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固体力学研究方向范文1
关键词:高速列车; 集电部; 导流罩; 气动噪声; 数值模拟; FLUENT
中图分类号:U270.1; U260.16; TB115
文献标志码:A
Numerical simulation on aerodynamic noise of
power collection equipment for high-speed trains
YANG Fan, ZHENG Bailin, HE Pengfei
(Institute of Applied Mechanics, Tongji Univ., Shanghai 200092, China)
Abstract: As to the issues that the aerodynamic noise produced by the power collection equipment of high-speed trains becomes significant as the speed increase of railway, a current-guide cover is introduced into the power collection equipment, and the flow field and the aerodynamic noise of the power collection equipment are numerically simulated and analyzed using FLUENT. The flow field is calculated by the steady-state Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) method and the boundary layer noise source model is selected for the acoustic model. The computational results indicate that the design of the current-guide cover is very important. A good design can make it well lead the airflow and decrease the aerodynamic noise produced by the power collection equipment.
Key words: high-speed train; power collection equipment; current-guide cover; aerodynamic noise; numerical simulation; FLUENT
な崭迦掌:2009-06-23 修回日期:2009-09-13
作者简介: 杨 帆(1984―),男,吉林长春人,硕士研究生,研究方向为固体力学,(E-mail);
郑百林(1966―),男,陕西岐山人,教授, 博士, 研究方向为复合材料力学与数值模拟,(E-mail)0 引 言
2007年4月18日,中国铁路进行第6次大提速,提速后的列车运行时速达200 km,部分区段时速达到250 km;2008年4月18日,举世瞩目的京沪高速铁路全线开工建设,这是目前世界上线路最长、标准最高的高速铁路项目;2008年8月1日,时速350 km的京津城际铁路开通运营,中国铁路从此开启“风时代”.随着列车速度的提升,噪声污染问题愈加突出,集电部的空气动力噪声增长迅速,远高于其他噪声增长幅度,这是因为空气动力噪声与速度的6次方成正比,而其他噪声与速度的2次方或3次方成正比.[1]噪声既是影响列车舒适性的重要指标,也是环境污染的重要公害之一,随着我国铁路的飞速发展,对高速列车气动噪声的研究将变得更有意义.
气动噪声的数值模拟始于20世纪90年代,虽然起步较晚,但随着计算流体力学的迅速发展而取得许多进展.国内很多学者采用数值模拟的方法计算车辆周围瞬态流场,通过计算流场的瞬态压力直接计算气动噪声[2-3]或者导入声学软件中进行求解[4].然而,对于比较复杂的模型,计算瞬态流场存在一定困难,网格质量要求较高,计算时间过长.稳态雷诺平均纳维斯托克斯(Reynolds Averaged Navier-Strokes,RANS)方法[5]
相对于瞬态方法的优势就在于其对网格质量要求并不高,而且计算时间也在可承受的范围内,计算结果具有一定的工程
固体力学研究方向范文2
关键词:裂隙岩体;注浆;扩散理论;注浆参数
中图分类号:TD743文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0188-02
一、概述
由于裂隙岩体内部构造的复杂性和多变性,给注浆理论研究带来了很大的困难。浆液在裂隙岩体中的流动规律、扩散范围、浆液扩散压力以及注浆加固体强度和变形特征等与裂隙岩体几何形状、空间分布特征和空隙度特性等有密切的关系。
目前,人们研究浆液在构造面中流动和在孔隙中渗透扩散时均把浆液简化为与时间无关的牛顿流体,而绝大部分浆液属非牛顿流体的时变性宾汉姆流体,这就导致了注浆过程中的理论计算与实际相差太大。
