1、無力學在工程中的應用力學在工程中的應用作者：孟澤林作者：孟澤林（學號：（學號：1310994103213109941032班級：班級：1313 級電氣類十班）級電氣類十班）摘要摘要力學在工程中的應用十分廣泛，它是機械工程，土木工程，食品工程等的重要基礎之一，大到機械中的各種機器力學在工程中的應用十分廣泛，它是機械工程，土木工程，食品工程等的重要基礎之一，大到機械中的各種機器，建筑中的各個結構，小到汽車中的零部件，各種物件都要符合它的強度、剛度、穩定性要求才能夠安全、正常工作，所以建筑中的各個結構，小到汽車中的零部件，各種物件都要符合它的強度、剛度、穩定性要求才能夠安全、正常工作，所以力學就顯得

2、尤為重要。作為當代的大學生，了解力學在工程中的廣泛應用是非常有必要的。文章將就力學在工程中的一些力學就顯得尤為重要。作為當代的大學生，了解力學在工程中的廣泛應用是非常有必要的。文章將就力學在工程中的一些典型應用做簡單的的介紹，來提高對力學的理解和認識。典型應用做簡單的的介紹，來提高對力學的理解和認識。關鍵詞關鍵詞力學應用力學應用材料力學材料力學計算流體力學計算流體力學引言引言無論是生產還是生活中無論是生產還是生活中，隨處都可以看見物理力學的應用隨處都可以看見物理力學的應用。寫這篇文章的目的就是能使大學生更加寫這篇文章的目的就是能使大學生更加深入和具體地了解力學在工程中的應用，深入和具體地了解力

3、學在工程中的應用，2.12.1 材料力學在工程中的應用材料力學在工程中的應用11機械常用的連接件，如鉚釘、鍵、銷釘、螺栓等的變形屬于剪切變形，在設計時應主要考慮其剪切應力。汽車的傳動軸、轉向軸、水輪機的主軸等發生的變形屬于扭轉變形。火車軸、起重機大梁的變形均屬于彎曲變形。有些桿件在設計時必須同時考慮幾個方面的變形，如車床主軸工作時同時發生扭轉、彎曲及壓縮三種基本變形；鉆床立柱同時發生拉伸與彎曲兩種變形。利用材料力學中卸載與在加載規律得出冷作硬化現象，工程中常利用其原理以提高材料的承載能力，例如建筑用的鋼筋與起重的鏈條，但冷作硬化使材料變硬、變脆，是加工發生困難，且易產生裂紋，這時應采用退火處理

4、，部分或全部地材料的冷作硬化效應。工程設計中要特別注意減少構件的應力集中。 在工程中，靜不定結構得到廣泛應用，如桁架結構。靜不定問題的另一重要特征是，溫度的變化以及制造誤差也會在靜不定結構中產生應力，這些應力稱為熱應力與預應力。為了避免出現過高的熱應力，蒸汽管道中有時設置伸縮節，鋼軌在兩段接頭之間預留一定量的縫隙等等，以削弱熱膨脹所受的限制，降低溫度應力。在工程中實際中，常利用預應力進行某些構件的裝配，例如將輪圈套裝在輪轂上，或提高某些構件承載能力，例如預應力混凝土構件。螺旋彈簧是工程中常用的機械零件，多用于緩沖裝置、控制機構及儀表中，如車輛上的緩沖彈簧，發動機進排氣閥與高壓容器安全閥中的控制

5、彈簧，彈簧稱中的測力彈簧等。很多結構或構件在工作時，對于彎曲變形都有一定的要求。一類是要求構件的位移不得超過一定的數值。例如行車大量在起吊重物時，若其彎曲變形過大，則小車行駛時就要發生振動；若傳動軸的彎曲變形過大，不僅會使齒輪很好地嚙合，還會使軸頸與軸承產生不均勻的磨損；輸送管道的彎曲變形過大，會影響管道內物料的正常輸送，還會出現積液、沉淀和法蘭結合不密等現象；造紙機的軋輥，若彎曲變形過大，會生產出來的紙張薄厚不均勻，稱為廢品。另一類是要求構件能產生足夠大的變形。例如車輛鋼板彈簧，變形大可減緩車輛所受到的沖擊；又如繼電器中的簧片，為了有效地接通和斷開電源，在電磁力作用下必須保證觸電處有足夠大的

