数值模拟范文

数值模拟篇1

关键词　数值模拟；整流元件；流场

中图分类号TB937 文献标识码A 文章编号　1674-6708（2013）82-0093-02

0　引言

我们知道性能优良的整流元件可以改善流体进入流量计的管道前的流动状态，为了提高流量计的测量准确度，可以采用优化流动条件的方法，在这里我们通过使用FLUENT流体仿真软件对加入了整流元件的管道进行流体仿真模拟，通过仿真结果可以看出整流元件具有良好的整流效果。而FLUENT流体仿真软件是用　C　语言开发的一款软件，它使用的是用户/服务器的结构方式，它支持UNIX操作系统和Windows操作系统平台，还支持并行计算，　它可以在不同的操作系统的工作站和服务器之间协调完成同一任务。FLUENT流体仿真软件采用的是菜单界面与使用者交互的。使用者可以根据需要通过多窗口的方式观察计算的进程，查看计算的结果。同时仿真以后的计算的结果可以采用多种方式进行查看，比如说云图，剖面图，等值线，　XY散点图，动画，矢量图等方式，对于最后的结果可以进行贮存和打印，最后的计算结果也可以保存成为其他后处理软件或者是仿真软件所支持的格式。FLUENT流体仿真软件还提供了用于使用者编程的接口，使用者可以在其基础上重新定制和控制相关的输入输出，而且使用者还可以再次开发利用。

1　建立几何模型

安装整流元件在管道中的目的就是为了可以使在达到规则速度分布的后减小所需要的直管段。我们知道在计量中，在封闭的管道中输送，能够造成流量计量的误差的因素有很多，其中我们知道的流量计内的流动状态的畸变就是其中的一种。在流量计上安装整流元件是消除或最大程度地减少流动状态畸变的一种有效方法。本文将参照中华人民共和国国家标准GB-T2624.1-2006附录C中有关流动调整器和流动整直器的相关介绍，模拟了一种整流元件。其几何参数为整流元件圆孔直径为5mm，管道长200mm，内径25mm。图1是整流元件的模型。

2　网格划分及计算条件

在本文中采用的求解器是分离隐式，采用能量方程和标准　K-ε模型为计算模型来模拟管道内流场流动过程，采用SMIPLE算法来进行求解，所采用的介质为液态水，密度为　998.2kg/m3，　黏度为　0.001003kg/m-s，运行环境选择标准大气压101　325Pa，入口设为质量流量入口边界条件，速度为　5.6285kg/s；出口采用出流出口边界条件。

3　数值模拟及分析

我们将在gambit中制作完成的网格模型导入到FLUENT仿真软件中进行计算，首先进行的是网格的检查和计算区域的设置，我们根据上述的计算条进行设置，设置好以上参数后，开始初始化流场。在FLUENT仿真软件中要求每个方程的计算结果的残差都要收敛，如果按照设定每个方程的残差都达到了所设定的标准，我们就认为结果收敛，此时软件将自动停止计算。

4　计算结果及分析

对图1所示的整流元件进行了数值模拟，并对没有整流元件情况下的分离器管道内部流场进行了数值模拟，以此作为对比。下图是带有整流元件和没有整流元件下的管道中的速度矢量图

从图中可以看出在无整流构件的管道中，整个流场中流体的流动是没有规则的也比较混乱，由于整流元件的介入，改变了管道内部流场的分布，明显改善了流动的混乱现象，而且流速也慢慢的趋于稳定了。

5　结论

本文通过FLUENT流体仿真软件中可以较真实地反反映出管道内部的流场分布，也可以较为准确地反映出管道内部流场的流动状况。我们通过对带有整流元件的管道流场进行了数值仿真研究，并与无整流元件的管道的流场进行了对比。通过对整流元件的流场速度矢量图的分析中发现，整流元件具有稳定流场的优点。

参考文献

[1]刘欣荣编.流量计[M].北京：水利电力出版社，1984：288-320.

[2]梁国伟，蔡武昌主编.流量测量技术及仪表[M].北京：机械工业出版社，2002.350-365.

数值模拟篇2

2数值模型

2•1基本方程本文的模拟对象是铸轧过程中铝石墨半固态浆料的不可压缩稳态流动和传热的耦合问题.对于热流耦合这样的连续性问题,数学模型由连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程来描述.连续性方程

2•2凝固潜热的处理半固态金属铸轧成形过程中伴随凝固相变,因而不但要考虑传热,还要考虑凝固潜热的释放.本文采用等效比热容法,处理凝固潜热的释放问题.等效比热容法是假设凝固潜热在两相区之间释放平均,将凝固潜热处理为比热容的一部分.定义如下式中:L为凝固潜热,J/kg;ts,t1分别为凝固结束和开始温度,℃;C1,C2分别为固态和液态的真实比热容,J/(kg•℃).

