使用嵌入 CAD 的工程流體力學仿真優(yōu)化氣體混合過程

2017-03-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

SOLIDWORKS FLOW SIMULATION 是氣體混合 CFD 分析的最佳方法

氣體混合在各種廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域都非常重要,例如,煙道中的氣體混合對于排放控制系統(tǒng)的操作非常重要,填料塔和其他類型化學反應(yīng)器中的氣體混合會影響過程的產(chǎn)出量和可變性,氣體混合對用于處理危險廢物的旋轉(zhuǎn)窯焚化爐的性能有重大影響,呼吸道中的氣體混合影響霧化藥物的療效,混合效率上若干個百分點的提升即可大幅減少低氧化氮燃燒器的能耗和排放。優(yōu)化氣體和空氣混合以滿足特定應(yīng)用需求頗具挑戰(zhàn)性,該過程通常需要反復(fù)建造并測試原型,因此非常耗費時間和成本。大公司已經(jīng)采用了計算流體力學(CFD) 來模擬氣體混合,但鑒于使用 CFD 技術(shù)所需投入的大量成本、時間和專業(yè)知識,目前為止這種技術(shù)的應(yīng)用僅限于研究或解決現(xiàn)有設(shè)計的疑難問題。

然而過去幾年,市面上出現(xiàn)了完全嵌入主流機械設(shè)計環(huán)境的新型CFD 工具,這些工具使用更加簡單、更快且更經(jīng)濟實惠。在設(shè)計流程的早期階段,用戶可以使用這些新工具來評估大量備選方案的性能,早期階段的分析使之有可能以較少的時間和較低的成本來提高產(chǎn)品性能并解決設(shè)計問題。本文介紹了在設(shè)計流程的早期階段使用CFD改善氣體混合的使用指南。

氣體和空氣混合的重要性

燃燒設(shè)備制造商面臨著諸多競爭壓力和監(jiān)管壓力,這迫使他們不得不提高能效、減少環(huán)境排放、加大控制力度并提供更大的燃料靈活性。應(yīng)對此挑戰(zhàn)的關(guān)鍵在于改善燃燒器的性能,因為燃燒器是所有燃燒系統(tǒng)的重要組成部分。即便是很小的性能改進,也會對持續(xù)運轉(zhuǎn)且耗費大量能源的系統(tǒng)產(chǎn)生重大的積極影響。

對于幾乎所有燃燒器而言,燃料和氣體混合都是設(shè)計過程的重要環(huán)節(jié)。許多應(yīng)用領(lǐng)域面臨的主要設(shè)計挑戰(zhàn)是通過注入氣體來實現(xiàn)近乎理想化的混合?；旌虾苤匾?因為氣體和燃料的濃度不均勻?qū)?dǎo)致排放量的大幅上升和燃燒效率的大幅下降。非常徹底的氣體和空氣混合可消除火焰中的冷熱點,冷熱點是氮氧化物排放的原動力。

氣體和空氣混合設(shè)計方法的改變

直到最近之前,適當?shù)臍怏w混合設(shè)計還被認為更像是一項藝術(shù)而不是科學。傳統(tǒng)方法是建造原型或修改現(xiàn)有產(chǎn)品,然后測試產(chǎn)品,最終基于結(jié)果修改原型或產(chǎn)品,反復(fù)執(zhí)行此流程直到獲得理想的結(jié)果。此方法的問題在于建造、修改和測試原型通常需要投入大量成本,而且非常耗時。

另一個問題是,如果停用一直用于某操作過程的產(chǎn)品(例如發(fā)電設(shè)備)而進行修改和測試,則可能產(chǎn)生高昂的成本。最近,試驗和分析工具的改進讓軟件原型逐漸取代硬件原型成為可能,前者可以準確地預(yù)測出設(shè)計備選方案的性能。工程師使用CFD 按照現(xiàn)場使用條件來模擬產(chǎn)品運行。相比物理測試,采用 CFD 仿真通?？色@取更多信息,例如貫穿整個求解域的流速和方向、壓力、溫度和組分濃度值。

作為分析的一部分,設(shè)計師可以更改系統(tǒng)的幾何體或邊界條件并查看其對流體流動型態(tài)的影響。因此,CFD讓分析師可以用更短的時間和更低的成本來評估多種不同配置的性能。

嵌入式CAD 的發(fā)展趨勢

最近,嵌入 CAD 系統(tǒng)的 CFD 軟件的使用趨勢使得有可能將仿真應(yīng)用于設(shè)計階段,相比物理原型,這種方法可以測試更多的設(shè)計備選方案,同時還能減少所需的原型數(shù)量。嵌入CAD 的 CFD使用原始 3D CAD 數(shù)據(jù),自動劃分流體空間,并將流體參數(shù)作為基于對象的特征進行管理,這使工程師無需理解CFD 的計算部分,只需專注于產(chǎn)品的流體力學,這是他們本來就應(yīng)該理解和掌握的。

