ３．０ ｌ８．（） １９．０ ２Ｏ
ｌｊ ０．２８
淤 泥 质土 层 ３．１ ｌ ９．０ ｌ９．ＬＩＴＹ
ＡＮＤ Ｃ０ＮＴＲｏＬ
文 章 编 号 ：１０００—０３３Ｘ（２０１６）０６—０１１６－０５
深 基 坑 施 工 监 测 与数 值 模 拟
刘 振 华
（中 铁 十 六 局 集 团 北 京 轨 道 交 通 工 程 建 设 有 限公 司 ，北 京 １０１１００）
摘 要 ：通 过 对广 州 市轨 道 交通 十三 号线 一期 工程 夏 园站 至 南 岗站 区间设 置 的盾 构 井兼轨 排 井深
关 键 词 ：深 基 坑 ；围 护 结 构 ；施 工 监 测 ；轨 道 交 通
中 图分类 号 ：Ｕ４５３．４
文献标 志 码 ：Ｂ
Ｍ ｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｅｐ Ｐｉｔ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
ＬＩ Ｕ Ｚｈｅｎ—ｈｕａ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ １６ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｍ ｅｔｒｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ． Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｅｒｍ ｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍ ｅｎｔ ｏｆ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｗａｌｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｐｉｔ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｔａｇｅ ｏｆ Ｎｏ．１ ３ ｍ ｅｔｒｏ ｌｉｎｅ ｉｎ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，ｎａｍ ｅｌｙ ｔｈｅ Ｘｉａｙｕａｎ—Ｎａｎｇａｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍ ｅｎｔ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｔ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｗ ｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗ ｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｄｅｅｐ ｐｉｔ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ ｐｉｔ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍ ｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｒａｉｌ ｔｒａｎｓｉｔ
稳态与非稳态热传导问题的数值模拟
稳态与非稳态热传导问题的数值模拟热传导是物体中热量传输的过程，它在生产和生活中都具有非常重要的作用。
热传导的过程中，热量从高温区向低温区传播，同时产生热流。
在工程领域中，热传导的过程常常需要进行数值模拟，以便更好地预测材料的热传导过程。
在本文中，我们将探讨稳态与非稳态热传导问题的数值模拟方法及其应用。
1. 稳态热传导问题稳态热传导问题是指物体中温度分布随时间不发生变化，也就是说，热量在物体内部没有积累或损失。
这类问题通常使用拉普拉斯方程来描述，即：∇·(k∇T) = 0其中，T 是温度分布，k 是热传导系数。
由于热传导系数一般取决于温度，因此需要使用一定的迭代方法，如高斯-赛德尔迭代法、雅可比迭代法等等，来求解该方程。
在实际的工程领域中，稳态热传导的数值模拟运用非常广泛。
例如，汽车发动机的温度控制和机械零件的热稳定性分析等都需要进行稳态热传导模拟，以保证工艺和质量。
2. 非稳态热传导问题非稳态热传导问题是指物体中温度分布随时间发生变化的情况。
这类问题与时间和空间有关，需要使用偏微分方程来描述。
例如，常见的热传导方程为：∂T/∂t = α∇²T + Q其中，α 为热扩散系数，Q 为热源。
解决该方程需要使用数值方法，如有限元方法、有限差分法等等。
非稳态热传导问题的数值模拟应用广泛，例如，液体储罐中液体的温度变化、电子设备散热分析等。
在高温环境下，热量的传递通常是非稳态的，因此该类问题的数值模拟更为常见。
3. 数值模拟方法无论是稳态还是非稳态热传导问题，数值模拟都需要使用适当的方法来求解热传导方程。
下面介绍两种常用的数值模拟方法。
（1）有限元方法有限元方法是一种非常常用的数值计算方法，在热传导问题中也得到了广泛应用。
该方法将连续的物理量离散成一组有限的基函数，再用这些基函数对问题进行近似求解，从而得到数值解。
有限元方法的基本思想是将区域分割成有限数量的小元素，每个小元素可以用一组简单的函数来描述，这些函数称为形函数。
公路隧道施工过程数值模拟与分析
逸 １７ ３
６
重 ＼ 遨
星
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Ｌ Ｌ ｃ；
０ ５ ０ ５ ０ ５ ０ ５ Ｏ
