地面模拟（共4篇）
地面模拟 篇1
燃气舵一般安装在发动机喷管的后面,通过舵面的作动使得羽流偏转产生侧向力来达到发动机推力矢量控制的目的。但燃气舵在发动机工作时,长时间暴露在高温高速燃气流中,工作环境十分恶劣,不仅要承受很大的热负载,而且还要和燃气发生化学发应,造成舵面的烧蚀,如果燃气流中含有凝相颗粒,舵面还要经受机械冲蚀的考验。
本文设计实验首先针对指定燃气舵开展舵面温度场分布、内部温度和热应力分布、体积烧蚀等数值计算,再对燃气舵烧蚀进行实验模拟。根据计算结果与实验结果的综合分析,对燃气舵烧蚀情况进行客观准确的评估,并对燃气舵的热结构防护提出改进意见。
1烧蚀试验发动机初步设计
烧蚀试验发动机设计的依据主要是对发动机出口截面的燃气参数提出了要求,现将具体参数假设见表1所示。
表1出口截面参数要求项目单位出口截面燃气参数时间s 20压强MPa 0.155温度K 2315密度Kg/m30.242速度m/s 2542马赫数3.155平均分子量29.85气体常数J/(Kg.K)278.54凝相含量%33.96
2烧蚀试验发动机技术方案
2.1烧蚀试验发动机研制的指导思想
设计中尽可能采用已有的成熟技术或具有预研基础的技术,在满足产品使用功能、保证设计质量,实现设计方案的前提下,选用结构简单、生产成本低的技术途径。并在发动机外形结构和装药结构上,参照同类型发动机结构和我国现有的成熟的推进剂配方,提出切实可行的技术方案。
2.2烧蚀试验发动机总体方案选择
1)根据系统总体对发动机提出的技术要求,决定采用端面燃烧的装药结构;
2)由于烧蚀试验发动机是多次使用的发动机,故采用厚壁结构,且采用装配简单可靠的法兰连接结构;
3)发动机由点火装置、燃烧室、装药和喷管等零、部、组件组成,燃气舵试验件与喷管壳体法兰连接;
4)燃烧室壳体采用优质合金钢30Cr Mn Si A机加而成;
5)喷管和燃烧室内表面均有绝热层;
6)使用常用的三组元丁羟复合推进剂作为燃烧室装药。其出口截面的燃气参数“平均分子量”、“气体常数”和“凝相含量”由推进剂配方决定,“压强”、“温度”、“密度”和“速度”等由发动机总体参数决定。
3烧蚀试验发动机设计计算
3.1烧蚀试验发动机总体设计
发动机总体设计主要包括确定发动机结构、选择壳体材料、选择推进剂和确定主要设计参量(燃烧室外径、燃烧室压强、膨胀比和喷管喉部直径)。
3.1.1壳体材料选择
燃烧室壳体、喷管材料均采用30Cr Mn Si A合金钢,该材料来源丰富,价格便宜,性能稳定,它的最大优点是不含我国稀有合金元素-镍而它的机械性能与铬镍钼钢相近,其短时高温性能、成形性能和焊接性能均良好。是我国目前固体火箭发动机主要用材之一。广泛应用于中小型发动机上。
30Cr Mn Si A合金钢的主要性能参数如下:
抗拉强度:σb≥1079MPa;
屈服强度:σs≥883MPa;
延伸率:δ≥10%;
密度:ρc=7.85g/cm3。
3.1.2推进剂选择
选用常用的三组元丁羟复合推进剂作为燃烧室装药。
3.1.3燃烧室工作压强选择
发动机是地面试验发动机,主要考虑压强对装药燃速的影响和对出口截面参数的影响,可通过计算得到发动机工作压强。p=11.5MPa。
pc=11.5MPa
3.1.4燃烧室外径确定
选装药直径φ180mm,发动机外径为φ200mm。
3.1.5喷管膨胀比选择
根据膨胀比公式:
3.1.6喷管喉部直径的确定
当燃烧室工作压强和喷管膨胀比确定后,喷管喉部面积用平衡压强公式进行计算。
由平衡压强公式:
可计算喷管的喉部面积:At=0.592cm2
根据所选C/C喉衬材料性能及发动机喉衬烧蚀规律,由于发动机工作时间短,设计计算时不考虑发动机喉衬烧蚀。
喷管的喉部直径为:
3.2装药设计
在确定总体参数和选定推进剂后,装药设计的任务主要是设计出满足装药量、满足燃面变化、满足燃烧时间等要求的药形,确定出装药几何尺寸。
3.2.1平均燃速
根据20℃时的燃速公式r=0.03216p0.35mm/s,可计算当pc=11.5MPa时的平均燃速为:r=9.5mm/s。
