基于CFD的工业过程气流模拟和虚拟现实研究

论文摘要

工业过程中的气流运动严重影响着企业的生产状况,作业环境质量以及职工身体健康。矿井通风、井喷过程、铝电解槽集气罩等场所的流体无论作为输运媒介、生产物质、还是环境保障都对各领域起着主要的作用。CFD是流体研究中的重要方法,不仅可以取代部分耗时、耗资的物理实验,而且可以大大提高工艺优化的效率,因此是很有前途的方向。虚拟现实在可视化与立体显示方面具有突出的优点,是仿真的最高境界。本文从流体力学基本理论分析出发,研究了不可压缩和可压缩流体的CFD方法,并引入虚拟现实技术,确定了三维立体显示的算法和三维图像的产生方法；通过耦合的CFD与虚拟现实技术,提出了模拟结果立体化显示的方案。在对矿井空气质量和地下热源分析的基础上,运用工业通风与计算流体力学理论,并借助专业化CFD软件对红透山地下采场的风流情况进行了模拟,给出了采室中温度场、压力场、速度场及流线的分布情况,并与实际测量结果进行了比较,具有相当好的吻合性。还对压缩性流体的井喷过程进行了研究,用理论公式对不同气体组份在不同管径、压力、风速下的扩散情况做了分析,通过模拟得到井喷气体在空间的浓度分布和可能的点火位置与范围,模拟结果与理论公式计算吻合,并通过了专家的验证。针对铝电解槽集气罩内风流,以内部风压均匀为原则,采用CFD对罩内风流速度场、压力场进行了模拟,并对集气罩的结构、烟道开口尺寸进行了优化,达到满意的效果。另外,还在协助建立的东北大学大型虚拟现实平台上,对模拟结果进行了三维立体化,实现了虚拟现实。创建的场景具有较好的立体感,不仅拓宽了虚拟现实技术的应用领域,也提高了CFD的研究水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 计算流体力学的研究现状
• 1.2.2 虚拟现实的研究现状
• 1.2.3 CFD和VR的耦合研究
• 1.3 本文研究的目的、内容和意义
• 第二章 CFD数值模拟和虚拟现实的研究
• 2.1 CFD数值模拟的相关理论
• 2.1.1 计算流体力学控制方程
• 2.1.2 流体力学方程的简化形式
• 2.1.3 CFD的求解过程
• 2.2 建模和网格生成
• 2.2.1 结构网格生成技术
• 2.2.2 非结构网格生成技术
• 2.2.3 混合网格生成技术
• 2.2.4 复杂外形网格生成
• 2.3 数值计算
• 2.3.1 离散化概述
• 2.3.2 确定数值求解方法
• 2.3.3 确定求解模型
• 2.3.4 设置边界条件
• 2.3.5 设置求解控制参数
• 2.3.6 流场迭代计算
• 2.4 虚拟现实的关键技术
• 2.4.1 立体视觉原理及视觉模型
• 2.4.2 立体显示原理
• 2.5 三维可视化的实现方案
• 2.5.1 CFD模拟虚拟现实实现系统
• 2.5.2 CFD模拟结果的虚拟现实重现
• 第三章 矿井通风过程气流研究
• 3.1 井下热源与通风
• 3.1.1 地热
• 3.1.2 空气绝热压缩散热
• 3.1.3 井下爆炸生热
• 3.1.4 矿石氧化放热
• 3.1.5 提升机械放热
• 3.1.6 机电设备放热
• 3.1.7 地表大气状态变化导致井下温升
• 3.1.8 无轨柴油设备放热
• 3.1.9 其他热源
• 3.2 工程模型和网格
• 3.2.1 几何模型的建立
• 3.2.2 计算环境
• 3.2.3 网格文件的生成
• 3.3 结果显示及分析
• 3.3.1 模拟结果图的物理意义
• 3.3.2 温度场
• 3.3.3 压力场
• 3.3.4 速度场
• 3.3.5 流线
• 3.4 现场测试值比较
• 3.4.1 温度场模拟值与测试值比较
• 3.4.2 速度场模拟值与测试值比较
• 3.5 虚拟现实实现
• 3.5.1 压力场
• 3.5.2 压力场
• 3.5.3 速度场
• 3.5.4 流线
• 3.6 本章小结
• 第四章 井喷泄露气体扩散研究
• 4.1 井喷泄露的数学模型
• 4.1.1 一元定常等熵气流运动的基本方程
• 4.1.2 一元定常等熵气流运动的基本特性
• 4.1.3 气流参数与通道面积的关系
• 4.1.4 收缩形喷管
• 4.1.5 井喷泄露参数计算
• 4.2 井喷泄露的数值模拟
• 4.2.1 边界条件的设定
• 4.2.2 数值模拟结果显示及分析
• 4.3 井喷气体泄露的规律研究
• 4.3.1 气体泄露出口速度的规律
• 4.3.2 甲烷扩散规律的研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 铝电解槽集气罩气流研究
• 5.1 问题描述
• 5.2 工程模型和边界条件分析
• 5.2.1 几何模型的建立
• 5.2.2 边界条件分析
• 5.3 模拟结果与优化
• 5.3.1 电解槽速度等值线图
• 5.3.2 电解槽压力等值线图
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 发表的论文和参与的项目