2•3流变模型半固态金属的流变行为主要受剪切速率、固相体积分数和固相微粒形态的影响,而固相体积分数、固相微粒的形态又受到温度的影响,各种影响关系错综复杂.研究表明,半固态铝合金具有显著的剪切变稀特性,是一种非牛顿流体,其表观黏度与剪切速率的关系服从Power-law定律[5].采用了Carreau模型描述半固态金属的流变行为,其表达式如下

3几何模型和边界条件基于前述数学模型,结合实验过程中各种实际工艺参数及实验设备自身性能,本文采用有限元软件ANSYS对半固态铸轧复合过程进行了数值模拟.模拟对象的材料分别为08Al钢板和固相率为27%~46%的铝石墨半固态浆料.材料物性参数根据实际情况取值,其中铝石墨的凝固点为580℃.考虑到轧辊直径远大于复合板厚度,宽展忽略不计,仅以铸轧区域沿轧制方向纵切面建立二维模型作为研究对象.

3•1几何模型和模拟条件根据上述数值模型,以浇嘴内的扩散区和进入辊间后的铸轧区为计算域,对半固态铸轧复合工艺进行合理简化后建立的几何模型及划分的网格如图2所示.研究所用的模拟条件如下:轧辊直径320mm,辊缝宽度2•5mm,钢板厚度1•2mm,钢板预热温度510℃,浇注温度分别为610℃、620℃和630℃,铸轧速度0•4~1•0m/min.

3•2基本假设和边界条件铸轧复合过程中,铝石墨半固态浆料分别与轧辊和钢板发生换热并在轧辊出口处附近凝固,在铸轧区内,金属熔体同时存在固态与半固态两种形态,且涉及相变过程,传热流动现象极为复杂.为了建立描述铸轧过程中热流耦合问题的计算模型,适当简化了计算条件,采用了如下的基本假设:①铸轧过程是稳态进行的,经过初始过渡期后,工艺参数不随时间变化;②铝合金半固态浆料是不可压缩的,视为剪切变稀的非牛顿流体;③轧辊和轧件之间无相对滑动.边界条件的处理如下:1)入口边界.入口处半固态浆料流速为注流速度,温度为浇注温度,钢板温度为预热温度,浇口侧面与空气之间绝热,属于第一类边界条件:u,vx,y;uin口注流速度;Tin为半固态浆料浇注温度.2)铝石墨与浇嘴接触边界.因为浇嘴外包覆了绝热层,所以认为浇嘴对铝熔体有理想保温作用,此处设置为绝热边界浇嘴材料选用石墨,石墨浇嘴与铝熔体几乎不润湿,可有效减少流动阻力,因此在半固态浆料与浇嘴的接触面设置了壁面接触角为100°.3)铝石墨和轧辊的接触边界.根据基本假设,熔体与轧辊接触处的节点速度与轧辊表面线速度相同,方向为接触边界切线方向.此处为热流连续,但温度不连续的接触边界,属于第三类边界条件式中:x0,y0为辊心在x,y方向的坐标;κ为铝石墨导热系数;α为接触面对流换热系数;ω为轧辊角速度;Troll为辊套外表面温度.4)铝熔体与钢板接触面.此处属于第三类边界条件-κTn=α(T-Tsteel)(10)式中Tsteel为钢板上表面温度.5)钢板下表面冷却区.钢板下表面受到水雾冷却,此处设置为恒定的负热流密度,属于第二类边界条件-κTn=qw(11)式中qw为钢板与水雾接触面热流密度.6)铝熔体出口边界.此处为绝热边界式中ue为复合板出口速度.

4结果分析

4•1浇注温度对温度场的影响铸轧速度为0•7m/min,铝石墨半固态浆料浇注温度分别为610℃、620℃、630℃的条件下,计算得到的复合板铸轧区温度分布如图3所示.铝石墨半固态浆料进入铸轧区后,由于和水冷轧辊紧密接触,温度快速下降,靠近轧辊处首先形成凝固壳.从图3中可以看出,在凝固点以下,铝石墨温度梯度增大,温度的下降较未凝固前更为迅速.分析认为,这是由于熔体在到达凝固点之前需要释放大量凝固潜热,因而在相同的冷却条件下,凝固后的熔体相对于半固态熔体得以更快地释放自身热量.这一现象符合事实情况,也验证了等效比热法的准确性.在轧制出口处,钢板和铝石墨的温度基本一致.随浇注温度的升高,熔池内凝固界面的位置在逐渐向出口方向移动.图3(c)是浇注温度630℃时的温度分布云图,由于浇注温度过高,铝石墨在出轧辊时仍未凝固.如在此浇注温度下开展铸轧试验,将