3.2.2装药肉厚
根据平均燃速和燃烧时间,可计算装药肉厚。
e1=9.5×20=190mm。
3.2.3燃烧面积
根据发动机压强公式可计算助推器需要的装药燃烧面积。
3.2.4装药质量
3.3发动机性能计算
3.3.1压强计算
发动机工作压强为:
3.3.2推力计算
发动机在地面(海平面)工作的推力计算
由推力系数公式:
发动机地面推力为:
3.3.3燃烧时间计算
发动机燃烧时间为:
3.3.4喷管出口参数计算
3.4发动机结构设计
发动机由前封头、圆筒体合喷管组成。燃烧室筒体两端都为大开口,燃烧室与前封头、燃烧室与喷管都采用法兰连接。
燃烧室筒体壁厚计算
取pmax=12.5MPa,燃烧室外径为De=200mm,采用第四强度理论的薄壁圆筒壳
体壁厚计算公式可计算燃烧室筒体的最小壁厚:
焊缝系数ξ=0.95
将pmax=12.5MPa,De=200mm代入壁厚公式可得δmin=1.85mm,因要多次使用,采用厚壁,故取燃烧室筒体壁厚为:δc=4mm。燃烧室内径Di=192mm。
4数值模拟验证
基于燃气舵发动机流动特性,选用FLUENT中k-ε湍流模型对实验方案进行数值模拟,分析燃气舵在工作时内流场分布。通过计算结果对内部产生能量损失和烧蚀的原因与位置进行分析,有助于优化燃气舵设计改进。
在未安装燃气舵前,燃气舵前端面所在位置喷管截面参数为:平均温度2720K,出口平均静压0.5MPa,出口平均速度2210m/s。基本符合设计要求。燃气舵前端面气流停滞,烧蚀最为严重。
综上可知,通过合理的设计实验模拟火箭发动机,完全能够模拟规定工况,对燃气舵在不同工作状态下的烧蚀情况进行模拟实验。
地面模拟 篇2
采用三维非结构贴体直角网格和N-S方程研究了三维地面效应的数值计算方法.用最小二乘法对N-S方程进行了MUSCL有限体积法的粘性求解,提出了带约束边界条件的最小二乘法的处理办法,修正了下垫面的.数值边界条件,模拟了下垫面在低马赫数情况下对飞行器的地面效应作用.结果表明计算方法可以反映地面效应的基本原理和特性,模拟结果显示飞行器的地面效应不仅有正效应,而且可能有负效应.
作 者：李盾 王义宁 LI Dun WANG Yi-ning 作者单位：航天空气动力技术研究院,一部,北京,100074 刊 名：飞行力学 ISTIC PKU英文刊名：FLIGHT DYNAMICS 年，卷(期)： 24(2) 分类号：V211 关键词：地面效应 三维非结构 贴体直角网格 数值模拟
地面模拟 篇3
为保证基坑开挖处于非饱和状态, 提高基坑边坡的稳定性, 基坑工程中常采用降水方法将坑内地下水位降低至开挖面以下。但随着地下水位的降低, 地层初始水位以下土体有效自重应力增加, 土体固结产生地面沉降, 造成降水影响范围内建 (构) 筑物产生不均匀沉降、开裂、倾斜, 严重时可能影响其正常使用甚至坍塌[1,2]。
为减小基坑降水对周围环境的影响, 通常设置止水帷幕, 将降水影响范围最大程度限制在基坑施工作业范围附近。然而, 止水帷幕却具有造价高、施工难度大、易产生裂缝而渗漏等缺点[3]。而回灌法借助工程措施, 将抽出的地下水重新引入含水层, 补给地下水, 从而抬高局部因基坑降水而降低的地下水位, 减小因地下水位降低而产生的地面沉降, 且回灌法较经济、简便、针对性强。基于此, 许多学者据回灌法多年工程实践, 定性分析了其优缺点[4,5], 并有一些学者通过数学解析法或数值法做了一些定量上的研究[6~8], 在相当程度上揭示了回灌法控制地面沉降的一般规律, 但仍有一些方面需要进一步探讨。
本文以某工程作为实例, 根据场地具体的地质条件, 建立了水-土耦合地面沉降模型, 应用数值模拟方法并结合解析解法, 模拟了距基坑边不同距离处回灌之后, 基坑及其周围一定范围地下水位和地面沉降变化情况。并对不同回灌井布置方案的处理效果进行了对比分析, 取得了比较满意的结果。
1 基本原理
1.1 回灌法基本原理