在裂隙岩体中注浆,是长期以来尚未解决的技术难题。研究宾汉姆流体在裂隙岩体中渗透扩散过程 (运移规律)及渗流机理对注浆加固工程的设计和注浆效果预测等有重大的理论指导意义。
二、研究现状及存在的问题
(一)研究现状
随着注浆实践发展,目前已发展的注浆理论有渗透注浆理论、劈裂注浆、压密注浆、电动化学注浆、低渗透介质注浆理论。但由于浆体运动是隐蔽于地下复杂性的地基构造中,且缝隙分布又难于模拟,因而理论方面的研究相对滞后于实践。
注浆理论是借助于流体力学和固体力学的理论发展而来的,对浆液的单一流动形式进行分析,建立压力、流量、扩散半径、注浆时间之间的关系。传统的注浆工艺是以“渗入性理论”为基础,注浆时只采用相对较低的注浆压力,使浆液在孔隙或缝隙中扩散时不致破坏岩土的原有结构。
渗透注浆是指在压力作用下使浆液充填土的孔隙和岩石的裂隙,排挤出孔隙中存在的自由水和气体,而基本上不改变原状土的结构和体积 (砂性土注浆的结构原理),所用注浆压力相对较小。代表性的注浆理论有球形扩散理论、柱形扩散理论和袖套管法理论。
球形扩散理论虽然考虑了浆液性质随时间变化对渗透规律的影响,但仍然把浆液简化为了牛顿流体,这也正是他们的不足之处。
柱形扩散理论和袖套管法理论研究中,仍然把浆液简化为了牛顿流体,没有考虑浆液性质随时间变化对渗透规律的影响。
查阅国内外大量文献资料发现,在目前的渗透注浆理论研究中,人们多是把浆液简化为牛顿流体,而且没考虑浆液的时变性,没有任何一个公式能真正准确地反映出浆液在多孔介质中的渗流规律,这些公式各自存在着某些缺陷,甚至与实际之间相差很大,公式的结论多为指导性的,因此,大多数注浆工程报导或论文中,只介绍注浆工艺过程和注浆效果,很少进行注浆理论的分析研究。因缺乏完善的理论指导,影响了注浆效果和技术经济指标的提高,造成人力物力的许多浪费。
(二)存在的问题
1.大多浆液为非牛顿流体,而目前的理论研究中均简化为牛顿流体。
2.在注浆过程中,浆液的性质随时间而变化,而目前的理论研究中视浆液的性质与时间无关。
目前,人们研究浆液在构造面中流动和在孔隙中渗透扩散时均把浆液简化为牛顿流体且与时间无关,而绝大部分浆液属非牛顿流体的宾汉姆流体,且具有时变性,这就导致了注浆过程中的理论计算与实际相差太大,甚至是荒谬的。理论研究落后于工程实际需求,尚需进行研究的方面有:浆液流体力学及其本构方程、浆液在多孔松散介质中的渗透扩散规律、多孔松散介质的渗透力学模型、多孔松散介质的空隙度特征、浆液的充填机理、注浆加固的力学作用、注浆基本理论与观念、注浆工艺等。
3.注浆设计随意性太大,注浆效果难以估计。注浆方法主要是压入法,浆液在压力差的作用下从注浆孔向岩体裂隙内扩散,其扩散距离 (常称为扩散半径)决定着注浆孔的布置和浆液消耗量,也是选择工艺参数、评价注浆效果的重要依据。但浆液在裂隙岩体内的扩散过程是隐藏的,目前还不可能在施工中对这一过程进行监测,这样,浆液的扩散距离只能靠理论或经验公式计算。而现有的计算浆液扩散距离的理论公式还远未成熟,实用价值有限,经验公式又往往是针对某些特定浆液 (主要是化学浆液)总结的,不具有普遍意义。因此,目前在裂隙岩体中注浆还没有可靠的预先确定浆液扩散距离的方法。
由于这一理论缺陷,给裂隙岩体注浆带来了如下问题:(1)注浆工程的投资和效果难以预计。当工程目的明确、场地条件清楚时,由于浆液的扩散距离不能预先准确确定,钻孔数量和材料消耗量的预算便没有依据。如果凭经验或工程类比法确定了钻孔数量和材料消耗量,则在这些工程量完成之后所能取得的效果又难以准确预计 (如注浆帷幕是否已形成要求的封闭条件),这样,在方案论证阶段,难以将注浆法与别的方法作对比。由于这一原因,注浆法的应用受到了一定程度的负面影响。国内矿山帷幕截流技术的推广中便遇到了这一问题,国外有些水利工程的业主也是因为这一原因而不愿进行坝基注浆。(2)确定孔距、浆液配比和注浆压力时的随意性太大。许多工程都需要通过多孔注浆,且要求注入的浆液能形成连续、稳定的胶结体。这时注浆孔的距离必须依浆液的扩散距离而定。当地质条件一定时,浆液的扩散距离又主要取决于浆液的性质和注浆的工艺参数。因此,孔距应该根据所选用的浆液在允许压力和时间内可能达到的扩散距离来确定。但在目前的注浆设计和施工中,注浆孔距和注浆材料都主要是凭经验确定的,这样便很可能因孔距太大或太小而出现工程质量问题或投资上的浪费。
三、结论
1.部分学者已验证了裂隙岩体结构面的分布具有统计意义上的自相似性,因此,裂隙岩体结构面分布应具有分形特征,并可计算出其分维数。
2.岩体的分维数可以反映出岩体的破碎程度、节理发育程度、可灌性。而裂隙岩体的这些特征又严重影响着注浆扩散规律及注浆效果,因此可以尝试将分形理论应用于注浆工程,用裂隙岩体结构面的分维数来定性的确定注浆参数。
3.工程岩体往往被节理和结构面所切割形成明显的节理岩体,具有明显的不连续性,用离散单元法可以得到较好的处理,因此,可以将分形理论与离散元方法相结合,模拟出浆液在裂隙中扩散的真实情况。
参考文献
[1]葛家良.注浆技术的现状与发展趋势[J].矿业世界,1995,(1).
[2]杨米加.注浆理论的研究现状及发展方向[J].岩石力学与工程学报,2001,(6).
[3]李长洪.碎裂岩体注浆理论及应用研究[D].北京科技大学,1999.
[4]谢和平.分形―岩石力学导论[M].北京:科学出版社,1997.
[5]徐光黎.岩石结构面几何特征的分形与分维[J].水文地质工程地质,1993,(2).
[6]丁多文.岩体结构分形及应用研究[J].岩土力学,1993,14 (3).
