基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,含有限元,說明書+CAD+PROE,基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,基于,ansys,噴霧器,噴嘴,仿真,研究,鉆研,有限元,說明書,仿單,cad,proe 分 類 號 密 級 設(shè)計 基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究 所在學(xué)院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 年 月 日 誠 信 承 諾 我謹在此承諾：本人所寫的《基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）：朱曉峰 年 月 日 摘 要 本文采用ANSYS 的CFD分析模塊對噴霧器噴嘴流場仿真研究，通過建立噴霧器噴嘴內(nèi)流體流動的計算模型, 分析了計算流體力學(xué)方法( CFD) 在模擬噴嘴流場方面的應(yīng)用。比較了不同噴嘴結(jié)構(gòu)形式下流體的流動特征, 研究噴嘴突出長度、入口速度以及輸入管內(nèi)徑對噴嘴霧化質(zhì)量的影響。結(jié)果表明這些參數(shù)相互配合, 存在最優(yōu)值, 為噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供信息及依據(jù), 對實際生產(chǎn)也具有指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：噴霧器，流體力學(xué)，有限元分析，霧化 57 Abstract This paper uses the ANSYS CFD analysis module of the sprayer nozzle flow field simulation research, through the establishment of the sprayer nozzle flow calculation model, analysis of the computational fluid dynamics (CFD ) method in simulation of nozzle flow applications. Comparison of different form of nozzle structure for fluid flow characteristics, study of the nozzle protrusion length, entrance velocity and input tube diameter of nozzle atomization quality influence. The results show that these parameters are matched with each other, there exists an optimal value for the nozzle structure optimization design, provide information and basis, also has guiding significance for practical production. Key Words: Sprayer, fluid mechanics, finite element analysis, atomization 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 4 1.1.選題來源及基本意義 4 1.2.有限元國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 4 1.3 有限元分析的發(fā)展趨勢 5 1.3.1與CAD軟件的無縫集成 5 1.3.2更為強大的網(wǎng)格處理能力 6 1.3.3由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 6 1.3.4由單一結(jié)構(gòu)場求解發(fā)展到耦合場問題的求解 7 1.3.5程序面向用戶的開放性 7 第2章 課題任務(wù)及要求 8 第3章 對噴霧器的模型的3D建模設(shè)計 8 第3章 對噴霧器的模型的ANSYS分析 33 第1章 緒論 1.1.選題來源及基本意義 有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。 1.2.有限元國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 “有限元”這個名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷史，理論和 算法都已經(jīng)日趨完善。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進行分 析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。 