基于ls-dyna的振动旋耕三维数值模拟

基于ls-dyna的振动旋耕三维数值模拟
基于ls-dyna的振动旋耕三维数值模拟

万方数据

万方数据

万方数据

第2期张宪,等:基于ls—dyna的振动旋耕i维数值模拟?147?

节2所述,由三轴仪测量所得。刀具及土壤的材料参数及仿真如表1所示。

图3某时刻刀具切削土壤仿真图

表l数值模拟环境条件参数

参数名称数值

土壤密度/(g?cm。)2.35

土壤容蓖/(g?cm一3)1.57

土壤孔隙度/(%)33..2

含水率/(%)11.72

内摩擦角/(。)23.6

黏聚力/kPa9.5

抗剪强度/kPa35

弹性模量/MPa85.7

泊松比O.38

剪切模域/MPa31.05

机组前进速度/(m?s“)0.25

刀具网转速度/(r?min。1)2.67—3.33

刀具I廿1转半径/mm190

刀具厚度/mm6

耕宽/mm“

耕作深度/m150

刀具密度/(g?cm。3)7.83

刀具泊松比/盯0.35

刀具弹性模量/GPa210

计算时间/s800

4.2振动切削及数值模拟实验

低频振动切削频率一般采用2Hz~150Hz∽],而振动切削土壤振幅~般多为0.8mm一15mm。此振幅在实际切削时较易实现,耕作后土壤结构良好。振动波形多采用正弦波,亦有少量研究采用三角波和矩形波。为避免振动引起刀具共振,故先采用ANSYS对刀具进行模态分析,得到其1~15阶的固有频率范围为“2Hz~900Hz。为了减少工作量且更好的筛选到最适合的振型,本研究先在较大范围内做了一次三因素正交试验,旨在找出适合旋耕切削的范围,正交分析结果为正弦波在频率为8Hz一20Hz,振幅在6mm~12mm时,振动减阻效果较为明显,而矩形波及三角波减阻效果一般,且脉冲波的产生需较大功率¨m¨]。振幅为8mm时,3种波形的扭矩如图4所示。综合考虑,在此本研究选用正弦波型。

针对4.1节所述的切削土壤及旋耕刀,本研究采用正交试验法对振动频率、振幅进行仿真方案的设计,该方案含有两因子,如果仅仅将变化范围的两端点取为每个因子的水平,就不能很好地反映变化范围中间部分的影响,为此设计一个两因子正交试验:

其因子与水平为:

A.振动频率(Hz)Al=8A2=10A3=12也=16As=18A6=20

图4振幅8mm下各波形扭矩图

根据两因素多水平正交试验,按照每个试验号的水平进行振动旋耕切削土壤的仿真试验,并与无振动(第13组)切削时比较。最后提取得到旋耕切削土壤的前进阻力(F,),纵向力(F,)及扭矩等数据。由于切削具有周期性,在此提取第二把刀齿数据。数据结果如表2所示。

表2振动方案及实验结果

盟竺:垒里££!盟£二!翌互[型:坚lll0.377O.6458.98

23l0.37l0.6268.84

35l0.3540.6048.54

4220.390O.5988.75

542O.3810.5718.30

662O.39lO.5598.32

7l3O.48lO.5528.43

833O.398O.5217.90

953O.394O.5“7.82

10240.4140.4877.63

1l440.4050.4737.42

1264O.400O.4807.49

1≥Q:i箜Q:Z211Q:丝

将求得各种数据与其他学者在同类小型旋耕机切削实验测得数据相对比。丁为民教授采用反转旋耕在耕深155mm时,测得其力矩为14N?m一35N?m之间,与本研究中仿真数据相仿,故仿真数据可信。4.3振幅及频率对旋耕扭矩的影响

从图5以及表2中可以定性的得出如下结论:振动旋耕切削可以明显减小旋耕机牵引阻力与扭矩;振幅大小对耕作所需的平均扭矩影响很大;在同样的频率下,振动幅值越大,旋耕所需扭矩越小。当然振幅越大所需激振功耗越大,而且振幅过大对机具的操控及寿命产生极大影响。而随着振动频率的增加,旋耕所

(下转第152页)万方数据

万方数据

基于ls-dyna的振动旋耕三维数值模拟

作者:张宪, 孔涛, 蒋建东, 王扬渝, ZHANG Xian, KONG Tao, JIANG Jian-dong, WANG Yang-yu

作者单位:浙江工业大学,特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310014

刊名:

机电工程

英文刊名:MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING MAGAZINE

年,卷(期):2011,28(2)

参考文献(11条)

1.杨晓明;赵浜;王宝荣振动切削技术特点及其应用状况[期刊论文]-机械 2008(02)

2.胡火焰液压挖掘机铲斗振动掘削减阻及能耗机理研究 2007

3.佟富强;张飞虎;陈光军低频振动切削对加工表面影响的机理研究[期刊论文]-华中科技大学学报 2007(z1)

4.马晓;左景涛;张则低频振动切削过程的理论研究 2005(03)

5.姜涛;张宪;乔欣基于SPH法的土壤切削三维数值模拟[期刊论文]-机电工程 2009(06)

6.LEWIS B A Manual for LS-DYNA soil material model 147,Mclean,VA 2004

7.邱立春;李宝筏自激振深松机减阻试验研究 2000(06)

8.LI Qi-yun;LU Li-qun;WANG Xue-yan Study on the Subsoiling Unit of Subsoiling-rotary-seeder 2004

9.BANDALAN E P;SALOKHE V M;GUPTA C P Performance of an oscillating subsoiler in breaking a hardpan 1999(l)

10.NIYAMAPA T;SALOKHE V M Force and pressure distribution under vibratory tillage tool 2000(01)

11.周丽丽;张平宽;王慧霖振动切削技术的研究与发展应用[期刊论文]-煤矿机械 2009(02)

本文链接:https://www.360docs.net/doc/4b18296864.html,/Periodical_jdgc201102004.aspx

六斜叶式搅拌器流场数值模拟

大学 Zhengzhou University Cae课程论文 六斜叶式搅拌器流场数值模拟 Numerical Simulation of Shell-side Fluid-flow in the Six pitched blade stirrer 专业班级:过程装备与控制工程3班 作者:郝苒杏 作者学号:20090360310 完成时间:2012年12月16日