固体力学研究方向范文3
从北京黄庄小区到中科院力学所，这条从家到单位的路，他一走就走了56年。而今，虽已米寿之年，只要身体状况好，他依旧会步行上班。
在中科院力学所，也许你会经常看见这位准点到三楼上班的忙碌身影。他，就是中国爆炸力学的奠基人与开拓者之一的郑哲敏。
从顽童到负笈少年
1960年，中科院力学所，一个小型爆炸成形实验正在进行。科研人员屏息静气，只听“砰”的一声，一块5厘米长宽，几毫米厚的铁板被单发雷管炸成一个小碗。大家欢呼雀跃。所长钱学森兴奋不已，拿着小碗给大家看：“可不要小看这个碗，我们将来卫星上天就靠它了。”
随之，在中国，一个新兴的专业就此诞生，钱学森起名为“爆炸力学”。其创始人便是钱学森的得意门生郑哲敏。
与爆炸力学结缘，并非刻意的人生规划。“我从过去走到现在，并没有什么清晰的路线。但有一点是确定的，那就是富国强民的愿望。”
冥冥之中，郑哲敏与力学似乎也有不解的缘分。郑哲敏出生于商人家庭，因为父亲在山东经营亨得利钟表，他小时候就喜欢拆表拆钟，摆弄各种光学仪器。
在郑企静童年的记忆中，二哥郑哲敏是一个活泼甚至有点淘气的顽童，并非一天到晚死读书，而是兴趣广泛，爱好音乐，最喜欢吹口琴、唱京剧。“他在家排行老三，点子多，是我们的领头人，一到冬天，他打来井水，撒在自家院子结成薄冰，他领着兄弟姐妹在‘人工冰场’溜冰，好开心。”
8岁那年，父亲与郑哲敏聊天，语重心长说道：“你长大以后不要像我一样做生意，要念书做学问。”他还教导郑哲敏，做人要诚实、实在，要凭实力。在父亲影响下，郑哲敏兄妹也都一生刚正不阿，一心向学，并学有所成。
1938年，郑哲敏读中学。期间因身体不好休学在家，父亲让他看《家书》。他学到了很多做人的道理，确立了做人的底线。家里还请老师教他学英语。郑哲敏自学了英文原版的欧几里得，书中严密的逻辑推理给郑哲敏很大的影响。他自此就迷上了数学、物理，并由此进入到科学的殿堂。“打那以后，成绩就好了，学习也很轻松。”
童年，有美好的记忆，也烙下了历史的阴影。日本侵华后，郑哲敏一家都生活在频繁轰炸的恐怖中。一次郑哲敏在路上捡子弹壳，突然遭到一个拿步枪的日本兵的追赶，他吓得一路狂奔逃命。从此，这一幕就成为他经常出现的梦魇。初中填报志愿时，郑哲敏就立下两个志愿：一是当飞行员，打日本鬼子；二是当工程师，实业救国。
1943年，郑哲敏中学毕业后考入西南联大电机系。郑哲敏有幸见到了梅贻琦等知名教授。虽然没有亲聆教诲，却受到潜移默化的影响。例如梅贻琦走路从不抄近路，按规矩办事，遵守纪律；联大有各种各样的集会，大家各唱各的调，科学和民主气氛很活跃；老师教书认真负责，一板一眼。“这些大师，在心中是一种榜样标志，一种人格的代表。”郑哲敏回忆道。
抗战胜利后，西南联大回迁，郑哲敏在北平（北京）清华大学机械系学习。毕业后，便留校做钱伟长教授的助教。1948年，经四级选拔，同时在梅贻琦、陈福田、钱伟长、李辑祥等人的推荐下，郑哲敏脱颖而出成为全国唯一的一名“国际扶轮社国际奖学金”获得者，赴美学习。
钱伟长为他写了留学推荐信：“郑哲敏是几个班里我最好的学生之一。他不仅天资聪颖、思路开阔、富于创新，而且工作努力，尽职尽责。他已接受了工程科学领域的实际和理论训练。给他几年更高层次的深造，他将成为应用科学领域的出色科学工作者。”
23岁的郑哲敏，背起行囊，负笈留学。他来到美国加州理工学院，师从钱学森先生，攻读博士学位，郑哲敏有机会聆听许多世界著名学者的课程或报告，尤其受钱学森所代表的近代应用力学学派影响很深：着眼重大的实际问题，强调严格推理、表述清晰、创新理论，进而开辟新的技术和工业。这也成为郑哲敏后来一生坚持的研究方向和治学风格。
他还接受冯卡门、钱学森等应用力学学派的思想精髓：应用自然科学的基础理论，探索工程基本规律，形成工程理论，进而产生新技术解决工程难题。
后，美国移民局取消了对一批留学生不得离境的限制，郑哲敏成为首批回国的留学生。离美之前，恩师钱学森为他送行。他请教：回国后干什么？钱先生说，国家需要做什么，你就做什么。不一定是尖端的，哪怕是测量管道水的流动也可以做。
1954年9月26日，郑哲敏从纽约乘船离美，途经欧洲辗转近5个月，于次年回到了阔别6年半的祖国。
半个世纪后，总有人问他“当时为什么回来？后悔过吗？”在郑哲敏看来，这不是个问题：“没有想过不回来。这是长在骨子里的东西。虽然美国物质生活很好，但感觉像浮萍，没有根的感觉。”
没见过雷管的书生到爆炸力学专家
爆炸的机理就是能量的快速释放和有效的控制。爆炸现象在自然和人类历史中经常出现，如宇宙大爆炸、战争轰炸等。爆炸力学就是研究爆炸能量的传播规律、力学效应及其控制方法与定量应用。在高速冲击和爆炸荷载作用下，固体材料流体化，有了新的材料特性，既是固体又是流体，既非固体也非流体。描述介质的新特性，传统的固体流体力学方程不够用了，郑哲敏花费近三年时间，深入研究爆炸力学新的理论，阐明基本规律。