近年來隨著計算機技術(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計算問題的有效途 徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機幾乎所有的設(shè)計制造都已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器，國防軍工，船舶， 鐵道，石化，能源，科學(xué)研究等各個領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1）增加產(chǎn)品和工程的可靠性； （2）在產(chǎn)品的設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題； （3）經(jīng)過分析計算，采用優(yōu)化設(shè)計方案，降低原材料成本； （4）縮短產(chǎn)品投向市場的時間模擬試驗方案，減少試驗次數(shù)，從而減少試驗經(jīng)費。 國際上早在60年代初就開始投入大量的人力和物力開發(fā)有限元分析程序，但真正的CAE軟件是誕生于70年代初期，而近15年則是CAE軟件商品化的發(fā)展階 段，CAE開發(fā)商為滿足市場需求和適應(yīng)計算機硬、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，在大力推銷其軟件產(chǎn)品的同時，對軟件的功能、性能，用戶界面和前、后處理能力，都進 行了大幅度的改進與擴充。這就使得目前市場上知名的CAE軟件，在功能、性能、易用性、可靠性以及對運行環(huán)境的適應(yīng)性方面，基本上滿足了用戶的當前需求， 從而幫助用戶解決了成千上萬個工程實際問題，同時也為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用做出了不可磨滅的貢獻。目前流行的CAE分析軟件主要有NASTRAN、 ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。MSC-NASTRAN軟件因為和NASA的特殊關(guān)系，在航空航天領(lǐng)域有著很高 的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的線性有限元分析系統(tǒng)為基礎(chǔ)，兼并了PDA公司的PATRAN，又在以沖擊、接觸為特長的DYNA3D的基礎(chǔ)上 組織開發(fā)了DYTRAN。近來又兼并了非線性分析軟件MARC,成為目前世界上規(guī)模最大的有限元分析系統(tǒng)。ANSYS軟件致力于耦合場的分析計算，能夠進 行結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁四種場的計算，已博得了世界上數(shù)千家用戶的鐘愛。ADINA非線性有限元分析軟件由著名的有限元專家、麻省理工學(xué)院的 K.J.Bathe教授領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)，其單一系統(tǒng)即可進行結(jié)構(gòu)、流體、熱的耦合計算。并同時具有隱式和顯式兩種時間積分算法。由于其在非線性求解、流固耦合分 析等方面的強大功能，迅速成為有限元分析軟件的后起之秀，現(xiàn)已成為非線性分析計算的首選軟件。 1.3 有限元分析的發(fā)展趨勢 縱觀當今國際上CAE軟件的發(fā)展情況，可以看出有限元的分析方法的一些發(fā)展趨勢： 1.3.1與CAD軟件的無縫集成 當今有限元分析軟件的一個發(fā)展趨勢是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計后，能直接將模型傳送到CAE軟件中進行有限 元網(wǎng)格劃分并進行分析計算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計要求則重新進行設(shè)計和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計水平和效率。為了滿足工程師快捷地解決復(fù)雜工程問題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開發(fā)了和著名的CAD軟件（例如Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE軟件為了實現(xiàn)和CAD軟件的無縫集成而采 用了CAD的建模技術(shù)，如ADINA軟件由于采用了基于Parasolid內(nèi)核的實體建模技術(shù)，能和以Parasolid為核心的CAD軟件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）實現(xiàn)真正無縫的雙向數(shù)據(jù)交換。 1.3.2更為強大的網(wǎng)格處理能力 有限元法求解問題的基本過程主要包括：分析對象的離散化、有限元求解、計算結(jié)果的后處理三部分。由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時間及求解結(jié)果的 正確性與否，近年來各軟件開發(fā)商都加大了其在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高，但在有些方面卻一直沒有得到改進，如對三維實 體模型進行自動六面體網(wǎng)格劃分和根據(jù)求解結(jié)果對模型進行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，除了個別商業(yè)軟件做得較好外，大多數(shù)分析軟件仍然沒有此功能。