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力学在工程中的应用作者：孟泽林（学号：13109941032 班级：13级电气类十班）摘要 力学在工程中的应用十分广泛，它是机械工程，土木工程，食品工程等的重要基础之一，大到机械中的各种机器，建筑中的各个结构，小到汽车中的零部件，各种物件都要符合它的强度、刚度、稳定性要求才能够安全、正常工作，所以力学就显得尤为重要。作为当代的大学生，了解力学在工程中的广泛应用是非常有必要的。文章将就力学在工程中的一些典型应用做简单的的介绍，来提高对力学的理解和认识。关键词 力学应用 材料力学 计算流体力学引言 无论是生产还是生活中，随处都可以看见物理力学的应用。写这篇文章的目的就是能使大学生更加深入和具体地了解力学在工程中的应用，2.1材料力学在工程中的应用1机械常用的连接件，如铆钉、键、销钉、螺栓等的变形属于剪切变形，在设计时应主要考虑其剪切应力。汽车的传动轴、转向轴、水轮机的主轴等发生的变形属于扭转变形。火车轴、起重机大梁的变形均属于弯曲变形。有些杆件在设计时必须同时考虑几个方面的变形，如车床主轴工作时同时发生扭转、弯曲及压缩三种基本变形；钻床立柱同时发生拉伸与弯曲两种变形。 利用材料力学中卸载与在加载规律得出冷作硬化现象，工程中常利用其原理以提高材料的承载能力，例如建筑用的钢筋与起重的链条，但冷作硬化使材料变硬、变脆，是加工发生困难，且易产生裂纹，这时应采用退火处理，部分或全部地材料的冷作硬化效应。工程设计中要特别注意减少构件的应力集中。 在工程中，静不定结构得到广泛应用，如桁架结构。静不定问题的另一重要特征是，温度的变化以及制造误差也会在静不定结构中产生应力，这些应力称为热应力与预应力。为了避免出现过高的热应力，蒸汽管道中有时设置伸缩节，钢轨在两段接头之间预留一定量的缝隙等等，以削弱热膨胀所受的限制，降低温度应力。在工程中实际中，常利用预应力进行某些构件的装配，例如将轮圈套装在轮毂上，或提高某些构件承载能力，例如预应力混凝土构件。螺旋弹簧是工程中常用的机械零件，多用于缓冲装置、控制机构及仪表中，如车辆上的缓冲弹簧，发动机进排气阀与高压容器安全阀中的控制弹簧，弹簧称中的测力弹簧等。很多结构或构件在工作时，对于弯曲变形都有一定的要求。一类是要求构件的位移不得超过一定的数值。例如行车大量在起吊重物时，若其弯曲变形过大，则小车行驶时就要发生振动；若传动轴的弯曲变形过大，不仅会使齿轮很好地啮合，还会使轴颈与轴承产生不均匀的磨损；输送管道的弯曲变形过大，会影响管道内物料的正常输送，还会出现积液、沉淀和法兰结合不密等现象；造纸机的轧辊，若弯曲变形过大，会生产出来的纸张薄厚不均匀，称为废品。另一类是要求构件能产生足够大的变形。例如车辆钢板弹簧，变形大可减缓车辆所受到的冲击；又如继电器中的簧片，为了有效地接通和断开电源，在电磁力作用下必须保证触电处有足够大的位移。 2.2 计算流体力学在化学工程中的应用2 计算流体力学 ( CFD) 是流体力学的一个分支 ,用于求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其他方程 , 并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据。CFD 最早运用于汽车制造业、航天事业及核工业 ,解决空气动力学中的流体力学问题。 CFD 计算相对于实验研究 ,具有成本低、速度快、资料完备、可以模拟真实及理想条件等优点 ,从而使 CFD 成为研究各种流体现象 ,设计、操作和研究各种流动系统和流动过程的有利工具。 