爆破成形的小碗，就是最早的实验模型。在这之前，郑哲敏是连雷管都没见过的书生，但他心中一直谨记并践行着老师的话--“祖国的需要就是我的专业”，白手起家，着手研究。上个世纪60年代，利用爆炸成形研究，郑哲敏团队成功制造出高精度卫星火箭部件。
郑哲敏还接受判断地下强爆效应的科研任务，建立了流体弹塑性理论。该模型将爆炸及冲击荷载作用下介质的流体、固体特性及运动规律用统一的方程表述，堪称爆炸力学的学科标志，可准确预测地下强爆炸试验压力衰减规律。他和同事在山沟沟一干就是几年，为该项研究工作理论计算和数字模拟做出了开创性的工作。
1969年前后，郑哲敏和研究集体花了近10年时间进行穿破甲机理的研究，拓展了流体弹塑性理论，他提出用子弹打钢板的办法研究炮弹打装甲的规律，通过准确计算，能够让武器在精确的规定距离里打透相应厚度的装甲。
郑哲敏还在爆炸焊接理论和应用研究中，揭示了爆炸焊接机理，奠定了爆炸加工工艺的基础。产业部门就此开发出新工艺，形成中国人自己的技术。数十年后中国是全世界最大的爆炸加工国家，成为爆炸加工产品的出口国。
上世纪80年代，国家急需港口建设，又有产业部门找上门来。建港首先需要处理构筑防波堤下的海底淤泥层，如用挖泥船，需要挖泥、填石两步工序，不仅工期长，耗资大，而且形成回淤导致不安全。
郑哲敏提出：用炸药爆炸扰动淤泥，降低淤泥强度，堆石体靠自重作用下滑。这样，排淤和推填石料同时进行，提高了效率，工艺简单，工期缩短1/3，节约成本1/4。爆炸处理水下软基技术纳入国家规范，目前已经能够处理厚度30米以上的淤泥，成为无可替代的技术。
近些年来，郑哲敏还将爆炸力学研究应用于煤与瓦斯突出机理、纳米压痕标度、三峡三期围堰爆炸拆除等。
1956年至2004年的半个世纪，郑哲敏一直是我国力学学科的组织者和领导者。他长期主持力学学科发展规划的制定，倡导建立了多个新的力学分支学科，他提出的流体弹塑性理论，是当今爆炸力学的基本模型。（来源：中国科技网）
固体力学研究方向范文4
关键字：流固耦合；滑动轴承；耦合算法
Abstract: this article introduces the high-speed bearing bush-oil-shaft neck fluid-structure coupling heat-transfer systems. This paper research the new progress of the results.
Key word: fluid-solid coupling; Sliding bearing; Coupled algorithm
中图分类号：B025.4 文献标识码：A 文章编号：
1流固耦合的算法进展
流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，从获得的文献来看，它在算法方面的研究从很早就开始了，发展也比较迅速和成熟，目前已经形成了一些主流算法。
流体-结构耦合数值研究方法，其模型经历了由简单到复杂、从解耦到弱耦合（或松耦合）再发展到强耦合这样一个过程。根据这一发展过程大致把算法分为三类：古典积分算法、交错积分耦合法和整体积分方法。其中古典积分算法现在已经基本淘汰。交错积分耦合法和整体积分法发展还比较迅速。交错积分耦合法和整体积分法都是双向的耦合方法，可以考虑流体和结构的各种非线性因素，也可预测到极限环振荡现象。两者的差别主要是时间积分推进是否同步。
1.1交错积分耦合法的进展
Charbel Farhat等人提出的CSS（Conventional Serial Staggered）法起步较早，发展也比较成熟。这种方法能充分利用计算流体动力学和计算结构动力学的方法和程序，只做少量的修改，从而保持程序的模块化。但是它有一个缺点至今仍未克服，就是流体、结构的时间推进积分总是存在时间滞后，耦合见面上的能量不能保持守恒，无法满足动平衡。这个缺点一直制约着CSS方法的发展。
S．Piperno提出的带预估和预估迭代交错法应用较为广泛，发展比较快。它克服了CSS方法的缺点，提高了算法的精度和稳定性，引入了流体积分的子循环方法可使积分过程中采用不同的时间步长，节省了CPU时间及I/O文件传递。
1.2 整体积分法的进展
整体积分法的发展起步比较晚，但是发展迅速。不同于交错积分耦合法，这种方法的时间积分完全同步，且不存在时间滞后和能量不守恒现象，因此是一种具有相当吸引力的完全的强耦合方法。它把流体和结构看作通过耦合界面的单一连续介质，用单一的算子来描述控制方程。但是这种算法发展还很不成熟，应用不是十分广泛，但是我们有理由相信，不久的将来这种最出色的算法会得到广泛的应用和研究。