1.1.1 回灌法工作原理
回灌法的工作原理是在井点降水的同时, 将抽出的地下水通过回灌井重新灌入含水层中, 回灌水向井点周围渗透, 形成一个和降水曲线相反的倒降落漏斗, 使降落漏斗的影响半径不超过回灌井所在位置。这样, 回灌井点就形成一道隔水帷幕, 阻止回灌井点外侧建筑物下方地下水的流失, 并使回灌井外地下水位基本保持不变, 含水层应力状态基本维持原状, 有效地防止基坑降水对周围建筑物的影响[9]。工作原理如图1。
回灌法一般只能适用于渗透性较好的一类介质, 如填土、粉土、砂土、碎石土等。目前在工程中大量使用的是井点灌注法。该法由回灌井点与回灌总管、回灌支管、流量计、水箱、水源组成回灌系统, 补给水源 (主要是抽出的地下水) 从水箱先后经回灌总管、流量计、回灌支管进人回灌井点管, 补给地下水。回灌系统的设计内容主要包括:回灌井点的井位、井深和回灌水量。
1.1.2 回灌井点设计
回灌井间距通常为2.0~3.0m。在实际工作中, 可以先根据相关工程实践, 采用类比法初步设置井点间距之后可基于观测资料进行数值分析、再作适当调整, 可获得较为合理的回灌井布置方案。
回灌井的深度应据井点降水水位曲线和介质渗透性来确定, 通常可控制在最终降水水位曲线1.0~2.0m以下。具体步骤:先得出井点抽水后 (未回灌) 基坑周围的大致水位降深曲线, 然后获得各保护对象在降水后的地下水位标高, 由此确定回灌井滤管顶标高, 要求在降水水位曲线下至少1.0m。回灌井滤管长度应大于抽水井滤管的长度, 通常为2.0~2.5m。
计算回灌量之前, 应确定回灌井点的水位曲线方程。将每根井点管作为一口井, 为简便起见, 近似按潜水完整井考虑, 采用圆形补给边界条件。由地下水动力学中抽水井群的水位曲线方程可推得灌水井群的水位曲线方程为[10]:
式 (1) 中:z为计算点的水位 (m) ;H0为灌 (抽) 水影响半径以外的地下水位 (m) ;“±”中取“+”时为灌水, 取“-”时为抽水;Q为井群单位时间总灌 (抽) 水量 (m3/s) ;k为地基土渗透系数 (m/s) ;R为井群灌 (抽) 水影响半径 (m) ;ri为计算点到第i个井距离 (m) ;n为群井个数。
1.1.3 回灌水量设计 (步骤1)
据降水水位曲线, 在保护对象中选出水位最高点和最低点 (假设降水后水位分别为:z'1和z'2) 。假设此两点在回灌群井作用下的水位分别为:z1和z2 (尚未与降水后的地下水位迭加) , 回灌井滤管顶水位为:z3。并把z1、z2、z3分别代入式 (1) 中灌水井群的水位曲线方程。
根据回灌技术要求, 水位最高点与最低点在回灌后地下水位相同 (以保证保护对象在回灌后地下水位基本保持不变) 的原则, 可得:
回灌井点的灌水影响半径R可按库萨金公式[11]计算, 即
联立方程组 (1) ~ (3) 可求得到回灌水量Q。
1.1.4 水位验算 (步骤2)
根据步骤1计算结果, 计算回灌水对降水井位置处所引起的水位上升h (h=z-H0) 。若h≠0 (即保证基坑设计水位降深) , 则调整回灌井点的深度和间距等参数, 并重复步骤1、2, 直至满足设计水位要求。
1.2 数学模型原理
承压含水层三维非稳定渗流数学方程[11]为:
式 (4) 中, kxx, kyy, kzz分别为沿x, y, z坐标轴方向的渗透系数 (LT-1) ;h为点 (x, y, z) 在t时刻水头值 (L) ;W为源汇项 (T-1) , 主要为降水井的抽水量;SS为点 (x, y, z) 处的储水率 (L-1) ;Γ1为模拟区域第一类边界;Ω为渗流计算域。
含水层沉降量的沉降模型方程为:
式 (5) 中, Δb:A厚度含水层在Δt时间内的压缩量;Sst':含水层骨架部分 (非) 弹性储水率。
将qi添加到方程 (4) 的右端, 再加上相应的初始条件和边界条件, 及求解压缩量的方程 (5) , 构成了求解地面沉降的三维水-土耦合模型。
2 工程应用
2.1 工程概况
