生物多孔介质热风干燥数学模型及数值模拟

为了研究生物多孔介质在热风干燥过程中的热质传递机理以及其内部应力应变分布规律,根据生物多孔介质中温度、水分及应力之间复杂的耦合关系,基于菲克扩散定律、傅立叶导热定律和热弹性力学理论,建立了对流干燥条件下,含湿多孔介质内部传热传质过程热-湿-力双向耦合的数学模型。采用有限差分法编制相应的计算程序,对其进行数值计算,数值结果与马铃薯和胡萝卜对流干燥试验结果之间的相对误差均小于5%;进一步分析了干燥特性曲线,以及温度、干基含水率和应力应变的时空分布;最后分析了风温、风速等干燥条件以及多孔介质厚度对干燥过程的影响,结果表明:在一定试验条件下,风温越高,风速越大,切片厚度越薄,干燥时间越短。研究为改善生物多孔介质热质传递现象物理机理的理解提供参考。     

枸杞真空冷冻干燥动力学的数值模拟及分析

为探究枸杞真空冷冻干燥过程中的热质迁移,克服应力应变现象不能直观获取的问题。该研究通过对鲜枸杞切片试验图像二值化处理,建立了鲜枸杞真空冷冻干燥的热-质-结构耦合的物理模型,对真空冷冻干燥过程中枸杞温度变化、水分变化以及其内部的应力应变进行了热-质-力耦合分析,并对分析结果进行试验验证。模拟分析结果表明,预冻结过程中,细胞始终在膨胀,当细胞完全冻结时细胞所受应力达到最大,而干燥阶段热质传递对应力影响较小。提高真空冷冻干燥过程中的升温速率,在一定程度上能够缩短冻干所需时间,并且真空冷冻干燥过程中的枸杞样本的含水率下降速率随干燥时间的增大而减小,该变化趋势与Wang and Singh模型更加贴合（R2为0.983）。同时试验验证结果表明,该研究建立的模型能够较好反映并预测真空冷冻干燥过程枸杞样本的温度及应力应变的变化趋势（R2为0.857）。研究结果可为真空冷冻干燥系统优化和工艺参数的科学制定提供参考。     

泥石流的数值模拟和试验模拟方法

研究泥石流的发生、发展规律及防治措施的功效 ,常采用数值模拟和水工模型试验来确定。日本筑波大学林工学系宫本邦明等人应用模拟相似法则对泥石流进行了模拟研究 ,对流体的雷诺系数进行探讨 ,其结果用流体力学函数表示。使泥石流的规模发生数量级的变化后进行数值模拟结果遵从流体力学公式。此项研究成果对我国有关泥石流防治研究提供一定的参考作用     

移动滴灌系统土壤水分入渗试验与数值模拟

为减少大型喷灌机的喷灌水分蒸发漂移损失,将低压喷头改装成按适当间距布置的大流量压力补偿滴灌管,使大型喷灌机自走时拖拽滴灌管,实现边移动边滴灌。该移动滴灌系统融合了大型喷灌机与滴灌的技术优势,具有较高的节水潜力,研究其土壤水分入渗规律对于设计节水高效的灌溉系统具有重要意义。为确定移动滴灌管灌水后的土壤湿润体形状及土壤水分分布情况,该研究搭建了移动滴灌试验装置,设置30、40与50 mm 3种灌水深度进行移动滴灌土箱试验,同时利用HYDRUS-2D建立移动滴灌条件下的土壤水分运动数值模型。模拟与实测结果对比表明,所构建模型能较准确地反映移动滴灌的土壤水分运动规律,土壤剖面中的水分运动均遵循面源入渗模式,灌水后48 h土壤剖面含水率模拟值的标准均方根误差低于20%,各测点处含水率变化过程模拟的标准均方根误差值总体低于25%。利用所建模型分析了砂壤土、壤土与粉壤土3种不同的土壤质地,20、30与40 mm 3种不同的灌水深度以及0.050、0.075、0.100、0.125与0.150 cm3/cm3 5种不同的土壤初始含水率对移动滴灌条件下土壤水分入渗规律的影响。结果表明土壤质地对湿润峰运移距离与湿润体形状的影响较大,土壤砂性越强,湿润体横截面积越大,可以适应更大的滴灌管安装间距;对于供试砂壤土而言,增大灌水深度与土壤初始含水率,均可以提高湿润峰运移距离和灌水均匀性,但会加大深层渗漏风险。该研究结果对于大型喷灌机的移动滴灌系统设计运行具有重要参考价值。     

