搜索以氣動傳輸系統(tǒng)的載體管道為對象,利用ANSYS有限元分析軟件中的FLUENT模塊,對管道中的薄弱環(huán)節(jié)彎管部分進行流體分析,得出了氣體在經(jīng)過彎管時的壓力分布云圖和速度矢量圖。直觀的反映出在額定風(fēng)機功率下氣體經(jīng)過彎管時壓力和速度的變化,進而分析出壓力和速度損失的大小和原因,為實際工程應(yīng)用中提供合理的建議和解決方案。
基于FLUENT的氣動傳輸中彎管的流場分析
2017-07-19 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1 引言
隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展,工業(yè)自動化不斷普及,火電企業(yè)對入場煤的采制化也實現(xiàn)了自動化和智能化,氣動管道物流傳輸系統(tǒng)作為傳輸?shù)妮d體具有快速、安全、便捷、高效和節(jié)能的特點,開始在火電企業(yè)的煤樣傳輸中獲得推廣。
煤樣瓶在傳輸過程中并不是勻速的,特別是在彎管處的受力和速度都是變化的,彎管中風(fēng)速和壓力的損失,會導(dǎo)致煤樣瓶無法通過彎管,從而不能完成煤樣傳輸?shù)墓δ?而加大風(fēng)機功率,會加大功率損耗,更重要的是加劇煤樣瓶與彎管的摩擦,特別是對彎管外側(cè)管壁的摩擦,從而影響彎管的使用壽命。以往在管道設(shè)計和風(fēng)機選型中都是根據(jù)壓力和速度損失的經(jīng)驗公式來估算,這種方法存在一定的缺陷。而通過FLUENT進行有限元分析,可以直觀的看到氣流在經(jīng)過彎管時壓力和速度的分布情況,并根據(jù)FLUENT的分析結(jié)果來了解壓力損失的原因,以及在實際管道設(shè)計中應(yīng)考慮的因素。
2 FLUENT介紹
FLUENT是有限元分析軟件ANSYS中的流體分析模塊,用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù),因而FLUENT能達到最佳的收斂速度和求解精度。本文中就利用FLUENT對管道內(nèi)的氣體的流場進行分析,其主要步驟為:(1)建造流場模型,(2)網(wǎng)格劃分,(3)施加邊界條件,(4)求解。
3 實例分析
3.1 設(shè)置初始條件
本文根據(jù)煤樣瓶傳輸管道的彎管的實際工程使用來設(shè)置初始條件:彎管的內(nèi)徑d=133mm,外徑D=140mm,彎管半徑R=800mm,流體模型斷面圖如圖1所示;風(fēng)機的出風(fēng)口風(fēng)速V風(fēng)=45m/s,方向垂直于橫斷面,因速度小于50m/s,故為不可壓縮流體,管道內(nèi)溫度t=300K,風(fēng)機出口直徑為75mm,風(fēng)機風(fēng)量為320m3/h;由于入口處壓強未知,本文假定出口處的壓強為0Pa,空氣密度為1.29Kg/m3。
( 圖1 流體模型斷面圖)
3.2 計算過程
(1)建立模型
根據(jù)彎管流場二維圖繪制三維圖,即以管道內(nèi)徑為直徑的實體彎管作為空氣的流場模型。
(2)劃分網(wǎng)格
網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響最終的計算結(jié)果,劃分的網(wǎng)格越多,最終的結(jié)果越精確,但是也給計算機的計算帶來較大工作量。本次模型劃分160萬個六面體網(wǎng)格,如圖2所示。
(圖2 網(wǎng)格劃分模型)
(3)施加邊界條件