4•2铸轧速度对温度场的影响保持半固态浆料浇注温度620℃,分别以铸轧速度0•4m/min、0•6m/min、0•8m/min、1•0m/min进行模拟,获得铸轧区温度分布云图如图4示.铸轧区总长度25mm,在铸轧速度为0•4m/min时,凝固前沿在铸轧区入口7mm处,此时凝固点过高,凝固壳较厚,容易导致铸轧力过大,可能出现轧卡现象,使得铸轧过程不能继续进行.在铸轧速度为1•0m/min时,由于铸轧速度过高,出辊时复合界面附近的铝石墨尚未凝固.根据模拟计算结果,铸轧度为0•6~0•8m/min时,凝固前沿在距离铸轧区入口13~20mm的范围内,既避免了凝固不足,也不会因凝固壳太厚导致轧卡,可以保证铸轧过程定进行,此计算结果与实验数据相吻合[6].图5对应于不同铸轧速度的复合界面上节点的温度分曲线图.铸轧速度越小,温度曲线斜率越大,即温下降速度越快.说明在铸轧辊冷却强度和铸轧区度不变的情况下,同样的浇注温度,铸轧速度越低,浆料与轧辊接触的时间越久,轧辊里的冷却水会走更多热量.同时,当复合界面温度下降到凝固点下,温度下降速度加快,单个曲线斜率增大,在铸速度为0•6m/min时较为明显.

5结论

数值模拟篇3

关键词：旧桥加宽；数值模拟；承载力验算

方案介绍

某项目沿线有一座右偏角为120度的一孔13m先张简支空心板，原路线全宽16.5m，需拓宽至25m，沿线桥梁均需加宽8.5m，13m先张简支空心板原规范标准板梁高度为55cm，新建部分按新规范标准板梁高为70cm，本文针对加宽后桥梁全桥结构采用梁格法建模，对全桥的承载力进行验算。推荐方案：原桥上、下部结构全部利用，只新建左幅8.5m宽上部及下部结构，新建下部结构与原桥下部结构齐平，原桥部分桥面通过调整调平层达到设计高程，新旧板之间通过植筋可靠连接；比较方案：原桥下部结构全部利用，上部结构右半幅利用，新建左半幅上部及下部结构，新建下部结构与原桥下部结构齐平，原桥部分桥面通过调整调平层达到设计高程，由于新、旧板铰缝处为中央分隔带，其间可留1cm的缝隙。两方案综合比较：经济合理的方案为将原桥完全利用，只在左侧新建需加宽部分桥梁，方案图如下：

主要材料指标

模型简介

该模型梁单元数量总计1501个，节点数量：872个。模型横断面图如下图：

模型横断面图

模型基本理论介绍

该桥右偏角为120度，与正桥相比，斜桥还具有如下特性：（1）沿宽度最大弯矩方向的变化，在边缘处与斜跨方向平行，在板的中央则接近垂直于桥台；（2）靠近钝角处出现上拱弯矩；（3）上部结构承受很大的扭转；（4）钝角角隅处出现较大的反力和剪力；（5）锐角角隅处出现较小的反力，还可能出现翘起。

分析结果

1.反力：在荷载作用下，钝角处反力较大，对于这种宽度大于上部结构跨度的结构，可以降低支座的柔性来调节各个支座反力的大小。

自重作用下各支座反力自重+二期恒载+公路1级车道荷载支座反力

2.挠度：以下两图挠度单位为mm，从下两图看出，旧板挠度与新板相比较大，在新旧桥相接处，板的挠度与其两侧板挠度相比略大，在旧桥加宽后，此桥按公路-Ⅰ级验算得新旧桥相接处跨中最大挠度为+0.9mm，新规范要求最大挠度不超过跨径的1/600，即21.7mm，可知旧桥位移满足现行规范的要求。

自重作用下挠度图 长期组合作用下挠度图

3.应力：旧桥按新规范荷载加载，按弹性阶段验算，梁单元跨中下缘仍为压应力，有一定的安全储备，应力验算也可满足现行规范的要求。

弹性阶段组合梁单元上缘应力验算弹性阶段组合梁单元下缘应力验算

结语

通过对同跨径不同梁高旧桥加宽后的桥进行验算后可知：按旧规范设计的13m跨径的空心板满足现行规范移动荷载为公路-Ⅰ级的要求，可完全利用，本结果对于其余跨径的简支空心板也有一定的参考价值。

参考文献：

[1]项海帆.高等桥梁结构理论[M]，北京：人民交通出版社，2001.