基坑 (如图2) 场地东、南、北面为拟建工程空地, 西面为居民平房住宅, 距离基坑边仅为16.8m, 由于该住宅年代已久, 对地面沉降十分敏感, 要求工程施工时严格控制住宅区域内地面沉降。工程采用大基坑开挖形式施工, 开挖尺寸100m×65m, 开挖深度6.9m, 起始地下稳定水位埋深为0.8m, 设计基坑中心地下水位需降至基坑底板以下0.5m, 设计水位降深为6.6m。基坑降水影响半径为500m, 含水层累计厚度44.7m。含水层至上而下分别为杂填土、粉质粘土、砂质粉土、细沙, 细沙下伏为相对隔水层。各含水层水文地质参数参见表1。
降水前, 基坑四周已施工布设了一道359.40m的环形支护板墙, 板墙埋深12.0m, 这对上部的中细砂含水层起到了有效的隔挡作用。沿板墙外边界等间距布置20眼降水井, 本次设计降水井为水泥滤管井, 成孔直径为600mm, 成井直径为400mm。在基坑西边断面1-1位置, 距坑边分别为30m、60m、90m、120m及O点和基坑边线处分别布设沉降观测点CJ1、CJ2、CJ3、CJ4、CJ5和CJ6。
2.2 模型的有效性验证
以基坑为中心, 东西、南北各扩展至500m作为本次模拟计算区域, 共计500m×500m, 四周均按定水头边界处理。据基坑场地水文地质条件特征, 将计算区垂直方向自上而下剖分成5层。在模型研究区域范围内, 采用等间距有限差分离散法进行自动剖分, 网格大小为5m×5m, 对涉及深基坑周边区域网格进行加密, 加密区网格大小1m×1m, 加密后共3576个单元格。采用Processing Modflow软件, 对本文所建模型进行降水沉降数值模拟。
将底面边界概化成隔水边界, 上边界处作为开放边界, 侧向边界概化为定水头边界, 即侧向边界为基坑排水的影响边界。模型范围计算厚度取44.7m, 降水井底部深入下部隔水层, 井深为25m。仅考虑抽水作用的影响, 采用Processing Modflow中的井流 (Well) 模块进行计算处理。各抽水井的抽水量按实际抽水量赋值, 单井抽水量在30~45m3/h之间, 含水层的相关参数见表1, 采用强隐式共轭梯度法进行求解。
降水45d达到设计水位降深后, 得到基坑及其周围一定范围内地表沉降等值线图 (图3) , 并取图2断面1-1位置此时地表沉降实测、模拟值数据绘制沉降对比图 (图4) , 表明模拟值与实测值拟合关系较好。可见, 通过Processing Modflow软件数值求解所建模型是有效的。
2.3 回灌效果数值模拟
由图4可知, A平房住宅O点 (距西面基坑边16.87m) 的不均匀沉降实测值和模拟值分别为3.33cm和3.10cm, 且实际监测发现住宅外墙有3条较明显的裂缝, 并且沿墙底有很多短而细小的裂缝, 无法满足建筑对沉降的要求。因基坑其它三面均为空地, 采用止水帷幕造价太大, 且西面住宅距基坑边较近, 无法取得较好效果, 为保证基坑施工期间住宅不产生过大不均匀沉降, 采用回灌法将是最理想的选择。
2.3.1 回灌井设计
研究表明:回灌井埋设深度对回灌引起地下水位上升的范围影响很小, 对基坑周围地表沉降的影响也很小[12]。因此施工过程中可适当增加回灌井埋设深度, 以防止回灌水溢出地表, 确保回灌效果, 可取回灌井点井底埋深3.5m。据1.1.3中回灌量Q的计算方法, 在基坑西边距离基坑边5m处设一单排回灌井群, 并取回灌井间距为2.5m, 计算得单井回灌量Q为8.31m3/h。用验证后的模型模拟获得地下水位变化等值线图, 发现基坑位置并未达到设计水位降深。为满足设计水位降深要求, 增大回灌井间距, 重新计算单井回灌量Q, 并把新数据导入验证后的模型进行水位模拟。经反复调校, 获得最终回灌井间距和回灌量分别为3.64m和7.08m3/h。同理获得分别在基坑西边距离基坑边10m、15m处设一单排回灌井群时, 回灌井间距和回灌量分别为2.82m、15.16m3/h和2.19m、19.97m3/h。
2.3.2 模拟结果