道 围岩 的应 力 、位移状态以 及支护 结构的受 力变形情 况等 ，根据计算结果分析得 出一些规律性 的结论 ，这对评
价 围岩稳 定状 态 ，优化设计支护参数及施 工工法 均具有 直接的指导意义 。
１ 公路 隧道群施 工过程数值模拟
张石 高速 公路化稍 营至蔚 县 （ 保界 ）段 ，线路 穿越 路段地 貌单元 主要为桑干河 盆地 一蔚县盆地 区低 山 张
．
．
离下 台阶 边墙２ Ｏ ．ｍ～４ ０ ．ｍ范 围内 ，值为 １６ ａ ．ＭＰ ，满足 围岩抗压 强度要求 ；下 台阶边墙 出现塑性 区
，
向 围岩 内
本文 中使 用ＭＩ Ｓ ＧＴ 有限元分析软件模 拟单 洞隧道 Ⅲ、Ⅳ、 Ｖ类 围岩 条件下深埋隧道施工的过程 。理 ＤＡ ／ Ｓ 论分析 表 明 ，在均 质弹性 无限域 中开挖 的 圆形隧 道 ，由于荷载释 放而 引起的洞室 周 围介 质的应力和位移 的变 化 ，在 ５ 倍洞径 范 围之 外将小于 １ ％，在 ３ 倍洞径 之外约小于 ５ ％。在本工程 中分 离式隧道两 线间距为６ ｍ，洞径 ５
素平 等 出了以对数 函数描 述岩石蠕 变的粘弹性模 型进行 围岩稳定性的力学分析 。国内外许 多学者将其 应用 提 于节理 岩体的力学分析 中，如 日本学者Ｋａ ｍｏｏ 国内学者孙钧 、李术才等 。 ｗａ ｔ及 科学技 术的不断进步 ，使得 解决隧道工程 问题 的数值 模拟理论和方法发展迅速 。各种数值 方法 的不断成功 应用 ，深 化 了人们对许 多隧 道工程地质现象的理解 ，并 有力地推动 了隧道工程学科 的定量化进程 。不同类型的
科学计算与数值模拟在工程设计中的应用
科学计算与数值模拟在工程设计中的应用工程设计的基础在于科学计算与数值模拟。
科学计算是指运用计算机数值方法处理、解决各种实际问题的一种方法，而数值模拟则是指利用数学模型进行计算机仿真来还原实际问题，进而推进进一步的工程设计优化。
下面将从科学计算和数值模拟的角度，探讨它们在工程设计中的应用。
一、科学计算在工程设计中的应用科学计算是指在计算机上采用计算方法来解决问题的一种方法。
在工程设计中，它可以应用于以下三个方面：1. 分析问题在工程设计中，我们常会遇到或工程本身，或工程环境等固有物理或机理性质所决定的问题。
这时，我们便需要运用科学计算的方法，来分析这些问题的性质，并加以合理的解决方案。
例如，若我们要进行道路设计时，需要考虑每段路段的坡度、曲率、坡度距等问题。
通过科学计算，我们可以对这些问题进行优化，并得到最佳解。
2. 优化设计在具体的工程实践中，我们常常需要针对工程设计中的诸多问题进行优化设计。
这些问题可能涉及到不同因素的综合影响，如费用、效率、品质等。
通过科学计算的方案，我们可以建立相关数学模型，以此作为依据，进一步推进工程优化设计。
例如，在房屋设计中，我们通常需要考虑楼体的结构和材料等因素的综合影响。
通过科学计算，我们可以更好地优化设计方案。
3. 输送信息在现代工程设计中，传送信息的速度和效率往往是我们非常关心的因素。
科学计算不仅可以加速信息高速运行速度，也可以建立信息传动基础。
通过科学计算，我们可以进行海量数据的处理和存储，实现信息的高效加工和传递。
例如，在制造园地，计算机定制化生产，可以避免库存过多的问题，提高库存周转率。
二、数值模拟在工程设计中的应用数值模拟是指利用计算机仿真方法，将现实世界交给计算机来进行还原。
在工程设计中，数值模拟与科学计算有紧密的联系，它可以很好地处理工程中的复杂问题。
以下是几个数值模拟在工程设计中的应用：1. 现实试验在工程设计过程中，我们常常需要执行各种实验来了解材料和工艺的特性。
公路隧道施工过程的数值模拟及ANSYS实现
2
王文正 夏永旭 胡庆安
早就结束 ,对隧洞的开挖不产生影响 ,因此在以后的 每个施工阶段分析位移场时 ,需减去初始位移场 。
在进行结构分析时 , AN S YS 中可以使用输入 文件来把初应力指定为一种载荷 ,因此当具有实测 的初始地应力资料时 ,可将初始地应力写成初应力 载荷文件 ,然后读入 AN S YS 作为载荷条件 ,就可直 接进行第一步的开挖计算 。所得应力场和位移场就 是开挖后的实际应力场和位移场 ,无需进行加减 。 21 2 开挖与支护过程的模拟
0 引言
公路隧道研究的方法有物理实验方法 、工程类比方法和数值模 拟方法 。物理实验方法费用高 ,时间长 ,工程类比方法由于划分比 较粗造 ,与实际有时差距较大 ,因而 ,有限元数值分析方法是目前公 路隧道研究的常用方法 。但是 ,在应用有限元数值方法模拟隧道的 施工过程中 ,有关隧道围岩初始应力的释放 ,不仅需要技术 ,而且要 有一个合适的分析软件 。本文提出了“施加虚拟支撑力逐步释放 法”,并试图通过 AN S YS 分析软件完成这种围岩卸载方法的实施 。
Key words : Tunnel co nst ruction ; Nu2 merical simulation ; St ress relief
(11 长安大学公路学院 ,陕西 西安 710064 ; 21 北京市市政工程总公司 ,北京 100045)
摘 要 :正确模拟围岩的卸载过程是地下工程数值模拟的一个重要
AN S YS 程序中的载荷步 (Load Step) 功能可以 实现不同工况间的连续计算 ,用来模拟隧道的连续 施工过程方便有效 。
开始建立整体有限元模型 ,包括将来要杀死或 激活的部分 ,模拟的过程中不需重新划分网格 。在 一个载荷步计算结束后 ,可直接进行下道工序的施 工 :杀死 (开挖) 或激活 (支护) 单元 ,改变虚拟支撑力 等 ,然后求解计算 。如此继续一直到施工结束 。
数值计算中的常微分方程数值模拟