6、位移。2.22.2 計算流體力學在化學工程中的應用計算流體力學在化學工程中的應用22計算流體力學 ( CFD) 是流體力學的一個分支 ,用于求解固定幾何形狀空間內的流體的動量、熱量和質量方程以及相關的其他方程 , 并通過計算機模擬獲得某種流體在特定條件下的有關數據。CFD 最早運用于汽車制造業、航天事業及核工業 ,解決空氣動力學中的流體力學問題。 CFD 計算相對于實驗研究 ,具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實及理想條件等優點 ,從而使 CFD 成為研究各種流體現象 ,設計、操作和研究各種流動系統和流動過程的有利工具。 20 世紀 60 年代末 ,CFD 技術已經在流體力學各相關行業得

7、到了廣泛的應用 , 化學工程的模擬計算始于 20 世紀 90 年代后期 , 如今 CFD 已經成為研究化工領域中流體流動和傳質的重要工具。CFD 可以用于各種化工裝置的模擬、分析及預測 ,如無模擬攪拌槽混合設備的設計、放大 ; 可以預測流體流動過程中的傳質、傳熱 , 如模擬加熱器中的傳熱效果 ,蒸餾塔中的兩相傳質流動狀態 ; 可以描述化學反應及反應速率 ,進行反應器模擬 ,如模擬出燃燒反應器、生化反應器中的反應速率 ; 還可有效模擬分離、過濾及干燥等設備及裝置內流體的流動。CFD 基本原理及常用工具 CFD 是以動量、能量、質量守恒方程為基礎 , 用數值計算方法直接求解流動主控方程( Navi

8、er 2 Stokes方程) 以發現各種流動現象規律。CFD 計算方法主要有 3 種 : 差分法、有限元法、有限體積法。CFD 是多領域交叉的學科 , 涉及計算機科學、流體力學、偏微分方程的數學理論、計算幾何學、數值分析等學科。 CFD 模擬的目的是作出預測和獲得信息 , 以達到對流體流動的更好控制。理論的預測出自數學模型的結果 ,而不是出自一個實際的物理模型的結果。數學模型主要是由一組微分方程組成 , 這些方程的解就是 CFD 模擬的結果。CFD 軟件是用來進行流場分析、計算、預測的專用工具 ,對大多數人來說 ,不必要掌握流體力學微分方程的求解以及對計算流體力學的深入研究 , 但在工作中又需

9、要對某些具體的流動過程進行分析、計算和研究 ,由此計算準確、界面友好、使用簡單 ,又能解決問題的大型商業 CFD 軟件應運而生。CFD 軟件一般包括 3 個主要部分 : 前處理器、解算器、后處理器。常見的 CFD 軟件有 : FLUENT、 PHOENICS、CFX、 STAR - CD 、 FIDAP 等。其中 FLUENT 由美國 FLUENT 公司于 1983 年推出的 ,于 1998 年進入中國市場 ,據報道在同類軟件中 , 其世界市場占有率為 40 % ,是目前功能最全面、適用性最廣、應用最廣的軟件之一。計算采用有限體積方法 , 包含有結構化及非結構化網格 2 個版本。速度與壓力耦和

10、采用同位網格上的 SIMPLEC 算法。對流項差分格式納入了一階迎風、中心差分及 QUICK 等格式。它的湍流模型包括 k - 模型、 Reynolds 應力模型、 LES 模型、相變模型、離散相模型、多相模型、標準壁面函數等。在攪拌槽中的應用攪拌槽由于其內部流動的復雜性 , 攪拌混合目前尚未形成完善的理論體系 , 對攪拌槽等混合設備的放大設計 ,經驗成分往往多于理論計算。在工業實際中 ,特別是快速反應體系或高黏度非牛頓物系 ,工業規模的反應器存在不同程度的非均勻性 , 隨著規模的增大 ,這種不均勻性更加嚴重 ,經驗放大設計方法的可靠性受到前所未有的挑戰 , 因此對攪拌槽內部流場有必要進行更深

11、入的研究。 自從 Harvey 等用計算機對攪拌槽內的流場進行二維模擬以來 ,近年來利用 CFD 的方法研究攪拌槽內的流場發展很快 ,利用這種方法不僅可以節省大量的研究經費 ,而且還可以獲得通過實驗手段所不能得到的數據。Sun 等利用 CFD 的 k - Ap 湍流模型對攪拌槽中的氣液兩相流動進行了三維模擬 , 通過與實驗結果比較發現 ,CFD 數值模擬能很好地預測攪拌器上部的氣體分布 , 但是對攪拌器底部的區域的模擬效果不好。 Javed 等利用 CFD 軟件 Fluent 對有 6片擋板 Rushton 型渦輪的攪拌槽湍流混合進行了三維的時間相關的數值預測并與實驗數據進行了比較 ,結果表明