高温射流冲击苎麻开纤脱胶的压力和温度场数值模拟与试验

为了研究苎麻纤维残留胶质的射流冲击分纤脱胶机理,设计试制了高温射流冲洗试验装置,开展了单喷嘴和双喷嘴开纤脱胶试验,数值模拟了单喷嘴和双喷嘴射流冲击壁面的表面温度场、压力场分布及有效的作用区域。结果表明,当喷嘴直径为2.0 mm,进口温度为373 K时,单喷嘴射流冲击试验的较佳组合参数喷距为30 mm,进口压强为1.2 MPa,时间为16 min,测得残胶率为3.1%;以单喷嘴相同设定参数模拟了双喷嘴较佳喷嘴间距为30 mm,冲击压力范围为0.2~0.3 MPa,温度范围为320~334 K,该试验测试的喷嘴间距与数值模拟相符合,测试残胶率为3.1%,单纤维断裂强力为51.71 c N。该技术为开发新型苎麻纤维分纤洗脱设备提供技术参数。     

排气催化转化器气流分布的数值模拟和试验

运用计算流体动力学对汽车排气催化转化器气流特性开展数值模拟。对4种不同的催化转化器结构的气流特性和压力损失特性进行对比，采用平滑过渡的引流结构，压力损失最小。对不同排气流速的气流场分布和压力损失进行了模拟和分析。研究表明排气流经催化转化器的压力损失主要是由排气流进和流出载体通道时产生的，由于载体通道入口对气流的阻碍作用，使得气体流入载体各通道的流速趋向一致。通过试验证明采用计算流体动力学开展催化转化器气流分布、压力损失的优化是可行的。     

玉米收获机车架应力及模态数值模拟焊点模型优选

玉米收获机车架作为一种典型的薄壁焊合结构,各结构件主要通过焊接关系连接,该文针对车架有限元建模分析中焊点连接关系复杂、不同焊点模型引起数值模拟精度差异的问题,以提高车架有限元建模准确性与计算精度为目标,研究不同焊点模型对收获机械车架有限元计算精度的影响。首先,研究了有限元建模中常用4种不同焊点模型的构造机理与数学描述,并分别建立了4种焊点的车架有限元分析模型,计算静态加载下不同焊点模型车架的应力分布;其次,设计了玉米收获机车架应变试验,得到不同测点的应力分布规律。通过对比分析仿真与试验数据得出:采用RBAR(rigid-bar)焊点模型计算结果与试验结果吻合,相关系数为0.993 2,较适合模拟计算应力-应变模式的静态工况。通过Block Lanzcos算法计算不同焊点模型的车架模态振动频率与振型,获取不同焊点模型对车架频率和振型的影响规律,得出采用ACM2(area contact model 2)焊点模型的计算结果与二阶四面体单元计算结果相关性较高,相关系数为0.995 9。综合考虑不同焊点模型的适用性与建模效率得出:对于应力-应变模式的静态分析,建议采用RBAR焊点模型;对于模态分析模式的车架动态振动特性分析,建议采用ACM2焊点模型。研究结果为收获机械焊接结构件的有限元建模方法、焊点模型的选用以及提高数值模拟精度和建模效率等问题提供依据。     