数值计算中的常微分方程数值模拟在数值计算中，常微分方程（Ordinary Differential Equations，简称ODE）是一个重要的研究对象。
常微分方程的数值模拟是通过数值方法对其进行近似求解的过程，该过程对于模拟物理系统、生物学过程以及工程问题等具有重要意义。
本文将介绍常微分方程数值模拟的几种常用方法，并分析其特点与应用。
一、欧拉法（Euler's Method）欧拉法是最简单的常微分方程数值模拟方法之一，其基本思想是将连续的微分方程进行离散化，使用一阶差分近似代替微分。
具体步骤如下：1. 建立微分方程：设待求解的微分方程为dy/dx = f(x, y)，其中f(x, y)为已知函数。
2. 初始化：选择初始条件y0 = y(x0)，以及离散步长h。
3. 迭代求解：根据欧拉法的迭代公式yn+1 = yn + h * f(xn, yn)进行近似求解。
欧拉法的优点是简单易实现，但在处理复杂问题和大步长时存在精度较低的问题。
二、改进的欧拉法（Improved Euler's Method）为了提高欧拉法的精度，改进的欧拉法在迭代过程中使用两个不同的斜率近似值，从而对解进行更准确的预测并修正。
具体步骤如下：1. 建立微分方程：同欧拉法。
2. 初始化：同欧拉法。
3. 迭代求解：根据改进的欧拉法的迭代公式yn+1 = yn + h * (k1 +k2)/2进行近似求解，其中k1 = f(xn, yn)，k2 = f(xn + h, yn + h * k1)。
改进的欧拉法在精度上优于欧拉法，但仍然不适用于高精度要求的问题。
三、龙格-库塔法（Runge-Kutta Methods）龙格-库塔法是一类常微分方程数值模拟方法，通过计算多个不同次数的斜率来逼近解。
其中，四阶龙格-库塔方法是最常用的一种方法。
具体步骤如下：1. 建立微分方程：同欧拉法。
2. 初始化：同欧拉法。
3. 迭代求解：根据四阶龙格-库塔方法的迭代公式yn+1 = yn + h * (k1 + 2k2 + 2k3 + k4)/6进行近似求解，其中k1 = f(xn, yn)，k2 = f(xn + h/2, yn + h/2 * k1)，k3 = f(xn + h/2, yn + h/2 * k2)，k4 = f(xn + h, yn + h * k3)。
数值模拟_精品文档
数值模拟摘要：数值模拟是一种通过计算机模拟方法来研究和分析现实世界中的物理现象、工程问题和自然现象的方法。
本文将探讨数值模拟的原理、步骤和应用场景，并讨论其优点和限制。
1. 引言数值模拟是一种基于计算机技术的仿真方法，可用于模拟和研究各种自然和工程现象。
它通过利用数值计算方法解决传统试验无法解决或者很难解决的问题。
2. 数值模拟的原理和步骤数值模拟的基本原理是将问题转化为数学模型，并通过计算方法求解该模型。
它通常包括以下步骤：2.1 问题建模在数值模拟中，首先需要对待解问题进行建模。
建模的目的是将实际问题转化为数学模型，包括确定问题的边界条件、初值条件和物理方程等。
2.2 离散化离散化是将连续的问题转化为离散的数值问题。
例如，在求解连续介质力学问题时，可以通过将物理空间离散为网格点，并对网格点上的物理量进行离散化处理。
2.3 数值求解数值求解是数值模拟的核心步骤，涉及到使用数值方法和算法对离散化后的问题进行求解。
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法、边界元法等。
2.4 结果分析数值模拟的最终结果需要进行分析和验证。
分析结果可以通过与理论分析、实验结果或其他已有数据进行比对来验证其准确性和可靠性。
3. 数值模拟的应用场景数值模拟广泛应用于各个领域，包括物理学、化学、生物学、工程学和计算机科学等。
3.1 天气预报数值模拟在天气预报中有着重要的应用。
通过对大气物理方程进行离散化和数值求解，可以对天气系统进行模拟预测，并提供准确的天气预报。
3.2 污染扩散模拟污染扩散模拟是评估污染物排放对环境影响的重要手段。
通过模拟和计算污染物在大气、水体或土壤中的传输和扩散过程，可以评估污染物的浓度分布和危害程度。
3.3 车辆碰撞模拟车辆碰撞模拟可以通过数值模拟来研究交通事故的发生机理和影响因素。
通过建立车辆和人体的力学模型，并对碰撞过程进行数值求解，可以评估碰撞对车辆和人体的影响。
4. 数值模拟的优点和限制数值模拟作为一种研究方法具有以下优点：4.1 成本低廉相对于传统试验方法，数值模拟不需要大量的实验设备和人力资源，能够在计算机上进行模拟和求解，降低了成本。
公路隧道数值模拟(分析讲课版)
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。
隧道地铁开挖过程中的数值模拟与施工技术
隧道地铁开挖过程中的数值模拟与施工技术隧道地铁的建设是一项复杂而重要的工程，其中数值模拟与施工技术起着关键作用。
本文将介绍隧道地铁开挖过程中的数值模拟技术以及相关的施工技术，以期能够更好地理解和应用于实际工程中。
一、数值模拟技术隧道地铁的开挖过程涉及到地质、土力学、结构力学等多个学科领域的知识。
为了准确预测开挖过程中的地表沉降、地下水位变化、支护结构变形等情况，需要使用数值模拟技术进行分析和计算。
数值模拟技术主要包括有限元法、边界元法、离散单元法等。
有限元法是其中应用最广泛的一种方法，它将隧道及周围土体划分为有限个小单元，并通过数学方程来描述各个单元的力学行为。
通过求解这些方程，可以得到开挖过程中的应力、位移、变形等参数。
在数值模拟中，需要准确输入土体和岩体的力学参数，如强度、刚度等。
这些参数可以通过现场勘探和实验室测试得到，也可以通过文献和经验值进行估计。
此外，还需要考虑开挖过程中的施工序列、施工方法等因素，以便更准确地模拟实际情况。