从获得的文献资料来看，由于欧美等发达国家的国防、航空航天领域发展的需要，国外在流固耦合算法上的研究比较活跃；相比较而言，国内这方面的研究开展的较晚，涉及人员较少，不过还是取得了一些成果。
2高速滑动轴承流固耦合的进展
就目前来说，对滑动轴承做流固耦合的想法还比较新，查看所获得的有关文献，关于轴承方面的流固耦合主要是转子和轴承之间动力性和稳定性的耦合分析，关于轴承轴瓦-轴颈系统的热耦合比较少。在热耦合方面主要取得的进展有在灵敏度分析和流固耦合传热模拟方面的进展。
找了一些文献，加上自己对轴承模型的理解，总结如下：
2.1简述
首先来谈谈介质的问题。根据Reynolds方程和能量方程，轴承的温升与轴承采用介质的黏度有关，因此，采用低黏度的介质―水，是解决轴承热变形的一条途径。接下来是模型问题。轴承可以有不加腔的模型，还可以有加腔的模型，最真实最有效的模型就是轴承加深浅腔的模型，有两腔、三腔、四腔等结构。最后，为了分析模型的网格数量、类型以及模型对称性边界条件对CFD模拟分析结果的影响，一般的轴承模型都做了灵敏度分析。
2.2模型假设及控制方程
查文献可知，高速滑动轴承由于模型过于复杂，因此要对模型进行适当的假设：1、介质为水，不可压缩流体，黏度不随剪切速率、温度变化；2、考虑介质的黏性生成热以及轴承介质与轴瓦、轴颈之间的传热；3、工作环境压力101kpa；4、由于轴颈转速较高，考虑介质惯性作用；4、入口处压力、流速恒定。
目前使用的控制方程依旧是质量连续性方程、N-S方程、能量方程。形成了经典的控制理论。
介质水在油腔内的流动为不可压缩流动，根据流体力学基本方程组，得到平面定常粘性流体的质量连续性方程为：
运动微分方程，即N-S方程
能量方程：
2.3灵敏度分析
大部分的轴承都对网格的类型、数量及模型对称性进行了灵敏度分析。网格的类型有六面体网格、楔形网格等。不同的网格类型可能会得出不同的结果；众所周知，网格数量越多，网格越精密，所得到的结果就越好，但是网格数量的增多必然使计算时间变长，本人曾用了一个简单的轴承模型进行计算，2万数量的网格10分钟就算好了，而90万的网格要算一个下午加一个晚上，因此合理选择网格数量也很重要；选择1/2轴承宽度作为对称进行分析，也能取得较好的效果，而且能大大减少计算时间。
2.4深浅腔轴承压力模拟及研究成果
目前的轴承压力分析主要是对轴颈、轴瓦和油膜三者之间进行了流固耦合，再使用相应的求解器，设置相应的边界条件就可以得出相应的分析结果。
深浅腔的压力模拟的主要研究成果有：沿轴向从油腔到封油面再到轴承边缘，油膜压力逐渐减小；最高压力一般出现在浅腔和周向封油面结合处，因此处有形成动压的趋势，同时深腔和浅腔的结合处压力也较高；在相同的供油压力下，随着轴颈转速的提高，油膜压力相应增加，但同时也增大了油膜发生破裂的概率，油膜发生破裂后，随着转速的增大，破裂区相应增大；对应的，轴颈转速不变时，随着供油压力的降低，油膜发生破裂的概率增大，破裂发生后，随着供油压力的降低，破裂区域增大。
2.5流固耦合热模拟及研究成果
依然使用流固耦合模型，对热耦合的研究成果有：油膜周向封油面和深腔远离进油口区域的温度较高，由于进油口低温油的冷却作用，浅腔区域的温度较低；由于轴瓦静止不动，介质对轴瓦的冷却效果明显，由于轴颈的高速运动，截面温度保持恒定，温度值取决于表面处的介质温度。
参考文献
【1】蒋兴奇，马家驹，赵联春。高速精密角接触球轴承热分析[J].轴承，2000（8）。
【2】张建斌，池长青。浅腔阶梯液体动静压混合轴承温度场分析[J].北京航空航天大学学报，1997,23（3）。
固体力学研究方向范文5
关键词：煤泥水沉降；混凝沉淀；磁种絮凝
引 言
煤泥水处理不好会造成水资源浪费和环境污染。而且会对选煤厂正常的生产作业造成影响。可以说，煤泥水治理是选煤厂正常生产作业的关键问题之一。
煤泥水处理在选煤厂中变得越来越重要，由于大量极细颗粒的存在，使得煤泥水处理起来十分困难。虽然随着高效絮凝剂、工艺流程及设备的不断开发和改进使这一现象已有所改观，但并没有从根本上消除煤泥水对选煤厂正常生产造成的影响。因此，进一步研究新型的煤泥水处理技术在实际生产应用中是势在必行的。
传统上煤泥水的处理方法有混凝沉淀法、电化学法、磁处理法等。然而，在环境工程上，工业废水中没有磁性的污染物可用磁处理法除去，即用磁性物(即磁种)来吸附它们，然后再用磁场处理，达到废水处理的目的。因此，研究磁种絮凝分离技术处理煤泥水的工艺，探究该方法处理煤泥水的优势，不仅为解决当前很多选煤厂存在的煤泥水处理不达标的问题，实现选煤厂煤泥水循环利用和提高精煤质量具有重要的现实意义，而且该研究填补了磁种絮凝工艺在煤泥水处理中的理论空白。
1. 煤泥水概况
1.1 煤泥水的产生
目前，在我国煤炭是主要能源，占一次能源的70%左右，在未来相当长的时间内，煤炭在我国能源结构中的主体地位不会改变。