[2]汉勃利.桥梁上部结构性能

[3]李满红，肖清亮;浅谈改建公路中加宽桥梁的合理设计[J];东北公路;1994年04期

[4]叶生;旧桥整体加宽中若干问题的研究[D];合肥工业大学;2006年

作者：白延芳

学历：硕士研究生

简历：2002～2006年：就读于石家庄铁道学院土木工程系；2006～2009年：就读于西南交通大学土木工程学院桥梁工程系；2009~现在：西安凯特路桥设计有限公司从事桥梁设计咨询工作。

数值模拟篇4

【关键词】地下水;数值模拟;发展现状

1、国外地下水数值模拟技术现状

20世纪60年代随着计算机的发展，地下水计算机模拟技术开始起步，最初应用于大型方程组的数值求解计算，后逐渐向综合模拟方向发展。

1979年德国开发FORTRAN IV程序FEFLOW，起初用于模拟饱和孔隙介质二维非线性流及溶质迁移，后迅速成为一个强大的实用多用途综合软件并不断升级，Version5.1为最新版本[1]。

20世纪80年代初美国地质调查局的McDonald等开发出一套用于孔隙介质中地下水流动数值模拟的软件MODFLOW，已经在全世界范围内得到多领域的广泛应用，成为目前最为普及的地下水运动数值模拟标准软件。先后MODFLOW88、MODFLOW96、MODFLOW2000和MODFLOW2005[2，3，4]。

90年代随着地下水水流模拟技术的成熟，地下水溶质迁移、流线示踪、模拟预后处理、可视化、软件集成等技术不断发展[5]。1990年美国Chunmiao Zheng开发地下水系统溶质迁移模拟软件MT3D，之后几年MT3D被广泛应用于污染物迁移模拟和治理评估研究并不断升级。先后包括：MT3D1.1、MT3D1.5、MT3D1.86、MT3D96、MT3DMS和MT3D99；1997年美国T. P. Clement在之基础上开发出用于模拟自然降解条件下的地下污染物迁移软件RT3D；相应的溶质迁移模拟技术朝着生化反应动力学以及随机理论、神经网络方向不断发展。同时先后出现可视化软件GW、Visual Groundwater 、ModGui Modviewer、Visual Modflow 3D explorer、自动校参软件Modpest，winpest，Visual PEST-ASP、水文试验专业软件AquiferTest等。由此更促进了计算机模拟向大型集成方向的发展。2005年Visual Modflow 4.1，可视化程度大大提高。90年代美国Brigham Young University 的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站开发出了GMS软件，该软件综合了MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM 等已有地下水模型，是又一个综合性的、用于地下水模拟的图形界面软件[6]。

2、国内地下水数值模拟技术现状

国内地下水研究起步相对较晚，但发展较快。基础研究方面涉及地下水流机制、含水层参数研究、溶质运移等诸多领域；计算机数值模拟技术也紧跟国际发展趋势，包括GIS集成可视化技术、模型网格自动生成技术、遗传算法参数反演、空间差值算法等，从简单地编制特定问题方程的求解程序，引进国外成熟商用软件发展到大型集成软件(如GWMS，由中国地质科学院水文地质环境地质研究所开发)的自主开发[7]。吕俊文等[8]采用Visual Modflow对某铀矿地浸采区的水动力场进行了模拟，但尚停留在对水动力场的基本流态模拟层面，没有进一步深入对流场的流速、水量交换比例以及溶浸范围等的模拟计算，难以具体指导生产实践，而魏云杰[9]仅介绍了Visual Modflow模型及其在砂岩型铀矿成矿水文地质条件研究中的应用潜力。应用方面建立的模型已差不多囊括国际地下水模拟中心（IGWMC）分类中所有的模型，模型涉及地下水预报、管理、识别，内容涉及水流动态预测、溶质迁移、污染检测等诸多领域。

3、展望

在国内外建立的诸多模型中，往往多见的是地下水流态、地下水资源评价和管理以及污染治理等方面，对铀矿地浸开采的模拟多在地球化学反应动力学方面，对地浸流场的数值模型非常少见，近两年国内也仅见对个别的对地浸水动力场、溶浸液迁移场的模拟研究，因此，十分有必要根据生产实际，建立地浸模型，对溶浸过程中的水动力场的流速、水量交换进行综合模拟研究。

地下水数值模拟技术的发展取决于模拟软件的发展，其中模型的建立是核心内容，提高模拟的精确度是未来发展的主要趋势。随着工业污染的不断加剧，地下水污染越来越严重，地下水水痕量污染物在溶质迁移过程的变化规律成为发展的主要趋势。

参考文献

[1]陈秋锦.地下水模拟计算机软件系统FEFLOW[J].中国水利,2003（18）

[2]贺国平等.FEFLOW在地下水流模拟方面的应用[J].成都理工大学学报,2003,30（4）

[3] H.J.G.Diersch，Finite Element Subsurface Flow & Transport Simulation System User’s Manual，Institute for Water Resources Planning and Systems Research Ltd.2004

[4] Zhang，Stochastic Methods for Flow in Porous Media:Coping with Uncertainties， San Diego，California:Academic Press. 2002

[5]Rechard B.Winston，Graphical User Interface for Modflow，U.S. Geological Survey Open-File Report，10-315

[6]李森等.地下水动态数值模拟中随机方法研究进展[J].勘察科学技术,2006

[7]陈崇希等.“渗流－管流耦合模型”的物理模拟及其数值模拟[J].水文地质工程地,2004（1）：1－7

[8]吕俊文等.某铀矿地浸采区水动力三维模拟[J].铀矿冶,2003,22（4）：188－192.

