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研究生:李峴禕
研究生(外文):Hsien-Yi Li
論文名稱:二相流模式應用於恆溫冶金流體之流場模擬與分析
論文名稱(外文):Simulation of two-phase metallurgical flows in isothermal condition
指導教授:鄧志浩鄧志浩引用關係林祐輔
指導教授(外文):Jyh-Haw TangYow-Fuu Lin
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:冶金流潰壩自由液面二相流最小平方有限元素法液滴數值模擬
外文關鍵詞:Metal FlowTwo-Phase FlowFree-SurfaceDam-BerakLeast-Square Finite Element MethodNumerical SimulationLiquid Drop
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本文是利用二相流 (Two-Phase Flows) 數值模式探討在恆溫冶金流體相關應用之現象,內容採用最小平方有限元素法 (LSFEM) 之數值模式求解無因次三維不可壓縮流體動量與質量守恆方程式,配以尤拉慣性座標描述自由液面動力與運動邊界條件,對具自由液面之流體運動問題作完整描述,再以流體體積法為基礎配以一連續函數在此稱之“Color Function”;將密度ρ與黏度μ視為一連續函數的變化關係對自由液面氣液接觸之二相流動問題進行數值模擬。
文中將模擬有關恆溫冶金流體應用在四種不同的模式並進行定性驗證及比較,另外和水體找出其差異性作比較。首先是將 3-D 鐵合金熔爐裡Tapping 模式與 Johansen (2002) 2-D 模擬之現象做比較及驗證,發現利用最小平方有限元素法所得的結果與其文獻符合,且為定性相似的;驗證三維冶金流體應用於潰壩模式,並與Martin J .C and Moyce W. J. (1952)的實驗數據及水體潰壩模擬的數值作比較;冶金流體應用於潰壩波撞擊下游柱狀體之模擬,並觀察冶金流體在撞擊柱體後產生的自由液面變化;三維圓球型液滴 (liquid drop) 球體受重力影響變形現象之模擬,得到不同時間的冶金流體液滴波前的位置變化,並探討模式底部分別為滑動邊界和非滑動邊界表現出自由液面及波前形狀的變化情形。從這些案例中可以明確的以三維模式顯示比較出冶金流體在不同的表面張力,其自由液面的變化情形。

This research studied the two-phase flow models to investigate the metallurgical flows phenomena in isothermal condition. The least-square finite element method (LSFEM) is adopted for the numerical simulation of the three-dimensional incompressible fluid represented by conservation form of mass and momentum equations. For a complete description of the free-surface motion, a volume of fluid (VOF) method with fixed Euler inertia coordinate is adopted. “Color function” is expressed by a continuous function to express the interface of two-phase fluid.
This paper simulates the metallurgical flows in isothermal condition of four different setups. First the simulation of tapping phenomena in ferro-alloy furnaces and is compared with numerical simulation of Johansen (2002) in 2-D phenomena, next the three-dimensional dam break the metallurgical flows in isothermal condition will be compared with experimental data of Martin J. C. and Moyce W. J. (1952) also with numerical simulation of water dam break. The same as above setup, the third case is about a long cylindrical body set in the channel to observe the metallurgical flows, free surface variations after the collision of flow on the cylinder. Simulation of three-dimensional spherical liquid drop deformation under the influence of gravity is the last case, changes in wave position in front of the metallurgical droplet at different times is presented by assuming that the bottom of the model with free slip or no slip boundary conditions, respectively. From these cases, we can apply the three-dimensional model in the simulation of metallurgical flows.

目錄

摘要................................................................I
Abstract..........................................................III
誌謝................................................................V
目錄...............................................................VI
圖目錄...........................................................VIII
符號說明.........................................................XIII