目录 摘要 (1) Abstract (1) 1、背景与意义 (1) 2、研究现状 (2) 3、数学物理模型 (2) 3.1基本控制方程 (2) 3.2湍流模型介绍 (3) 4、六斜叶搅拌器fluent数值模拟 (3) 4.1搅拌器结构 (3) 4.2几何建模 (4) 4.3网格划分 (4) 4.4模型求解设置 (5) 4.5边界条件设置 (6) 4.6残差设置 (7) 4.7初始化并且迭代求解 (8) 5结果分析 (8) 5.1网格独立性考核 (8) 5.2搅拌器流场速度矢量分析 (9) 5.3搅拌器压力场分析 (10) 6结论 (11) 7参考文献 (11)

六斜叶式搅拌器流场数值模拟 摘要 本文以常规六斜叶搅拌器设备为研究对象,采用数值模拟的方法,研究了搅拌器搅拌釜的流场特性的分布规律。研究结果表明:六斜叶搅拌器流动呈现为一个位于搅拌叶片外侧的大漩涡和一个位于叶片下方的小漩涡,两个漩涡之间存在流体和能量的交换,在六斜叶搅拌器中,桨叶区湍动能较大,能量耗散率高。将CFD技术应用于搅拌器搅拌流场的分析,基于Naives-Stokes方程和标准k-e 紊流模型,求解搅拌器的湍流场,数值模拟的结果对搅拌器水力优化设计具有指导意义。 Abstract In this paper, numerical simulation is eateries out to study the flow fields in three stirred tanks such as the general Pitched blade turbines(PDT),the standard RUSHTON,and a stirred equipment with special usage. The results show that there is a large-scale vortex in the outer of the blade and a small vortex below the blade. The ruction stirred is vary little flow exchange between the vortices. The region of the stirred bale has a relative large turbulence and high turbulence dissipation rate. Stirrer CFD technology is applied to the analysis of the flow field, which is based on the Naives-Stokes equations and the standard k-e turbulence model and to solve agitator turbulence field. The numerical simulation results of the agitator is helpful to guide the design of its hydraulic optimization. 1、背景与意义 搅拌与混合是应用最广泛的过程操作之一,搅拌设备也大量应用于化工、轻工、医药、食品、造纸、冶金、生物、废水处理等行业中。由于相际接触面积大、传热传质效率高、操作稳定、结构简单、制造方便等优点,使得搅拌设备既可以当做反应器应用于很多场合,例如在合成橡胶,合成纤维和合成塑料这三大合成材料的生产中,搅拌设备作为反应器的约占反应器总数的85%一90%。同时也有大量的搅拌设备并不是仅用在化学反应中应用物料的混合、传热、传质以及制备乳液、悬浮液等。在很多化工过程中,例如水煤浆和原油的输送是煤化工,石油化的重要特征,这种高浓度的液体输送前需要有相应的搅拌过程来防止进行前可能的沉淀。 在发酵工业中,搅拌操作同样占有非常重要的地位。发酵工业涉及到很多有氧呼吸的微生物,同时氧气在发酵液中的溶解度一般都很低。为了保证微生物基本代活动所需要的氧气,氧气的迅速有效的供给尤为重要。有氧发酵过程中所涉及到的搅拌操作主要是气液传质和分散。此外,(l)发酵过程中一般都伴随有中间补给,搅拌操作可以使补给原料和基料迅速混合,避免了局部的浓度过高。(2)微生物的代活动和搅拌过程都能产生大量的热,这些可以通过搅拌来强化传热从而使搅拌釜的物料温度保持均匀。(3)可以使发酵液中的菌体和固体基质均匀的悬浮。 在实现混合操作的过程中,转轮的搅拌推流形式起着很重要的作用。不同的转轮造成的搅拌推流效果差别很大,而不同的生产过程有不同的搅拌推流目的。本文将CFD软件应用于搅拌器的搅拌流场分析,对以后的设计和分析具有指导性的意义。

三维搅拌器数值模拟

搅拌器数值模拟 1 引 言 搅拌混合是一种常规的单元操作,具有广泛的应用背景,搅拌可以使物料混合均匀、使气体在液相中很好地分散、使固体粒子(如催化剂)在液相中均匀地悬浮、使不相溶的另一液相均匀悬浮或者充分乳化,并可以强化相间的传质、传热。作为工业生产中工艺过程的一部分,搅拌效果直接影响到其它后续生产过程。 在利用超临界流体对废旧橡胶进行脱硫的课题中,脱硫反应釜中应用四叶涡轮搅拌器加强脱硫剂对溶胀橡胶的渗透作用。本文即对搅拌器在反应釜中产生的流场进行数值计算,分析搅拌流场特性,通过模拟得到流场结构及搅拌桨的速度矢量分布。 2 搅拌器流场数值模拟 2.1 四叶涡轮搅拌器solidworks 建模 四叶涡轮搅拌器桨叶直径mm 106=D ,叶片宽mm 20=a ,厚mm 2=b ,轮毂直径20mm 。三维模型建好后,保存为jiaobanqi.IGS 文件。 图1 四叶涡轮搅拌器 2.2 四叶涡轮搅拌器Gambit 建模 (1)将生成的jiaobanqi.IGS 文件导入Gambit 中,得到volume1。 (2)建立搅拌槽模型 本文采用平底圆柱形槽体,内径 mm 210=T ,槽内液位高度T H =; 搅拌

器安装在轴径mm 16=d 的搅拌轴上,桨叶中心线离槽底高度 3T C = 。 图2 搅拌槽尺寸 1)建立圆柱体模型,此模型作为搅拌器的动区域,圆柱体尺寸高为60mm ,半径60mm 。之后需对圆柱体进行平移,由于圆柱体的基准面都是建立在坐标原点所处的面上,本模型需使圆柱体沿着Z 轴平移,设定Z 轴的平移量为-20,得到volume2。 2)以同样的方法分别建立高为40mm ,半径为8mm ,高为210mm ,半径为105mm ,高为110mm ,半径为8mm 的3个圆柱体,分别为volume3,volume4,volume5,其中volume3无需平移,volume4沿Z 轴平移-60,volume5沿Z 轴平移40。最终得到搅拌槽的模型如图3所示。 图3 搅拌槽模型 (3)布尔运算 本次模拟采用多重参考系模型( Multi-Reference Frame, MRF )。即在计算时,