12、攪拌葉輪上下區域的平均速域的計算值和實驗數據一致 , 但是湍動能的計算值和實驗結果還有一定的差別。 Wang 等以歐拉- 歐拉方法為基礎 ,采用 k -湍流模型對攪拌槽中液- 液- 固三相體系各相的流場分布進行了 CFD 數值模擬 , 結果表明固體顆粒對液液兩相分布有很大的影響 , 液相分布與實驗結果吻合較好 , 固相分布結果與實驗數據還存在一些差異 , 但是隨在葉輪轉速的增加也趨向一致。網格的選擇和離散方法對 CFD 模擬攪拌槽流場分布的精確度有重要影響。 Deglon 等 5 以旋轉葉輪多參考系模型和標準 k -湍流模型為基礎 ,通過CFD 模擬攪拌槽的流場研究了網格的選擇和離散方法對模擬

13、攪拌槽湍流流場分布精確度的影響 , 得到這樣的結論 : 選擇合適的網格和離散方法對流場和平均速度的模擬精度影響不大 , 而對各種力和湍動能模擬精度影響很大 , 需要選擇好的網格和高階矩離散方法。 Bujalski 等 6 用多重參照系法模擬了帶有 2 個渦輪槳的攪拌式反應器中示蹤子的分布情況 ,再以此計算了混合時間 ,該方法能準確模擬速度域 ,并且在示蹤子懸浮情況的模擬上比滑動網格法得到的結果更接近實驗數據。CFD 和數字粒子圖像測速儀 (DPIV) 相結合 , 可以更深入地研究攪拌裝置。DPIV 測量數據可以驗證 CFD 計算結果 , 并且使用 DPIV 測定特定點的速度也可作為 CFD 計

14、算的邊界條件。此外多普勒激光測速儀 (LDV) 與 CFD 結合 ,也被用于研究攪拌。雖然 CFD 已成為攪拌混合過程研究中不可缺少的工無具 ,但有些方面仍存在缺陷 ,如攪拌槳附近流動情況特別是湍動能和湍動能耗散率的模擬還不盡人意,這主要是由湍流模型本身的缺陷引起的 ,可以通過修正湍流模型和進一步改進模型來彌補這方面的缺陷。在換熱器中的應用：換熱設備在化學工程中被廣泛使用 ,詳細、準確地預測殼程的流動、傳熱特性對設計經濟和可靠的換熱器以及評價現有管殼式換熱器的性能對工業應用十分重要。針對管殼式換熱器幾何結構復雜 , 流動和傳熱的影響因素很多等特點 , 運用 CFD 對管殼式換熱器的殼側流場進行

15、計算機模擬 , 可以對其他方法難以掌握的殼側瞬態的溫度場和速度場有所了解 ,利于換熱器的機理分析和結構優化。國外學者對換熱器內流體流動的 CFD 模擬進行了一些研究。熊智強等利用 CFD 技術對管殼式換熱器弓形折流板附近流場進行了數值模擬 , 發現在弓形折流板背面 ,有部分區域的流速較低 ,一定程度上存在著流動死區 ,采用在弓形折流板上開孔的方法后 ,CFD 計算結果顯示其傳熱效率提高了 514 % ,殼側壓降減小了 713 % 。鄧斌等應用體積多孔度、表面滲透度和分布阻力方法建立了適用于準連續介質的 N- S修正控制方程。用改進的 k - 模型考慮管束對湍流的產生和耗散的影響 , 用壁面函數法處理殼壁和折流板的壁面效應 , 對一管殼式換熱器的殼側湍流流動與換熱進行了三維計算流體力學數值模擬 , 證明了該方法能更有效地模擬管殼式換熱器殼側的流動特性 ,壓降實驗數據和計算結果符合較好。夏永放等應用 CFD 和數值傳熱學方法 , 對間接蒸發冷卻器內流體流動與熱質交換過程三維數值模擬 , 采用交錯網格離散化非線性控制方程組 , 編制了三維 SIMPLE 算法程序 ,計算出間