通过数值模拟，可以评估开挖过程中的地表沉降、地下水位变化等影响因素，为隧道地铁的设计和施工提供科学依据。
同时，数值模拟还可以用于优化支护结构设计、预测施工风险等方面，提高工程的安全性和经济性。
二、施工技术隧道地铁的施工技术包括开挖方法、支护结构、施工工艺等方面。
不同地质条件和工程要求，需要采用不同的施工技术。
1. 开挖方法隧道地铁的开挖方法主要有盾构法、爆破法和钻爆法等。
盾构法适用于软土、淤泥等地质条件，通过盾构机进行土体开挖和支护。
爆破法适用于坚硬岩石等地质条件，通过爆破药物破坏岩石，然后进行清理和支护。
钻爆法结合了盾构和爆破的优点，适用于复杂地质条件。
2. 支护结构隧道地铁的支护结构主要包括钢支撑、混凝土衬砌、预应力锚杆等。
钢支撑是常用的一种支护方式，通过钢梁和钢板进行固定和支撑。
混凝土衬砌是另一种常见的支护方式，通过预制或现浇混凝土构件进行支护。
预应力锚杆是一种较新的支护技术，通过张拉预应力锚杆来增加地下结构的稳定性。
2016数学建模A题 省二
六、模型求解
6.1 问题一求解： （1 ） （2） （3） （4） 对方程组 、 、 、 联立，使用 MATLAB 软件编程求解，最后求得： 12m/s 时: 钢桶的倾斜角度为 1.0090° 从下向上四节钢管的倾斜角度依次为 1.0032° 0.9975° 0.9919° 0.9863° 浮标吃水深度为 0.7529 m 浮标游动圆形区域半径为 21.3338 m 锚链末端与锚的链接处的切线方向与海床的夹角为 3.44°
系泊系统的设计
摘要
随着系泊技术在海洋石油开发中的广泛应用[1],系泊技术逐步趋入成熟， 对各种系泊 方式的设计及优化也开始深入研究。根据不同海域的情况，设计出安全又经济的系泊系 统，是现在海洋工程和船舶工程领域亟须解决的问题。 对于问题一，我们将系统分成锚链、钢桶、钢管、浮标四部分，然后对锚链和钢管 建立了微分方程模型，对钢桶和浮标进行受力平衡分析，建立了方程组。我们采用了逐 步近似法，使用 MATLAB 软件对所列的方程组求解，得到结果为：风速 12m/s 时:钢桶的 倾斜角度为 1.0090°，从下向上钢管的倾斜角度为 1.0032°、0.9975°、0.9919°、 0.9863°，浮标吃水深度为 0.7529 m，浮标游动圆形区域半径为 21.3338 m，锚链末端 与锚的链接处的切线方向与海床的夹角为 3.44°， 水下锚链形状见图 5 （见 P7） ； 24m/s 时:钢桶的倾斜角度为 3.7183°，从上而下钢管的倾斜角度为 3.6979°、3.6776°、 3.6576°、 3.6378°， 浮标吃水深度为 0.7678m， 浮标游动圆形区域的半径为 21.7316m， 锚链末端与锚的链接处的切线方向与海床的夹角为 3.44°，水下锚链形状见图 6（见 P8）。 对于问题二，我们根据问题一的模型，通过 MATLAB 编程不断改变重物球的质量反 复迭代即可得到结果： 当钢桶倾斜角小于 5°且锚链在锚点与海床的夹角不超过 16°时， 重物球临界质量为 1745kg，钢桶的倾斜角度为 4.9998°，从下而上钢管的倾斜角度为 4.9797°、4.9598°、4.9400°、 4.9204°，浮标吃水深度为 0.9320m，浮标游动圆形 区域半径为 21.8912m，锚链形状见图 7（见 P9）。当重物球小于这个质量时，钢桶倾角 会大于 5°。 对于问题三，我们在前两问模型的基础上，将其划分成不同情况分别求解。锚链型 号一共为五种，并将每种分为 16m 和 20m 两种情况，我们分别计算出它们在临界时的重 物球质量、锚链长度、浮标吃水情况以及浮标游动范围，对每个情况进行分析，得出最 优解。最后设计的系泊系统应选用 III 型号的锚链，长度为 22m，重物球质量最少为 3547kg，可以适当增加重物球质量，以确保倾角不会大于 5°。
数值模拟方法
数值模拟方法科学研究与解决工程问题的基础在于物理实验与实物观测，例如对金属材料的凝固过程进行物理实验、对天体运行进行观测。
现代科学研究方法的核心是通过实验或观测建立研究对象的数学模型，基于数学模型进行研究与分析。
这种研究方法可以追溯到伽利略的工作，成熟于牛顿的三大定律与微积分。
采用实物模型进行物理实验的研究周期长、投入大，有时甚至无法在实物上进行，如天体物理的研究。
在数学模型上进行的数值模拟研究具有研究周期短、安全、投入少，已经成为不可或缺的工具。
数值模拟方法的应用对象分为三个层次1) 宏观层次：常见的工程建筑、制造设备、零件等;2) 界观层次：材料的微观组织与性能，如金属材料的晶粒度影响其屈服强度;3) 微观层次：基本物理现象与机理，如金属材料凝固时的结晶与晶粒生长过程。
宏观与界观层次的数值模拟方法包括：1) 有限差分方法(Finite Difference Method, FDM) ：微分方程的直接离散方法;2) 有限元单法(Finite Element Method, FEM)用有限尺度的单元的集合来代替连续体，分为Lagrange方法，Euler方法，ALE方法；3) 边界单元方法(Boundary Element Method, BEM) ：一种半解析方法;4) 有限体积方法(Finite Volume Method, FVM) ：把空间划分成有限尺度的体积单元，连续体通过这些在空间上固定的体积单元，单元的空间位置不变；5) 无网格方法(Meshless Method) ：只布置结点，不需要划分单元网格，有权函数。
微观层次的数值模拟方法包括：1) 第一原理法(First Principle Simulation) ：量子力学方法，直接计算原子的电子结构；2) 元胞自动机方法(Cellular Automata) ：把空间用元胞演化、元胞的局部相互作用来描述复杂的、全局的系统。