三维搅拌器数值模拟

三维搅拌器数值模拟 搅拌器数值模拟 1 引言 搅拌混合是一种常规的单元操作,具有广泛的应用背景,搅拌可以使物料混合均匀、使气体在液相中很好地分散、使固体粒子(如催化剂)在液相中均匀地悬浮、使不相溶的另一液相均匀悬浮或者充分乳化,并可以强化相间的传质、传热。作为工业生产中工艺过程的一部分,搅拌效果直接影响到其它后续生产过程。 在利用超临界流体对废旧橡胶进行脱硫的课题中,脱硫反应釜中应用四叶涡轮搅拌器加强脱硫剂对溶胀橡胶的渗透作用。本文即对搅拌器在反应釜中产生的流场进行数值计算,分析搅拌流场特性,通过模拟得到流场结构及搅拌桨的速度矢量分布。 2 搅拌器流场数值模拟 2.1 四叶涡轮搅拌器solidworks建模 b,2mmD,106mm四叶涡轮搅拌器桨叶直径,叶片宽a,20mm,厚,轮毂直径 20mm。三维模型建好后,保存为jiaobanqi.IGS文件。 图1 四叶涡轮搅拌器 2.2 四叶涡轮搅拌器Gambit建模

(1)将生成的jiaobanqi.IGS文件导入Gambit中,得到volume1。 (2)建立搅拌槽模型 H,T本文采用平底圆柱形槽体,内径 T,210mm,槽内液位高度; 搅拌 d,16mm器安装在轴径的搅拌轴上,桨叶中心线离槽底高度。 C,T3 图2 搅拌槽尺寸 1)建立圆柱体模型,此模型作为搅拌器的动区域,圆柱体尺寸高为60mm,半径60mm。之后需对圆柱体进行平移,由于圆柱体的基准面都是建立在坐标原点所处的面上,本模型需使圆柱体沿着Z轴平移,设定Z轴的平移量为-20,得到 volume2。 2)以同样的方法分别建立高为40mm,半径为8mm,高为210mm,半径为 105mm,高为110mm,半径为8mm的3个圆柱体,分别为volume3,volume4,volume5,其中volume3无需平移,volume4沿Z轴平移-60,volume5沿Z轴平移40。最终得到搅拌槽的模型如图3所示。

波动方程的物理背景

波动方程或称波方程(英语:wave equation)是一种重要的偏微分方程,主要描述自然界中的各种的波动现象,包括横波和纵波,例如声波、光波和水波。波动方程抽象自声学,电磁学,和流体力学等领域。 历史上许多科学家,如达朗贝尔、欧拉、丹尼尔·伯努利和拉格朗日等在研究乐器等物体中的弦振动问题时,都对波动方程理论作出过重要贡献。 波动方程是双曲形偏微分方程的最典型代表,其最简形式可表示为:关于位置x 和时间t 的标量函数u(代表各点偏离平衡位置的距离)满足: 这里c通常是一个固定常数,代表波的传播速率。在常压、20°C的空气中c为343米/秒(参见音速)。在弦振动问题中,c 依不同弦的密度大小和轴向张力不同可能相差非常大。而在半环螺旋弹簧(一种玩具,英文商标为 Slinky)上,波速可以慢到1米/秒。 在针对实际问题的波动方程中,一般都将波速表示成可随波的频率变化的量,这种处理对应真实物理世界中的色散现象。此时,c 应该用波的相速度代替: 实际问题中对标准波动方程的另一修正是考虑波速随振幅的变化,修正后的方程变成下面的非线性波动方程: 另需注意的是物体中的波可能是叠加在其他运动(譬如介质的平动,以气流中传播的声波为例)上的。这种情况下,标量u 的表达式将包含一个马赫因子(对沿流动方向传播的波为正,对反射波为负)。 三维波动方程描述了波在均匀各向同性弹性体中的传播。绝大多数固体都是弹性体,所以波动方程对地球内部的地震波和用于检测固体材料中缺陷的超声波的传播能给出满意的描述。在只考虑线性行为时,三维波动方程的形式比前面更为复杂,它必须同时考虑固体中的纵波和横波: 式中: 和被称为弹性体的拉梅常数(也叫“拉梅模量”,英文Lamé constants 或 Lamémoduli),是描述各向同性固体弹性性质的参数; 表示密度; 是源函数(即外界施加的激振力); 表示位移; 注意在上述方程中,激振力和位移都是矢量,所以该方程也被称为矢量形式的波动方程。其他形式的波动方程还能在量子力学和广义相对论理论中用到。 标量形式的一维波动方程 [编辑]波动方程的推导 一维波动方程可用如下的方式推导:一列质量为m的小质点,相邻质点间用长度h的弹簧连接。弹簧的弹性系数(又称“倔强系数”)为k:

晶格振动与声子

2.4 晶格振动与声子 绝热近似下,固体的运动近似地简化为两个相对较小的子系统:电子和核(或原子实)的运动问题。前面对电子体系的运动状态作了讨论,现在对第二个问题,即核(或原子实)子系统的运动作一简要回顾。如2.1中所述,对给定的电子系 状态n ,原子实系统 感受到的 有效势场 ()()() N LL n V V E =+R R R , 原子实间的库伦相互作用() LL V R + 依赖于核构型的电子能() n E R 描述原子实系统运动的哈密顿方程为: ()()()()() 2 2 12I n LL S I I X E V X E X M ??-?++=??∑R R R R R (2.4-1) 2.4.1 简谐近似和正则振动模 上述方程涉及大量粒子的运动,数学上很难求解。需要一个好的近似作为讨论的出发点。我们感兴趣的是:有效势有极小值(即具有稳定平衡构形),原子偏离平衡位置不太远的情形。 设晶体包含N 个原胞,每个原胞有υ个原子,采用周期性边界条件。 第n 个原胞中,第α个原子的平衡位置为 n n R R R αα=+, n R 和R α分别为原胞(代表点)位置和原子α在原胞中相对代表点的位置。 原子相对平衡位置的瞬时位移的直角坐标分量为()n i s t α (1,2,3i =)。 将有效势场() N V R 在平衡核构形{}0n R α=R 处作泰勒展开: ()() 201......2N N N n i n i n in i n i n i V V V s s S S αααααα''''''''' ?=++??∑R R (2.4-2) 取常数项为零,一次项在平衡构型下恒等于零,展开式中第一个不为零的项就是二次项。考虑原子实围绕平衡位置作小振动的情形,高次项可忽略,这就是所谓的 简谐近似。可以证明,由这样的简谐势联系在一起的N υ个粒子构成