自動六面體網(wǎng)格劃分 是指對三維實體模型程序能自動的劃分出六面體網(wǎng)格單元，現(xiàn)在大多數(shù)軟件都能采用映射、拖拉、掃略等功能生成六面體單元，但這些功能都只能對簡單規(guī)則模型適 用，對于復(fù)雜的三維模型則只能采用自動四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)生成四面體單元。對于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點，在很多問題中將會產(chǎn)生不正確的結(jié)果，如果 使用中間節(jié)點將會引起求解時間、收斂速度等方面的一系列問題，因此人們迫切的希望自動六面體網(wǎng)格功能的出現(xiàn)。自適應(yīng)性網(wǎng)格劃分是指在現(xiàn)有網(wǎng)格基礎(chǔ)上，根據(jù) 有限元計算結(jié)果估計計算誤差、重新劃分網(wǎng)格和再計算的一個循環(huán)過程。對于許多工程實際問題，在整個求解過程中，模型的某些區(qū)域?qū)a(chǎn)生很大的應(yīng)變，引起單 元畸變，從而導(dǎo)致求解不能進行下去或求解結(jié)果不正確，因此必須進行網(wǎng)格自動重劃分。自適應(yīng)網(wǎng)格往往是許多工程問題如裂紋擴展、薄板成形等大應(yīng)變分析的必要 條件。 1.3.3由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設(shè)計的要求，許多工程問題如材料的破壞與失效、裂紋擴展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進行非線性分析求 解，例如薄板成形就要求同時考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進行分析或需考慮材 料的塑性、蠕變效應(yīng)時則必須考慮材料非線性。眾所周知，非線性問題的求解是很復(fù)雜的，它不僅涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題，還必須掌握一定的理論知識和求解技 巧，學(xué)習(xí)起來也較為困難。為此國外一些公司花費了大量的人力和物力開發(fā)非線性求解分析軟件，如ADINA、ABAQUS等。它們的共同特點是具有高效的非 線性求解器、豐富而實用的非線性材料庫，ADINA還同時具有隱式和顯式兩種時間積分方法。 1.3.4由單一結(jié)構(gòu)場求解發(fā)展到耦合場問題的求解 有限元分析方法最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用來求解線性結(jié)構(gòu)問題，實踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解 對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。現(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問題的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動力學(xué)和耦合場 問題的求解。例如由于摩擦接觸而產(chǎn)生的熱問題，金屬成形時由于塑性功而產(chǎn)生的熱問題,需要結(jié)構(gòu)場和溫度場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即"熱力耦合"的 問題。當流體在彎管中流動時，流體壓力會使彎管產(chǎn)生變形，而管的變形又反過來影響到流體的流動……這就需要對結(jié)構(gòu)場和流場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解， 即所謂"流固耦合"的問題。由于有限元的應(yīng)用越來越深入，人們關(guān)注的問題越來越復(fù)雜，耦合場的求解必定成為CAE軟件的發(fā)展方向。 1.3.5程序面向用戶的開放性 隨著商業(yè)化的提高，各軟件開發(fā)商為了擴大自己的市場份額，滿足用戶的需求，在軟件的功能、易用性等方面花費了大量的投資，但由于用戶的要求千差萬別，不管 他們怎樣努力也不可能滿足所有用戶的要求，因此必須給用戶一個開放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實際情況對軟件進行擴充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定 義材料本構(gòu)（結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu)）、用戶自定義流場邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴展規(guī)律等等。 關(guān)注有限元的理論發(fā)展，采用最先進的算法技術(shù)，擴充軟件的能，提高軟件性能以滿足用戶不斷增長的需求，是CAE軟件開發(fā)商的主攻目標，也是其產(chǎn)品持續(xù)占有市場，求得生存和發(fā)展的根本之道。 第2章 課題任務(wù)及要求 噴霧器噴霧的原理是通過壓力將氣流和液流通過一較小的噴嘴噴出的，從而形成較小的霧滴，常用噴霧器有電動噴霧器、手動噴霧器和超聲波噴霧器，不同類型的噴霧器產(chǎn)生的粒子大小不一致。 噴嘴是噴霧裝置的重要組件，它的好壞直接影響噴霧裝置工作的性能。 