3) 蒙特卡洛方法(Monte Carlo Method ) ：把颗粒运动定义为随机过程，用势能的变化来判断颗粒运动能否被接受。
隧道开挖过程的数值模拟与分析
对 断层 、 夹层 、 节理 、 隙等 地质 情况 的模拟 ， 裂 还可 考虑
非 线性应 力一 应变关 系 及 分 期过 程 ， 得 实 际 情况 在 使 计算 中得 到较好 的反 映 。
隧 道为分 离 式 设 计 ， 口接 线半 径 为 １ ０ 出 进 ０ｍ， ０
分析 ， 隧道 围岩建立 的计 算模 型进 行 隧 道 开挖 过 程 对 动 态数值模 拟 ， 分析开 挖过程 中围岩 弹塑性应 力 、 应变
为了和 当前 的节 点 位 置 相 匹配 ， 元 的 形 状 被 改 变 。 单
在 一些情 况下 ， 单元 的生 死状 态可 以根据 Ａ Ｓ Ｓ的计 ＮＹ
口接 线 半 径 为 ｌ８ ０ｍ， 内 为 直 线 段 ， 计 纵 坡 为 ０ 洞 设
２ 。隧 道主体 部分 处于 微风化 的 片麻岩 山体 内 ， 大 ％ 最
埋 深 １６ ３ 在隧 道洞 口地段 ， 岩 为 片麻 岩 ， 全 １． ９ｍ， 基 其
风化 层厚 １ ５—３ 局 部 顶 部 分 布 有 残坡 积 土 ， 速 ３ ｍ， 波
算 结果 来 决 定 ， 如应 力 、 变 等 。Ａ Ｓ Ｓ单元 生 死 功 应 ＮＹ 能在 杀死 或激 活单 元 时 ， 对单 元 的 内在 属性 ， 应 力 、 如 位移 等作 有效 处理 ， 用单 元 的生 死 功能 来 模 拟 隧道 使
的开 挖和 支护 。
的数值 方法之 一 ， 多数 的 计算 软 件 都 是基 于 有 限 元 法
力 人手 ， 分析 围岩 的应力 场 和 开 挖 过程 中支 护结 构稳
定 性 。在 围岩 稳定性 定 性 评 价 的基 础 上 ， 析 围 岩 和 分
数学建模2016年D题
数学建模2016年D题风电场运行状况分析及优化模型摘要在充分理解题意及合理假设的基础上，通过对问题的深入分析，利用Excel 对数据处理分析，建立了风能资源利用情况模型并对其进行评估；对实测风速和功率的拟合，建立了最优风机选择模型；最后从经济效益最大化为主要目标，通过多目标规划，建立人员分配模型，进行人员排班优化。
·问题一：为了研究该风电场的风能资源和风能资源的利用情况，对附件1的数据处理及分析，然后对原始数据的完整性和合理性进行判断，选择合理数据，计算出年、月、日的平均风速和各时期的平均功率。
根据平均风功率密度公式311()()2nwp i i D v n ρ==∑计算出平均风功率密度为290.39/wp D W m =。
然后对其进行评估，根据wp D 和风的功率wp =n P D S ??风计算出风能利用率为40.92%。
根据贝茨极限得出大型风力发电机对风能的最高利用率为59.3%，从而得出该风电场的风能利用率相对合理，进而可以判断该风电场的风能资源利用情况较好。
·问题二：从风能资源与风机匹配角度出发，根据附件2风速信息，对数据进行聚类分析，并绘制频率分布直方图，并得出一期和二期工程风机的年平均风速均为6/m s 。
根据附件3的数据，通过最小二乘法对各期风速和功率进行数据拟合，得出系数k 越大，发电效果越好。
对附件4中新型电机的参数分析，计算出系数k 值。
最终，得出新型风机功效略好于二期工程，相较一期工程功效略差，因此新型风机比二期风机更适合此风力发电厂，应使一期工程与新型风机作为发电厂设备。
·问题三：以风电场经济效益最大化为主要目标，通过分析风电场的效能为出发点，先确立风机停机维护时段的基础上，再运用“0-1”规划建立人员分配模型，用枚举法得到人员排班方案，从而得到每组两天轮班工作并由在3月4日至5日、8月20日至21日值班人员进行停机维护的工作排班方案。
本文还进一步建立了多目标规划的人员分配模型，并进一步检验，得到值班与提及维护分立进行的模式以每组一天轮流值班并分别于每年的三月上旬和八月下旬进行停机维护，每年两组轮换进行维护。
数值模拟在化学反应工程中的应用
数值模拟在化学反应工程中的应用一、引言化学反应工程是化学领域中一个重要的应用分支，它旨在通过设计和优化反应过程，实现化学反应的高效、可控和可重复性。
而数值模拟则是化学反应工程中至关重要的工具，在反应器中的应用尤为广泛。
二、数值模拟简介数值模拟是通过数学方法和计算机技术，对化学反应进行模拟和预测的过程。
它可以模拟化学反应中的各种物理和化学现象，包括质量传递、热传递、物质转化等。
数值模拟可以帮助我们深入了解化学反应过程中的物理现象，优化反应器的结构和运行条件，提高反应过程的效率和可控性。
三、数值模拟在化学反应工程中的应用1. 反应器设计反应器是化学反应中最重要的系统之一，反应器的设计直接影响化学反应的效率和质量。
数值模拟可以提供有关反应器的各种信息，包括反应器的流动特性、热传递情况、物质转化速率等。
基于这些信息，可以优化反应器的结构和运行条件，使得反应过程更加可控和高效。
2. 反应动力学研究化学反应的动力学特性对反应器的运行和控制有重要影响。
数值模拟可以帮助我们深入了解化学反应的动力学过程，包括反应速率和反应机理等。
基于这些信息，可以确定反应器的最佳操作条件，实现化学反应的高效和可控。
3. 催化剂设计和表征催化剂是化学反应中最常用的催化剂，也是化学反应工程中最复杂的部分之一。
数值模拟可以帮助我们深入了解催化剂的物理和化学特性，包括催化剂的结构、表面特性、扩散特性等。
基于这些信息，可以设计出高效、稳定的催化剂，实现催化反应的高效和可控。
四、数值模拟的应用案例1. 活性炭吸附塔的优化设计活性炭吸附塔是处理有机废水的重要设备之一，但它的设计和运行条件对其去除效率和经济性有着非常严格的要求。