第五章晶格振动习题和答案

第五章 晶格振动习题和答案 1.什么叫简正振动模式?简正振动数目、格波数目或格波振动模式数目是否是一回事? [解答] 为了使问题既简化又能抓住主要矛盾,在分析讨论晶格振动时,将原子间互作用力的泰勒级数中的非线性项忽略掉的近似称为间谐近似。在间谐近似下,由N 个原子构成的晶体的晶格振动,可等效成3N 个独立的谐振子的振动。每个谐振子的振动模式称为间正振动模式,它对应着所有的原子都以该模式的频率做振动,它是晶格振动模式中最简单最基本的振动方式。原子的振动,或者说格波振动通常是这3N 个简正振动模式的线性迭加。 简正振动数目、格波数目或格波振动模式数目是一回事,这个数目等于晶体中所有原子的自由度数之和,即等3N 。 2.长光学支格波与长声学支格波本质上有何差别? [解答] 长光学支格波的特征是每个原胞内的不同原子做相对振动,振动频略较高,它包含了晶格振动频率最高的振动模式。长声学支格波的特征原胞内的不同原子没有相对位移,原胞做整体运动,振动频率较低,它包含了晶格振动频率最低的振动模式,波速是一常数。任何晶体都存在声学支格波,但简单晶格(非复式格子)晶体不存在光学支格波。 3. 温度一定,一个光学波的声子数目多呢,还是声学波的声子数目多? [解答] 频率为ω的格波的(平均)声子数为 1 1)(/-= T k B e n ωω 因为光学波的频率0ω比声学波的频率A ω高,(1/0-T k B e ω )大于(1/-T k B A e ω ),所以在温度一定情况下, 一个光学波的声子数目少于一个声学波的声子数目。 4. 对同一个振动模式,温度高时的声子数目多呢,还是温度低时的声子数目多呢? [解答] 设温度H T 〉L T ,由于(1/-H B T k e ω )大于(1/-L B T k e ω ),所以对同一个振动模式,温度 高时的声子数目多于温度低时的声子数目。 5. 高温时,频率为ω的格波的声子数目与温度有何关系? [解答] 温度很高时,T k e B T k B /1/ωω +≈ ,频率为ω的格波的(平均)声子数为 ω ωω T k e n B T k B ≈-= 1 1)(/ 可见高温时,格波的声子数目与温度近似成正比。 6. 喇曼散射方法中,光子会不会产生倒逆散射? [解答] 晶格振动谱的测定中,光波的波长与格波的波长越接近,光波与声波的相互作用才越显著。喇曼散射中所用的红外光,对晶格振动谱来说,该波长属于长波长范围。因此,喇曼散射是光子与长光学波声子的相互作用。长光学波声子的波矢很小,相应的动量q 不大。而能产生倒逆散射的条件是光的入射

三维搅拌器数值模拟

搅拌器数值模拟 1 引 言 搅拌混合是一种常规的单元操作,具有广泛的应用背景,搅拌可以使物料混合均匀、使气体在液相中很好地分散、使固体粒子(如催化剂)在液相中均匀地悬浮、使不相溶的另一液相均匀悬浮或者充分乳化,并可以强化相间的传质、传热。作为工业生产中工艺过程的一部分,搅拌效果直接影响到其它后续生产过程。 在利用超临界流体对废旧橡胶进行脱硫的课题中,脱硫反应釜中应用四叶涡轮搅拌器加强脱硫剂对溶胀橡胶的渗透作用。本文即对搅拌器在反应釜中产生的流场进行数值计算,分析搅拌流场特性,通过模拟得到流场结构及搅拌桨的速度矢量分布。 2 搅拌器流场数值模拟 2.1 四叶涡轮搅拌器solidworks 建模 四叶涡轮搅拌器桨叶直径 mm 106=D ,叶片宽mm 20=a ,厚mm 2=b ,轮毂直径20mm 。三维模型建好后,保存为jiaobanqi.IGS 文件。

图1 四叶涡轮搅拌器 2.2 四叶涡轮搅拌器Gambit建模 (1)将生成的jiaobanqi.IGS文件导入Gambit中,得到volume1。 (2)建立搅拌槽模型 本文采用平底圆柱形槽体,内径mm H=;搅拌 210 T,槽内液位高度T = 器安装在轴径mm d的搅拌轴上,桨叶中心线离槽底高度3 16 = C=。 T 图2 搅拌槽尺寸 1)建立圆柱体模型,此模型作为搅拌器的动区域,圆柱体尺寸高为60mm,半径60mm。之后需对圆柱体进行平移,由于圆柱体的基准面都是建立在坐标原点所处的面上,本模型需使圆柱体沿着Z轴平移,设定Z轴的平移量为-20,得到volume2。 2)以同样的方法分别建立高为40mm,半径为8mm,高为210mm,半径为105mm,高为110mm,半径为8mm的3个圆柱体,分别为volume3,volume4,