在彎管的入口處施加0.1089kg/s的質(zhì)量流量。假定管道內(nèi)壁光滑,忽略摩擦,管道內(nèi)溫度恒定,對模型進行加載。
(4)求解
通過對加載的模型進行求解,可以得到總的壓強分布云圖以及速度矢量圖如圖3和圖4。
(圖3 壓力分布云圖(帕)) (圖4 速度矢量圖(m/s))
3.3 計算結(jié)果及分析
壓強分布云圖如圖3所示,從彎管的入口到出口,彎管的壓強發(fā)生了顯著的變化,由于風(fēng)機和彎管的直徑不同,彎管的入口處四周會形成一定的負(fù)壓,總壓會從上到下成遞減的態(tài)勢,同時可以看出在彎管的內(nèi)側(cè),壓強幾乎下降為0,彎管中心線的位置壓強沒有變化,而從中心線到彎管外側(cè)的過程中壓強急劇增大。
速度矢量圖如圖4所示,氣體的速度變化和壓力的變化趨勢類似,彎管的內(nèi)側(cè)速度幾乎為0,由內(nèi)側(cè)到外側(cè)逐漸增大,同時,速度的方向也發(fā)生顯著的改變。從入口到出口,在垂直于風(fēng)速的橫截面上風(fēng)速的大小變化也越來越均勻。根據(jù)風(fēng)機的風(fēng)量可知彎管入口處的平均速度為14.2m/s,而由速度的矢量圖中可知出口處的平均速度為7.5m/s。
這是由于氣體在通過彎管時,受到離心力的作用,在彎管弧形處形成二次渦旋流,導(dǎo)致氣體的流場產(chǎn)生了紊流的變化,氣流分子發(fā)生相互碰撞,最終導(dǎo)致管道中的壓強和速度的急劇變化。而這個離心力也是導(dǎo)致壓強損失的主要原因。根據(jù)管道的靜壓圖如圖5,由出口處的靜壓與入口處的靜壓差可以得到此彎管在風(fēng)量為320m3/h時的情況下壓降為108Pa。
(圖5 靜壓圖(帕))
3.4 工程應(yīng)用
通過對彎管的流體分析,能夠?qū)ξ覀兠簶悠總鬏數(shù)膶嶋H應(yīng)用以及實驗中給予指導(dǎo)作用。
(1)根據(jù)壓強云圖,可以知道在風(fēng)機風(fēng)量不變的情況下,通過此彎管后,氣體壓強的損失量,在工程應(yīng)用中,可以根據(jù)彎管的使用數(shù)量來調(diào)整風(fēng)機的轉(zhuǎn)速,或者在多個彎管中,為實現(xiàn)功能要求,也可以在入口處加大風(fēng)機轉(zhuǎn)速,在出口開孔進行泄壓,通過這種方式來減少管道的壓力,從而降低摩擦力,減少對管道的磨損。
(2)根據(jù)速度矢量圖,可以根據(jù)垂直速度方向的橫截面的平均速度來得出通過彎管后的速度變化,再根據(jù)工程應(yīng)用中對平均傳輸速度的要求,對風(fēng)機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。
4 結(jié)論
(1)使用流體分析軟件FLUENT對氣動傳輸中彎管的流場進行建模分析,根據(jù)計算結(jié)果,得到彎管總壓分布云圖、靜壓圖和速度矢量圖。并根據(jù)壓強云圖及速度矢量圖進一步分析出由于氣體在彎管處產(chǎn)生離心力的作用導(dǎo)致了壓強的損失,以及速度的大小和方向的改變。
(2)根據(jù)分析結(jié)果,在實際工程應(yīng)用中,合理的調(diào)整風(fēng)機的轉(zhuǎn)速,不僅能夠節(jié)省能源,還能降低彎管的磨損,增加彎管的壽命。
(3)本文只對彎管的壓強分布趨勢以及壓降進行分析,在以后的研究中還要結(jié)合實驗,測出入口處的壓強,在此基礎(chǔ)上,對彎管的壓強及應(yīng)力進行進一步的分析。
本文來源:《工程技術(shù)研究》2017年第6期
作者: 王浩然、閔雄、高波、汪平
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