第一章 緒論........................................................1
1-1 前言....................................................1
1-2 研究動機................................................2
1-3 研究方法與目的..........................................3
1-4 文獻回顧................................................5
第二章 理論分析....................................................9
2-1 前言....................................................9
2-2 控制方程式..............................................9
2-3 無因次化...............................................11
2-4 LSFEM基本理論概念......................................15
2-5 庫倫數(CFL)條件........................................18
第三章 模式建立與邊界條件給定.....................................20
3-1 鐵合金熔爐裡Tapping現象之模式驗證......................21
3-2 三維冶金流體應用於潰壩模式之模擬.......................23
3-3 冶金流體應用於潰壩波撞擊下游柱狀體之模擬...............25
3-4 圓球型液滴球體受重力影響變形現象之模擬.................26
第四章 結果討論與分析.............................................28
4-1 鐵合金熔爐裡Tapping模式之驗證結果比較..................28
4-2 三維冶金流體應用於潰壩模式之驗證結果比較...............29
4-3 冶金流體於潰壩波撞擊下游柱狀體之結果分析...............31
4-4 圓球型液滴球體受重力影響變形現象之結果分析.............32
第五章 結論與建議.................................................36
5-1 結論...................................................36
5-2 建議...................................................38
參考文獻...........................................................39
圖附錄.............................................................42
附件(一)...........................................................80
附件(二)...........................................................83