固体物理第三章晶格振动与晶体的热力学函数

第三章 晶格振动与晶体的热力学函数 一、 填空体 1. 若在三维空间中,晶体由N 个原胞组成,每个原胞有一个原子,则共有_ 3 N_个独立的 振动,_ N__个波矢, 3N_支格波。 2. 体积为V 的ZnS 晶体,如果晶胞的体积为Ω,则晶格振动的模式书为24N/Ω 。 3. 三维绝缘体晶体的低温比热Cv 与温度T 的关系为Cv~T 3。 4. 某三维晶体由N 个原胞组成,每个原胞内有3个原子。考虑晶体的晶格振动,其色散关系共有 9N 支,其中 3N 支声学波,包括 2N 支横声学波, 1N 支纵声学波;另有 6N 支光学波。 5. 二维绝缘体晶体的低温比热Cv 与温度T 的关系为Cv~T 2。 6. 一维绝缘体晶体的低温比热Cv 与温度T 的关系为Cv~T 。 7. 三维绝缘体晶体的低温平均内能与温度T 的关系为U~T 4。 8.二维绝缘体晶体的低温平均内能与温度T 的关系为U~T 3。 9. 一维绝缘体晶体的低温平均内能温度T 的关系为U~T 2。 10.绝缘体中与温度有关的内能来源于 晶格振动能 。 11.导体中与温度有关的内能来源于 晶格振动能 和 价电子热运动动能 。 12. 某二维晶体由N 个原胞组成,每个原胞内有2个原子。考虑晶体的晶格振动,其色散关系共有 4N 支,其中 2N 支声学波,包括 N 支横声学波, N 支纵声学波;另有 2N 支光学波。 13. 某一维晶体由N 个原胞组成,每个原胞内有3个原子。考虑晶体的晶格振动,其色散关系共有 3N 支,其中 N 支声学波,包括 N 支横声学波, 0 支纵声学波;另有 2N 支光学波。 14.晶格振动的元激发为 声子 ,其能量为 ω ,准动量为 q 。 15德拜模型的基本假设为:格波作为弹性波、 介质是各向同性介质。 16.对三维体积为V 的晶体,波矢空间中的波矢密度为: 3 ) 2(V π ;对二维面积为S 的晶体,波矢空间中的波矢密度为:2 )2(S π ;对一维长度为L 的晶体,波矢空间中的波矢密度为: π 2L 。 二、基本概念 1. 声子 晶格振动的能量量子。 2.波恩-卡门条件 即周期性边界条件,设想在实际晶体外,仍然有无限多个相同的晶体相连接,各晶体中相对应的原子的运动情况都一样。 3.波矢密度 波矢空间单位体积内的波矢数目,三维时为3 c )2(V π,Vc 为晶体体积。 4. 模式密度 单位频率间隔内模式数目。 5.晶格振动。 答:由于晶体内原子间存在着相互作用,原子的振动就不是孤立的,而要以波的形式在晶体中传播,形成所谓格波,因此晶体可视为一个互相耦合的振动系统,这个系统的运动就叫晶格振动。

三维波动方程正演及模型应用研究

三维波动方程正演及模型应用研究 1熊晓军,贺振华,黄德济 成都理工大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室(610059) E-mail:xiongxiaojun@https://www.360docs.net/doc/4b18296864.html, 摘 要:为了真实准确地反映三维地质体的波场特征,在频率-波数域将二维波场延拓算子推广到三维空间,采用三维波动方程延拓方法实现了三维地质模型的快速叠后正演。该方法采用傅立叶变换进行计算不仅计算迅速,算法稳定,而且可以采用相位移加插值方法处理一定的横向变速的情况,为更加灵活方便地模拟地下复杂的三维地质体提供了一种有效的工具。作为实例,首先进行了三维French 模型的数值模拟,得到了和实际物理模型实验结果相一致的正演记录,并对比分析了三维偏移剖面和二维偏移剖面的偏移效果,验证了该方法的正确性和适用性。然后进行了三维缝洞地质模型的正演计算,得到了高信噪比的正演记录,对认识和解释三维缝洞地质体的地震波场特征很有帮助。 关键词:三维地震正演,波动方程,波场延拓,French 模型,缝洞模拟 1. 引 言 在地震资料采集、处理和解释中通常要进行地震波场的数值模拟,即假设已知地下的地质情况,应用地震波的运动学和动力学的基本原理,计算给定地质模型的地震响应,其对正确认识地震波的运动学和动力学特征,以及准确地分析油气藏的反射波场特征有着重要的指导意义。常规的正演方法主要有波动方程法和几何射线法两大类[1]。几何射线法[2]将地震波波动理论简化为射线理论,主要考虑地震波传播的运动学特征,所得的地震波的传播时间比较准确,但是计算结果很难保持地震波的动力学特征,而且对复杂的地质构造会出现盲区。波动方程法通过求解地震波波动方程,建立地下地震波运动的波场,它包含了地震波传播的所有信息,在地震模拟中占有重要地位。目前,常规的波动方程正演方法,如有限差分法[3]、积分法[4]以及F-K 域[5]等方法,主要进行二维地质体的数值模拟,而实际的地下构造往往是三维的,因此,十分有必要研究基于三维地质体的数值模拟方法。本文在二维正演方法的基础上,将二维波场延拓算子推广到三维空间,在频率—波数域进行三维叠后正演模拟。该方法不仅算法稳定,计算速度快,具有处理一定横向变速的能力,而且可以得到高信噪比的零偏移距正演记录。 2. 方法原理 利用波动方程进行地震波场数值模拟的核心是波场延拓,对于垂向变速介质,利用二维 标量波动方程,在频率—波数域可以得到各个深度间隔内的相位移延拓的正演和偏移公式[6], i zi Z ik i x i x e z k P z k P ?+=),,(),,(1ωω (1) i zi Z ik i x i x e z k P z k P ??+=),,(),,(1ωω (2) 1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(SRFDP )资助,编号:20040616001。 - 1 -

3.6晶格振动的实验观测

3.6 晶格振动的实验观测 一. 一般描述 二. 非弹性X-射线散射 三. Raman 散射和Brilouin 散射 四. 远红外和红外吸收光谱 参考黄昆36Kitt l 845五. 非弹性中子散射 六. 隧道谱 参考:黄昆书3.6 节, Kittel 8 版4.5 节 P .Bruesch Phonons: Theory and Experiments Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ其中第2卷是测量方法。 由于多种原因我国晶格振动的实验观测相对落后由于多种原因,我国晶格振动的实验观测相对落后,各种固体教材中介绍该内容相对较少,应该予以弥补。

一.一般描述: 从上面讨论中我们已经看到晶格振动是影响固体很多从上面讨论中我们已经看到:晶格振动是影响固体很多性质的重要因素,而且只要T ≠0K ,原子的热运动就是理解。所以从实验上观测晶格振动的固体性质时不可忽视的因素所以从实验观测晶格振动的规律是固体微观结构研究的重要内容,是固体物理实验方法的核心内容之一。(晶体结构测定;晶格振动谱测定;费米面测定缺陷观测等)面测定;缺陷观测;等。) : 晶格振动规律主要通过晶格振动谱反映 1.晶格振动色散关系: ()j q ωω=f 2.态密度:()() g ωω= 实验观测就围绕着这两条曲线的测 定进行,包括各种因素对它们的影响以及 声子的寿命等。主要通过辐射波和晶格 振动的相互作用来完成。

