47627 (665871), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Считается, что утка имеет совершенное средство, отталкивающее воду. Классическая работа, выполненная A.B.D. Cassie и S. Baxter (Trans. Faraday Soc. 40, 1546, 1944), объясняет что утка достигает этого особой микроструктурой оперения, а не каким-либо химическим покрытием. Перо утки состоит из бородок по обе стороны от ствола. Вдоль бородок с обеих сторон тянутся тонкие волоски, которые имеют желобки с одной стороны и крючки с другой. Такое расположение позволяет зацепление волосков соседних бородок, чтобы соединить их для образования связной структуры.
Структура бородок и волосков имеет обширную долю открытого пространства. Диаметр волосков составляет около 8μм, но расстояние меду соседними параллельными волосками равно примерно 5 диаметрам, по осям. Эксперименты показывают, что угол смачивания материала пера водой составляет около 100°. Комбинация несмачивания и регулярной микроструктуры приводит к скатыванию воды, помещенной на перо, без проникновения в него. Моделирование в FLOW-3D объясняет, как это происходит.

На рисунке представлено поперечное сечение набора параллельных волосков диаметром 8μм. Расстояние между ними равно 40 μм. Вода течет со средней скоростью 30см/s. Верхняя граница есть плоскость симметрии. По мере продвижения фронта жидкости слева направо на опверхности волосков образуются контактные линии. Эти контактные линии остаются выше экваторов волосков. Вода не проникает в пространство между волосками, но скользит по верхним поверхностям. Поскольку смоченная поверхность твердых волосков мала по сравнению со свободной поверхностью воды, то вода легко движется поверх волосков, что объясняет выражение “как с гуся вода”

Потребительские товары.

Течение со свободной поверхностью часто встречается в конструкциях потребительских товаров и при их изготовлении. Например, ежедневно заполняется масса бутылок. Правильное с точки зрения отходов проектирование такого процесса принесет огромную экономию.

Возможности FLOW-3D по моделированию течений со свободной поверхностью позволяет легко и быстро оптимизировать процессы заполнения. Программа может быть также использована при проектировании форсунок и многих других предметов домашнего быта.

Капиллярное всасывание

Капля на наклонной поверхности

Поглощение капли

Упругие напряжения

Масляный фильтр

Разделение нефте-водяной дисперсии

Вихревая форсунка

Смыв унитаза

Ненасыщенная пористая среда

Моделирование слива унитаза:

Когда-нибудь задумывались, как работают унитазы? Они действительно бывают достаточно сложные. При нажатии ручки вода начинает заполнять чашу. Когда уровень жидкости в чаше превысит высоту сифона (за чашей), начинается течение типа водослива. Когда поток станет достаточно сильным, в верхней части сифона образуется пузырь, создающий перелив. В это момент сифонирование выталкивает воду из чаши и происходит смывание.

2-D вид по сечению модели. Цвет представляет давление.

3-D вид по сечению модели. Цвет представляет давление.

Струйные принтеры.

Несмотря на продолжающееся движение к "безбумажному" миру, рынок по-прежнему жаждет простых, дешевых струйных принтеров, с все большими запросами на высокое качество печати. Взрыв продаж цифровых фотоаппаратов сопровождается тем, что все больше и больше портебителей жотят иметь дома возможность высококачественной печати. Этим подгоняется спрос на более качественную печать с более высоким разрешением, который в свою очередь побуждает производителей принтеров к созданию лучших путей удовлетворения пользовательских требований посредством необычных конструктивных решений.

Производители струйных принтеров во всем мире используют FLOW-3D для улучшения характеристик своих принтеров. Они используют FLOW-3D для изучения того, как форма, размер и скорость испускаемой капли зависит от таких параметров, как импульс управляющего давления, форма форсунки, коэффициент поверхностного натяжения и многое другое.

Судостроение.

Контроль плескания жидкости в танках судов может оказать критичным для безопасности управляющих ими людей. Уже много лет FLOW-3D используется для проектирования систем перегородок с целью уменьшения плескания жидкого груза. Программа также использовалась при прототипировании мультикорпусных танкеров и для расчетов старта и торможения.

Сотрудник Flow Science произвел моделирование подвесного мотора лодки с использованием модели FLOW-3D

Это судно, движущееся со скоростью 50 миль/час, создает сильную кильватерную волну. Моделирование точно предсказывает характер линии установившейся волны и форму хвостового гребня за судном. Также могут быть рассчитаны и силы, действующие на судно. Цветом на рисунке представлена относительная скорости воды.

MEMS.

Микроэлектромеханические системы (MEMS) - это быстро развивающаяся технология производства миниатюрных устройств, использующя технологические процессы подобные тем, которые используются в производстве интегральных схем. MEMS технологии дают способ интеграции механических, жидкостных, оптических и электронных функциональных возможностей в очень маленьких устройствах размером от 0,1 микрона до 1 мм. MEMS устройства имеют два важных преимущества над обычными аналогами. Во-первых, как и интегральные схемы, они могут выпускаться крупными сериями, что существенно снижает себестоимость продукции. Во-вторых, они могут быть напрямую включены в интегральные схемы, что позволяет создавать более сложные, по сранению с другими технологиями, системы.