1、利用軟件進行繪制噴霧器噴嘴的二維、三維零件圖； 2、對噴霧器噴嘴的零件進行進一步的分析、計算； 3、噴霧器噴嘴設(shè)計； 4、擬定噴霧器噴嘴總體設(shè)計的初步方案； 5、方案的討論與論證； 6、完成對應(yīng)噴霧器噴嘴總圖設(shè)計，包含零件序號及零件明細表等； 7、完成噴霧器噴嘴指定零件的造型設(shè)計，按制圖標準標注尺寸、公差、形位公差及表面粗糙度等； 8、對噴霧器噴嘴零件的潤滑、流場等設(shè)計進行分析； 9、選擇一至二個噴霧器噴嘴內(nèi)部零件進行制造工藝設(shè)計，撰寫標準制造工藝卡； 10、整理、完善文獻并撰寫一篇反映課題內(nèi)容的文獻綜述； 11、論文匯編的所有資料的格式進行標準化處理。 通過對噴嘴結(jié)構(gòu)的分析，確定研究對象為噴嘴、閥桿與閥針組成的流體有效通徑。利用流體分析軟件ANSYS提供的計算分析與網(wǎng)絡(luò)劃分功能，對噴霧器噴嘴噴霧過程進行分析。 第3章 對噴霧器的模型的3D建模設(shè)計 選用的軟件是PROE 野火版3.0 1.33墊片模型 閥桿 彈簧 5mm玻璃球 吸管 蓋 活塞 噴霧頭 模型處理 為了ANSYS簡化模型的需要，擬定將裝配模型進行簡化處理，具體就是把裝配模型作為一個零件建模，忽略次要特征，重點把握主要特征方面， 然后轉(zhuǎn)化為*.iges格式.具體操作步驟： 1、建立旋轉(zhuǎn)特征草繪模式，繪制草圖如下： 2、旋轉(zhuǎn)生成實體 第3章 對噴霧器的模型的ANSYS分析 分析思路 導(dǎo)入模型 定義參數(shù) 加載求解 后處理分析 噴霧器(噴射器)是近幾十年來噴射流體力學(xué)原理應(yīng)用研究最具代表性的產(chǎn)品之一，其 應(yīng)用覆蓋著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面，例如工業(yè)高溫化學(xué)反應(yīng)爐用的各種噴霧式燃燒器、降溫保護噴霧器、除塵噴霧器、干燥噴霧器、高速粒子切割噴射器、高速噴涂器、清洗及滅火噴射器以及農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的各種農(nóng)藥噴霧裝置等等，由于其應(yīng)用的目的不同，操作過程的差異，使其結(jié)構(gòu)存在著較大的差別，但均基于流體噴射原理對于建材行業(yè)，也有多方面的應(yīng)用。例如為提高系統(tǒng)的收塵效率而設(shè)計的增濕塔噴霧器}為保護水泥產(chǎn)品質(zhì)量而設(shè)計的水泥磨內(nèi)噴霧器}為在突發(fā)事故中保護高溫設(shè)備的安全運行而設(shè)計的各種噴霧器(篦冷機內(nèi)的噴霧器、高溫設(shè)備保護噴霧器等)和為提高燃燒效率所設(shè)計的各種燃燒器等等。由于設(shè)備的應(yīng)用目的不同，因此在設(shè)計中，也有所側(cè)重。 噴霧器是近幾十年來噴射流體力學(xué)原理應(yīng)用研究最活躍的領(lǐng)域之一, 其技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用, 覆蓋著工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面。由于其應(yīng)用的目的不同, 操作過程的差異, 使其結(jié)構(gòu)存在著較大的差別, 但均基于流體噴射原理和過程開發(fā)設(shè)計的高技術(shù)產(chǎn)品。家用噴霧器可噴灑各種殺蟲劑、香水、除臭劑等水劑, 油劑液體, 供家庭、賓館及小型公共場所消滅蚊蠅、環(huán)境消毒、調(diào)節(jié)濕度、花卉噴淋滅蟲、食用菌噴濕、熨燙衣服噴水時使用其結(jié)構(gòu)形式有很多, 如手扣式噴霧器、手撳式噴霧器、電動噴霧器等[ 1]。 家用噴霧器一般由圓弧鴨嘴、閥桿、閥針、泵體、活塞、彈簧以及吸管組成, 其工作原理如圖1 所示。當操者上下?lián)鍎訃娮鞎r, 使閥桿在泵體內(nèi)往上下往復(fù)運動。當閥桿上行時, 活塞向上運動, 噴嘴下方由閥針和泵體所組成的空腔容積不斷增大, 形成局部真空。這時塑料瓶內(nèi)的液體在液面和泵體內(nèi)的壓力差作用下沖開進水閥( 彈珠) , 沿著進口吸管路進入泵體, 完成吸水過程。當閥桿下行時, 閥針向下運動, 泵體內(nèi)的流體被擠 壓, 使流體壓力驟然增高。在這個壓力的作用下, 進水閥被關(guān)閉, 出水閥( 玻璃球) 被壓開, 液體通過閥桿進入噴頭被霧化噴出。噴嘴是影響噴霧器噴霧性能的關(guān)鍵部件之一。噴嘴設(shè)計和制造的好壞將直接決定是否能獲得理想的霧化質(zhì)量。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對氣泡霧化的機理, 氣泡霧化噴嘴的流量特性, 流型及流場特性, 霧化特性等進行了廣泛的研究工作, 并得到以下的結(jié)論: 噴射器結(jié)構(gòu)與工作性能之間存在著密切關(guān)系, 在噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,噴嘴突出長度、輸出管內(nèi)徑和吸管內(nèi)徑, 霧化壓力以及流體入口速度是影響噴嘴霧化質(zhì)量的重要參數(shù)[ 2]。試驗研究結(jié)果表明其存在著最優(yōu)值, 但是通過試驗來進行研究耗費比較大, 并且不能直接地觀察到影響因素的作用過程[ 3] 。噴嘴內(nèi)液體的流動過程比較復(fù)雜, 其流動狀態(tài)決定了噴嘴的噴霧性能。目前, 有關(guān)噴嘴內(nèi)流體噴霧過程的許多理論與技術(shù)問題尚未得到很好的解決。