其中最重要、最普遍的方法是: Far-Infrared and (FIR)Infrared Spectroscope (IR) 远红外和红外光谱Raman Spectroscope (R) 电磁波Raman Spectroscope (R) 喇曼光谱Brillouin Spectroscope (B) 布里渊散射谱Diffuse X-Ray Scattering X 射线漫散射Inelastic neutron Scattering (INS) e ast c eut o Scatte g (S) 非弹性中子散射Ultrasonic methods (US) 超声技术 (IETS)非弹性电子隧道谱

双曲面搅拌机流场的数值模拟研究

双曲面搅拌机流场的数值模拟研究彭珍珍1, 赵恒文1, 郭聪聪1, 汪文生2, 曾德全2 (1.河海大学水利水电工程学院,江苏南京210098;2.南京贝特环保通用设备制造 有限公司,江苏南京210098) 摘 要: 应用计算流体力学(CF D)软件、利用多重参考系法(MRF)对新型的污水搅拌设备———双曲面搅拌机的流场进行数值模拟,考察了搅拌槽内水体的流态特性,并提出了优化建议。结果表明,未加挡板时,切向剪切是搅拌槽内水体的主要流动形式;在搅拌槽周围加上挡板后,可使槽内的水流形态重新分布,使轴向流速显著增加,立体循环运动更明显,更符合污水处理的搅拌形。 关键词: 计算流体力学(CF D); 双曲面搅拌机; 数值模拟 中图分类号:X703 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2009)19-0091-04 Nu m er i ca l S im ul a ti on of Flow F i eld i n Hyperbolo i d Sti rrer PENG Zhen2zhen1, ZHAO Heng2wen1, G UO Cong2cong1, WANG W en2sheng2,  ZENG De2quan2 (1.College of W ater Conservancy and Hyd ropo w er Engineering,Hohai U niversity,N anjing210098, China;2.N anjing B eite Environm en tal P rotection GE M anufacture Co.L td.,N anjing210098,China) Abstract: The computati onal fluid dyna m ics(CF D)s oft w are and multi2reference fra me(MRF) method were app lied t o nu merically si m ulate the fl ow field in a ne w waste water stirring equi pment—hy2 perbol oid stirrer.The fluid fl ow characteristic in the stirred tank was investigated,and the op ti m izati on suggesti on was put f or ward.The results show that the tangential shear is the main fl ow pattern of the waste water in the stirred tank without the baffle.After putting the baffle ar ound the stirred tank,the fl ow patterns in the stirred tank can be redistributed,the axial vel ocity can be increased significantly,and the vertical circulati on of the waste water can be more obvi ous,which is more suitable for the require ment of the stirring pattern and vel ocity in the waste water treat m ent. Key words: co mputati onal fluid dyna m ics(CF D); hy perbol oid stirrer; nu merical si m ulati on 搅拌混合设备作为一种在污水处理中常用的工艺设备,可通过创建水流起到强化搅拌混合作用,防止活性污泥沉淀,被广泛用于混合池、厌氧池、水解生化池等工艺中。但由于搅拌设备在工作时会产生复杂的流体运动,目前搅拌设备的设计和应用对实测和工程师经验的依赖性比较强,这样就存在设计周期长、耗费大、精确度低等问题。将计算流体力学(CF D)数值模拟技术应用到搅拌设备的设计分析中,通过数值模拟软件求解描述过程,可以实现过程设计、优化以及放大。目前国内对CF D用于搅拌过程的研究很多,但是对双曲面搅拌机这种新型的污水处理设备的数值模拟研究还未见报道。因此,笔者采用CF D方法对叶轮直径为300mm的双曲面搅拌机的搅拌流场进行数值模拟,并提出了优化意见,以提升其搅拌混合效果。 1 数值模拟 111 计算方程的选取 旋转的搅拌桨作用于流体产生了复杂的三维湍 第25卷 第19期2009年10月 中国给水排水 CH I N A WATER&WASTE WATER Vol.25No.19 Oct.2009

三维搅拌器数值模拟上课讲义

三维搅拌器数值模拟

搅拌器数值模拟 1 引 言 搅拌混合是一种常规的单元操作,具有广泛的应用背景,搅拌可以使物料混合均匀、使气体在液相中很好地分散、使固体粒子(如催化剂)在液相中均匀地悬浮、使不相溶的另一液相均匀悬浮或者充分乳化,并可以强化相间的传质、传热。作为工业生产中工艺过程的一部分,搅拌效果直接影响到其它后续生产过程。 在利用超临界流体对废旧橡胶进行脱硫的课题中,脱硫反应釜中应用四叶涡轮搅拌器加强脱硫剂对溶胀橡胶的渗透作用。本文即对搅拌器在反应釜中产生的流场进行数值计算,分析搅拌流场特性,通过模拟得到流场结构及搅拌桨的速度矢量分布。 2 搅拌器流场数值模拟 2.1 四叶涡轮搅拌器solidworks 建模 四叶涡轮搅拌器桨叶直径mm 106=D ,叶片宽mm 20=a ,厚mm 2=b ,轮毂直径20mm 。三维模型建好后,保存为jiaobanqi.IGS 文件。 图1 四叶涡轮搅拌器 2.2 四叶涡轮搅拌器Gambit 建模 (1)将生成的jiaobanqi.IGS 文件导入Gambit 中,得到volume1。 (2)建立搅拌槽模型

本文采用平底圆柱形槽体,内径mm H=;搅拌 210 T,槽内液位高度T = 器安装在轴径mm d的搅拌轴上,桨叶中心线离槽底高度3 = 16 C=。 T 图2 搅拌槽尺寸 1)建立圆柱体模型,此模型作为搅拌器的动区域,圆柱体尺寸高为60mm,半径60mm。之后需对圆柱体进行平移,由于圆柱体的基准面都是建立在坐标原点所处的面上,本模型需使圆柱体沿着Z轴平移,设定Z轴的平移量为-20,得到volume2。 2)以同样的方法分别建立高为40mm,半径为8mm,高为210mm,半径为105mm,高为110mm,半径为8mm的3个圆柱体,分别为volume3,volume4,volume5,其中volume3无需平移,volume4沿Z轴平移-60,volume5沿Z轴平移40。最终得到搅拌槽的模型如图3所示。

