高压氧舱内流体流动的数学模型的建立及其有限元分析

发布时间：2017-05-20 18:03

  本文关键词：高压氧舱内流体流动的数学模型的建立及其有限元分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：为了降低高压氧舱内的噪声和更快速地设计高压氧舱,本文建立了高压氧舱的数学模型。本文使用矢通量分裂计算格式数值计算求解了高压氧舱流场中流体流动的守恒型状态方程。并辅助以初始条件、边界条件、网格划分和时间步长等计算要素,得到了流场中从开始流动到流动接近停止的各个时间步各参数的瞬态分布情况。通过对数据的图形展示,可以得出流动的流速变化规律、激波的位置、压强和温度的变化情况等信息。接着,本文把数值计算的结果和实验结果进行了对比,发现二者吻合度较高。由此证明了数值计算定性地研究流场的变化趋势的可行性。同时,本文对高压氧舱流场使用FLUENT软件进行了仿真分析。并把分析的结果和先前的数值计算的结果进行了比较。可以发现二者的分析结果基本一致。然后,本文对高压氧舱模型进行了简化,使用喷管模型计算出高压氧舱模型处在完全亚声速工况时应当满足的出入口的压强比值。再后来,本文对高压氧舱的管道的摩擦性对流动的影响进行了分析。最后,本文对高压氧舱内噪声的来源、降噪的方法进行了讨论。
【关键词】：矢通量分裂格式 高压氧舱 流场计算 CFD 仿真 放气实验 噪声
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH789;TB115
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 高压氧舱简介8-9
• 1.1.1 高压氧舱的类型8
• 1.1.2 医用空气加压氧舱设备的基本组成8-9
• 1.1.3 医用空气加压氧舱设备的发展现状及发展趋势9
• 1.2 高压氧舱在设计及使用方面所面临的问题与不足9-10
• 1.2.1 高压氧舱在工作时会产生噪声9-10
• 1.2.2 高压氧舱的设计工作效率低10
• 1.3 气体动力学的研究现状10
• 1.4 计算流体力学的现状、不足以及应用情况10-14
• 1.4.1 计算流体力学的现状10-11
• 1.4.2 计算流体力学现在存在的不足11-12
• 1.4.3 计算流体力学一些最新发展成果和应用12-14
• 1.4.3.1 CFD的一些新进展12
• 1.4.3.2 CFD的一些新的应用成果12-14
• 1.5 本课题的目的、意义和研究方法14-16
• 1.5.1 研究的目的14-15
• 1.5.2 研究的意义15
• 1.5.3 研究方法15-16
• 2 本论文用到的流体力学、空气动力学和计算流体力学知识16-26
• 2.1 流体力学部分16-22
• 2.1.1 一些基本概念16-17
• 2.1.2 流体运动基本方程17-20
• 2.1.2.1 气体的状态方程17-18
• 2.1.2.2 常比热容完全气体的热力学关系式18
• 2.1.2.3 粘性流动方程（纳威-斯托克斯方程）18-19
• 2.1.2.4 无粘流动方程（欧拉方程）19-20
• 2.1.3 关于守恒型方程和非守恒型方程的评述20
• 2.1.4 不同类型偏微分方程的一般特性：对流体力学物理和计算的影响20-21
• 2.1.5 守恒型方程的雅克比21-22
• 2.2 空气动力学部分（一些基本概念）22-23
• 2.3 计算流体力学的离散化基础23-26
• 2.3.1 离散化方法的分类23
• 2.3.2 有限差分简介23-24
• 2.3.3 显示和隐式算法：评述和对比24
• 2.3.4 误差及稳定性分析24
• 2.3.5 网格划分简介24-25
• 2.3.6 迎风格式25-26
• 3 高压氧舱的数学模型26-58
• 3.1 数学模型26-33
• 3.1.1 物理简化模型26-27
• 3.1.2 流动的控制方程27
• 3.1.3 控制方程的雅克比矩阵27-28
• 3.1.4 矢通量分裂格式28-31
• 3.1.5 网格的划分31
• 3.1.6 初始条件的设定31-32