数值模拟篇5

【关键词】同轴旋转圆台；雷诺数

1.前言

旋转流体运动是流体力学中一个重要的研究课题， 其中的两旋转柱体间隙区域上的流动问题在军事方面、能源与动力工程方面等方面有着广泛的应用。拉格朗日-欧拉方法（以下简写LE）是流体力学领域中比较常用的计算方法。LE方法中使用的是多边形网格，是通过将整个求解区域按Voronoi规则划分得到的，这种划分流场的方式可确保流动单元在流场中沿流线做连续、平滑的运动。在流动发生一段时间之后，各流动单元及其相邻点的位置发生变化，还要按该规则重新划分流场。LE方法在构造差分格式时，流动单元的应变率、应力和压力都定义在多边形的中心，而速度分别定义在多边形的中心和顶点上。

在使用L-E方法时，可以对其中流动网格的生成和边界条件的处理等内容做了进一步改进，使之能够处理各种复杂边界条件下流体的流动问题。

2.数值模拟圆台间流体流动

2.1基本数学模型

考虑一个同轴旋转圆台，圆台中充满不可压缩流体，内、外圆台均以一定的角速度旋转。当t=0时，流体由顶面入口处流入，入口和出口是自由面。流体满足N-S方程：，其中 分别表示流体的速度、密度、压力和运动学粘性系数。边界条件为：，，， ， 其中∑1、∑2、 ∑top和∑base分别表示内、外圆台的壁面，圆台装置的顶部和底部表面。

用计算机软件模拟出圆台间的流体后，将数据文件导入到处理器中，然后沿着旋转轴Z轴截面取值，从而得到每一个Z轴值所对应的速度和压力值：

，其中分别为zi面上三个方向的速度矢量值，Pij为zi面上的压力值， n表示在zi面上总共取到的点的数目。

2.2画出圆台网格

本文中对旋转液膜反应器进行模拟，先建立一个外圆台，然后再建立一个同轴的内圆台作为转子。模型尺寸按照真实旋转液膜反应器的尺寸进行构建。

在对指定的问题进行圆台流体模拟之前，首先将要计算的区域离散化，即把空间商连续的区域划分成许多个子区域，并确定每个子区域中的节点位置及该节点所代表的控制容积，从而生成网格。

2.3模拟条件的设定

（1）根据雷诺数公式算出在固定Re值下的转子的转速。上部为流体入口，下部为出口，外部圆台在不同的情况下设为不同的边界条件。在低雷诺数时，采用层流模型。

（2）临界流量的概念 ：一定间隙与转子转速条件下的这一固定的流体加入速度为临界流量。在一定的间隙和转速情况下，流体只能以某一固定的流速加入到反应器中间，由于反应器上部的入口处是一个开放的体系，与大气相通，因此当流体的加入速度小于这一固定流量时，旋转液膜反应器的反应空间中会被带入大量的空气，导致圆台内部的流体不再为单一流体，使研究的流体运动不准确；而当流体的加入速度大于此值时，流体会从反应器的入口处溢流出反应器外界。在本次模拟中，将初始速度设为0.015m/s.

（3）计算区域网格化以后，用有限数目的离散点的值来表示连续的计算域，微分方程即可以转化为代数方程组。本文数值模拟采用有限体积法、分离式稳态算法对控制方程进行离散，它在每个控制容积中对控制方程进行积分，导出离散方程，采用二阶迎风格式进行离散。将控制方程离散变为代数方程后，即可开始求解。

3. 实验结果

本次模拟均是低雷诺数条件下，对圆台间流体流动进行的数值模拟计算。内圆台到外圆台之间的流动非常规则和均匀，同时侧面的流动亦是如此，由此我们可以断定在Re=50时，流动是稳定的层流。

3.1内、外圆台同向旋转

根据基本模型： 。当内、外圆台同向旋转时，雷诺数为：。如同2.3的模拟计算流程，其中外圆台的雷诺数设置的数值是100，内圆台设置的数值是50，因此这次模拟的雷诺数值是50。下面是所得到的结果图：

左图是内圆台的速度等值线，右图是外圆台的速度等值线。从图中可以看出：内圆台的速度等值线整体小于外圆台的值。

下面再来研究压力、速度和Z轴的关系。

从图中可以看出：在内、外圆台同向旋转的情况下，压力和速度与Z轴的近似线性关系仍是很好。与内圆台旋转、外圆台固定情况不同的是，速度和压力的值都有所增大。虽然两种情况的整体雷诺数值是相同的，但是在外圆台也旋转情况下，流体的速度和压力的值都改变了，值变大了。

3.2内、外圆台异向旋转

根据基本数学模型：。当内、外圆台异向旋转时，雷诺数为： 。其中外圆台的雷诺数设置的数值是50，内圆台设置的数值是50，因此这次模拟的雷诺数值是100。

当内、外圆筒异向旋转时，存在一个区域，在该区域内流体的流动状态是稳定的层流。对于圆台装置，经过模拟分析，我们发现在低雷诺数时，圆台间的流体的流动状态也是稳定的层流。