湿法选煤需要大量的水，原煤在水中经分级、脱泥、精选、脱水等作业后分选出产品，大量粒度小于0.5 mm的颗粒残留在水中形成煤泥水。
煤泥水有两种，一种是煤质较好的原煤洗选所产生的洗煤废水，这类废水所含的颗粒粒度较大，浓度较低，处理相对比较容易。另一种是高泥质原煤洗选所产生的洗煤废水，这类废水悬浮物浓度高，颗粒细小，且表面带有较强的负电荷，是一种稳定的胶体体系，难于处理。我国有相当数量的原煤是年轻煤种，属于高泥质化原煤，洗选所产生的洗煤废水浓度高，处理难度大。
1.2 煤泥水的特点
煤泥水是一种复杂的多分散体系，它由一些粒度、形状、密度、岩相等不同的颗粒，以不同比例混合而成。煤泥的成分很复杂，各选煤厂煤泥的矿物组成以及岩相特征都不一样。
煤泥水主要表现为悬浮液的性质，它的沉降性不仅受固相煤泥的影响，还受液相水的影响。在固相煤泥性质中，煤泥的粒度及灰分对絮凝、沉降性质影响最大；而煤泥的矿物组成较为复杂，随产地、煤种不同而不同，主要有石英、方解石、粘土和黄铁矿等，对煤泥水的处理及产品的脱水影响较大的是粘土矿物。由于粘土矿物遇水极易泥化且粒度微细,大大增加了煤泥水中细粒级的含量，这些微细颗粒物本身难以沉降而且还使煤泥水的粘度大大增加。因此粘土类矿物含量越高，意味着煤泥水处理越困难。
1.3 煤泥水的危害
随着选煤机械化程度的提高，细粒煤所占的比重越来越大。同时，对选煤产品的要求愈加严格、选煤工艺的愈加复杂、选煤厂的大型化愈加明显，以及水资源的愈加珍贵和环境保护标准的愈加苛刻，煤泥水处理已经变成了整个选煤工艺中涉及面最广、投资最大、最复杂、最难管理的工艺环节。它的完善程度、管理水平及效果好坏反过来又对其他环节产生很大影响，甚至决定全厂的经济指标、技术效果和社会效益。
2 .煤泥水处理技术现状
目前，国内外对处理煤泥水的研究主要有混凝沉淀法，电化学法，磁处理法等。
2.1 混凝沉淀法
基本原理是煤泥水的“稳定性”与胶体的ζ电位间存在一定依存关系，如果在煤泥水中加入混凝剂降低ζ电位，则“稳定性”被破坏，颗粒可沉降。通过向煤泥水中加入各种混凝剂，使分散颗粒与溶解态絮凝剂间产生固-液相间的化学吸附、电中和脱稳以及粘结架桥作用，同时在流体力学作用下进行强化脱稳、颗粒间碰撞结合，从而形成大的絮团颗粒而迅速沉降，达到加速煤泥水澄清的目的。
煤泥水中普遍使用的絮凝剂是PAM，借助其“桥联”作用促使颗粒形成絮团，加速沉降。PAM的加入可提高煤泥颗粒的沉降速度，形成较密实的固体沉淀物，但所得表层液浑浊，透光率低，表明其中仍有许多细泥颗粒未能沉降。这主要由于是细泥表面带有较强的负电荷，静电斥力阻碍了药剂与颗粒表面的作用。实际生产中,表层液要用作循环水，其浓度过高对分选设备的效率、精煤产品的质量等都将产生不利影响,严重时甚至导致全厂停产。
2.2 电化学法
研究表明，煤粒表面带负电荷。这些电荷基本上集中在胶体部分，虽然电荷量很小，但正是这些电荷决定了细粒煤的一系列电化学特性。这些电化学特性对煤泥的电化学脱水有直接的影响。在中性水中煤浆表面带负电荷。溶液中的金属阳离子M+作为反离子进入扩散层和固定层形成双电层。向溶液中加入Al3+后，Al3+强烈的电性作用甚至可交换固定层中的M+，使表面正电荷过剩，即Stern层显正电性质。此时，阴离子反而成为反离子，形成新的扩散双电层，表面热力学电势φ虽无变化，但φ和电动电势ζ先减小，后改变符号。
固体力学研究方向范文6
关键词 ：道路绿化；绿化型式；自然通风；计算流体力学；仿真分析
中图分类号： TU024；X7
文献标识码：A
文章编号：1671-2641（2012）06-0000-00
近年来，随着CFD（计算流体力学）技术的长足进步，计算机仿真模拟设计不仅在绿色建筑和城市规划领域得到了极大的应用和普及，还从室内走向了建筑外环境。一些研究者开始尝试在不同绿化型式对于室外热环境和风环境的影响方面开展数值模拟研究比较[1]。但是，由于植物自身具有的流动性冠层、蒸腾介导热质传递等特性，用对于计算机模拟绿化植物的流体环境计算机模拟仍面临着是个难题，制约了CFD技术在定量预测绿化对于通风环境和热环境的影响方面的发展[2]。本文通过建立绿化植物的三维冠层模拟方法，结合植物冠层分析技术，建立绿化植物多孔介质模型，模拟研究了两种绿化型式对广州城市道路自然通风环境的不同影响。在此基础上，与现场测试结果进行拟合度验证，以期帮助定量化评价、优化道路绿化设计，进而为改善城市自然通风环境和建设生态城市提供技术支撑。
1研究方法
1.1样地概况：
测试的道路绿地斑块位于广州市海珠区的南洲路（E113°19′， N22°47′），测试路段为东西走向，道路绿化植物种类简单，长势良好。绿化型式分为两种：一种为纯行道树绿化，乔木层种类为非洲桃花心木（Khaya senegalensis）；另一种型式为行道树