木薯块根拔起的最大应力数值模拟及试验

为了探明木薯拔起时块根最大应力的影响规律和确定块根不被拔断的允许最大拔起力,论文采用FEM(finite element method)和SPH(smoothed particle hydrodynamics)的耦合方法及二次回归旋转设计方法,通过构建土壤-块根-茎秆系统的数值模拟计算模型,进行木薯块根拔起数值模拟试验,测定各因素组合条件下的块根最大拔起力和块根最大应力,建立块根最大应力与拔起速度、块根的大小、长短和生长深度及土壤的软硬程度的多因素耦合数学模型,研究了各影响因素及交互作用对块根最大应力的影响规律,同时,通过块根最大拔起力和块根最大应力的散点图,研究了块根最大拔起力和块根最大应力的相关性,确定了块根不被拔断的允许最大拔起力,且2014年12月底在广西武鸣县某木薯种植地,采用随机抽样方法,进行了木薯块根最大拔起力和块根拔断率的田间试验和统计分析,对块根不被拔断的允许最大拔起力进行了验证,最大拔起力小于0.98 k N时,块根拔断率为2.5%。结果表明,块根最大应力与各影响因素的多因素耦合数学模型的F检验在0.000 1水平上显著,精度较高,可用于块根最大应力的影响分析;块根最大应力随拔起速度的增大呈先增大,后减小的变化,随生长深度、块根长度和土壤硬度的增大而增大,随块根直径的增大而减小;块根最大应力与最大拔起力相关性不强,块根允许最大拔起力约为0.98 k N。     

淹水土壤中氮素运移与转化试验及其数值模拟

在室内试验的基础上,建立了淹水土壤中NH₄⁺—N和NO₃^-运移转化的耦合数学模型,并对表施于水层中的氮肥(碳铵:NH₄HCO₃)在饱和土中运移与转化过程进行了数值模拟。结果表明:该试验条件下NH₄⁺—N的硝化作用主要发生于土壤表层1cm左右的范围内。     

花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模拟与验证

为深入了解花棒(Hedysarum scoparium)根系在增强土壤抗剪强度中的作用机理,同时减少试验成本和挖掘根系对环境的破坏,该文采用有限元数值模拟的方法研究了宁夏毛乌素沙地5 a生人工种植花棒根系的根截面积比(root area ratio,RAR)和垂直荷载对根-土复合体抗剪强度的影响,并对模拟结果进行了试验验证。研究表明:花棒根-土复合体的抗剪强度与垂直荷载的关系符合摩尔库伦(Mohr–Coulomb)屈服准则,花棒根系对土壤的抗剪强度有显著的提高作用。随RAR的增加,花棒根系表观黏聚力(root apparent cohesion,SR)呈线性增加(R20.9)。在相同的RAR下,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率随垂直荷载的增加逐渐降低,符合对数函数变化规律(R20.9);在相同的垂直荷载下,随RAR的降低,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率呈线性递减(R20.9);在较低垂直荷载的情况下,花棒根系提高土壤抗剪强度的作用更明显。研究发现与素土相比花棒根-土复合体的剪应力峰值出现较晚,当土壤出现明显塑性变形时,花棒根系的固土能力才能体现出来。数值模拟结果和室内试验结果显示:利用该文所建立的花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模型,模拟计算的根-土复合体抗剪强度与室内试验结果基本一致,相对误差绝对值的平均值1.87%,花棒根-土复合体的直剪试验可以通过该研究所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果对于深入了解植物根系加固土壤的作用机理和推进根-土相互作用的数值模拟研究具有重要参考意义。     