为方便比较和总结规律, 回灌井群距基坑边分别为5m、10m、15m三种工况同样取经Processing Modflow模拟45 d后, 得到基坑西侧断面1-1 (图2) 地下水位和地面沉降的变化数据, 并与不回灌情况下降水模拟45d的数据相比较。其中, 图5反映了不回灌和回灌井群距基坑边分别为5m、10m、15 m时, 基坑西侧断面1-1内水位的变化;而图6则为达到设计降深后, 不回灌和回灌下井距基坑边对应距离处 (5m、10m、15m) , 地面沉降的变化。
2.3.3 结果分析和讨论
由图5和图6可做如下讨论:
(1) 随着回灌井距基坑边距离增加, 回灌引起地下水位上升的范围扩大, 说明在一定范围内远离基坑边处的回灌效果优于近处。可见, 回灌点布置应尽可能靠近保护对象。
(2) A平房住宅O点 (距西面基坑边16.87m) 在回灌井距基坑边依次为5m、10m、15m时的不均匀沉降量分别为1.63cm、1.23cm、0.66cm, 基本满足建筑对沉降的要求。
(3) 设置回灌井可以减小回灌点附近地面的总沉降量。但对于不均匀沉降量而言, 回灌点外远离基坑方向, 随着回灌井远离基坑边, 不均匀沉降呈现明显减小趋势, 而回灌点靠近基坑方向, 则出现先减小后明显增加的趋势。可能是回灌点至基坑边之间的含水层受到了抽水和回灌的多重作用, 致使含水层不均匀性增加, 增大了地表的不均匀沉降。
(4) 随着回灌井距基坑边距离的增加, 回灌点以外的总沉降量和不均匀沉降都减小, 说明在一定范围内远基坑处的回灌效果优于近处。
3 结论
(1) 从地表沉降模拟值和实测值对比分析可知, 本文建立的水-土耦合地面沉降模型并采用Processing Modflow软件进行数值模拟是有效的。通过改变不同的回灌条件, 定量上实现了不同回灌条件下基坑周边地面沉降的模拟, 获得了回灌法控制地表沉降的一般规律。相关结论与采用回灌法的深基坑降水工程多年现场实践观测情况相一致。
(2) 模拟结果表明:在基坑外侧一定距离处设置回灌井, 可明显减小回灌处远离基坑方向地表总沉降和不均匀沉降。且随着回灌井距基坑边距离增加, 回灌处远离基坑方向地表总沉降和不均匀沉降减小更显著, 说明在一定范围内, 远基坑处的回灌效果优于近处。因此, 工程实践中在确保回灌效果基础上, 可适当增加回灌井与基坑边的距离。
摘要：深基坑降水往往伴有地面不均匀沉降等环境问题, 人工回灌法是解决此类问题的有效手段之一。基于多场耦合作用理论, 建立水-土耦合模型, 应用Processing Modflow软件数值模拟了不同回灌井布置方案下基坑周围地面沉降及其变化。结果表明:设置回灌井后, 基坑周边地面的沉降量明显减小, 且回灌处相对远离基坑的地面沉降减小十分显著;在一定范围内, 相对远离基坑处的回灌效果优于相对近基坑处。
地面模拟 篇4
基于GIS的多污染因子复合地面浓度场模拟与评价
摘要：针对工业大气多因子复合作用的污染物连续地面浓度分布和评价问题,提出了一种基于GIS的地面浓度场模拟和综合评价的`新方法,该方法将大气污染物扩散高斯模式和大气质量综合污染指数评价模型在GIS中有机集成,实现了污染物分布空间信息的显示和分析.通过将此方法应用于某一化工厂污染源不同气象条件下污染扩散分析计算,结果表明此种方法简单实用,特别是对多污染因子复合作用的综合评价模型具有任意空间分辨精度,可以满足不同分级需求.作 者：蒋锦刚 邬敏 李祚泳 冯文兰 JIANG Jin-gang WU Min LI Zuo-yong FENG Wen-lan 作者单位：成都信息工程学院,四川,成都,610225期 刊：成都信息工程学院学报 ISTIC Journal：JOURNAL OF CHENGDU UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY年，卷(期)：2008,23(6)分类号：X823关键词：GIS 工业大气源 污染因子 模拟和评价 大气污染指数