玉米根茬根土分离过程数值模拟

为明确玉米根茬根土分离过程中的土壤运动与破裂规律以及根茬变形与受力规律,基于光滑粒子流体动力学(SPH)算法构建玉米根茬根土复合体仿真模型,利用该模型分别进行了玉米根茬根土复合体在压力与冲击作用下的根土分离过程动态仿真。仿真结果表明:在压缩作用下,为使土壤破碎同时避免压实,应控制压缩率90%;当压缩率为90%时,玉米根茬大部分根须所受等效应力为0.421~2.907 MPa;采用飞锤冲击玉米根茬根土复合体,不仅可以有效促使土壤破碎,提高根土分离效果,而且可以减少根须所受应力,降低根茬损失率。     

基于SPH算法的立式旋耕刀土壤切削仿真模拟简

立式旋耕是丘陵山地改善土壤结构、增加耕作深度的耕作方式之一,为研究立式旋耕刀与土壤切削的作用机理,优化刀片结构达到减阻降耗的目的,利用ANSYS/LS-DYNA软件并采用SPH方法对旋耕刀进行有限元动态仿真,对3种不同螺旋线型的刀片进行对比分析.根据仿真结果分析了旋耕刀的切削阻力和切削功率变化规律,最终选用的B刀片比A刀片切削阻力降低9.42%,切削功率降低14.02%,并对B旋耕刀进行田间实验,其功率和扭矩与仿真分析结论一致.     

旋耕弯刀切土能耗理论分析及降低能耗的途径

对r=195mm旋耕弯刀侧切面、正切面切土能耗进行理论计算表明:正切面切土能耗大于或接近于侧切面切土能耗。增大旋耕刀安装角可以改变土壤破坏形式,减少切土阻力,建议:r=195mm普通旋耕刀安装角可取65°左右;曲母线正切面旋耕刀安装角可取70°左右;其它类型旋耕刀的安装角亦可参照此结论相应增大。     

基于光滑粒子流体动力学方法的土坡滑面确定与分析

在边坡稳定性分析研究中,滑面的确定对分析结果起着决定性和控制性的作用.土坡滑面的确定目前主要以极限平衡法的假定滑面和有限元强度折减法塑性区分析为主.本文以土坡从小变形到大变形连续求解整个变形过程的视角出发,利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法在处理土体大变形问题的优势,基于土体的理想弹塑性本构模型,按照强度折减法理论逐步折减土坡土体强度参数依次进行计算.在土体滑动发生的过程中,在全局搜索区域中划分单次搜索区间,根据单次搜索区间的最大剪切应变率原则选取最大剪切应变率粒子,多组最大剪切应变率粒子贯通即确定了滑面位置与形态.在此基础上初步分析土坡稳定性与土坡形变间的关系.基于SPH方法与最大剪切应变率原则的土坡滑面确定方法为土坡滑面确定分析提供了一种新的、有效的方式.     

基于环境流体动力学模型的浅水草藻型湖泊水质数值模拟

针对内蒙古乌梁素海面临的污染现状,基于三维环境流体动力学模型(EFDC)的计算模式,将其与CE-QUAL-ICM模型耦合,模拟了不同情景下的乌梁素海藻类、总氮、总磷、化学需氧量年际和季节变化规律,模型中不仅考虑了风速和蒸发对模型的影响,也加入了挺水植物密度、高度、直径等形态指标,以此反映水生植物存在的区域中植物吸收降解污染物质、风速对底部应力、流场变化等因素对模型模拟结果的影响。研究结果表明:考虑挺水植物分布的耦合模型能够很好的模拟藻类和污染物质在乌梁素海内的年际、季节变化过程,模拟结果更接近于实际,模拟值与实测值间的相对误差基本控制在30%以内,大部分相对误差已控制在20%以内;降低入湖污染物质负荷直接影响着湖区内水质浓度的变化。另外,对于浅水或挺水植物密集而无法进入取得信息的区域,利用所建耦合模型能够为这些区域湖泊规划、管理、修复提供依据。     

基于ANSYS／LS_DYNA的螺旋刀具土壤切削的数值模拟

选择黄棕壤为土壤类型,观察螺旋刀具对土壤的破坏过程,建立了螺旋刀具的实体模型和MAT147(MAT FHWA_SOIL)的土壤材料模型;借助有限元ANSYS/LS_DYNA(显式非线性动力分析有限元软件)模块,构建了螺旋刀具切削土壤的有限元模型,并进行螺旋刀具切削土壤过程的三维动力学仿真,得出了开沟机螺旋刀具切削土壤功耗的大小和螺旋叶片的等效应力(von Mises stress)的变化规律及其力学特性.     

