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:互聯網

摘要

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機功率下氣體經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,為實際工程應用中提供合理的建議和解決方案。

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了自動化和智能化,氣動管道物流傳輸系統(tǒng)作為傳輸的載體具有快速、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,彎管中風速和壓力的損失,會導致煤樣瓶無法通過彎管,從而不能完成煤樣傳輸的功能,而加大風機功率,會加大功率損耗,更重要的是加劇煤樣瓶與彎管的摩擦,特別是對彎管外側管壁的摩擦,從而影響彎管的使用壽命。以往在管道設計和風機選型中都是根據壓力和速度損失的經驗公式來估算,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過彎管時壓力和速度的分布情況,并根據FLUENT的分析結果來了解壓力損失的原因,以及在實際管道設計中應考慮的因素。

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的復雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網格加速收斂技術,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)網格劃分,(3)施加邊界條件,(4)求解。

3 實例分析

3.1 設置初始條件

本文根據煤樣瓶傳輸管道的彎管的實際工程使用來設置初始條件:彎管的內徑d=133mm,外徑D=140mm,彎管半徑R=800mm,流體模型斷面圖如圖1所示;風機的出風口風速V風=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,管道內溫度t=300K,風機出口直徑為75mm,風機風量為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

根據彎管流場二維圖繪制三維圖,即以管道內徑為直徑的實體彎管作為空氣的流場模型。

(2)劃分網格

網格劃分的質量直接影響最終的計算結果,劃分的網格越多,最終的結果越精確,但是也給計算機的計算帶來較大工作量。本次模型劃分160萬個六面體網格,如圖2所示。

(圖2 網格劃分模型)

(3)施加邊界條件

在彎管的入口處施加0.1089kg/s的質量流量。假定管道內壁光滑,忽略摩擦,管道內溫度恒定,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,由于風機和彎管的直徑不同,彎管的入口處四周會形成一定的負壓,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側,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,彎管的內側速度幾乎為0,由內側到外側逐漸增大,同時,速度的方向也發(fā)生顯著的改變。從入口到出口,在垂直于風速的橫截面上風速的大小變化也越來越均勻。根據風機的風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,導致氣體的流場產生了紊流的變化,氣流分子發(fā)生相互碰撞,最終導致管道中的壓強和速度的急劇變化。而這個離心力也是導致壓強損失的主要原因。根據管道的靜壓圖如圖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量為320m3/h時的情況下壓降為108Pa。