圆盘切割式蓖麻采摘装置设计与试验

针对现有蓖麻收获装备采摘损失率较高、对低矮植株收获适应性差的问题,该研究结合蓖麻植株的生理特性,设计一种圆盘切割式蓖麻采摘装置。该装置配套于水稻或玉米联合收获机,通过双圆盘刀对蓖麻植株进行切割分离,再经过收割机的清选完成蓖麻收获。通过对装置关键部件的受力及作业原理分析,设计其关键结构参数。并以割茬高度差和采摘损失率为评价指标,以刀盘结构类型、刀盘转速、前进速度为试验因素进行三因素三水平的正交试验,在保证割茬高度差的前提下,以采摘损失率为主要指标,利用综合平衡法确定较优参数组合。田间验证试验表明：刀盘结构类型为波浪形,刀盘转速为600 r/min,前进速度为1.1 m/s时,平均割茬高度差为0.85 mm、平均采摘损失率为3.13%,切割过程平稳、损失率低,对种植农艺适应性好,满足蓖麻收获的田间作业要求。该研究可为蓖麻收获装备的研究和设计提供参考。     

辊刷式蓖麻收获机采摘机构优化设计与试验

针对蓖麻机械化采收时采净率低、破损率高等难题,结合蓖麻物理特性和种植模式,研究设计了辊刷式蓖麻收获机采摘机构。首先在分析采摘机构总体结构的基础上阐述了辊刷式采摘原理,阐明了辊刷、螺旋输送器、传动系统等关键部件的设计。进一步地,为探究采摘机构相关参数的最优组合,提高蓖麻采摘质量,采用Box-Benhnken响应面试验设计理论,以前进速度、辊刷转速、刷丝长度为影响因素,以采净率、籽粒破损率及含杂率为作业质量评价指标,进行参数优化试验。建立各影响因素与指标之间的回归数学模型,并分析各因素对响应值的交互影响,同时对模型进行了综合优化,获得最优参数组合为：前进速度0.72 m/s、辊刷转速371.69 r/min、刷丝长度56.60 mm,对应的采净率、籽粒破损率、含杂率分别为90.81%、0.17%、11.27%。对优化结果进行验证试验,试验结果表明在最优参数组合下,采净率为91.36%、籽粒破损率为0.18%、含杂率为11.67%,各评价指标与预测值均很接近。研究结果可为辊刷式蓖麻收获机进一步完善结构设计和工作参数优化提供参考。     

基于数值模拟的射流式吸肥器结构尺寸优化及性能试验

为提高射流式吸肥器的吸肥性能,使其满足水肥一体化灌溉系统中的大吸肥量需求,该研究以大吸肥量和高吸肥效率为目标,对射流式吸肥器内部结构尺寸进行优化设计.选取表征吸肥器结构的4个参数即吸肥腔收缩角、吸肥腔直径、喉部直径比以及喉部收缩比作为结构优化参数,以吸肥量、进口流量比、吸肥浓度、吸肥效率作为评价吸肥器吸肥性能的4个指标...     

多喷嘴射流泵数值模拟及试验研究

设计了一种能够缩短喉管长度的多喷嘴射流泵。并采用k-ε湍流模型和壁面函数法对不同结构参数下的多喷嘴射流泵进行了数值模拟和试验研究。结果表明,喷嘴数和喉嘴距对射流泵工作性能影响较大;在吸入室及喉管入口处湍动能较大。得出了射流泵的最佳性能喷嘴数,确定了工作流体和被吸流体喉管混合均匀长度,验证了多喷嘴射流泵可缩短喉管长度,提高了射流泵工程应用价值。     

双吸式叶轮内流三维数值模拟及性能预测

以时均化的N-S方程和考虑旋转与曲率影响的修正的k- 湍流模型为基础,在贴体坐标系中运用SIMPLEC算法,对双吸式离心叶轮内流进行三维湍流数值模拟。计算得到叶轮内的速度、压力场分布,预估了扬程、水力效率并与试验值进行对比。计算结果表明,在双吸式叶轮中,从叶轮进口到出口压力逐渐增加;在叶片区域,处于前盖板和对称面之间的中间截面上,叶片工作面附近的压力明显大于背面附近的压力,且从对称面到前盖板各中间截面上的压力梯度显著增加;流动关于对称面对称,在对称面上不存在轴向速度;设计工况下叶轮出口断面上压力分布明显比其它工况均匀, 因此水力效率最高。     