新一代CFD 軟件包含先進的自動控制功能,確保在幾乎所有應(yīng)用中實現(xiàn)收斂,無需手動調(diào)試?？赡茏钪匾墓δ芸刂浦W(wǎng)格質(zhì)量,是避免運行發(fā)散的最大原因之一。因此,只需大致了解CAD 系統(tǒng)和產(chǎn)品的物理學知識即可操作 CFD 軟件,而絕大多數(shù)設(shè)計工程師都已掌握這些知識和技能。這些步驟的自動化還大幅減少了分析時間,使得在設(shè)計變更之前就交付分析結(jié)果成為可能。

氣體混合的仿真指南

幾種最佳做法可以幫助用戶確保CFD 氣體和空氣混合仿真的準確性。使用原始 3D 數(shù)據(jù)可以保障實體模型的質(zhì)量。對于具有最低網(wǎng)格要求的內(nèi)部流體模型而言,實體必須形成密封的內(nèi)部空間,內(nèi)部流場不會出現(xiàn)對外泄漏通道。用戶應(yīng)該盡可能地消除幾何體的微小細節(jié),以便將CFD模型的大小降至最低。

導(dǎo)入幾何體后,應(yīng)該使用 CFD 軟件的 “檢查幾何體” 功能來檢查是否存在問題。通過執(zhí)行試驗網(wǎng)格生成并使用后處理器以可視化方式查看不規(guī)則單元,檢查是否存在因薄實體上的孔洞而引起的不規(guī)則單元?？梢酝ㄟ^增加局部網(wǎng)格密度來修正不規(guī)則單元。

湍流模型在混合仿真中非常重要,因為大多數(shù)公司無法在成本上承擔功能強大到可以捕捉微小湍流細節(jié)的計算機。選擇正確湍流模型的關(guān)鍵因素在于將應(yīng)用中可能出現(xiàn)的流體特征與解算器中的可用模型相匹配。

K-epsilon 模型是一種備受歡迎的兩方程湍流模型,該模型包含兩個額外傳輸方程以表示流體的湍流屬性。業(yè)界已開發(fā)出針對特定流體配置的專業(yè)版本K-epsilon 模型。設(shè)計工程師需要能夠驗證其模型是否能夠準確地預(yù)測出實際混合過程的化學和物理特性。一種方法是針對當前這一代產(chǎn)品構(gòu)建模型,并確認該模型可預(yù)測其產(chǎn)品性能。至此,設(shè)計師即可放心地修改模型,因為他們知道該模型可預(yù)測出新設(shè)計的性能。如果中斷當前產(chǎn)品運行的代價過于高昂,則有理由建造一個小比例的產(chǎn)品模型,并將其性能與仿真模型進行對比。

實例研究

以下例子描述了如何使用這些方法來設(shè)計新一代EclipseLinnox 燃燒器。這種燃燒器被設(shè)計成可大幅降低在使用風扇將空氣吹入自然氣體燃燒器時產(chǎn)生的能耗,而且具有與現(xiàn)有設(shè)計同等的能效和排放控制。為實現(xiàn)此目標,工程師需要在設(shè)計早期階段使設(shè)計流線化并去除有助于提高混合水平的特征,同時還要確保整個混合管道內(nèi)氣體與空氣的比例保持在7.5% +/- 0.5%。Eclipse設(shè)計師使用 3D CAD 系統(tǒng)生成燃燒器的初始設(shè)計,然后使用 SOLIDWORKS Flow Simulation 技術(shù)進行仿真。初始模型的仿真結(jié)果顯示了整個混合管道內(nèi)空氣和燃料的濃度,同時還高亮顯示出需要改善混合效果的區(qū)域。

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圖 1:基于中壓空氣旋渦和氣體注入的當前設(shè)計的仿真產(chǎn)生一個良好質(zhì)量的混合

設(shè)計工程師對混合器設(shè)計做了一系列更改,每進行一次更改之后,都要重新運行一次仿真來確定相關(guān)更改的影響,同時需特別注意整個腔室內(nèi)的組分分布和壓降。他們還需對每個主要變型進行一系列參數(shù)研究,從而評估更改設(shè)計的關(guān)鍵尺寸的影響。通過觀察這些更改對兩種組分的分布的影響,他們可以了解到設(shè)計敏感性,而這是使用物理測試方法無法做到的。工程師集中精力處理其中一項設(shè)計并執(zhí)行進一步優(yōu)化,仿真結(jié)果表明,最終設(shè)計的壓降僅有300 帕斯卡,這比現(xiàn)有的燃燒器設(shè)計減少了 900%(10 倍)。直到這一階段,Eclipse 才針對新設(shè)計建造了第一個原型。原型的性能非常接近仿真預(yù)測,這大幅降低了獲取新設(shè)計所需的時間和成本。

總之,將嵌入 CAD 的 CFD 仿真解決方案用于氣體混合產(chǎn)品的早期設(shè)計階段可以節(jié)省時間和成本。針對特定行業(yè)的具體需求而優(yōu)化的最佳做法,可以幫助設(shè)計工程師避免分析錯誤。通過遵循特定的流程,所有工程師都可以在更改成本很低甚至無需任何成本的時候優(yōu)化設(shè)計。

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