为了优化活性炭吸附塔的设计和运行条件，研究人员使用数值模拟工具，比如CFD模拟软件和实验室模拟设备，对活性炭吸附塔的流动特性和质量传递进行了深入研究。
基于这些模拟结果，研究人员能够优化吸附塔的设计和运行条件，使得其去除性能和经济性达到最佳水平。
数值模拟工程实例
数值模拟工程实例1. 问题描述某城市的一条繁忙道路上，交通拥堵严重，每天上下班高峰期间车辆排队等待的时间很长。
为了解决这个问题，交通管理部门计划对该道路进行改造，包括增加车道、调整信号灯时序和限制车辆通行速度等。
2. 数学建模为了分析道路改造方案的效果，我们首先对道路进行数学建模。
假设道路是一维的，可以将道路划分为若干个离散的车道，每个车道上的车辆可以看作是一个粒子。
我们可以定义每个车辆的位置、速度和加速度等参数，并利用车辆之间的相互作用关系来描述整个交通系统的行为。
3. 模型验证为了验证数学模型的准确性，我们可以利用实际道路上的数据进行参数校准。
通过观察和记录车辆的行驶速度、相互之间的间距等信息，可以将这些数据与模型进行对比，从而得到模型中各个参数的取值范围。
4. 参数优化在模型验证的基础上，我们可以利用数值模拟的方法来优化道路改造方案。
通过调整不同的参数，比如车道数量、信号灯时序和限速等，可以预测不同方案下的交通状况，并评估其效果。
通过比较不同方案的结果，可以选择最优的改造方案。
5. 结果分析在模拟结果分析中，我们可以观察不同方案下的交通拥堵情况、车辆平均行驶速度等指标。
通过对比不同方案的结果，可以评估其改善道路交通状况的效果，并选择最佳方案。
6. 实际应用在确定最佳方案后，交通管理部门可以根据模拟结果对道路进行改造。
改造完成后，可以再次进行数值模拟，验证改造后的道路交通情况是否达到了预期效果。
7. 拓展应用除了道路交通仿真，数值模拟在工程实践中还有许多其他应用，比如建筑结构的强度分析、电力系统的稳定性评估、风力发电机组的性能预测等等。
通过数值模拟，可以提前发现潜在问题，并优化设计方案，从而提高工程系统的安全性、可靠性和经济性。
总结起来，数值模拟在工程实践中具有广泛的应用。
通过数学建模和数值计算，可以对工程系统进行仿真和分析，优化设计方案，并指导实际工程的操作和决策。
数值模拟在工程领域的应用可以提高工程系统的性能，并减少实际操作中的风险和成本。
公路边坡工程的开挖全过程的有限元仿真
公路边坡工程的开挖全过程的有限元仿真摘要:近几年随着国家基本建设力度的加大和西部大开发的进行,高等级公路修建在我国方兴未艾,尤其是高速公路建设工程中所遇到的岩质边坡稳定性问题也相应地增多。
由于公路路线一般较长,经过的地形、地质条件比较复杂,边坡的稳定性是保证道路正常运行的关键,因此一直以来是公路建设中的一个值得关注的问题。
因此,研究边坡的稳定性,对于如何预防边坡失稳,以及对失稳边坡进行治理,具有非常重要的现实意义。
本文主要运用数值模拟技术对公路边坡建立有限元模型,模拟了公路边坡的应力和位移分布情况,并进一步分析边坡坡度及边坡形式对边坡本身稳定性的影响。
关键词:力学边坡稳定性分析数值模拟有限元分析1 公路边坡稳定性分析在传统的力学分析中我们知道边坡稳定性分析([1] [2])是和土压力研究和地基承载力研究一起发展起来的。
18世纪,库仑提出了计算土压力的方法,宣告了土力学科的诞生。
而朗肯在以墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上为依据,找到了计算主动土与被动土压力的途径,而后推广到地基承载力和边坡稳定性分析中,进而形成了一套体系,就是我们常见的极限平衡法。
极限平衡法是以摩尔～库仑强度准则基础建立起来的,其关系式如下:为了揭示开挖过程的边坡稳定性,采用有限单元法进行不同状况下的数值模拟。
因主要考虑静态自重作用下的边坡受力及变形情况,因此采用位移法对不同形态的边坡作数值分析。
通过数值计算,分别对开挖过程边坡的稳定情况从水平位移、竖向位移、及各个方向的应力大小等方向进行评价,本文主要分析研究了传统的挡土墙对边坡的稳定的影响。
为了便于对计算结果的统一分析,必须对土质、受力条件、基本参数等做必要的简化([3] [4])。
2 公路边坡建模分析该公路高边坡的断面图如图1所示,图中Ⅰ、Ⅱ表示地层的围岩类别(其参数弹性模量GPa,泊松比,容重kN/m3分别为1.2和2.2,0.47和0.37,17和20)。
工程的防护体系由A、B、C、D、E五部分构成。
数值模拟技术在工程中的应用
数值模拟技术在工程中的应用作为一种新兴的科学技术，在工程领域，数值模拟技术有着广泛的应用。
从航空航天、土木工程、电子通讯、化工领域到生物医学，都有着大量的实际应用。
作为工程师，应该学会应用数值模拟技术来处理实际工程问题，提升工程设计的质量和效率。
数值模拟技术是一种利用计算机进行数学模型求解的一种方法。
通过建立一个包含数学模型、求解算法及计算机程序的系统，模拟大量实际物理现象和工程问题，采集大量数据和信息，可以预测和分析各种结果，为实际问题的求解提供了一种全新的方式。
1. 航空航天领域的应用在航空航天领域，数值模拟技术使用最广泛的是计算流体力学(CFD)和有限元分析(FEA)方法。
CFD可以用于预测有关流动、气动、热传递、物理化学反应等问题，而FEA可以用于计算结构的耐力、刚度、振动、疲劳等特性。
例如，在飞机研制中，使用CFD技术来模拟空气动力特性，可以减少实验测试的时间和成本，优化飞机的设计参数。
而使用FEA分析技术可以预测飞机结构在不同荷载下的行为，为飞机的安全及飞行特性提供参考。
另外，CFD技术还被广泛用于引擎喷射流、燃烧室燃烧、涡轮机冷却、空气动力设计、剧烈天气预测等方面。
2. 土木工程领域的应用土木工程中的数值模拟技术应用也非常广泛，其中比较常用的技术是有限元分析和离散元分析。