波动方程

1.1 波动方程的形式 一维波动方程(描述弦的振动或波动现象的)()t x f x u a t u ,2 2 222=??-?? 二维波动方程(例如薄膜振动)()t y x f y u x u a t u ,,2222 222+??? ? ????+??=?? 三维波动方程(例如电磁波、声波的传播)()t z y x f z u y u x u a t u ,,,222222 222+???? ????+??+??=?? 1.2 波动方程的定解条件(以一维波动方程为例) (1)边界条件 ①第一类边界条件(又称Dirichlet 边界条件):弦振动问题中,弦的两端被固定在0=x 及l x =两点,因此有()0,0=t u ,()0,=t l u 。 ②第二类边界条件(又称Neumann 边界条件):弦的一端(例如0=x )处于自由状态,即可以在垂直于x 轴的直线上自由滑动,未受到垂直方向的外力,此时成立 0=??=o x x u 。也可以考虑更普遍的边 界条件 ()t x u x μ=??=0 ,其中()t μ是t 的已知函数。 ③第三类边界条件:弦的一端固定在弹性支承上,不放考虑在l x =的一端,此时边界条件归结为 0u =??? ??+??=l x u x σ。也可以考虑更普遍的情况()t u x l x v u =??? ??+??=σ,其中()t v 是t 的已知函数。 1.3 利用叠加原理求解初值问题 初值问题 ()()()()??? ????+∞<<∞=??==+∞<<∞>=??-??)x -(,,:0t x 0,-t ,,22 222x t u x u t x f x u a t u ψ? (1) 利用叠加原理求解上述初值问题,叠加原理表明由()t x f ,所代表的外力因素和由()()x x ψ?,所代表的初始振动状态对整个振动过程所产生的综合影响,可以分解为单独只考虑外力因素或只考虑初始振动状态对振动过程所产生的影响的叠加。即如果函数()t x u ,1和()t x u ,2分别是下述初值问题 (I )()()()()??? ????=??===??-??2.1.....................,:0t 1.1. (022) 222x t u x u x u a t u ψ?

第二章 晶格振动和晶格缺陷

第二章 晶格振动和晶格缺陷 上一章里,把组成晶体的原子或离子看成是固定不动的,都处在其平衡位置上。实际晶体中的原子却是不停地在其平衡位置附近做热振动的,并且随着温度的升高,振动会不断加剧。这种热振动也称晶格振动,它会破坏晶格的周期性,在晶格中造成缺陷,从而对半导体的性质产生重要影响。实际三维晶体中原子的振动现象很复杂,我们只分析一维晶体(单原子和双原子链)的振动,然后将所得到的规律和结论推广到三维晶体中。 §2-1 一维均匀线的振动 为研究一维原子链的振动,首先复习一下一维均匀线中弹性波(纵波)的传播现象。设均匀线的质量密度为ρ,弹性模量为K ,又设线上每一点只能沿线本身的方向运动,如图2-1所示。 若在线段x ?上施加一作用力,它将引起x 点的纵向位移u (x )。此时在x 处的 相对伸长,即形变为x u x e ??=)(,在x x ?+处的形变则为x x u x e x x e ???+=?+22)()(。 因此在线元x ?上的作用力 []x x u K x e x x e K F x ???=-?+=?22)()( (2-1) 此作用力还可表示为线元质量x ?ρ乘上加速度22t u ??,即 22t u x F x ???=?ρ (2-2) 从而有 22t u ??=22 222x u x u K ??=??υρ (2-3) 式中,ρ υK = 是弹性波的传播速度(声波速度),与振动频率无关。(2-3)式 称线性振动方程,其解为具有如下形式的简谐波 [ ])(e x p ),(t qx i A t x u ω-= (2-4) 式中,A 为振幅,πνω2=为角频率,ν为振动频率,λ π 2=q 为波矢(波数 λ 1 π2?), λνυ=为波速,从而有 q υλπυπνω===/22 (2-5)

波动方程

一、波动方程简介 波动方程或称波方程(英语:wave equation)是一种重要的偏微分方程,主要描述自然界中的各种的波动现象,包括横波和纵波,例如声波、光波、无线电波和水波。波动方程抽象自声学、物理光学、电磁学、电动力学、流体力学等领域。 历史上许多科学家,如达朗贝尔、欧拉、丹尼尔·伯努利和拉格朗日等在研究乐器等物体中的弦振动问题时,都对波动方程理论作出过重要贡献。1746年,达朗贝尔发现了一维波动方程,欧拉在其后10年之内发现了三维波动方程。 波动方程是双曲形偏微分方程的最典型代表,其最简形式可表示为:关于位置x和时间t的标量函数u(代表各点偏离平衡位置的距离)波动方程里,c通常是一个固定常数,代表波的传播速率。在常压、20°C的空气中c为343米/秒(参见音速)。在弦振动问题中,c依不同弦的密度大小和轴向张力不同可能相差非常大。而在半环螺旋弹簧(一种玩具,英文商标为Slinky)上,波速可以慢到1米/秒。其他形式的波动方程还能在量子力学和广义相对论理论中用到。 二、波的基本原理 简单地说,波是一种传播的扰动;是一种通过介质传递能量的方式。不同的波在不同的介质中传播,例如:机械波、水波和声波。曾几何时我们一直认为,任何波的传递都需要介质,我们甚至自己发明出了以太这种并不存在的物质,以解释电磁波的传递,但自从迈克逊-莫雷实验以后,我们才认识到原来电磁波不需要介质就可以传播,