20 世纪 60 年代末 ,CFD 技术已经在流体力学各相关行业得到了广泛的应用 , 化学工程的模拟计算始于 20 世纪 90 年代后期 , 如今 CFD 已经成为研究化工领域中流体流动和传质的重要工具。CFD 可以用于各种化工装置的模拟、分析及预测 ,如模拟搅拌槽混合设备的设计、放大 ; 可以预测流体流动过程中的传质、传热 , 如模拟加热器中的传热效果 ,蒸馏塔中的两相传质流动状态 ; 可以描述化学反应及反应速率 ,进行反应器模拟 ,如模拟出燃烧反应器、生化反应器中的反应速率 ; 还可有效模拟分离、过滤及干燥等设备及装置内流体的流动。CFD 基本原理及常用工具CFD 是以动量、能量、质量守恒方程为基础 , 用数值计算方法直接求解流动主控方程 ( Navier 2 Stokes方程) 以发现各种流动现象规律。CFD 计算方法主要有 3 种 : 差分法、有限元法、有限体积法。CFD 是多领域交叉的学科 , 涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何学、数值分析等学科。 CFD 模拟的目的是作出预测和获得信息 , 以达到对流体流动的更好控制。理论的预测出自数学模型的结果 ,而不是出自一个实际的物理模型的结果。数学模型主要是由一组微分方程组成 , 这些方程的解就是 CFD 模拟的结果。CFD 软件是用来进行流场分析、计算、预测的专用工具 ,对大多数人来说 ,不必要掌握流体力学微分方程的求解以及对计算流体力学的深入研究 , 但在工作中又需要对某些具体的流动过程进行分析、计算和研究 ,由此计算准确、界面友好、使用简单 ,又能解决问题的大型商业 CFD 软件应运而生。CFD 软件一般包括 3 个主要部分 : 前处理器、解算器、后处理器。常见的 CFD 软件有 : FLUENT、 PHOENICS、CFX、 STAR - CD 、 FIDAP 等。其中 FLUENT 由美国FLUENT 公司于 1983 年推出的 ,于 1998 年进入中国市场 ,据报道在同类软件中 , 其世界市场占有率为40 % ,是目前功能最全面、适用性最广、应用最广的软件之一。计算采用有限体积方法 , 包含有结构化及非结构化网格 2 个版本。速度与压力耦和采用同位网格上的 SIMPLEC 算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及 QUICK 等格式。它的湍流模型包括 k - 模型、 Reynolds 应力模型、 LES 模型、相变模型、离散相模型、多相模型、标准壁面函数等。在搅拌槽中的应用搅拌槽由于其内部流动的复杂性 , 搅拌混合目前尚未形成完善的理论体系 , 对搅拌槽等混合设备的放大设计 ,经验成分往往多于理论计算。在工业实际中 ,特别是快速反应体系或高黏度非牛顿物系 ,工业规模的反应器存在不同程度的非均匀性 , 随着规模的增大 ,这种不均匀性更加严重 ,经验放大设计方法的可靠性受到前所未有的挑战 , 因此对搅拌槽内部流场有必要进行更深入的研究。自从 Harvey等用计算机对搅拌槽内的流场进行二维模拟以来 ,近年来利用 CFD 的方法研究搅拌槽内的流场发展很快 ,利用这种方法不仅可以节省大量的研究经费 ,而且还可以获得通过实验手段所不能得到的数据。Sun 等利用 CFD 的 k - Ap 湍流模型对搅拌槽中的气液两相流动进行了三维模拟 , 通过与实验结果比较发现 ,CFD 数值模拟能很好地预测搅拌器上部的气体分布 , 但是对搅拌器底部的区域的模拟效果不好。 Javed 等利用 CFD 软件 Fluent 对有 6片挡板 Rushton 型涡轮的搅拌槽湍流混合进行了三维的时间相关的数值预测并与实验数据进行了比较 ,结果表明搅拌叶轮上下区域的平均速域的计算值和实验数据一致 , 但是湍动能的计算值和实验结果还有一定的差别。 