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基于FLUENT的气动传输中弯管的流场分析

时间:2017-07-19    点击:次     来源:《工程技术研究》2017年第6期    

摘要
  以气动传输系统的载体管道为对象,利用ANSYS有限元分析软件中的FLUENT模块,对管道中的薄弱环节弯管部分进行流体分析,得出了气体在经过弯管时的压力分布云图和速度矢量图。直观的反映出在额定风机功率下气体经过弯管时压力和速度的变化,进而分析出压力和速度损失的大小和原因,为实际工程应用中提供合理的建议和解决方案。

1 引言
随着制造业的不断发展,工业自动化不断普及,火电企业对入场煤的采制化也实现了自动化和智能化,气动管道物流传输系统作为传输的载体具有快速、安全、便捷、高效和节能的特点,开始在火电企业的煤样传输中获得推广。

煤样瓶在传输过程中并不是匀速的,特别是在弯管处的受力和速度都是变化的,弯管中风速和压力的损失,会导致煤样瓶无法通过弯管,从而不能完成煤样传输的功能,而加大风机功率,会加大功率损耗,更重要的是加剧煤样瓶与弯管的摩擦,特别是对弯管外侧管壁的摩擦,从而影响弯管的使用寿命。以往在管道设计和风机选型中都是根据压力和速度损失的经验公式来估算,这种方法存在一定的缺陷。而通过FLUENT进行有限元分析,可以直观的看到气流在经过弯管时压力和速度的分布情况,并根据FLUENT的分析结果来了解压力损失的原因,以及在实际管道设计中应考虑的因素。

 


2 FLUENT介绍
  FLUENT是有限元分析软件ANSYS中的流体分析模块,用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术,因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。本文中就利用FLUENT对管道内的气体的流场进行分析,其主要步骤为:(1)建造流场模型,(2)网格划分,(3)施加边界条件,(4)求解。

 

3 实例分析
3.1 设置初始条件

本文根据煤样瓶传输管道的弯管的实际工程使用来设置初始条件:弯管的内径d=133mm,外径D=140mm,弯管半径R=800mm,流体模型断面图如图1所示;风机的出风口风速V风=45m/s,方向垂直于横断面,因速度小于50m/s,故为不可压缩流体,管道内温度t=300K,风机出口直径为75mm,风机风量为320m³/h;由于入口处压强未知,本文假定出口处的压强为0Pa,空气密度为1.29Kg/m3。

( 图1 流体模型断面图)


3.2 计算过程

(1)建立模型
根据弯管流场二维图绘制三维图,即以管道内径为直径的实体弯管作为空气的流场模型。

(2)划分网格
网格划分的质量直接影响最终的计算结果,划分的网格越多,最终的结果越精确,但是也给计算机的计算带来较大工作量。本次模型划分160万个六面体网格,如图2所示。

(图2 网格划分模型)

(3)施加边界条件
在弯管的入口处施加0.1089kg/s的质量流量。假定管道内壁光滑,忽略摩擦,管道内温度恒定,对模型进行加载。

(4)求解
通过对加载的模型进行求解,可以得到总的压强分布云图以及速度矢量图如图3和图4。


    3.3 计算结果及分析

压强分布云图如图3所示,从弯管的入口到出口,弯管的压强发生了显著的变化,由于风机和弯管的直径不同,弯管的入口处四周会形成一定的负压,总压会从上到下成递减的态势,同时可以看出在弯管的内侧,压强几乎下降为0,弯管中心线的位置压强没有变化,而从中心线到弯管外侧的过程中压强急剧增大。

速度矢量图如图4所示,气体的速度变化和压力的变化趋势类似,弯管的内侧速度几乎为0,由内侧到外侧逐渐增大,同时,速度的方向也发生显著的改变。从入口到出口,在垂直于风速的横截面上风速的大小变化也越来越均匀。根据风机的风量可知弯管入口处的平均速度为14.2m/s,而由速度的矢量图中可知出口处的平均速度为7.5m/s。

这是由于气体在通过弯管时,受到离心力的作用,在弯管弧形处形成二次涡旋流,导致气体的流场产生了紊流的变化,气流分子发生相互碰撞,最终导致管道中的压强和速度的急剧变化。而这个离心力也是导致压强损失的主要原因。根据管道的静压图如图5,由出口处的静压与入口处的静压差可以得到此弯管在风量为320m3/h时的情况下压降为108Pa。

(图5 静压图(帕))

3.4 工程应用

通过对弯管的流体分析,能够对我们煤样瓶传输的实际应用以及实验中给予指导作用。

(1)根据压强云图,可以知道在风机风量不变的情况下,通过此弯管后,气体压强的损失量,在工程应用中,可以根据弯管的使用数量来调整风机的转速,或者在多个弯管中,为实现功能要求,也可以在入口处加大风机转速,在出口开孔进行泄压,通过这种方式来减少管道的压力,从而降低摩擦力,减少对管道的磨损。

(2)根据速度矢量图,可以根据垂直速度方向的横截面的平均速度来得出通过弯管后的速度变化,再根据工程应用中对平均传输速度的要求,对风机的转速进行调整。


4 结论
  (1)使用流体分析软件FLUENT对气动传输中弯管的流场进行建模分析,根据计算结果,得到弯管总压分布云图、静压图和速度矢量图。并根据压强云图及速度矢量图进一步分析出由于气体在弯管处产生离心力的作用导致了压强的损失,以及速度的大小和方向的改变。

(2)根据分析结果,在实际工程应用中,合理的调整风机的转速,不仅能够节省能源,还能降低弯管的磨损,增加弯管的寿命。

(3)本文只对弯管的压强分布趋势以及压降进行分析,在以后的研究中还要结合实验,测出入口处的压强,在此基础上,对弯管的压强及应力进行进一步的分析。