• 3.1.7 边界条件的处理32-33
• 3.1.7.1 入流边界条件32
• 3.1.7.2 壁面边界条件32
• 3.1.7.3 特殊的网格点32-33
• 3.1.8 时间步长的计算33
• 3.2 数学模型的计算结果33-38
• 3.3 实验研究38-42
• 3.3.1 PLC控制系统39-41
• 3.3.1.1 SIMATIC CPU226CN AC/DC/继电器39-40
• 3.3.1.2 模件技术指标40
• 3.3.1.3 上位机技术指标40-41
• 3.3.1.4 现场控制网技术指标41
• 3.3.1.5 系统扩展性41
• 3.3.1.6 PLC控制系统基本配置41
• 3.3.2 变送器及传感器41-42
• 3.3.2.1 压力传感器41-42
• 3.3.2.2 变送器及传感器基本配置42
• 3.4 数学模型计算结果与实验结果的分析与对比42-46
• 3.5 关于提高数学模型计算精度的讨论46-47
• 3.5.1 MacCormack格式46-47
• 3.5.2 数值耗散与人工粘性47
• 3.5.3 在MacCormack格式中加入人工粘性47
• 3.6 舱体与储气瓶内的压强比值和超音速流动之间的关系47-51
• 3.6.1 管道的主要物理特性和解析解48-49
• 3.6.2 管道在各种压比下的工况49-51
• 3.6.2.1 管.正激波工况50-51
• 3.6.2.2 喉部为临界截面亚声速流工况51
• 3.7 管道的摩擦对流动的影响51-54
• 3.7.1 最大管长52-53
• 3.7.2 摩擦拥塞53-54
• 3.8 产生噪声的原因分析及其避免方法54-55
• 3.8.1 噪声原因分析54-55
• 3.8.1.1 流速过大产生的噪声54
• 3.8.1.2 流动产生的激波发出噪声54
• 3.8.1.3 其他可能的原因54-55
• 3.8.2 降低以及消除噪声的方法55
• 3.9 本章小结55-58
• 4 CFD仿真分析58-84
• 4.1 各种CFD软件的简介与评论58-61
• 4.1.1 PHOENICS58
• 4.1.2 STAR-CD58-59
• 4.1.3 STAR-CCM+59
• 4.1.4 CFX59-60
• 4.1.5Fluent60-61
• 4.2 Fluent软件的功能简介61-62
• 4.2.1 FLUENT计算类型及应用领域61
• 4.2.2 FLUENT求解步骤61-62
• 4.2.2.1 制定分析方案61
• 4.2.2.2 求解步骤61-62
• 4.3 湍流模型62-63
• 4.4 高压氧舱流场的fluent仿真分析63-82
• 4.4.1 用GAMBIT建立计算区域，划分网格和设置边界条件63-69
• 4.4.1.1 文件的创建及求解器的选择63-64
• 4.4.1.2 创建控制点64-65
• 4.4.1.3 创建边65
• 4.4.1.4 创建面65-67
• 4.4.1.5 划分网格67-68
• 4.4.1.6 指定边界条件68-69
• 4.4.1.7 输出网格文件69
• 4.4.2 使用FLUENT软件计算69-75
• 4.4.2.1 启动FLUENT及网格的导入70-71
• 4.4.2.2 设置求解器及操作条件71
• 4.4.2.3 物理模型的设定71-72
• 4.4.2.4 材料性质设定72
• 4.4.2.5 边界条件的设定72-74
• 4.4.2.6 求解控制参数设定74-75
• 4.4.2.7 求解设定75
• 4.4.3 计算结果后处理75-82
• 4.5 本章小结82-84
• 5 结论、不足与展望84-88
• 5.1 结论84-85
• 5.2 不足之处85
• 5.3 展望85-88
• 致谢88-90
• 参考文献90-94

【参考文献】

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1 黄杰;;高压氧舱治疗噪声的测量与分析[J];中国医学装备;2013年05期

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