CFD 技術(shù)的進步使得人們可以微觀地研究噴霧內(nèi)部的流體流動、混合的基本過程, 各種CFD 軟件如FLUENT ,CFX, ANSYS 和ABAQUS 等也逐漸成熟并得到廣泛應(yīng)用, 其精度足以滿足工程研究的需要[ 4]。因此, 為了進一步了解噴霧器的霧化機理和特性, 本文利用噴霧模型與計算流體力學(xué)分析方法對噴霧器噴嘴流場進行模擬研究, 研究噴霧器噴嘴內(nèi)部流體速度分布隨時間的變化, 找出影響噴霧特性的結(jié)構(gòu)參數(shù), 為噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供信息及依據(jù), 以便指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。 啟動ANSYS 建立工作目錄 導(dǎo)入*.iges模型 第 2 步：設(shè)置分析選擇 1 進入Main Menu>Preference 2 點取FLOTRAN CFD 項 3 點取OK FLOTRAN CFD 分析的概念 ANSYS 程序中的FLOTRAN CFD 分析功能是一個用于分析二維及三維流體流 動場的先進的工具，使用ANSYS 中用于FLOTRAN CFD 分析的FLUID 141 和FLUID 142 單元，可解決如下問題： ? 作用于氣動翼(葉)型上的升力和阻力 ? 超音速噴管中的流場 ? 彎管中流體的復(fù)雜的三維流動 同時，F(xiàn)LOTRAN 還具有如下功能： ? 計算發(fā)動機排氣系統(tǒng)中氣體的壓力及溫度分布 ? 研究管路系統(tǒng)中熱的層化及分離 ? 使用混合流研究來估計熱沖擊的可能性 ? 用自然對流分析來估計電子封裝芯片的熱性能 ? 對含有多種流體的(由固體隔開)熱交換器進行研究 FLOTRAN 分析的種類 FLOTRAN 可執(zhí)行如下分析： ? 層流或紊流 ? 傳熱或絕熱 ? 可壓縮或不可壓縮 ? 牛頓流或非牛頓流 ? 多組份傳輸 這些分析類型并不相互排斥，例如，一個層流分析可以是傳熱的或者是絕熱的，一個 紊流分析可以是可壓縮的或者是不可壓縮的。 FLOTRAN 分析基礎(chǔ) OTRAN 單元的特點 ANSYS 中的FLOTRAN 單元，即FLUID141 和FLUID142，用于解算單相粘性流 體的二維和三維流動、壓力和溫度分布。對于這些單元，ANSYS 通過質(zhì)量、動量和能 量三個守恒性質(zhì)來計算流體的速度分量、壓力、以及溫度。 FLUID141 單元 FLUID141 單元具有下列特征： 維數(shù)：二維 形狀：四節(jié)點四邊形或三節(jié)點三角形 自由度：速度、壓力、溫度、紊流動能、紊流能量耗散、多達六種流體的各自質(zhì) 量所占的份額 FLUID142 單元 FLUID142 單元具有下列特征： 維數(shù)：三維 形狀：四節(jié)點四面體或八節(jié)點六面體 自由度：速度、壓力、溫度、紊流動能、紊流能量耗散、多達六種流體的各自質(zhì) 量所占的份額 FLUID141 單元FLUID142 單元 根據(jù)敘述，在這里選擇FLUID142 單元 3 點取OK 第 3 步：定義單元類型 1 進入Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 2 點取Add 3 在彈出菜單的左框中點取FLOTRAN CFD，右框中點取3D FLOTRAN 142 4 點取OK 5 點取Close FLOTRAN 分析的主要步驟 一個典型的 FLOTRAN 分析有如下七個主要步驟： 1. 確定問題的區(qū)域。 2. 確定流體的狀態(tài)。 3. 生成有限元網(wǎng)格。 4. 施加邊界條件。 5. 設(shè)置FLOTRAN 分析參數(shù)。 6. 求解。 7. 檢查結(jié)果。 第一步：確定問題的區(qū)域 用戶必須確定所分析問題的明確的范圍，將問題的邊界設(shè)置在條件已知的地方， 如果并不知道精確的邊界條件而必須作假定時，就不要將分析的邊界設(shè)在靠近感興趣 區(qū)域的地方，也不要將邊界設(shè)在求解變量變化梯度大的地方。有時，也許用戶并不知 道自己的問題中哪個地方梯度變化最大，這就要先作一個試探性的分析，然后再根據(jù) 結(jié)果來修改分析區(qū)域。這些在后面章節(jié)中都有詳述。 第二步：確定流體的狀態(tài) 用戶在此需要估計流體的特征，流體的特征是流體性質(zhì)、幾何邊界以及流場的速度幅值的函數(shù)。FLOTRAN 能求解的流體包括氣流和液流，其性質(zhì)可隨溫度而發(fā)生顯 著變化，F(xiàn)LOTRAN 中的氣流只能是理想氣體。用戶須自己確定溫度對流體的密度、 粘性、和熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響是否是很重要，在大多數(shù)情況下，近似認為流體性質(zhì)是常 數(shù)，即不隨溫度而變化，都可以得到足夠精確的解。 通常用雷諾數(shù)來判別流體是層流或紊流，雷諾數(shù)反映了慣性力和粘性力的相對強 度，詳見第四章。 通常用馬赫數(shù)來判別流體是否可壓縮，詳見第七章。流場中任意一點的馬赫數(shù)是 該點流體速度與該點音速之比值，當馬赫數(shù)大于0.3 時，就應(yīng)考慮用可壓縮算法來進行 求解；當馬赫數(shù)大于0.7 時，可壓縮算法與不可壓縮算法之間就會有極其明顯的差異。 