基金/项目： 国家星火计划项目（No.2011GA7800）、广东省科技攻关项目（ 2009B021500004）、广东省教育厅高层次人才项目和广州市教育局羊城学者科技计划项目（10B004D）。
第一作者简介： 聂磊（ 1973- ） ， 男， 吉林长春人， 博士， 教授， 研究方向为园林生态、绿地植物。
下整齐种植有灌木层，种类为黄金榕（Ficus microcarpa cv.Golden Leaves），其组成效果如图1所示。测试路段的道路两侧退界距离达到20 m以上，参考岩田达明等的分析结论，对道路绿化风场的影响视为忽略不计[1]。
1.2 植物冠层结构建模：
测量单株植物的树高、枝下高、冠幅、胸径、树冠外轮廓曲率拐点坐标等形态特征数据，其中曲率拐点坐标采用手持红外线测距仪测定。运用3DMAX软件建模出圆柱形、圆球形、尖塔形、圆锥形、卵圆形、倒卵形、钟形、伞形等园林植物冠层的不同结构类型。其中非洲桃花心木为倒卵形树冠，黄金榕为卵圆形树冠。
1.3多孔介质模型参数设定：
由于植物冠层可视为多孔介质，因此必须计算不同植物冠层模型的空隙度。冠层空隙度可由冠层分析仪测出，在阴天或晴天清晨，采用基于半球摄影的HEMIVIEW冠层分析仪对单株植物进行冠层数据采集，用鱼眼镜头捕获不同方向的冠层图象后，应用Delta-D软件计算太阳光直射透过系数，从而得出群落的叶面积指数（LAI）及冠层空隙大小、间隙率参数等指标数值。经计算非洲桃花心木树冠的空隙率在0.09～0.15范围内，黄金榕在0.04～0.10范围。
1.4 CFD仿真分析
：模拟工具为英国CHEM公司开发的PHOENICS软件，设定的气候条件参数为：东南方向（广州夏季主导风向），参考风速为2.0m.s-1（广州夏季平均风速），区域温度为28℃（广州最热月室外平均温度）[3]。边界风速满足梯度风变化v/v0=（z/z0）α，其中，v0为标准高度处的风速， 取2.0m.s-1，z0为标准高度，取10m，α为地面粗糙程度， 取0.0333。自然通风环境通用模拟体系由空气模型、植物冠层模型、下垫面固体传热模型构成[4]。采用流场模拟计算耦合迭代求解，利用有限差分法求解空气流场模拟计算的边界条件，由空气流场计算程序模拟得到整个计算区域空气的速度场和压力场，通过软件设置固定观测点，得出1.5m和3.0m高度的风速云图与压力图。
1.5计算机模拟与实际观测数值的拟合度检验
：采用风速衰减率（R）来讨论不同绿化型式影响下的自然通风效果。R=1-Vi/Vo，其中，Vi，Vo分别指绿化带下风向及上风向观测点的风速（m・s-1）。从绿化带设定起点每隔5m共设置10处观测点，在每处观测点的前后各5m，采用美国Kestrel 4500手持式气象仪测定不同型式绿化带上风向及下风向的实时风速，高度为1.5 m。在计算机模型内输入上风向的实时风速，测出相同坐标的10处观测点的下风向模拟风速，并计算风速衰减率。采用SPSS18.0软件进行风速计算机模拟理论值与实际观测数值的拟合度回归模型检验。
2 结果与分析
2.1 不同绿化型式对自然通风的影响结果
大约2m高度以下的城市空间是人们经常活动的区域高度大约在2 m以下，同时，3 m高度以上的道路绿化空间中，仅存在有乔木层分布，灌木层是无法达到这个高度的。故本文对1.5 m和3 m高度处的风速进行了分析。一般认为，风速>1m.s-1时，在夏季室外人们感觉是舒适的，风速>5m.s-1时， 会影响人们的活动[5]。所以，1～5m.s-1之内的风速，是比较理想的室外风速。经CFD仿真模拟，结果表明单纯乔木绿化的型式下，1.5 m高度的模拟风速达到了1.64 m.s-1的风速，而3 m高度的模拟风速达到了1.31m.s-1的风速，都有着令人感觉较为舒适的自然通风效果（图2、3）。
绿化型式对于城市道路空气流动有着重要影响。有研究表明，行道树对污染物扩散的阻碍作用主要受控于树木郁闭度而非绿量。当行道树植株间距较密，形成枝杈搭接时，茂密树冠会在道路上方产生顶盖效应，阻碍污染物向上扩散，导致道路两侧污染物浓度升高，恶化街区大气环境。污染物扩散速率很大程度上受到街道内气流铅直湍流强度的影响。对于没有树冠顶盖的街道，街谷内有较大的风速梯度，这将会有利于增强机械湍流的增强[6]。但在行道树郁闭度较高的街道内，高大茂密植物在减低风速的同时，不仅导致街区内部气流的垂直涡动减小，也大大减弱了绿化带内外气流的垂直交换。我们的计算机仿真模拟结果表明，1.5 m高度时单纯乔木的绿化型式较乔木+灌木绿化型式的0.47m.s-1的风速多出了近70%，而3 m高度的模拟风速较乔木+灌木绿化型式的0.73 m.s-1多出了44.3%，表明有灌木层的存在，直接导致道路空气流通速度明显下降（图2～、3）。之所以1.5 m处单纯乔木绿化的道路风速较高，主要是因为非洲桃花心在1.5 m处仍处于枝下高以下，且无灌木层遮挡阻碍空气流通，因为风速衰减的较少；而在3.0 m高度时，乔木冠层对于自然空气流通起到了明显的阻碍效应，因此下风向观测点的风速纪录仅为1.5 m处风速的79.9%，整个模拟区域的风速也明显下降。