有限元分析可以用于模拟土木结构在外力作用下的变形和应力分布情况，例如某建筑物的建造过程中，设计师可以使用有限元方法来模拟建筑物的受力状况，以确定建筑物的耐力和结构设计是否满足要求。
此外，在桥梁、隧道、水坝、大坝、岩土结构和地下工程等领域，经常会使用到有限元方法模拟结构的受力分析。
离散元分析主要用于土体和岩石等不规则形状体的机械动力学问题，例如岩体稳定性、地震、落石、爆炸、挖掘、堆积等问题。
3. 电子通讯领域的应用在电子通讯领域，数值模拟技术的应用广泛涉及到无线电、微波、天线与雷达、光通信、半导体等多个子领域，其中最常见的方法是时域场分析和频域场分析。
数值模拟方法在工程中的应用
数值模拟方法在工程中的应用随着科学技术的快速发展，数值模拟技术成为了工程领域中必不可少的方法之一。
它可以将复杂的工程问题转化为数学模型，并用计算机对其进行求解，以获取定量的结果。
本文将会详细探讨数值模拟方法在工程中的应用，以及其重要性和优缺点。
一、数值模拟方法可以在若干领域中被应用，例如状态预测、流体力学、机器学习、计算机视觉等等。
在工程领域中，数值模拟方法也被广泛地应用到许多问题中，包括：1. 物理问题的求解：在工程领域中，物理问题的求解是数值模拟应用最广泛的领域之一。
它主要包含了模拟物体的力学过程、动力学过程以及热力学过程等等。
通过数值模拟，我们可以预测物体在受力下的变形、位移、应力等等的变化规律，也可以预测其在高温或高压环境下的热传导等等。
2. 电子电器系统的设计：另一个数值模拟广泛应用的领域是电子电器系统的设计。
数值模拟可以帮助我们预测电路的性能，例如电荷分布、电压分布、电流密度等等。
这些信息可以很容易地转化为实际建设中的电子电器系统。
3. 化学反应的模拟：在化学工程领域中，数值模拟可以将反应物的消耗量和生成量等数据量化为数学模型，以了解反应的详细过程和反应条件对反应过程的影响。
二、数值模拟方法在工程中的重要性数值模拟方法在工程中具有重要的地位，它能够帮助工程师们更好地理解和预测工程过程。
以下是数值模拟在工程中的主要优点：1. 降低成本：数值模拟可以在实验室之外进行，极大地降低了实验所需的人力、物力、时间以及成本等。
有时，一些实验是存在危险的，而数值模拟可以避免意外事故的发生，从而减少损失。
2. 支持决策：数值模拟可以基于实际的数据和科学指导，帮助我们做出更合理的决策和选择。
通常情况下，数值模拟能够给出比实验更详细的结果，使得决策者能够更好地了解问题的本质和对方案的影响。
3. 更好的设计：数值模拟可以帮助我们预测不同变量取值对设计的影响。
通过数值模拟技术，工程师们可以比较不同方案的效果，最终做出更好的设计。
数值模拟计算整个过程
数值模拟计算的整个过程数值模拟计算的整个过程主要包括一下几个过程：一.建立模型（应用软件：CAD工具如PRO/E，Bladegen等）几何生成时应注意的问题主要有以下几个部分：1. 几何生成1.1 几何区域的规划几何的生成可以是一个整体部分，但是有时为了网格划分时的方便可以把几个分成几个部分生成，例如轴流泵几何的生成可以分为四个部分：进水流道、叶轮、导叶和出水流道（图1.2），离心泵几何分为三个部分：进口端，叶轮，窝壳（图1.2）。
图1.1 轴流泵几何图1.2 离心泵几何1.2几何生成的方法1.2.1泵的叶轮和导叶部分可以根据各自的木模图使用BLADEGEN较为方便的生成1.2.2而其他部分则可以通过Pro E等三维CAD工具生成，其中离心泵窝壳由窝壳木模图先将各断面绘制成型，再利用扫掠的方法成型。
1.3.几何输出1.3.1从PRO/E中导出文件时可以选择保存成igs格式，也可以保存成stp格式，在导出时按其默认格式保存，即igs格式的保存成面的形式，stp格式的保存成体和壳的形式。
1.3.2. 进出水流道部分（轴流泵），进口端（离心泵）要做适当的延伸。
1.3.3 从PRO/E中导出之前可以可以改单位，或者明确几何生成时所用单位，以便导入。
1.3.4各部分的特征位置的坐标要明确，如几何中心，原点，以便各部分导入后的合并。
二.网格划分（软件: ANSYS ICEM ）网格划分主要有以下几部分：2.1. 几何检查及修复通过检查几何命令检查几何并将错误的部分根据实际情况修复（以轴流泵出水流道为例，见图2.1）图2.1（a）轴流泵出水流道几何检查图2.1（b）修复后的轴流泵出水流道几何2.2 设置part图2.2设置part2.3. 建立物质点（生成四面体网格时必须）图2.3建立物质点2.4. 设置网格大小，生成网格2.4.1六面体网格的生成。
分块六面体网格生成主要是分块的思想，一般不外乎O型，C型，H型，J型。
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4.计算流体力学的应用
此外，计算流体力学如今还可用于许多生活领域。 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 洪水波及河口潮流计算 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 ……
5
4.计算流体力学的应用
案例2：克林顿博物馆
为了保持博物馆所在的河岸公园的完整性，同时也是为 了呼应基地附近的阿肯色河上的6座桥梁，该博物馆的主 体部分被设计成架空于地面之上的“桥”的形式。
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4.计算流体力学的应用
CFD模拟室内温度场。 模拟结果：参观者头顶上方的空调出风气流可以通过各个狭 小的通道，并且沿着展墙上升，顺利回到各个回风口，带走展 品释放的热量。
