第五章铸件充型过程数值模拟-流体力学基础ppt课件.ppt

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1、铸造过程计算机模拟讲义复习-充型过程流体力学基础冒国兵1内容1、流体的性质2、粘性流体流动的基本方程3、初始条件和边界条件4、紊流2概述1、充型过程数值模拟内容流场中速度和压力的求解、紊流流动现象的处理、充型过程中自由表面的处理、充型过程对凝固过程的影响以及充型过程对铸造缺陷形成的影响等。3第一节充型过程的流体力学基础流体的性质1、流体的概念及性质①流体是一种质点间联系很小，且质点的空间位置易于改变的物体，包括液体和气体。不能承受拉力，可受压力，传递压力和切应力，并呈现流动。2、流体的压缩性与热胀性3、液体的粘性当液体的

2、流层之间出现相对位移时，不同流体速度的流层之间会出现切向粘性力。4第一节充型过程的流体力学基础η—流体动力粘度系数；γ＝η/ρ—运动粘度系数；—切应力；—x方向的速度；—y方向的速度梯度。（牛顿粘性定律）5第一节充型过程的流体力学基础4、理想流体、牛顿流体和非牛顿流体（1）理想流体理想流体：内部无摩擦力、无粘性的流体，不可压缩，既不能承受拉力，也不能承受切应力，只能传递压力和在压力下流动。6第一节充型过程的流体力学基础（2）牛顿流体凡流体在流动时，其粘性力与速度的关系可用牛顿粘性定律表示的，都称为牛顿流体，如气体，水，甘

3、油等。实际流体粘性与速度梯度关系不符合牛顿粘性定律的，称为非牛顿流体，常规模型有（3）非牛顿流体1°伪塑性流体和胀流性流体7第一节充型过程的流体力学基础2°塑粘性流体n<1时，称为伪塑性流体。n>1时，称为胀流性流体。8第一节充型过程的流体力学基础3°触变性流体n<1时，流体称为屈服伪塑性流体。n>1时，流体称为屈服胀流性流体。n＝1时，流体称为宾汉流体。指流体的粘性随流动时间延长而减小至某一定值，当流动停止时，其粘性又逐步回升至某值。9第一节充型过程的流体力学基础铸造生产中，铸型涂料、制壳涂料等具有宾汉流体、屈服伪塑性

4、流体和触变流体的性质，而过热度较高的金属液可视为牛顿流体。二.粘性流体流动的基本方程1、连续性方程实质：单元控制体内质量的增加等于其周围单元流入该单元的质量（质量守恒方程）。即：10第一节充型过程的流体力学基础对不可压缩流体，则：方程既适用于理想流体，也适用于粘性流体。11第一节充型过程的流体力学基础2、动量守恒方程粘性流体运动方程是动量守恒定律的数学表达形式，根据牛顿第二定律可导出粘性流体运动方程，或称纳维－斯托克斯方程式（简称N-S方程），即：对不可压缩流体的流动，；当温度变化不大时，粘性系数μ可取为常数，则N-S方

5、程可简化为：12第一节充型过程的流体力学基础13第一节充型过程的流体力学基础式中，称为拉普拉斯算子。该N-S方程与连续性方程组成基本方程组，可解决粘性不可压缩流体的动力学问题。Fx，Fy，Fz是单位质量的体积力分量，P为流体压力。14第一节充型过程的流体力学基础3、能量方程式能量守恒定律：对于流体控制单元，其所受的作用力（包括体积力和表面力）所做的功和加入的热量应等于该单元体的总能量的改变量。当流体不可压缩时，在直角坐标下，有：15第一节充型过程的流体力学基础等号右边的2，3，4项即为由于流体的流动所引起的温度变化。（其

6、余构成导热微分方程）16第一节充型过程的流体力学基础三.初始条件和边界条件1、初始条件在铸造充型过程中，由于金属液充型的过程是非定常流动，因此需给出初始速度分布、初始的温度场分布才能完成金属液的流动速度场和压力场的求解。2、边界条件边界条件指流体在运动边界上运动参数应满足的条件，流体流动过程中经常遇到的边界条件有：17第一节充型过程的流体力学基础（1）固壁界面条件当粘性流体流过不动的固体壁面时，其法向速度应当等于零，并且切向速度也等于零。当固体壁面是多孔介质时，有流体穿越壁面，则切向速度为零，而法向速度等于流体穿过壁面的

7、速度。温度边界条件，通常认为与固体壁面接触的流体质点与固体壁面上的温度相同。18第一节充型过程的流体力学基础（2）液－气界面处边界条件自由表面是液－气两相介质的交界面，其动力学条件为：如果气体压力为常值p0，则应力向量的法向和切向分量应符合：19第一节充型过程的流体力学基础（一）紊流运动基本方程式—雷诺方程紊流运动的瞬时规律仍可应用N-S方程描述。紊流运动时均值运动方程式：四.紊流实际工程流体的流动，大都呈紊流运动。20第一节充型过程的流体力学基础在直角坐标中，上述方程有如下形式：紊流应力（又称雷诺应力）21第一节充型过

8、程的流体力学基础22第一节充型过程的流体力学基础23第一节充型过程的流体力学基础（二）紊流模型在上述雷诺时均方程中，有10个未知量：只有4个方程，方程组不封闭。为让方程组封闭，工程上对这些瞬时脉动量相关项提出了各种半经验假设作为补充方程，这种方程称为紊流模型。根据方程数不同，构成了零方程模型，一方程模型和k－ε双方程