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1、安全模拟与仿真 模拟与仿真的概念所谓仿真就是建立系统的模型数学模型、物理效应模型或数学-物理效应模型,并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计中的系统.模拟,即是外形仿真、操作仿真、视觉感受仿真,使用真实的汽车模型或其他等比例的飞机、飞船等模型作为参与者的操控平台,利用VR技术虚拟现 实技术,通过实际操作,使参与者有身临其境的切身体会.安全专业有哪些方面涉及到模拟与仿真？计算机模拟与仿真在#X方面的应用进展小论文11月7日提交仿真模拟技术的三大组成部分n对一个工程技术系统进行模拟仿真,包括了建立模型、实验求解和结果分析三个主要步骤.几何模型数学物理模型数值计算的软件 计算流体力学计算流体力学C
2、FD引言引言流体力学的三种研究方法流体力学的三种研究方法流体力学的控制方程组流体力学的控制方程组基本物理学原理基本物理学原理基本物理学原理基本物理学原理流体力学基本控制方程流体力学基本控制方程连续性方程连续性方程质量守恒定律质量守恒定律动量方程动量方程牛顿第二定律牛顿第二定律能量方程能量方程能量守恒定律能量守恒定律流动模型流动模型流动模型流动模型1有限控制体模型有限控制体模型对于有连续性的流体对于有连续性的流体,有下面两种模型：有下面两种模型：2无穷小流体微团无穷小流体微团我们不是同时观察整个流场我们不是同时观察整个流场,而是将物理学基本原理而是将物理学基本原理用在这些流动模型上用在这些流动模
3、型上,从而得到流体流动方程从而得到流体流动方程.流动模型流动模型有限控制体模型有限控制体模型空间位置固定的空间位置固定的有限控制体有限控制体,流体流体流过控制体流过控制体随流体运动的有限控制随流体运动的有限控制体体,同一批流体质点始终同一批流体质点始终位于同一控制体内位于同一控制体内流动模型流动模型无穷小流体微团模型无穷小流体微团模型空间位置固定的无穷空间位置固定的无穷小流体微团小流体微团,流体流流体流过微团过微团沿流线运动的无穷小流沿流线运动的无穷小流体微团体微团,其速度等于流其速度等于流线上每一点的当地速度线上每一点的当地速度物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率
4、物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率流动控制方程经常用物质导数来表达流动控制方程经常用物质导数来表达.物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率沿流线运动的无穷小流沿流线运动的无穷小流体微团体微团,其速度等于流其速度等于流线上每一点的当地速度线上每一点的当地速度采用流体微团模型来理解物质导数的概念：采用流体微团模型来理解物质导数的概念：物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率流体微团在流场中的运动物质导数的示意图流体微团在流场中的运动物质导数的示意图物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率流体微团
5、在流场中的流体微团在流场中的运动物质导数的示运动物质导数的示意图意图考虑非定常流动：考虑非定常流动：物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率流体微团在流场中的流体微团在流场中的运动物质导数的示运动物质导数的示意图意图考虑非定常流动：考虑非定常流动：物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率流体微团在流场中的流体微团在流场中的运动物质导数的示运动物质导数的示意图意图在在1点做如下的泰勒级数展开：点做如下的泰勒级数展开：物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率流体微团在流场中的流体微团在流场中的运动物质导数的示运动物质导数的示意
6、图意图物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率流体微团在流场中的流体微团在流场中的运动物质导数的示运动物质导数的示意图意图这里这里D/Dt代表流体微团通过代表流体微团通过1点时点时,流体微团密度变化的流体微团密度变化的瞬时时间变化率瞬时时间变化率.我们把我们把D/Dt定义为密度的物质导数定义为密度的物质导数.物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率流体微团在流场中的流体微团在流场中的运动物质导数的示运动物质导数的示意图意图注意注意D/Dt是给定的流体微团在空间运动时是给定的流体微团在空间运动时,其密度的时间其密度的时间变化率变化率.我们必须跟踪运
7、动的流体微团我们必须跟踪运动的流体微团,注意它通过点注意它通过点1时密时密度的变化度的变化.物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率流体微团在流场中的流体微团在流场中的运动物质导数的示运动物质导数的示意图意图物质导数物质导数D/Dt与偏导数与偏导数 / t不同不同 , / t是在固定点是在固定点1时时观察密度变化的时间变化率观察密度变化的时间变化率,该变化由流场瞬间的起伏所引该变化由流场瞬间的起伏所引起起.物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率向量算子向量算子物质导数运动流体微团的
8、时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率D/Dt是物质导数是物质导数,它在物理上是跟踪一个运动的流体微团的时它在物理上是跟踪一个运动的流体微团的时间变化率；间变化率；流体微团在流场中的流体微团在流场中的运动物质导数的示运动物质导数的示意图意图物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率 / t叫做当地导数叫做当地导数,它在物理上是固定点处的时间变化率；它在物理上是固定点处的时间变化率；流体微团在流场中的流体微团在流场中的运动物质导数的示运动物质导数的示意图意图物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率 叫做迁移导数，它在物理上表示由于流体微团从流场叫