第三步： 生成有限元網(wǎng)格 用戶必須事先確定流場中哪個地方流體的梯度變化較大，在這些地方，網(wǎng)格必須 作適當?shù)恼{(diào)整。例如：如果用了紊流模型，靠近壁面的區(qū)域的網(wǎng)格密度必須比層流模 型密得多，如果太粗，該網(wǎng)格就不能在求解中捕捉到由于巨大的變化梯度對流動造成 的顯著影響，相反，那些長邊與低梯度方向一致的單元可以有很大的長寬比。 為了得到精確的結(jié)果，應(yīng)使用映射網(wǎng)格劃分，因其能在邊界上更好地保持恒定的 網(wǎng)格特性，映射網(wǎng)格劃分可由命令MSHKEY,1 或其相應(yīng)的菜單Main Menu>Preproce ssor > -Meshing-Mesh>-entity-Mapped 來實現(xiàn)。 第四步：施加邊界條件 可在劃分網(wǎng)格之前或之后對模型施加邊界條件，此時要將模型所有的邊界條件都 考慮進去，如果與某個相關(guān)變量的條件沒有加上去，則該變量沿邊界的法向值的梯度 將被假定為零。求解中，可在重啟動之間改變邊界條件的值，如果需改變邊界條件的 值或不小心忽略了某邊界條件，可無須作重啟動，除非該改變引起了分析的不穩(wěn)定。 第五步：設(shè)置 FLOTRAN 分析參數(shù) 為了使用諸如紊流模型或求解溫度方程等選項，用戶必須激活它們。諸如流體性 質(zhì)等特定項目的設(shè)置，是與所求解的流體問題的類型相關(guān)的，該手冊的其他部分詳細 描述了各種流體類型的所建議的參數(shù)設(shè)置。 第六步：求解 通過在觀察求解過程中相關(guān)變量的改變率，可以監(jiān)視求解的收斂性及穩(wěn)定性。這 些變量包括速度、壓力、溫度、動能 (ENKE 自由度) 和動能耗散率 (ENDS 自由度) 等 紊流量以及有效粘性（EVIS）。一個分析通常需要多次重啟動。 第七步：檢查結(jié)果 可對輸出結(jié)果進行后處理，也可在打印輸出文件里對結(jié)果進行檢查，此時用戶應(yīng) 使用自己的工程經(jīng)驗來估計所用的求解手段、所定義的流體性質(zhì)、以及所加的邊界條 件的可信程度。 劃分單元網(wǎng)格 1 進入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>Areas>Free 2 在點取菜單中點取Pick All。 第 8 步：施加邊界條件 在模型的進口處加 X 方向速度為2、其它方向速度為零的進口速度條件；在所有壁面 處加兩個方向速度都為零的速度條件，在出口處加零壓力邊界條件 1 進入Utility Menu>Plot>Nodes 2 進入Utility Menu>Select>Entities 3 在彈出菜單中選擇“Nodes”和“By Num/Pick”，并點取OK 4 在彈出的選擇菜單中選擇“Box” 5 按住鼠標左鍵，在模型左側(cè)進口邊的所有節(jié)點周圍拉出一個方框 6 點取OK 7 進入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity> On Nodes 8 點取Pick All 9 在彈出菜單的VX 域輸入2，VY 域輸入0 10 點取OK 11 進入Utility Menu>Plot>Lines 12 進入Utility Menu>Select>Entities 13 在彈出菜單中選擇“Lines”和“By Num/Pick”，之后點取OK 14 在圖形窗口中點取表示體，之后點取選擇菜單中的OK 15 在工具欄菜單中點取NSL 按鈕，以選取上面全部節(jié)點 16 進入Utility Menu>Plot>volumes 17 進入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity> On Nodes 18 點取Pick All 19 在彈出菜單的VX 域和VY 域都輸入0 20 點取OK 21 進入Utility Menu>Select>Everything，然后再進入Utility Menu>Plot>Nodes 22 進入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD-> Pressure DOF>On Nodes 23 在彈出的選擇菜單中選擇“Box”，按住鼠標左鍵，在模型右側(cè)出口邊的所有節(jié) 點周圍拉出一個方框 24 在彈出菜單中將壓力值設(shè)為零 25 點取OK 26 進入Utility Menu>Select>Everything 27 在工具欄中點取SAVE-DB 第 9 步：求解層流 該步首先建立流體性質(zhì)，然后設(shè)置執(zhí)行控制，并開始求解 1 進入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Fluid Properties 2 將彈出菜單的“Density”域設(shè)為“Constant”，點取OK 3 將恒值密度設(shè)為1.0，恒值粘性設(shè)為0.01 4 點取OK 5 進入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Control 6 在彈出菜單的“Global iterations”域輸入20 7 點取OK 8 進入Main Menu>Solution>Run FLOTRAN，開始進行求解 第 10 步：觀察層流分析的結(jié)果 1 進入Main Menu>General Postproc>-Read Results->Last Set 2 進入Main Menu>General