经由处理得到的压力、速度和Z轴关系图如下：

3.3三种模拟情况的对比

我们将上述两种模拟结果与“内圆台旋转，外圆台固定”的情况作对比。

从上图可以看出：三种情况下的速度递减斜率几乎相同。压力的递减斜率变化则比较大。

3.4展望

我们已经知道流体的临界流量对流体流动模拟的重要性，因此可以研究圆台入口给出流体的入口速度。雷诺数Re、圆台半径R1、R2的关系，可以经过一定数量的数值模拟，得到流速与以上几个参数的无量纲化后给出。这对现实的实验研究有着很重要的应用意义。

4.结论

通过对同轴旋转圆台间流体的运动做数值模拟，将模拟的数值结果进行处理后，画出流体压力和流速等关于旋转轴Z轴的关系图。结果表明：在低雷诺数时，内圆台旋转、外圆台固定，流体的流动状态是稳定的层流；当内、外圆台同向或者异向旋转时，只要保持低雷诺数，流体就也仍是稳定的层流；并且当内外圆台同向旋转时，压力和速度的值变化斜率较大，外圆台固定时的压力和速度的值变化斜率较小。

参考文献：

[1]Arne Schulz， Gerd Pfister. Bifurcation and structure of flow between counter-roating cylinders. Institute of Experimental and Applied Physics[J].

[2]郭盛昌.旋转液膜反应器对沉淀反应的强化作用研究[D].北京：北京化工大学，2009.

[3]王贺元，李开泰.Couette-Taylor流的谱Galerkin逼近[J].应用数学和力学，2004，10（25）：1083-1092.

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数值模拟篇6

【关键词】示踪剂 数值模拟 井间剩余油 动态监测

1 示踪剂技术原理

井间示踪剂测试是为了跟踪已注入的流体，向注入井中注入能够与已注入的流体相溶，且溶解了示踪剂的携带流体，然后在用流体驱替这个示踪剂段塞，在多孔介质中运动机理，同注入流体是一样的[2]。

2 示踪剂数值解释技术2.1 虚拟示踪剂技术的实现

油藏精细地质建模，数值模拟技术，示踪剂监测数值解释实现

油水井间对应关系分析是高含水驱油藏剩余油分布分析的基础。示踪剂监测数值解释之前，首先进行常规油水井对应关系分析，目的为排除监测结果的多解性，缩短数值模拟调参时间，主要有干扰试井法，相关分析法。

3 实例应用及效果评价

本次研究的思路是：在建立目的层油藏构造模型和沉积微相模型的基础上，采用相控建模等手段，对孔隙度和渗透率等物性参数在三唯空间的展布特征进行精细表征，并选择合适的网格粗化方法，将精细地质模型粗化到油藏模拟软件能接受的数值模型，如后通过对油藏开发动态资料的历史拟合与参数调整，不断修正静态模型，最终达到动态和静态资料共同研究油藏的目的。

3.1 研究区概况

研究区位于某油藏长轴背斜的北部，区块储层砂体发育稳定，物性较好，砂岩厚度大，层内裂缝不发育，属于中高渗透砂岩油藏。沉积韵律特征表明，河口坝为复合韵律模型，水下分流河道为正韵律模型，席状砂为反韵律模型。储层主要为砂岩薄互层，储层层间非均质性较强，层内非均质性相对较弱。SⅠ和SⅡ组的一砂组储层平均砂岩厚度1.9m，有效厚度0.9m。SⅡ组二、三砂组平均砂岩厚度15.4m，有效厚度6.4m，储层非均质性较强。储层平均孔隙度24%，平均空气渗透率163×10-3μm2。油藏油气水分布主要受构造控制，区域的SⅠ油层具有气顶，其油气界面在-1032m，区块的油水界面为-1088m，具有不活跃的边水。

试验区原油地层油粘度12.9mPa.s，地面脱气粘度36.8mPa.s，低酸值，相对密度中等，凝固点低，胶质及石蜡含量较高。原始油藏温度为55℃，地温梯度为5℃/100m。油层中部压力12.25MPa，原始饱和压力10.94MPa，油藏压力系数为1.02，属于正常压力系统油藏。

3.2 精细地质模型的建立

根据地层沉积旋回、主力油层和非主力油层的分布特征，在纵向上将该油层分为39层网格，平面上网格数为118 080（360×328）个，地质模型网格总数为4 605 120个节点。研究区构造简单，通过区内测井、钻井资料，结合目的层顶底构造面，利用确定性建模方法研究区的构造模型。将单井沉积微相研究结果输入构造模型，并对网格块赋值。然后用序惯指示模拟方法建立了目的层沉积微相模型。将研究区内单井测井结果（渗透率，渗透率等）导入模型，进行离散赋值的数据进行分析，得到变量极值和方差等统计特征参数，然后在沉积相约束条件选择序贯高斯模拟方法进行储集参数相控建模。为满足油田开发开发决策在一定风险范围的正确性的需要，可以生成多个等概率模拟实现以备选择。通过结合地质研究成果选择最符合该区地质情况的地质模型，在此模型基础上进行油藏数值模拟工作。