Wang 等以欧拉- 欧拉方法为基础 ,采用 k -湍流模型对搅拌槽中液- 液- 固三相体系各相的流场分布进行了 CFD 数值模拟 , 结果表明固体颗粒对液液两相分布有很大的影响 , 液相分布与实验结果吻合较好 , 固相分布结果与实验数据还存在一些差异 , 但是随在叶轮转速的增加也趋向一致。网格的选择和离散方法对 CFD 模拟搅拌槽流场分布的精确度有重要影响。 Deglon 等 5 以旋转叶轮多参考系模型和标准 k -湍流模型为基础 ,通过CFD 模拟搅拌槽的流场研究了网格的选择和离散方法对模拟搅拌槽湍流流场分布精确度的影响 , 得到这样的结论 : 选择合适的网格和离散方法对流场和平均速度的模拟精度影响不大 , 而对各种力和湍动能模拟精度影响很大 , 需要选择好的网格和高阶矩离散方法。 Bujalski 等 6 用多重参照系法模拟了带有 2 个涡轮桨的搅拌式反应器中示踪子的分布情况 ,再以此计算了混合时间 ,该方法能准确模拟速度域 ,并且在示踪子悬浮情况的模拟上比滑动网格法得到的结果更接近实验数据。CFD 和数字粒子图像测速仪 (DPIV) 相结合 , 可以更深入地研究搅拌装置。 DPIV 测量数据可以验证 CFD 计算结果 , 并且使用 DPIV 测定特定点的速度也可作为 CFD 计算的边界条件。此外多普勒激光测速仪 (LDV) 与 CFD 结合 ,也被用于研究搅拌。虽然 CFD 已成为搅拌混合过程研究中不可缺少的工具 ,但有些方面仍存在缺陷 ,如搅拌桨附近流动情况特别是湍动能和湍动能耗散率的模拟还不尽人意,这主要是由湍流模型本身的缺陷引起的 ,可以通过修正湍流模型和进一步改进模型来弥补这方面的缺陷。在换热器中的应用：换热设备在化学工程中被广泛使用 ,详细、准确地预测壳程的流动、传热特性对设计经济和可靠的换热器以及评价现有管壳式换热器的性能对工业应用十分重要。针对管壳式换热器几何结构复杂 , 流动和传热的影响因素很多等特点 , 运用 CFD 对管壳式换热器的壳侧流场进行计算机模拟 , 可以对其他方法难以掌握的壳侧瞬态的温度场和速度场有所了解 ,利于换热器的机理分析和结构优化。国外学者对换热器内流体流动的 CFD 模拟进行了一些研究。熊智强等利用 CFD 技术对管壳式换热器弓形折流板附近流场进行了数值模拟 , 发现在弓形折流板背面 ,有部分区域的流速较低 ,一定程度上存在着流动死区 ,采用在弓形折流板上开孔的方法后 ,CFD 计算结果显示其传热效率提高了 514 % ,壳侧压降减小了 713 % 。邓斌等应用体积多孔度、表面渗透度和分布阻力方法建立了适用于准连续介质的 N- S修正控制方程。用改进的 k - 模型考虑管束对湍流的产生和耗散的影响 , 用壁面函数法处理壳壁和折流板的壁面效应 , 对一管壳式换热器的壳侧湍流流动与换热进行了三维计算流体力学数值模拟 , 证明了该方法能更有效地模拟管壳式换热器壳侧的流动特性 ,压降实验数据和计算结果符合较好。夏永放等应用 CFD 和数值传热学方法 , 对间接蒸发冷却器内流体流动与热质交换过程三维数值模拟 , 采用交错网格离散化非线性控制方程组 , 编制了三维SIMPLE 算法程序 ,计算出间接蒸发冷却器内的速度场、温度场及浓度场 , 分析内部流动状态和热力分布 ,计算所得压力梯度与实验测得的数据吻合得较好结论：通过这次论文，使我对力学在工程中的应用有了更深的了解，也知道了力学在工业上的重要地位。参考文献1王腾 材料力学在工程中的应用2黄永春，唐 军,谢清若，马月飞计算流体力学在化学工程中的应用学院：信息电子技术学院专业班级：电气类十班姓名： 孟泽林学号： 13109941032