Postproc>Plot Results>Vector Plot>Predifined 3 在彈出菜單中選擇“DOF solution”和“Velocity V” 4 點取OK 5 進入Utility Menu>PlotCtrls>Device Options 6 將向量模式(vector mode (wire frame))設(shè)為“ON”，之后點取OK 7 進入Utility Menu>PlotCtrls>Style>Edge Options 8 在彈出菜單的“Edge tolerance angle”域輸入1 9 將“Element Outline for non-contour/contour plots”域設(shè)為“Edge Only/All” 10 將“Replot upon OK/Apply”域設(shè)為“Replot” 11 點取OK 參考文獻 [1]《機械設(shè)計實用手冊》，機床設(shè)計手冊編寫組主編，北京：機械工業(yè)出版社，2000.5 [2]《ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用(第2版) 》，尚曉江 邱峰等，中國水利水電出版社，2003 [3]《ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析》，王新敏，人民交通出版社，2002 [4]《機械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計寶典》，孫波主編，西安電子科技大學(xué)出版社，2005 [5]《ANSYS高級工程應(yīng)用實例分析與二次開發(fā)(附光盤)》，闞前華 譚長建等，電子工業(yè)出版社，2000 [7]顧曉勤.工程力學(xué)ⅠⅡ[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2008． [8]盧秉恒.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M] ．北京：機械工業(yè)出版社,2008． [9]侯凌云，侯曉春 噴嘴技術(shù)手冊[M] 北京：中國石化出版社，2002 [10]鄧凡平 ANSYS10.0有限元分析手冊[M] 北京：人民郵電出版社，2007 [11]現(xiàn)代工程分析技術(shù) 第三屆中國CAE工程分析技術(shù)年會[C] 大連：中國機械工程學(xué)會，2007 [12]張博、沈勝強、李海軍 二維流動模型用于噴射器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J] 大連理工學(xué)報，2004 [13]劉耀林，張舜德，李華 噴霧器噴嘴流場仿真研究[J] 輕工機械，2008年第二期 [14]劉耀林，賈濤，任麗華 數(shù)值模擬技術(shù)在噴嘴霧化中的應(yīng)用[J] 現(xiàn)代機械，2008年第四期 開題報告 所在學(xué)院 專業(yè) 班級 學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 題 目 基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究 一、調(diào)研資料的準備 了解噴霧器噴嘴的用途，分析噴霧器噴嘴的工藝性、尺寸精度等技術(shù)要求并資料以備設(shè)計幾何模型、有限元模型時使用。 1、 了解ANSYS軟件 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析與一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。ANSYS軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各類結(jié)構(gòu)和材料。 2、 課題研究方案 （1）、噴霧器噴嘴霧化流場的數(shù)學(xué)建模； （2）、噴嘴霧場的數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)分析； （3）、噴嘴結(jié)構(gòu)分析與改進、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與生產(chǎn)實踐的應(yīng)用。 二、設(shè)計/論文的目的、要求、思路與預(yù)期成果 （一） 設(shè)計論文的目的 利用有限元軟件ANSYS10.0的CFD分析模塊對噴霧器噴嘴進行有限元分析。通過建立噴霧器噴嘴的幾何模型、有限元模型，對分析模型進行流體力學(xué)分析和流場分析，學(xué)會對有限元分析結(jié)果進行分析和優(yōu)化。 通過建立噴霧器噴嘴內(nèi)流體流動的計算模型，分析了計算流體力學(xué)方法（CFD）在模擬噴嘴流場方面的應(yīng)用。比較了不同噴嘴結(jié)構(gòu)形式下流體的流動特征，研究噴嘴突出長度、入口速度以及輸入管內(nèi)徑對噴嘴霧化質(zhì)量的影響。結(jié)果表明這些參數(shù)相互配合，存在最優(yōu)值，為噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供信息及依據(jù)，對實際生產(chǎn)也具有指導(dǎo)意義。 （二） 設(shè)計論文的要求 1、綜合運用、鞏固與擴展所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析、解決實際問題能力；查閱噴霧器噴嘴的相關(guān)信息，分析編寫零件各技術(shù)要求。 　　 