3.3 网格粗化与油藏数值模拟

在油藏数值模拟中，孔隙度、饱和度属于标量，利用简单的平均算术进行粗化即可以满足精度要求，而渗透率是张量，必须考虑其方向性，因此利用重整法进行粗化，等渗流计算法可以最大限度的条渗透率模型的等效程度，粗化后的数值模型共95 940（90×82×13）个节点。

研究区实验井组共有生产井30口，注水井4，为一个正13点井网。从1975年8月开始投产，生产至今采出程度为35.6%，综合含水率94.5%。根据研究区的地质特征和流体类型，选择三维三相黑油模型。在历史拟合过程中，由于可调参数众多，需根据油藏参数的可靠性来调整，如油水生产量可靠性很高，而气产量可靠性低；岩石流体的高压物性数据可靠性较高，相对渗透率可靠性低；厚度与孔隙度等参数可靠形较高，渗透率可靠性低。油水井间连通情况在数值模型中主要是通过地层渗透率来表现的。

研究区Water_1井组（如图1）进行过示踪剂监测，示踪剂监测结果表明Oil_1、Oil_3与Oil_4见剂，而Oil_2未见剂。Oil_3见剂浓度最高，Oil_1次之，Oil_4较低。根据这个监测结果，模拟研究中对Water_1加入数值示踪剂可以在定量获得水井的去水方向，通过对井间的渗透率调整可以得到图1，图1中Oil_3数值示踪剂见剂最早，累积产出百分比最高，反映出Oil_3与Water_1的井间受效对应关系最好，其次是Oil_1。通过对可调参数做了调整后，该井组产油量和含水率的历史拟合结果如图2，可见拟合精度较高。图2是依据见剂监测结果对井间渗透率调整得到的井组剩余油分布，从结果来看与动态反映结果一致。

上述研究结果表明，井间数值示踪剂的应用可使渗透率调整与井间动态资料相符合，用生产实际中反馈的各种信息来获取井间剩余油分布，使得剩余油分布更加具有科学性，为动态预测和方案优选奠定坚实基础。

4 结论

油藏数值模拟技术是一个复杂过程，它是不同学科与具有明确目标的结果。将井间动态监测结果，利用数值示踪剂技术将监测结果反应到数值模型中，对油藏动态调整和井间剩余油的评价提供了依据。

参考文献

[1] 于瑞香，等.油田示踪剂技术[J].工业水处理，2007，27（8）.

数值模拟篇7

大科学装置的探路者

面对气候环境的变化，气候灾害和环境危机的频发，“地球系统数值模拟装置”从系统的角度来进行地球各圈层自身的演化规律及其它们之间的相互作用规律的研究。

中科院大气物理所自20世纪80年代以来就一直致力于气候模式和生态环境系统模式等的自主研发，在过去三十多年中，建立的模式系统经历了四次主要的飞跃，迄今为止陆续在各项地球系统模式的研制中开创了多项“第一”。

利用所研制的气候系统模式，大气物理研究所开展了CO2加倍引起的气候变暖的数值模拟，为我国外交谈判提供了科学依据。中科院地球系统模式1.0就是在这样的深厚积累中逐步发展起来。

“我国数值模式研究起步早、基础好，但此前因为没有专门的高性能计算机系统支撑，也由于对数值模式的技术性和工程性重视不够，与国际最先进水平存在差距。”中科院大气物理研究所所长朱江表示，中科院计算所、曙光公司、网络信息中心的参与弥补了这种不足。

“地球数值模拟装置”原型系统建设项目启动于2015年3月。该项目早于今年6月在曙光创新技术大会上一经披露就广受关注。取用大科学工程“地球数值模拟装置”建设规模的1/10，原型系统将从硬件配置架构和科学软件检验两方面证实和完善“地球系统数值模拟装置”建设方案的有效性和可行性。

“原型系统是我国‘解读地球计划’的核心内容。在‘地球数据模拟装置’项目正式落地之前，原型系统担负着验证大科学装置建设方案可行性的责任。”大气动力学家、中国科学院院士曾庆存介绍说，原型系统的落成和成功运行，将有力地推动大科学装置的建设。

原型系统包含高性能计算机硬件、地球数值模拟应用软件、并行软件支撑框架、可视化系统等多个部分，可满足对地球系统的仿真研究。我国地球科学家可借助该系统，在地球系统模式研发、短期气候预测、灰霾治理等方面得出一些对科学和社会有益的成果。