压秆式棉田地膜回收机的设计与试验

针对棉秆回收需求和现有滚筒式地膜捡拾机构可靠性差、缠膜严重、回收地膜含膜率低等问题,该研究设计了一种压秆式棉田地膜回收机,可一次性完成拾膜、脱膜以及除杂作业。结合相关作业性能要求,通过运动学和动力学分析确定了束秆盒、拾膜滚筒和脱膜机构的结构参数,并完成了关键部件的工作参数分析。为验证机具捡拾除杂作业性能,以机具前进速度、钩齿入土深度、拾膜滚筒转速为试验因素,拾膜率、含膜率为试验指标,进行了三因素三水平响应面试验,得到各因素的响应面模型,分析了各因素对作业效果的影响,并对各因素进行优化。试验结果表明,当拾膜滚筒转速为65 r/min,机具前进速度为5 km/h,钩齿入土深度为50 mm时作业效果最佳,以优化后的结果进行验证试验,结果表明,平均拾膜率为86.8 %,平均含膜率为14.9 %,研究结果可为后续留秆收膜机具的设计提供参考。     

水稻秸秆与木屑混合原料热压成型试验

为提高水稻秸秆原料成型燃料的质量,提出通过添加木质素含量较高的木屑原料即形成混合原料并通过试验的方法进行研究。首先进行对比试验,以成型燃料的物理性能为指标,在相同实验条件下对木屑、水稻秸秆和水稻秸秆与木屑1∶1混合的原料进行热压成型试验。对比试验的结果表明小压力下1∶1混合原料成型燃料的综合物理性能优于水稻秸秆成型燃料,证明混合原料可提高单一水稻秸秆原理成型燃料的质量。但由于木屑原料本身的结构特性使得1∶1混合原料成型燃料的抗渗水性较弱。因此为进一步提高混合原料成型燃料质量,我们利用正交试验方法研究对于混合原料成型燃料各物性指标而言最显著影响因素及最佳参数组合并通过试验加以论证。试验结果表明:针对不同性能指标,各工艺参数的影响力不一致,对于松弛密度、抗碎强度及抗压强度而言,压力对其影响较大;而对于抗渗水性而言,原料混合比影响较大。对于松弛密度,最佳成型参数(混合比、温度、压力)组合为0.5∶1,70℃、31.11 MPa,抗碎强度的成型参数最优组合为2∶1,110℃、31.11 MPa,抗渗水性和抗压强度的最佳成型参数组合为1.5∶1,90℃、31.11 MPa。     

土壤表面干缩裂隙形态定量分析及其数值模拟

为揭示农田土壤表面干缩裂隙发展规律以及形成机理,该文对农田土壤裂隙演化试验图像进行二值化、去除噪点、提取裂隙边缘等处理,应用闵科夫斯基函数定量分析裂隙形态变化,并基于胡克定律模拟由于水分蒸发而引起的土壤收缩开裂过程。结果表明:闵科夫斯基函数可以有效地描述裂隙形态;形态学分析结果显示裂隙的闵科夫斯基面积、长度、欧拉数密度函数具有不同的变化规律;应用数值方法模拟由于水分蒸发而引起土壤收缩开裂的二维裂隙,试验图像裂隙面积、长度、欧拉数密度基本分布在100组模拟图像裂隙密度均值与标准差之间,裂隙试验图像与模拟图像面积、长度、欧拉数密度决定系数在0.893~0.928之间,均方根误差在0.002~0.039之间,偏差在0.064~0.144之间,一致性指标大于0.888,表明模拟结果较好。应用数值方法模拟土壤表面裂隙,有助于研究农田土壤裂隙的形成机理以及土壤裂隙随时间变化过程中动态演化规律。