圖目錄

圖3-1.1 3-D 鐵合金熔爐裡Tapping現象之網格示意圖...................42
圖3-1.2 3-D 鐵合金熔爐裡Tapping現象之邊界示意圖...................42
圖3-1.3 3-D 鐵合金熔爐裡Tapping現象之起始示意圖...................43
圖3-2.1 3-D冶金流體潰壩模擬之網格示意圖...........................43
圖3-2.2 3-D冶金流體潰壩模擬之邊界示意圖...........................44
圖3-2.3 3-D 冶金流體潰壩模擬之起始示意圖..........................44
圖3-3.1 冶金流體潰壩波撞擊下游柱狀體之網格示意圖...................45
圖3-3.2 冶金流體潰壩波撞擊下游柱狀體之邊界示意圖...................45
圖3-3.3(a) 冶金流體潰壩波撞擊下游柱狀體之2-D起始示意圖.............46
圖3-3.3(b) 冶金流體潰壩波撞擊下游柱狀體之3-D起始示意圖.............46
圖3-4.1 3-D冶金流體液滴之網格示意圖...............................47
圖3-4.2(a) 3-D冶金流體液滴底部為滑動邊界示意圖....................47
圖3-4.2(b) 3-D冶金流體液滴底部為非滑動邊界示意圖..................48
圖3-4.3 3-D冶金流體液滴之起始示意圖...............................48
圖4-1.1(a) Johansen S. T. (2002)之2-D模擬結果.....................49
圖4-1.1(b) 3-D鐵合金熔爐裡Tapping模式之數值結果 T=0...............49
圖4-1.2(a) Johansen S. T. (2002)之2-D模擬結果.....................49
圖4-1.2(b) 3-D鐵合金熔爐裡Tapping模式之數值結果 T=4...............49
圖4-1.3(a) Johansen S. T. (2002)之2-D模擬結果.....................50
圖4-1.3(b) 3-D鐵合金熔爐裡Tapping模式之數值結果 T=8...............50
圖4-2.1 3-D冶金流體潰壩之模擬在不同時間的示意圖:T=0..............51
圖4-2.2 3-D冶金流體潰壩之模擬在不同時間的示意圖:T=1.5............51
圖4-2.3 3-D冶金流體潰壩之模擬在不同時間的示意圖:T=2.5............52
圖4-2.4 3-D冶金流體潰壩之模擬在不同時間的示意圖:T=3.5............52
圖4-2.5 潰壩冶金流體與水體側向變動位置隨時間變化情形與
Martin J .C and Moyce W. J. (1952)實驗 結果比較圖.........53
圖4-2.6 潰壩冶金流體與水體壩體高度變動隨時間變化情形與
Martin J .C and Moyce W. J. (1952)實驗 結果比較圖.........53
圖4-2.7 水體與冶金流體潰壩波於不同時間的波前形狀之橫切面示意圖:
左側為水體,右側為冶金流體.................................54
圖4-2.8 (a) 水體潰壩於不同時間的速度場(向量)之橫切面示意圖.........55
圖4-2.8 (b) 冶金流體潰壩於不同時間的速度場(向量)之橫切面示意圖.....56
圖4-3.1 冶金流體潰壩波撞擊下游柱狀體之模擬:T=0....................57
圖4-3.2 冶金流體潰壩波撞擊下游柱狀體之模擬:T=1.5..................57
圖4-3.3 冶金流體潰壩波撞擊下游柱狀體之模擬:T=2.5..................58
圖4-3.4 冶金流體潰壩波撞擊下游柱狀體之模擬:T=3.5..................58
圖4-3.5 水體潰壩波撞擊障礙物於不同時間之液體與自由液面示意圖:
左側為二相流液體關係圖,右側為自由液面之示意圖.............59
圖4-3.6 冶金流體潰壩波撞擊障礙物於不同時間之液體與自由液面示意圖
:左側為二相流液體關係圖,右側為自由液面之示意圖...........60
圖4-3.7 水體潰壩波撞擊下游柱狀體之透視圖:T=3......................61
圖4-3.8 水體潰壩波撞擊下游柱狀體之透視圖:T=4......................61
圖4-3.9 冶金流體潰壩波撞擊下游柱狀體之透視圖:T=3..................62
圖4-3.10 冶金流體潰壩波撞擊下游柱狀體之透視圖:T=4.................62
圖4-4.1(a) 3-D冶金流體液滴之模擬在不同時間示意圖:T=0.............63
圖4-4.1(b) 3-D冶金流體液滴之模擬在不同時間示意圖:T=2.............63
圖4-4.1(c) 3-D冶金流體液滴之模擬在不同時間示意圖:T=3.............64
圖4-4.1(d) 3-D冶金流體液滴之模擬在不同時間示意圖:T=4.............64
圖4-4.2(a) 3-D冶金流體液滴之模擬在不同時間示意圖:T=0.............65
圖4-4.2(b) 3-D冶金流體液滴之模擬在不同時間示意圖:T=2.............65
圖4-4.2(c) 3-D冶金流體液滴之模擬在不同時間示意圖:T=3.............66
圖4-4.2(d) 3-D冶金流體液滴之模擬在不同時間示意圖:T=4.............66
圖4-4.3(a) 液滴(水)波前的位置隨時間變化情形: 模式底部對不同的邊界
條件 結果比較圖.........................................67
圖4-4.3(b) 液滴(冶金流體)波前的位置隨時間變化情形: 模式底部對不同
的邊界條件 結果比較圖...................................67
圖4-4.3(c) 液滴(水和冶金流體)波前的位置隨時間變化情形: 模式底部對
相同的邊界條件 結果比較圖...............................68
圖4-4.3(d) 液滴(水和冶金流體)波前的位置隨時間變化情形: 模式底部對
相同的邊界條件 結果比較圖...............................68
圖4-4.3(e) 液滴(水和冶金流體)在不同的邊界條件下波前的位置隨時間
變化情形 結果比較圖.....................................69
圖4-4.4 液滴(水)受到重力影響變形現象模擬於不同時間之示意圖:
左側為滑動邊界,右側為非滑動邊界...........................70
圖4-4.5 液滴(冶金流體) 受到重力影響變形現象模擬於不同時間的示意圖
:左側為滑動邊界,右側為非滑動界...........................71
圖4-4.6 液滴受到受到重力影響變形在底部為滑動邊界之模擬於不同
時間的示意圖:左側為水體,右側為冶金流體...................72
圖4-4.7 液滴受到受到重力影響變形在底部為非滑動邊界之模擬於不同
時間的示意圖:左側為水體,右側為冶金流體...................73
圖4-4.8 液滴(水)受到重力影響變形於不同時間的波前形狀示意圖:
左側為滑動邊界,右側為非滑動邊界...........................74
圖4-4.9 液滴(冶金流體)受到重力影響變形於不同時間的波前形狀示意圖
:左側為滑動邊界,右側為非滑動邊界.........................75
圖4-4.10 液滴受到重力影響變形在底部為滑動邊界之模擬於不同時間的
波形狀變化示意圖:左側為水體,右側為冶金流體..............76
圖4-4.11 液滴受到重力影響變形在底部為非滑動邊界之模擬於不同時間的
波形狀變化示意圖:左側為水體,右側為冶金流體..............77
圖4-4.12 液滴(冶金流體)在底部為滑動邊界之模擬於不同表面張力下的自
由液面與波形狀變化示意圖: (a)We=0.0099 (b)We=0.5
..........................................................78
圖4-4.13 液滴(冶金流體)在底部為非滑動邊界之模擬於不同表面張力下的
自由液面與波形狀變化示意圖: (a)We=0.0099 (b)We=0.5
..........................................................79


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私立中原大學土木工程學系碩士學位論文。


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