解读地球的强大阵容

原型系统最大的亮点之一，当属首次正式的“地球系统模式1.0版本”。据中科院大气所研究员张明华介绍说，地球系统模式1.0版本包含完整的气候系统和生态环境系统分量，集成了大气、海洋、海冰、陆面水文、大气化学和气溶胶、动力学植被、海洋生物地球化学等子系统模式或分量模块，并通过一个通量耦合器实现各模块之间的完整耦合，可以更加逼真地实现对大气、洋流、陆面过程、生态等的仿真研究，这个地球系统模式还具有嵌套高分辨大气模式的功能。

据介绍，曙光公司为该项目提供的计算机硬件原型系统峰值计算能力不低于1Pflops，存储总容量大于5PB，并有针对性地对系统进行了地球系统数值模拟加速计算和软件性能优化。

读懂地球关系重大

全球变暖是人类面临的最为严峻的问题。气候变化公约、碳排放谈判则是世界上最复杂的多边外交谈判。美国国家大气研究中心凭借其长时间世界领先的数值模拟装置“Yellowstone”，一直主导着全球变暖预估试验的设计和评估报告的撰写，并以此挟制我国的发展权。“我们需要有自己的计算数据作为谈判依据，以提升我国在气候与环境领域的国际话语权。”曾庆存严肃地说。

据介绍，在原型系统上有步骤地实施解读地球计划的同时，该系统装置还可以为其他应用高性能计算、大数据分析等服务。“地球数值模拟装置”原型系统的建设与应用，将推动这些技术进一步服务各行各业。

数值模拟篇8

关键词：自然通风；数值模拟；规划优化

中图分类号： F287 文献标识码： A

引言

随着国家绿色建筑发展战略的提出，发展生态建筑、节约建筑能耗成为城市建筑设计与发展的重要要素，自然通风的应用不仅能节约不可再生能源，实现有效被动式制冷，改善室内热环境；而且能提供新鲜、清洁的自然空气，改善室内空气品质，有利于人的身体健康。

自然通风的效果主要取决于三个气候因素，包括风速、风向及温度差，合理的规划布局、建筑空间安排可以达到良好的风环境和热环境。在小区规划设计中，利用CFD数值模拟技术可以在规划前期进行小区室外微气候的数值分析，保证建筑布局的合理。

1、数值模拟室外条件

本项目位于河北省唐山市，本文主要分析夏季主导风向下小区的室外风环境状况，根据唐山的风玫瑰图可知，夏季主导风向为东风，10m高度处的室外平均风速为2.3m/s ，风速高度方向按城市梯度风处理，见图2-1。通过模拟计算得到不同切面上的风速矢量断面图。

图1-1 城市梯度风示意图

城市梯度风满足下式，

U/UR=(Z/ZR)0.28

其中，ZR 为参考高度，这里取10m；UR 为10m高处的风速。

2、数值模拟计算模型

本住宅小区主要户型为高层板楼，最高楼高为90m，根据建筑平面图进行计算机建模，模拟计算模型如下图2-1-2-2所示，Z向为正北向，建筑布局如图中所示，其中绿色区域为一层架空的建筑区。

3、数值模拟控制方程

模拟房间内的气流属于非稳态的三维不可压缩紊流流动，因此在计算中采用当前在计算房间气流时最常用的模型。模型所遵守的偏微分方程的向量表示如下：

连续性方程： （1）

动量方程：（2）

紊流能量传递方程：（3）

紊流能量耗散方程： （4）

能量方程：（5）

上式列表中，；i=1,2,3；j=1,2,3；为速度，为密度，为分子粘性系数，为紊动能，为紊动能耗散率。模型中的经验常数可按表2取。

4、模拟计算及结果分析

4.1 通过模拟计算得到不同高度截面小区内的室外风环境结果如下：

（1）H=1.5m人行高度区室外风环境

（2）H=10m高度区室外风环境

（3）H=50m高度区室外风环境

（4）H=75m高度区室外风环境

4.2 计算结果分析

（1）根据室外主导风向，建筑在首层布置了一定的架空区域，这部分建筑构造设计对室外风形成了引导作用，小区的人员活动区室外通风状况良好，形成很好的自然通风环境，在夏季有利于降低室外空气温度，提高人员活动区的热舒适性。同时可以看出，在人员活动区，风速场比较顺畅，没有形成涡流区，平均风速在2m/s左右，室外环境比较舒适。

（2）在10m-75m高度区，小区建筑群之间的风速均在5m/s以下。由于本项目高层建筑沿迎风面错列式布局，形成了较好的风环境，建筑群的整体通风效果良好。合理的建筑布局，实现了良好的自然通风环境。

参考文献

[1]黄艳.某双层玻璃幕墙建筑自然通风的数值模拟研究[J].建筑科学.2004年

[2]杭寅.某高层建筑空调室外机的气流模拟及优化[J].建筑热能通风空调.2006年