甚至引力波也可以通过扰动空间的方式传播。 根据波的传播方式,我们有两种基本的波:横波和纵波。对于纵波来说,质点被扰动的方向与波传播的方向平行,介质中质点之间会被压缩和膨胀。另一方面,横波沿着与质点运动垂直的方向移动,所以当质点上下振动时,波会向左或向右移动。在波传播的过程中质点一直在相互影响,现在你想象一根弦,并且向上移动一个质点,其他的质点也会跟着移动。最简单的形象化的方法就是用一个弹簧,当弹簧中的第一个线圈受到干扰时,它会推或拉第二个线圈,第二个线圈也会对第三个线圈做出同样的动作,这时我们就能看到波动。线圈会上下移动,但波会左右传播。对于横波,介质中的每一个质点都在一个固定的位置上振荡,波的传播方向垂直于这个振荡。 在横波中上下振动的质点使它们旁边的质点也开始振动。质点之间没有相互传递质量,也没有收缩或扩张。质点所做的就是把能量传递给另一个质点,如果没有能量传递,另一个质点就不会振动,也不会形成波。波没有质量的运动,被认为是能量传输的现象。我们需要知道的是,能量总是以波的形式在传输,那么你觉得体育场的人浪真的是波浪吗?不,我们称人浪为波,只是因为人浪的运动类似于波的运动,但人和人之间由于没有发生能量的转移,所以它们不是真正的波。

晶格振动光谱学

《晶格振动光谱学》课程教学大纲 课程英文名称:Lattice Vibration Spectroscopy 课程编号:0332282002 课程计划学时:32 学分:2 课程简介: 本课程地阐述了晶格振动光谱学的基本理论、实验和研究进展.课程包括两大部分,第一部分为晶格动力学基础,主要包括晶体结构及其对称性、晶格动力学基础和晶格振动的对称性等内容,第二部分为晶格振动光谱,主要包括晶格振动的电磁理论和量子理论、晶格振动的布里渊谱、拉曼光谱、红外反射光谱、二级红外吸收光谱和拉曼光谱等内容.本书介绍了晶格振动光谱研究方面的新进展,并吸收及其插入化合物、单管壁碳纳米管拉曼光谱等方面的研究成果,有利于学生了解、分析物质结构,是材料物理学生必修的一门课程。 本课程的授课对象为数理系材料物理专业的学生。 一、课程教学内容及教学基本要求 第一章晶格动力学基础(2学时) 本章重点:热力学行为的简单近似处理;双原子链的振动;晶格振动的频谱和比热;光学支的长波晶格振动;长波光学振动和红外色散的原子理论;离子晶体红外色散的实验研究。 本章难点:晶格振动的频谱和比热;光学支的长波晶格振动;红外色散及晶格振动的推迟效应;长波光学振动和红外色散的原子理论;离子晶体红外色散的实验研究。 第一节热力学行为的简单近似处理 本节要求掌握热力学行为的简单近似处理,掌握长波光学振动和红外色散的原子理论,以及红外色散及晶格振动的推迟效应。了解晶格的基本振动形式。本节建议采用的主要教学形式(讲授、习题)。 第二节双原子链的振动 本节要求掌握热双原子链的振动基本形式(考核概率10%)。 第三节晶格振动的频谱和比热 本节要求掌握晶格振动的频谱和比热(考核概率10%)。 第四节光学支的长波晶格振动 本节要求掌握光学支的长波晶格振动(考核概率10%)。 第五节红外色散及晶格振动的推迟效应 本节要求掌握红外色散及晶格振动的推迟效应(考核概率10%)。 第六节长波光学振动和红外色散的原子理论 本节要求掌握长波光学振动和红外色散的原子理论(考核概率10%)。

确定晶格振动谱的实验方法

§3-9 确定晶格振动谱的实验方法 3. 9. 1 中子非弹性散射 晶格振动频率与波数矢量之间的函数关系ω(q ),称为格波的色散关系,也称为晶格振动谱。晶体的许多性质都与函数ω(q )有关,因此确定晶格振动谱是很重要的。可能利用波与格波的的相互作用,以实验的方法来直接测定ω(q )。最重要的实验方法是中子的非弹性散射,即利用中子的德布洛依波与格波的相互作用。另外,还有X 射线散射,光的散射等。目前,最常用的方法是中子非弹性散射。 设想有一束动量为p 、能量为2 2n M =p E 的中子流入射到样品上,由于中子仅仅和原子核之间有相互作用,因此它可以毫无困难地穿过晶体,而以动量p ′、能量2 2n M ''=p E 射出。当中子流穿过晶体时,格波振动可以引起中子的非弹性散射,这种非弹性弹射也可以看成是吸收或发射声子的过程。散射过程首先要满足能量守恒关系: ()22 22n n p p M M ω'-=± q …………………………………………………(3-9-1) ?ω( q )表示声子的能量,“+”号和“-”号分别表示吸收和发射声子的过程。散射过程同时要满足准动量守恒关系: n '-=±+ p p q G ………………………………………………………(3-9-2) 其中12233n n n n =++G b b b 1为倒格子矢量,?q 称为声子的准动量。一般说来,声子的准动量并不代表真实的动量,只是它的作用类似于动量,如式(3-9-2)所示,在中子吸收和发射声子过程中,存在类似于动量守恒的变换规律,但是,多出n G 项。动量守恒是空间均匀性(或者称为完全的平移不变性)的结果,而上述准动量守恒关系实际上是晶格周期性(或者称为晶格平移不变性)的反映。一方面,由于晶格也具有一定的平移对称性(以布拉伐格子标志),因而存在与动量守恒相类似的变换规律; 另一方面,由于晶体平移对称性与完全的平移对称性相比,对称性降低了,因而变换规则与动量守恒相比,条件变弱了,可以相差n G 。 如果我们固定入射中子流的动量p (和能量E ),测量出不同散射方向上散射中子流的动量p ′(即能量E ′),就可以根据能量守恒和准动量守恒关系确定出格波的波矢q 以及能量?ω(q )。图3-9-1中示意地画出了一个典型的中子散射谱仪的结构,叫做三轴中子谱仪。中子源是反应堆产生出来的慢中子流,单色器是一块单晶,利用它的布喇格反射产生单色的动量为p 的中子流,经过准直器入射到样品上。随后再经过准直器用于选择散射中子流的方向,分析器也是一块单晶,利用它的布喇格反射来决定散射中子流的动量值(即能量)。利用中子散射谱仪测定晶格振动谱的工作开始于50年代,但因一般的反应堆中子流密度太小,使用实验工作受到很大限制。近年来高能量的中子反应堆(流量大于14-2-1 10cm -s )比较普

相关文档
最新文档