9、做迁移导数，它在物理上表示由于流体微团从流场中的一点运动到另一点，流场的空间不均匀性而引起的时间中的一点运动到另一点，流场的空间不均匀性而引起的时间变化率。变化率。流体微团在流场中的流体微团在流场中的运动物质导数的示运动物质导数的示意图意图物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数可用于任何流场变量物质导数可用于任何流场变量,比如比如Dp/Dt、 DT/Dt等等流体微团在流场中的流体微团在流场中的运动物质导数的示运动物质导数的示意图意图物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率人进入山洞人进入山洞,洞内温度比洞外温度低洞内温度比洞外温度低,正
10、经过洞口向正经过洞口向里进时里进时,同时被雪球击中同时被雪球击中.洞内温度比洞外温度低所引起的温降洞内温度比洞外温度低所引起的温降迁移导数迁移导数物质导数物质导数当地导数当地导数迁移导数迁移导数被雪球击中所引起的温降被雪球击中所引起的温降当地导数当地导数总的温降总的温降物质导数物质导数物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数物质导数全微分：全微分：对时间的全导数：对时间的全导数：物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数运动流体微团的时间变化率物质导数物质导数物质导数在本质上与对时间的全导数相同物质导数在本质上与对时间的全导数相同.对时间的全导数：对时间的全导数：
11、速度散度及其物理意义速度散度及其物理意义速度散度速度散度 这一表达式也经常出现在流这一表达式也经常出现在流体动力学方程中。体动力学方程中。随流体运动的有限控制随流体运动的有限控制体体,同一批流体质点始终同一批流体质点始终位于同一控制体内位于同一控制体内速度散度及其物理意义速度散度及其物理意义考虑如图所示随流体运考虑如图所示随流体运动的控制体动的控制体.这个控制体这个控制体在运动中在运动中,总是由相同的总是由相同的流体粒子组成流体粒子组成,因此它的因此它的质量是固定的质量是固定的,不随时间不随时间变化变化.随流体运动的有限控制随流体运动的有限控制体体,同一批流体质点始终同一批流体质点始终位于同一
12、控制体内位于同一控制体内速度散度及其物理意义速度散度及其物理意义但是但是,当它运动到流体不当它运动到流体不同的区域同的区域,由于密度不同由于密度不同,它的体积和控制面会随它的体积和控制面会随着时间改变着时间改变.随流体运动的有限控制随流体运动的有限控制体体,同一批流体质点始终同一批流体质点始终位于同一控制体内位于同一控制体内速度散度及其物理意义速度散度及其物理意义也就是说也就是说,随着流场特性随着流场特性的变化的变化,这个质量固定的、这个质量固定的、运动着的控制体运动着的控制体,体积不体积不断地增大或减小断地增大或减小,形状也形状也在不断地改变着在不断地改变着.速度散度及其物理意义速度散度及其
13、物理意义速度散度的物理意义：速度散度的物理意义： 是每单位体积运动着是每单位体积运动着的流体微团，体积相对变化的时间变化率。的流体微团，体积相对变化的时间变化率。连续性方程连续性方程空间位置固定的有限控制体模型空间位置固定的有限控制体模型空间位置固定的有限控制体模型空间位置固定的有限控制体模型空间位置固定的空间位置固定的有限控制体模型有限控制体模型连续性方程连续性方程质量守恒定律质量守恒定律通过控制面通过控制面S流出控制体的净质量流量流出控制体的净质量流量控制体内质量减少的时间变化率控制体内质量减少的时间变化率空间位置固定的有限控制体模型空间位置固定的有限控制体模型空间位置固定的空间位置固定的
14、有限控制体模型有限控制体模型通过控制面通过控制面S流出控制体的净质量流量流出控制体的净质量流量控制体内质量减少的时间变化率控制体内质量减少的时间变化率或或空间位置固定的有限控制体模型空间位置固定的有限控制体模型空间位置固定的空间位置固定的有限控制体模型有限控制体模型连续性方程：连续性方程：随流体运动的有限控制体模型随流体运动的有限控制体模型随流体运动的有限控制体模型随流体运动的有限控制体模型随流体运动的有限控制随流体运动的有限控制体模型体模型连续性方程连续性方程质量守恒定律质量守恒定律有限控制体的总质量为：有限控制体的总质量为：随流体运动的有限控制体模型随流体运动的有限控制体模型随流体运动的有
15、限控制随流体运动的有限控制体模型体模型连续性方程：连续性方程：空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷空间位置固定的无穷小微团模型小微团模型连续性方程连续性方程质量守恒定律质量守恒定律流出微团的质量流量流出微团的质量流量微团内质量的减少微团内质量的减少空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷空间位置固定的无穷小微团模型小微团模型X方向的净流出量为：方向的净流出量为：流出微团的质量流量流出微团的质量流量 微团内质量的减少微团内质量的减少空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固
16、定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷空间位置固定的无穷小微团模型小微团模型Y方向的净流出量为：方向的净流出量为：流出微团的质量流量流出微团的质量流量 微团内质量的减少微团内质量的减少空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷空间位置固定的无穷小微团模型小微团模型Z方向的净流出量为：方向的净流出量为：流出微团的质量流量流出微团的质量流量 微团内质量的减少微团内质量的减少空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷空间位置固定的无穷小微团模型小微团模型微团内质量增加的时间变微团内质量增加的时间变化率为：化率为：流出微团的质量流量流出微团的质量流量 微团内质量的减少微团内质量的减少空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷空间位置固定的无穷小微团模型小微团模型流出微团的质量流量流出微团的质量流量微团内质量的减少微团内质量的减少或或空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷小微团模型空间位置固定的无穷空间位置固定的无穷小微团模型小微团模型或或连续性方程：连续性方程：随流体运动的无穷小微团模型随流体
