基于流固耦合方法的压缩机入口滤网的应力分析.pdf

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1、234化工机械2015年基于流固耦合方法的压缩机入口滤网的应力分析8曹丽华”1曹加胜1王云伟2李勇1(1．东北电力大学能源与动力工程学院；2．秦山核电有限公司)摘要以国内某大型煤化工厂合成气压缩机入口滤网为例，分别采用结构静力学分析方法和流固耦合方法对其进行数值分析。结果表明：滤网内外表面压差远大于管道进出口压差；管道进出口压差超过安全值是造成滤网损坏的原因；对冲孔滤网进行应力分析时应采用流固耦合方法计算应力，并采用基于第四强度理论的强度准则进行校核。关键词循环气压缩机冲孔滤网流固耦合结构静力学分析中图分类号TQ

2、051．21文献标识码A文章编号0254—6094(2015)02—0234—06由于我国富煤、贫油、少气的资源结构，煤制油、煤制醇醚燃料及煤制烯烃等新型煤化工在国内发展迅速，且主要集中在内蒙古，而内蒙古褐煤产量丰富。粉煤加压气化技术可以充分利用品质较差的褐煤，提高碳转化率，降低排污率。但该技术需抽取气化工段出口的合成气，经加压后送回气化炉冷却。由于合成气中存在灰分，容易造成循环气压缩机入口滤网堵塞，使设备无法正常运行，因此，对压缩机滤网的设计尤为重要。循环气压缩机入口滤网是由冲孔板卷制而成的，结构简单，方便清理

3、维修，能很好地满足工艺要求。然而现有的滤网多是设备厂家根据工艺条件按照企业各自的标准和经验进行设计的，力学性能参数不够详细，给企业运行带来一定影响。尤其是新厂调试阶段，由于工艺操作条件波动大，若按设计要求就会造成频繁停车，使试车工作进度缓慢，为了加快进度，企业就会根据自身经验和设备运行状况，在超出设计要求的条件下运行。目前已有学者对冲孔滤网进行了研究，李勇等对滤网的整流作用进行了研究，但没有对滤网的应力变化趋势进行研究。11；杜跃成利用布孔削弱系数方法计算了多孔板厚度¨1；陈惠亮等利用第四强度理论对多孔平板进行了

4、结构静力学分析，结果表明第四强度理论偏于安全。31；徐小龙等根据jB4732．1995对压力容器大开孔进行了应力分析，但未对均布小孔进行应力分析‘4“o。笔者利用流固耦合方法和结构静力学分析方法对冲孔滤网进行数值模拟，分别采用第三、第四强度理论对流固耦合结果进行应力分析评定，寻找滤网损坏的原因和符合工程应用的应力分析评定方法，为冲孔滤网的设计和使用提供参考。1计算模型1．1设计参数某大型煤基烯烃项目气化工段的循环气压缩机入口滤网设计参数为：管道内径476mm，滤网入口内径368mm，滤网高479mm，圆孔直排，孔

5、径6．4mm，正方形布孔间距11．24ram，板厚3mm，滤网入口带有90。弯头，直管段长1200mm，滤网前后压差的设计报警值是0．05MPa，设计停车值是0．08MPa。根据实际测量，弯头前压力为3．40MPa，流量为3×105Nm3／h。材料选用316L不锈钢板。1．2物理模型笔者采用Solidworks和Gambit对循环气压缩％吉林省科技发展计划资助项目(20140204040SF)。女$曹丽华，女，1973年10月生，教授。吉林省吉林市，132012。第42卷第2期化工机械235机人口滤网建模。考虑到

6、实际中钢板厚度存在负偏差，取其值为2．7mm，外部管道做薄壳处理。由于存在大量的孔，流域形状不连续，为保证网格质量，将计算域划分为两部分，直管段采用四面体网格，弯头段采用六面体网格。经过网格无关性验证，整个计算域的网格数约为261万(图1)。a．流场分析模型b．应力分析模型图1循环气压缩机入口滤网模型网格划分1．3控制方程和湍流模型湍流强度，的计算式为：数值模拟方法是把时间域和空间域上连续的I--一0．16(Re)“”(5)物理场用有限个离散点表示，并建立离散点间的结构静力学分析中，线性结构动力方程为：关系方程，

7、通过迭代方法求解这些方程的近似解。MX+C主+KX：F(6)笔者主要是对滤网进行应力分析，不考虑流体、固式中c——阻尼矩阵；体的能量传递，故只采用连续性方程和动量守恒F——节点所受到的力；方程，选用标准k-8方程模型，通过设置边界约束K——刚度矩阵；条件，当方程解的残差值小于10。5时，认为收敛。M——质量矩阵；绝热可压缩流体的连续性方程为：X——有限元节点位移；j^‘兹+div(pU)=0(1)X——有限元节点速度；式中t——时间，s；X——有限元节点加速度。卜速度矢量，m／s；虚功原理方程为：p——流体密度，

8、kg／m3。动量守恒方程为：10(p-u)+diV(p“U)=div(肛．gr池)一考+s。(2)10(pFv)+diV(∥u)=div(肛．gra∽一考城(3)掣+diV(p删=div(肛·grad山)一害¨。(4)式中S。、S。、S。——动量守恒方程的广义源项；U、秽、甜——速度矢量U在髫、y,z方向上的分量，m／s；肛——动力粘度，Pa·s。BE=8彤(7)式中E—