Однако, как и в любом другом производстве, процесс проектирования MEMS может быть достаточно дорогим, т.к. ученые и инженеры многократно проектируют, изготавливают, испытывают и заново перепроектируют устройство для оптимизауции его характеристик. Компьютеное моделирование обеспечивает количественный анализ и важное понимание по таким дисциплинам, как электроника, механика, химия, теплоперенос и гидромеханика. Использование FLOW-3D для моделирования позволяет существенно снизить затраты на проектирование и производство.Ниже приведены примеры областей, в которых пользователи FLOW-3D добились большого прогресса:

Гидротехника и окружающая среда.

Время от времени каждый, кто интересуется гидравликой, мечтает об инструменте для исследования сложных течений со свободной поверхностью, не требующем работы шваброй. Эксперименты в лабораторном канале могут быть тяжелы в постановке, дороги в исполнении и трудны в повторении. Зато использование FLOW-3D в качестве "компьютерного" канала свободно от подобных изъянов.

Эксперименты при компьютерном моделировании могут быть подготовлены в течение нескольких минут , а решение большинства задач течений со свободной поверхностью может быть получено за несколько часов. Кроме того, результаты численного анализа оказываются точными при сравнении с теоретическими и экспериментальными исследованиями. Это подтверждается даже прим оделировании прерывистых и быстро меняющихся течений (например, течение через слив или развитие гилравлического прыжка).

Замешивание воздуха в гидравлическом прыжке:

Гидравлические прыжки наблюдаются во многих случаях открытого течения. Они особенно полезны для увеличения потерь напора с целью уменьшения эрозии или других эффектов сысокоскоростных течений.Фронт гидравлического прыжка чрезвычайно нестабилен и поэтому способен захватить большое количество воздуха. В данном примере гидравлический прыжок образуется ниже ворот шлюза. Уровень воды в верхнем бьефе имеет высоту 0.574m, а в нижнем 0.25m. Дно имеет ступень высотой 0.09m расположенную в 1.2m ниже ворот, помогающую, поймать прыжок. Число Froude для выходящего из ворот потока равно F_r=3.98.

Расхождение с данными эксперимента Rajaratnam [“Hydraulic Design Considerations,” ed. by Ian R. Wood, IAHR Monograph, Balkema, Rotterdam, 1991] составляет менее 7%. Учитывая нестабильность течения, следует признать высокой корреляцию рассчетных и экспериментальных данных.

Захват воздуха в водосливе:

Замешивание воздуха через поверхность текущей воды важно для поддержания роста микроорганизмов на предприятиях по очистке воды и обеспечения здоровых рыбных популяций. В некоторых гидравлических системах замешивание воздуха используется также для уменьшения вероятности кавитационных повреждений.

Воздух замешивается в воду , когда турбуленция жидкости на поверхности достаточно интенсивная. В частности турбуленция может быть достаточно сильной для преодоления стабилизирующих эффектов гравитации и поверхностного натяжения. Будучи замешанным, воздух вызывает увеличение объема жидкости и изменяет усредненное значение ее плотности.

Моделируемый водослив имеет горизонтальную протяженность 12.5 m. Уровень воды в верхнем бьефе задан величиной 1 m над гребнем водослива. Шероховатость поверхности водослива задана по бетону. При моделировании использована RNG модель турбуленции, хотя и k-epsilon модель дает близкие результаты.

Расчет выполнялся до выхода на установившийся режим. Левый рисунок показывает возрастание турбулентной кинетической энергии в пограничном слое. Это происходит примерно на протяжении двух третей пути по водосливу. В данной точке воздух захватывается и уносится турбуленцией в водную массу, правый рисунок. Приведенная таблица показывает сравнение расчетных значений объемной доли воздуха с экспериментальными данными, полученными на водопаде св. Антония в лаборатории гидравлики Миннесотского университета учеными L.G. Straub и A.G. Anderson в 1958 году. Хорошо соответствуют этим данным материалы I.R. Wood в монографии международной ассоциации гидравлических исследований “Hydraulic Design Considerations”, опубликованной в Роттердаме в 1991 году. Экспериментальные данные были обработаны по приведенной в этой работе формуле, дающей объемную долю замешанного воздуха как функцию нормированного расстояния от поверхности водослива.

Ворота шлюза:

Гидравлический прыжок наблюдается, когда движение потока через шлюз свободно и на нижнем бьефе имеется достаточная глубина воды. На приведенном рисунке течение ниже шлюза сверхкритическое (Fr >1). Следующей глубиной потока было выбран нижний бьеф. Это вызвало прыжок сразу за шлюзом. Жидкость окрашена по скорости вниз по течению. Окрашена только часть области.

Характеристики

Список файлов реферата