2、正確的理論聯(lián)系實際，嚴肅認真的學(xué)業(yè)態(tài)度； 　　 3、進行社會調(diào)查研究；文獻資料收集、閱讀和整理、使用；提出論點、綜合論證、總結(jié)寫作等基本技能。完善設(shè)計骨架，匯整豐富說明書內(nèi)容，最后對格式進行標準化處理，檢索并翻譯外文資料。 （三） 設(shè)計論文的思路 噴霧器噴霧的原理是通過壓力將氣流和液流通過一較小的噴嘴噴出的，從而形成較小的霧滴，常用噴霧器有電動噴霧器、手動噴霧器和超聲波噴霧器，不同類型的噴霧器產(chǎn)生的粒子大小不一致。 噴嘴是噴霧裝置的重要組件，它的好壞直接影響噴霧裝置工作的性能。 1、利用軟件進行繪制噴霧器噴嘴的二維、三維零件圖； 2、對噴霧器噴嘴的零件進行進一步的分析、計算； 3、噴霧器噴嘴設(shè)計； 4、擬定噴霧器噴嘴總體設(shè)計的初步方案； 5、方案的討論與論證； 6、完成對應(yīng)噴霧器噴嘴總圖設(shè)計，包含零件序號及零件明細表等； 7、完成噴霧器噴嘴指定零件的造型設(shè)計，按制圖標準標注尺寸、公差、形位公差及表面粗糙度等； 8、對噴霧器噴嘴零件的潤滑、流場等設(shè)計進行分析； 9、選擇一至二個噴霧器噴嘴內(nèi)部零件進行制造工藝設(shè)計，撰寫標準制造工藝卡； 10、整理、完善文獻并撰寫一篇反映課題內(nèi)容的文獻綜述； 11、論文匯編的所有資料的格式進行標準化處理。 （四） 設(shè)計論文的預(yù)期成果 1、英文文獻2篇； 2、噴霧器內(nèi)部零件總圖一份； 3、噴霧器主要零件2D圖； 4、噴霧器3D模型圖一份； 5、幾個成型零件制造工藝卡； 6、反應(yīng)課題內(nèi)容的文獻綜述。 三、利用ANSYS對噴霧器噴嘴分析模型進行流場分析 通過對噴嘴結(jié)構(gòu)的分析，確定研究對象為噴嘴、閥桿與閥針組成的流體有效通徑。利用流體分析軟件ANSYS提供的計算分析與網(wǎng)絡(luò)劃分功能，對噴霧器噴嘴噴霧過程進行分析。 四、噴嘴流場APDL編程 對噴霧器噴嘴霧化效果分析和模擬過程也是一個反復(fù)建模、加載和計算的過程，在這個過程中，噴嘴霧化模型的結(jié)構(gòu)大體一致，只是相對位置發(fā)生變化，它受到的載荷的個數(shù)兵沒有增加，而卻作用點和方向沒有改變，只是載荷的大小發(fā)生了變化，進而用APDL語言編寫的程序加載。 五、任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時間安排 1、翻譯2篇與設(shè)計課程內(nèi)容相關(guān)的最新英文文獻，文獻翻譯要求在2000字以上——10.11 2、噴霧器噴嘴流場研究——10.11-10.18 3、噴霧器噴嘴設(shè)計——10.19-10.25 4、擬定噴霧器噴嘴流場總體設(shè)計的初步方案——10.26-11.8 5、繪制噴霧器噴嘴總裝圖、零件圖——11.10-11.30 6、檢查完善論文——12.1-12.3 7、提交準備答辯——12.3-12.10 六、完成設(shè)計論文要解決的問題 噴霧器噴嘴流場仿真研究依據(jù)其工作原理和技術(shù)性能，對噴霧器噴嘴進行分開設(shè)計。設(shè)計過程中包括零件圖、有限元分析、總裝備圖等等，對其進行擬定詳細的工作計劃，然后進行具體設(shè)計，最后對其進行調(diào)試、測試，達到所需要的功能。 七、參考資料 [1]《機械設(shè)計實用手冊》，機床設(shè)計手冊編寫組主編，北京：機械工業(yè)出版社，2000.5 [2]《ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用(第2版) 》，尚曉江 邱峰等，中國水利水電出版社，2003 [3]《ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析》，王新敏，人民交通出版社，2002 [4]《機械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計寶典》，孫波主編，西安電子科技大學(xué)出版社，2005 [5]《ANSYS高級工程應(yīng)用實例分析與二次開發(fā)(附光盤)》，闞前華 譚長建等，電子工業(yè)出版社，2000 [7]顧曉勤.工程力學(xué)ⅠⅡ[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2008． [8]盧秉恒.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M] ．北京：機械工業(yè)出版社,2008． [9]侯凌云，侯曉春 噴嘴技術(shù)手冊[M] 北京：中國石化出版社，2002 [10]鄧凡平 ANSYS10.0有限元分析手冊[M] 北京：人民郵電出版社，2007 [11]現(xiàn)代工程分析技術(shù) 第三屆中國CAE工程分析技術(shù)年會[C] 大連：中國機械工程學(xué)會，2007 [12]張博、沈勝強、李海軍 二維流動模型用于噴射器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J] 大連理工學(xué)報，2004 [13]劉耀林，張舜德，李華 噴霧器噴嘴流場仿真研究[J] 輕工機械，2008年第二期 [14]劉耀林，賈濤，任麗華 數(shù)值模擬技術(shù)在噴嘴霧化中的應(yīng)用[J] 現(xiàn)代機械，2008年第四期