基于计算流体动力学与离散元法的离心泵内流场及磨损的数值模拟

利用离散单元法与流体动力学耦合的方法研究了不同入口流速(0.6、1.2、1.7 m/s)和额定转速(2650、2800、3000 r/min)下单级离心泵内部流场变化、磨损部位、磨损量、输送能力。结果表明：离心泵叶轮叶片尾部易发生空化现象,入口流速对叶片空化现象、出水管道滞留区域产生的影响大于转速的;9种工况下离心泵最大磨损量出现在叶片尾部,转速从2650 r/min变化为3000 r/min时,磨损最严重的部位由叶片1、4尾部变为叶片1、2尾部,叶轮叶片为离心泵磨损最严重的部件,占离心泵总磨损量的38.10%～49.41%;离心泵内沙粒平均停留时间表明,流速对离心泵输送性能的影响大于转速的,入口流速0.6m/s、1.2m/s、1.7m/s下沙粒平均停留时间分别为0.144、0.068、0.052 s,说明随着流速的增加,离心泵输送性能增强。     

基于光滑粒子的流体仿真研究

为了提高流体仿真的效果,设计了一种基于光滑粒子流体动力学(SPH)理论的流体模型.该模型根据实际粒子物理特性对流体进行建模,提出了一个采用预测松弛方法的流体仿真算法,在仿真过程中直接面向实现,对粒子运动速度进行松弛预测.经仿真实验证明,该模型能够满足流体粒子的物理特性,仿真效果具有真实感和稳定性,方法易于实现,提高了仿真效率.     

基于离散元与多体动力学的微耕机旋耕刀轴负荷分析

旋耕部件是微耕机的核心部件,其耕作性能的优劣直接影响微耕机的耕作效率和作业质量。以重庆地区典型的旋耕刀辊和土壤为对象,基于离散元和多体动力学理论,设定前进速度为0.2 m·s^-1,转速为110 r·min^-1,耕深为150和200 mm,采用非线性粘弹性塑性接触模型,在EDEM和Recurdyn软件平台上实现了刀辊耕作过程的模拟分析;同时,依托已有的土槽试验平台,测试了相同工况下刀轴的等效扭矩。模拟与试验的对比分析结果表明：同一刀轴上不同刀盘的扭矩变化规律相似,但数值并不一致,整个刀轴所受的等效扭矩不能简单地理解为单个刀盘所受扭矩与刀盘数的乘积;耕作深度为150、200 mm时刀轴等效扭矩的变化规律一致,模拟值与试验值的最大相对误差分别为14.01%、11.49%。研究结果可为探讨旋耕刀与土壤的相互作用,优化微耕机作业性能提供参考。     

基于离散元与多体动力学的微耕机旋耕刀轴负荷分析

旋耕部件是微耕机的核心部件,其耕作性能的优劣直接影响微耕机的耕作效率和作业质量。以重庆地区典型的旋耕刀辊和土壤为对象,基于离散元和多体动力学理论,设定前进速度为0.2 m·s^-1,转速为110 r·min^-1,耕深为150和200 mm,采用非线性粘弹性塑性接触模型,在EDEM和Recurdyn软件平台上实现了刀辊耕作过程的模拟分析;同时,依托已有的土槽试验平台,测试了相同工况下刀轴的等效扭矩。模拟与试验的对比分析结果表明：同一刀轴上不同刀盘的扭矩变化规律相似,但数值并不一致,整个刀轴所受的等效扭矩不能简单地理解为单个刀盘所受扭矩与刀盘数的乘积;耕作深度为150、200 mm时刀轴等效扭矩的变化规律一致,模拟值与试验值的最大相对误差分别为14.01%、11.49%。研究结果可为探讨旋耕刀与土壤的相互作用,优化微耕机作业性能提供参考。     

基于数值方法的农田土壤零通量面的模拟

零通量面能够反映土壤水分运动情况,定量计算土壤水分的入渗和蒸散量。采用Richards方程描述了降雨和蒸发边界条件下的一维土壤水分运移,通过土壤传递函数估算得到Van-Genuchten水分特征曲线参数,借助参数化Hydrus-1D模型计算得到一维土壤空间不同层的土壤含水量和基质势的数值解,并采用田间实测数据对数值解进行了验证,根据不同层的水势梯度和水流通量的值判断零通量面出现位置以及零通量面类型,最后分别设置5个不同的降雨和蒸发强度,模拟分析了土壤零通量面的空间位置和类型。研究结果表明:(1)采用Hydrus-1D可以准确模拟降雨和蒸发条件下的一维土壤水分运移;(2)在降雨和入渗条件下,零通量面位置随之降低;(3)蒸发强度增加时,零通量面上部土水势降低,土壤吸力增大,使其位置上升。结果证明该方法可行,能够模拟零通量面的动态变化。     

