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室内通风环境下气体/气味扩散的数值模拟

作　者: 姜小宝
导　师: 孟庆浩
学　校: 天津大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 气味烟羽模型 室内通风环境 数值仿真 气味源定位 移动机器人
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 2次
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内容摘要


在自然界中，气味被很多的生物所利用。受到生物利用气味的启发，自二十世纪九十年代以来，一些学者开始使用配置有气体/气味传感器的移动机器人来“主动”地搜索、跟踪气味，并进行气味源定位。气体/气味扩散的研究是移动机器人气味源定位研究中相当重要的一个部分，本课题主要针对室内通风环境下气体/气味的扩散做了一些研究，并且最终在Visual C++环境下建立了室内通风环境的动态可视化烟羽仿真环境。为建立室内通风环境下移动机器人气味源定位研究的仿真环境，本文以三维风速仪实测风场数据作为入口风速，利用FLUENT软件，采用Reynolds平均法对室内三维风场进行仿真，得到了较符合真实情况的室内风场平流速度。由仿真得到的风场平流速度叠加上服从正态分布的脉动速度，再结合Farrell的细丝浓度模型建立室内通风环境下二维烟羽模型，仿真烟羽表现出与真实烟羽相近的间歇性和一定的蜿蜒特性。通过实际烟羽和仿真烟羽中多个节点的风信息及浓度信息的对比分析，验证了本文建立的室内通风环境下烟羽仿真环境和真实环境的相似性。另外，为构建一个更完整的移动机器人气味源定位烟羽仿真环境，本文在仿真环境中加入了气体传感器模型和移动机器人运动模型。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-10
第1章 绪论  10-24
  1.1 课题背景和意义  10-11
  1.2 气味的传播  11-13
    1.2.1 气味的传播机理  11-13
    1.2.2 气味的传播与环境  13
  1.3 湍流的特征及其研究方法  13-16
    1.3.1 湍流的特征  14-15
    1.3.2 湍流的研究方法  15-16
  1.4 烟羽建模研究现状  16-22
    1.4.1 烟羽模型概述  16-18
    1.4.2 Ishida 静态烟羽模型  18
    1.4.3 Farrell 基于细丝的大气扩散模型  18-19
    1.4.4 Balkovsky 的格构（Lattice）烟羽模型  19
    1.4.5 CofinBox 烟羽模型  19-20
    1.4.6 Sutton 和 Li Wei 的三维烟羽模型（CPT_M3D）  20-21
    1.4.7 Liu 基于 CFD 的连续烟羽模型  21
    1.4.8 李飞基于 CFD 及 Farrell 细丝模型的室内二维烟羽模型  21-22
  1.5 烟羽建模中存在的问题  22
  1.6 本课题研究的主要内容  22-24
第2章 CFD 仿真的理论基础  24-44
  2.1 概述  24-25
  2.2 流体力学的控制方程  25-30
    2.2.1 质量守恒方程  25
    2.2.2 动量守恒方程  25-27
    2.2.3 能量守恒方程  27
    2.2.4 组分质量守恒方程  27-28
    2.2.5 湍流控制方程  28-29
    2.2.6 控制方程的通用形式  29-30
  2.3 控制方程的离散  30-35
    2.3.1 有限体积法离散  30-32
    2.3.2 瞬态问题的有限体积法  32-35
  2.4 流场的求解计算  35-43
    2.4.1 流场求解计算方法的分类  36
    2.4.2 SIMPLE 算法与同位网格  36-37
    2.4.3 基于同位网格稳态问题的 SIMPLE 算法  37-41
    2.4.4 基于同位网格瞬态问题的 SIMPLE 算法  41-43
  2.5 本章小结  43-44
第3章 仿真风场和仿真浓度场的建立与分析  44-62
  3.1 真实风速和浓度数据的采集  44-48
    3.1.1 实验环境  44-45
    3.1.2 风速信息的测量  45-46
    3.1.3 浓度信息的测量  46-48
  3.2 仿真风场的建立与分析  48-57
    3.2.1 风场的构成  48
    3.2.2 平流风速的仿真  48-51
    3.2.3 各测量点仿真风速与实测风速的对比分析  51-55
    3.2.4 脉动风速  55-57
  3.3 仿真浓度场的建立与分析  57-61
    3.3.1 气体/气味浓度的产生  57-58
    3.3.2 气体/气味浓度的计算  58
    3.3.3 各测量点浓度值的统计量分析  58-61
  3.4 本章小结  61-62
第4章 移动机器人气味源定位仿真环境的构建  62-70
  4.1 气体传感器模型  62-63
  4.2 机器人运动模型  63-68
    4.2.1 移动机器人的移动机构  64-65
    4.2.2 仿真环境中移动机器人运动模型  65-68
  4.3 烟羽仿真环境的构建  68-69
  4.4 本章小结  69-70
第5章 总结与展望  70-72
  5.1 总结  70
  5.2 展望  70-72
参考文献  72-76
发表论文和参加科研情况说明  76-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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