2006年建设部的《绿色建筑评价标准》中要求热岛强度不高于1.5℃，同时夏季无涡旋死角，建筑前后压差不低于1.5Pa[7]。CFD计算机模拟结果表明，由于道路绿化处于开阔的室外空间，道路绿化带上下风向之间的正负风压维持在0.5～0.8Pa之间，基本上无法维持较为明显的风压。
2.2计算机模拟与实际观测数值的拟合度检验结果
对1.5 m和3 m的CFD模拟风速衰减率和实地观测的风速衰减率计算结果进行了线性回归模型的拟合度检验分析，其中1.5 m风速衰减率的拟合度R2=0.726（P
3结论与讨论
CFD（Computational Fluid Dynamics）是近代流体力学、数值数学和计算机科学相结合的产物。随着近年来 CFD 物理模型和计算方法的不断完善和改进，计算机运算速度的不断提高，许多成熟的商业化CFD计算软件得到了不断地推广。CFD研究以 3 大守恒定律（质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律）作为计算的控制方程，采用有限体积法（Finite Volume Method）把连续的计算域离散成许多个子区域（体积单元），借助高性能计算机在每个体积单元上对控制方程组进行数值求解，进而在整个计算域上分析流体流动、传热和传质的规律[8]。近年来，CFD技术已广泛应用于绿色建筑领域，在该领域 CFD 被用来模拟室内外气候环境，然而在园林绿化领域，仍属于应用的初步阶段。目前通用的CFD 软件主要有CFX、FLUENT、STAR-CD、PHOENICS以及FIDAP等类型，其中PHOENICS是世界上第一个投放市场的 CFD 商用软件（1981），可以算是CFD商用软件的鼻祖。这一软件中所采用的一些基本算法，如SIMPLE方法、混合格式等，由该软件的创始人D.B.Spalding及其合作者S.V.Patankar等所提出，并得到广泛验证和应用[9，～10]。
城市绿化对于改善环境质量、获得清新洁净的空气、有效降低城市热岛效应有着不可替代的重要意义。自然通风是城市绿地实现节能、健康、生态等功能目标的重要形式。城市绿地的绿化型式对于环境的自然通风效果有着重要影响。例如在我们以往的研究中发现，当前道路绿化方面，由于种植密度过大，物种之间竞争激烈，植株普遍生长不良，、干旱甚至枯死现象比较普遍，不仅浪费了大量的投资和养护成本， 而且也不利于发挥绿地的生态功能，尤其是阻碍了道路的自然通风[11]。然而长期以来对于不同绿化型式在影响自然通风的场效应方面，仍然缺乏有效可靠的定量预测分析方法。在本研究中，利用CFD仿真软件模拟出的分析图形直接显示出不同绿化型式对道路自然通风效果确实存在不同效果。乔、灌木绿化型式下的自然风速明显低于单纯乔木绿化型式，验证证明了灌木层的存在直接导致了道路空气流通速度明显下降。试验结果显示，如果从道路绿化的空气扩散、通风散热的生态功能来说，单纯乔木层的道路绿化结构效果反而更佳；然而，考虑到绿地的滞尘吸污、固碳释氧以及增加空气湿度等方面的整体生态功能，则更应推荐乔灌草的群落式绿化结构。综合考虑，道路绿化型式的最优方案应为既具备立体结构、同时又留有足够扩散空间的的疏落式乔灌草立体绿化结构。
试验结果表明，计算机模拟与实际观测的风速衰减率数值存在良好的拟合度，证明CFD仿真分析能较好地预测道路绿化实际自然通风状况。在本项研究中，通过测定冠层空隙度来设定植物冠层多孔介质模型参数以及完成冠层三维结构建模的计算模式，在今后推广CFD分析绿地自然通风方面有一定的参考价值。 当前我国在建设低碳可持续社会中大力提倡绿色建筑标准，逐步实行了绿色建筑评价标识制度，对于评价为星级的绿色建筑乃至绿色低碳园区、居住小区予以高额的资金补贴。当前使用的《绿色建筑评价标准》中要求热岛强度不高于1.5℃[7]。城市绿地在改善热环境、降低热岛效应方面有着得天独厚的优势。以往在绿化领域欠缺良好可靠的计算机模拟分析技术，而CFD仿真分析能够建立通用辐射计算体系，结合植物与环境的热质传递模型及地表、植被、水体、建筑等表面导热的有限差分计算方法，对有绿化情况下的城市热环境进行详细可靠的预测分析。因此，今后在城市绿化建设中，应大力推广CFD仿真技术在预测绿化方案在自然通风及热环境方面的实施效果应用，帮助定量化优化绿化设计方案，从而在真正意义上实现使城市绿化在真正意义上走上生态可持续设计的道路。
参考文献：
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