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4.计算流体力学的应用
4.3 在汽车工业的应用
案例1：汽车外形设计优化 通过对汽车车身的流场计算，得到车身表面的压力场、 速度场、气动力和气动力矩，继而得出风阻系数等一系列 设计参数，通过分析流场可以对流动过程和流场分布成因 有更细致的了解；与实验对比， 通过修改车身几何参数， 达到优化设计的目的。
某车车身外部流场图
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4.计算流体力学的应用
案例2：发动机的设计优化 可通过预混或者非预混模型，模拟进气和排气过程。对于 如何减小进排气阻力、增大充气效率、设计气门阀升程和 锥度、进排气支管形状等有重要意义。 利用燃烧模型，对气缸内混合 气体的燃烧过程进行动态模拟， 对提高燃烧效率、探索爆震和表 面点火成因及研究相应对策有很 重要的指导意义。
(Environmental Progressive)的高层建筑。
4
4.计算流体力学的应用
利用CFD技术，计算一定水平风量条件下，建筑物表面的压 力分布状况、建筑物室外的气流状况，图示方法直观描述。 模拟设计方案的室内自然通风状况，帮助设计人员确定位 于每层采光井周边的通风口的位置。 设计是否合 理？ 如何获得最 佳的自然通风 效果。
过程工程中的数值模拟（二）
潘艳秋
2016.04.10
过程工程中的数值模拟
1
数值模拟技术简介
2
计算流体力学基础
3 4 5
计算流体力学商业软件简介
计算流体力学的应用 计算流体力学在化工中的应用
6
计算流体力学的未来
2
4.计算流体力学的应用
CFD应用范围广泛。所有涉及流体流动、换热、分子输送等 现象的问题，基本都可通过CFD进行模拟和分析。 应用领域：水利工程、土木工程、航空航天工程、船舶和海 洋结构工程、石油化工、建筑设计、环境工程、食品工程、 工业制造、生物医学以及交通运输等领域 。
供应链体 系
分子水平宏观微观源自纳微尺度生态环境17
5.计算流体力学在化工中的应用
化学化工学科与产业链条： 涵盖从分子、纳微、单元(颗粒、液滴、气泡)、聚团、 设备、工厂、直至生态过程等不同尺度与层次 每个环节紧密联系，纯粹依靠理论分析或实验的经验 积累进行研究和开发已越来越困难。 前期实验的积累和计算机 技术的迅速发展；数学建模 与计算机模拟日渐成为研究热点。
主要的空调送风和回风口及室内热源的位置
7
Fluent模拟的室内气温状况
4.计算流体力学的应用
4.2 在医学上的应用
案例1：脑脊液流动模拟研究 模拟脑脊液流体的动力学及 其与大脑组织间的复杂的相 互作用--研究中枢神经系统 异常的病因、寻找可行的潜 在补救措施。 右图：一个心跳周期的整个
颅- 脊髓系统中脑脊液流速
对过程的控制缺少有效的 模型和反馈机制，运行难 以稳定和优化。（设计中 的不确定性、机理性认识 的缺乏）
16
5.计算流体力学在化工中的应用
计算流体力学应用于化工中的必然： 国际上，传统的大宗产品的产值份额不断降低，许多跨国 公司的发展重点已转向精细化学品，医药、生物和纳米产 品等高技术、高附加值产品。 在学术研究领域，化学工程也在向微观和宏观进行拓展。 化学 工程
14
过程工程中的数值模拟
1
数值模拟技术简介
2
计算流体力学基础知识
3 4 5
计算流体力学商业软件简介
计算流体力学的应用 计算流体力学在化工中的应用
6
计算流体力学的未来
15
5.计算流体力学在化工中的应用
5.1 应用背景 化学工程技术被误认为“夕阳”产业 化学工程技术相对粗糙（与机械制造和电子信息等技术 的精密性和日新月异的发展比）。 新技术的开发周期漫长、费用高昂、优化困难。（在实 验室中发展的技术大多要经过小试、中试等逐级放大才 能实现经济规模的生产）
气缸进气流线图
12
4.计算流体力学的应用
案例3：复数车辆的行驶状况模拟
复数车辆的行驶：会车、超车及队列行驶3 种 气动特性是一个瞬态过程，目前国外也只是进行了初步 定性的分析，但是这也是一个重要的研究方向，对于研究 该状态下的操纵稳定性有 重要的作用。
右图：1 辆小轿车超车 时的静压分布图。
帮助研究人员发现可能产 生的操作稳定性问题，为 改善设计提供参考数据， 有助于提高车辆行驶安全。
3
4.计算流体力学的应用
4.1 在建筑学上的应用
案例1：瑞士再保险公司总部大楼(伦敦) 外形独特，“小黄瓜”，“宇宙 飞船”、“穿网眼丝袜的雪茄”、 “腌黄瓜”（Gherkin）…，总建 筑面积7.64万m2 ，高179.8m 2004年完全投入使用。 最吸引人的地方，不是名字和外 观，而是它较同样的建筑节能一 半以上：伦敦第一幢具有环境进步意义
和压力场的变化。
8
4.计算流体力学的应用
案例2：脑积水的研究 利用ADINA软件模拟脑脊液及其与脑组织的相互作 用，通过求解Navier-Stokes方程和Darcy流方程，并与固态 脑组织的运动方程耦合，对脑脊液整个颅脊系统的速度和 压力场进行计算。
9
4.计算流体力学的应用
比较正常（左图）、脑积水（右图）之间的脑脊液流动模式。 结果：脑积水引起的最大速度的位置和大小变化
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5.计算流体力学在化工中的应用
另一方面，流体广泛存在于化学工程这个领域的各个地方。
流体力学从狭义上讲是处理流体的动量输运问题的，但实际 上绝大多数化工过程都是在流体的主导或参与下进行的，而 “三传一反”也往往是紧密耦合的，并且一般是在流体力学 的框架下联合求解的。 流体力学是化工技术的最重要基石之一。而计算流体力学在 化工过程的计算机模拟中也占有核心地位，并且其作用也与 日俱增。