基于FLUENT的滴灌条件下土壤水分入渗数值模拟

[目的]研究滴灌过程中土壤水分的入渗规律对合理滴灌与作物增产有重要意义。[方法]本文采用Fluent软件对行距为50cm的滴灌种植模式计算求解。[结果]通过模拟得到土壤水分入渗的速度分布云图与各点水分分布云图。模拟结果与实际试验结果基本一致,入渗速度随入渗深度和宽度的增加而减小,水平方向和垂直方向的平均入渗速度分别为2.73×10~(-4) m·s~(-1)、2.24×10~(-4) m·s~(-1),水平方向入渗速度较大;水分到达距地面10cm深处作物根部所需时间大约为100~120min;入渗时各点土壤含水率增速随时间下降,随宽度和深度的增加而减小。[结论]模拟结果表明,数值模拟能够较好地反映滴灌条件下土壤水分入渗规律,为确定最优种植模式提供理论指导。     

基于FLUENT土壤养分渗流扩散的数值模拟研究

通过模拟降雨装置试验测定了土壤的渗透系数,并借助CFD-PDE耦合,采用离散元软件FLUENT的流体模拟功能研究了磷酸二氢钾溶液在土壤渗流过程中渗流速度和有效扩散系数随土层深度的变化规律。结果表明:在不同水头下渗透系数的变化基本上都呈下降趋势,供试土壤的渗透率随土层深度的增加而降低;磷酸二氢钾溶液在中心点以下0.02 m处的渗流扩散能力最强,且随着土层深度加深和到中心点距离的增加呈辐散性减弱。     

基于FLUENT土壤养分渗流扩散的数值模拟研究

通过模拟降雨装置试验测定了土壤的渗透系数,并借助CFD-PDE耦合,采用离散元软件FLUENT的流体模拟功能研究了磷酸二氢钾溶液在土壤渗流过程中渗流速度和有效扩散系数随土层深度的变化规律.结果表明:在不同水头下渗透系数的变化基本上都呈下降趋势,供试土壤的渗透率随土层深度的增加而降低;磷酸二氢钾溶液在中心点以下0.02 m处的渗流扩散能力最强,且随着土层深度加深和到中心点距离的增加呈辐散性减弱.     

非饱和土壤溶质运移数值模拟的初步研究

应用有限差分法对非饱和土壤中一维溶质运移模型数值求解，模拟了土壤水分运动和溶质运移的动态过程。以实测数据验证了模拟结果的合理性与有效性。为保护数值模拟正确进行，给出确定散步长ｄｘ和ｄｔ的三个准则。     

气雾栽培箱喷雾条件下温度场的CFD数值模拟

分析气雾栽培箱外部温度为18℃和20℃,18℃和22℃营养液雾化后,气雾栽培箱内部和生菜根系周围温度的变化,采用CFD(计算流体动力学)方法对气雾栽培箱内部温度场进行数值模拟与预测。结果表明:当气雾栽培箱外部温度18℃时,22℃营养液雾化后,气雾栽培箱内部温度的实测值和模拟值的差值均小于2.9℃,平均相对误差为8.1%,均方根误差为1.2℃。所建CFD模型准确有效。     

基于CFD-EDEM耦合的小区玉米帘式滚筒干燥箱数值模拟

为解决通过现有技术模拟仿真干燥装置干燥物料过程困难的问题,基于CFD-EDEM气固耦合数学模型,采用标准k-ε湍流非稳态的欧拉-欧拉耦合算法对小区玉米帘式滚筒干燥箱干燥过程中气固传热、内流场动态分布进行分析研究。仿真前对气固耦合模型进行了以下前处理：借助三维造型软件建立了干燥箱模型,应用Gambit软件对其进行了网格划分,利用切片造型技术建立了玉米仿真模型,并对两种耦合模型进行了初始条件、边界条件和耦合参数等设定。仿真结果表明：在1.5 s的仿真过程中,玉米模型处于不同温度场数量符合正态分布,其中处于373 K的玉米模型数量为735个左右,大约75个玉米模型温度上升了7.9 K;滚筒内的帘板的转动对热气流有扰动加速作用,使帘板附近的空气速度由0.50 m·s^-1上升至0.63 m·s^-1。     

基于数值模拟的材料力学教学导入法

材料力学是工科专业学生的一门重要专业基础课,教学大纲涵盖大量概念性知识和方法性知识。为了帮助学生在课堂上尽快进入课题情境,笔者借助有限元分析软件,在课题导入时将数值模拟的计算结果展现在学生的眼前,让学生直观看到力学现象、构件受力特点以及破坏形态,有利于启发学生积极思考,顺利进入课题情境。实践证明数值模拟的引入有效提高了课堂授课质量。     

黏土弹塑性变形的数值模拟方法研究

在对黏土土样进行典型土力学实验的基础上,根据岩土材料的弹塑性理论,选取适用于岩土类材料的Drucker-Prager准则和与之相关的流动法则,对土样单轴压缩实验采用有限元软件进行数值模拟。模拟与试验结果比较表明:预测得到的屈服面与试验所得破坏面的方位吻合很好,证明所选的土的弹塑性模型是正确的;笔者提出的从土样试验提取模型参数,并根据土样特征选取相应模型进行数值计算的研究方法是可行的,适用用于土工程屈服失效问题的数值计算。