基于Fluent的混合弯管流场的数值模拟.pdf

《基于Fluent的混合弯管流场的数值模拟.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

机械设计与制造第9期2011年9月MachineryDesign&Manufacture211文章编号：1001—3997(2011)09—0211-o2基于Fluent的混合弯管流场的数值模拟木周毅闫光辉(天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津300222)NumericalsimulationforflowfieldofmixedelbowbasedonfluentZHOUYi，YANGuang-hui(TianjinUniversityofTechnologyandEducation，AutomotiveandTransportation，Tianjin300222，China)【摘要】弯管在工业生产的各个领域正得到越来越广泛的运用。以工业生产最常见的一种弯管体为研究对象，利用计算流体力学技术，首先对弯管体进行物理建模，设定各项基本参数，通过FLUENT软件对弯管内温度、压力、速度等参数做了全面详细的二维数值模拟，最后将计算结果进行图形化显示，得到了各项设计指标的极值及其所在部位等重要的设计及优化依据，形象具体的研究分析了弯管内流体状态。关键词：FLUENT；混合弯管；流场；模拟【Abstract】Elbowsareused1Tl~reandre,oreindiverseareasofindustryproduction．Bytakingacon-ilionelbowasaresearchobject，physicalmodelingis￡builtwiththehelpoffluidmechanicscomputa-tion，inwhichbasicparametersaresetandadetailedcomprehensive2Dnumericalsimul~ionforparame—ter$such傩temperatureinsidetheelbow．pressureandspeed．etc．isdonebasedonFluent．Thentheresultsareshownbydiagrams，thusimportantdesignandoptimizingbasissuchasextremevaluefordesignre-quirementandthelocationareobtained，andvividanddetailedstudyandanalysisonthefluidstatusinsidetheelbowisdone．Keywords：FLUENT；Mixedelbow；Flowfield；Simulation中图分类号：TH16，0353文献标识码：Alljl百混合弯管在工业生产领域正得到越来越多的运用，其在水利、能源、汽车、化工等方方面面扮演着重要的角色。对混合弯管内部不同流体流动所形成的流场具有复杂的流体状态，研究分析弯管内部压力、温度、速度等流场状态对于指导设计符合各领域工作要求的弯管具有非常大的意义。基于FLUENT软件，利用GAMBIT模块对弯管进行物理建模，通过FLUENT计算软件设定各项计算参数，对弯管体内部流场的各种状态进行了定量的数值模拟分析。图1混合管道物理模型及其网格划分晴况其次，最重要的参数设定是边界条件的设定。在本次模拟2模拟分析中，左侧和下侧的两个流体进口为进口边界，设定其进口边界条基于Fluent软件平台对混合弯管进行模拟分析时主要步骤Ⅲ件为速度进口边界，流体进入方向为垂直与进口边界面；上侧的有：(1)基于Gambit模块建立计算模型并进行网格划分；(2)基于流体出口为出口边界，设定其出口边界条件为出流边界；混合弯Fluent设置计算参数并进行计算；(3)计算结果的后处理，实现计管壁面边界设定为静止的绝热边界。算结果图形化。2_2数值模拟与结果分析2．1模型建立采用Fluent6．2．16对该问题进行模拟计算。基于FLUENT软件中的GAMBIT模块，建立弯管的二维模在具体计算时，采用分离隐式求解器进行稳态计算。由于弯拟模型，如图1所示。设定温度为290K的冷流体以0．20rrds的管段部分会有二次流和漩涡产生，因此粘性模型采用Realizablek—速度进入模型左侧入口，设定在弯管右下方人口处有温度为s双方程模型。近壁区采用标准的壁面函数来克服Re数后噌模型320K，速度为lm／s的热流体进入，两者在弯管内部混合，相关参在壁面附近带来的不足。其中，模型中的常数取为1．44；TKEPrandtl数，如表1所示13]。数为1，TDRPrandtl数为1．2，能量Prandtl数为0．85~o表1初始模拟参数先采用一阶离散化形式，大约进行60次迭代计算后计算收敛，可以得到弯管的温度和速度分布图，如图2所示。从图中可以看出，一阶离散化方法计算的结果的收敛性并不是很理想，流体的混★来稿日期：2010-11-18★基金项目：天津职业技术师范大学青年教师基金支助项目(YJsO9_08)，天津职业技术师范大学科研发展基金资助项目(KI10—04) 兰周毅等：基于Fluent的混合弯管流场的数值模拟第9期合情况也无法准确预测。为了改善求解精度，可以将能量方程改为度分布。如图6所示，流体在小管和大管接触的地方，速度最大，二阶离散化方法，同时降低松弛系数为0．8，在一阶离散化的基础上可以达到1．2m／s。弯管出口横截面上的速度曲线，如图7所示。在继续计算。在计算时，可以看出，继续迭代大约30次，计算收敛。查2．5cm位置处，由于管道壁面的粘性，该处的速)a度三芒值ac为【ⅢaJ0一。苗出ls口处看二次计算的结果，如图3所示。对比图2(a)、图3(a)可以看出：二速度最大的地方出现在(3．6～3．8)cm处，即弯管的后半段的右边次计算后，弯管后部的热量扩散大大降低，温度分布改善很多。靠近壁面的地方，最大速度大约为0．75m／s。7．00e-01专6·00e一01兰5．00e—Ol弘．00e一013．00e一01§2．00e-011．00e—o1(a)一阶离散化的温度分布图(b)一阶离散化的速度分布图0．0oe+o0图2一阶离散化模拟分析图2．42．62．833．23．43．63．84Position(cm)图7弯管出口横截面上的速度分布3．3压力分析弯管内部压力分布图，如图8、图9历示。由两图可以看出，在管道弯曲部分前，流体的压强大约为0Pa，在进入弯曲部分与小管道的流体混合后，压力开始变化。可以明显看出小管道与大管道接触的地方出现负压，在弯曲后部的—个地方压强出现最大值。(a)-阶离散化的温度分布图(b)二阶离散后的速度分布图图3二阶离散化模拟分析图3结果分析一一g3．1温度分析m‰叭‰叶叭弯管出口横截面上的温度分布曲线，如图4所示。从图中看1j11J出，弯管出口处横截面上的温度分呈现有一定的线性化。从弯管的左壁面到弯管的右壁面温度由低到高，最低处的温度大约为图8弯管内部压力分布云图图9弯管内部压力分布线图292K，最高处的温度大约为317K。左右壁面的温度差过大，对于管道的寿命会造成很大的影响。一cPosition(cm)图10曲线ABCD上Y方向的压力变化曲线Position(cm)图4弯管出口横截面上的温度分布曲线3．2速度分析Position(cm)图11管道出口横截面上的压力分布图图5速度矢量分布图图6速度矢量局部放大图为了更加清楚地呈现管道的压力分布，定义一个曲线为了能够更清楚的看出弯管内的速度的变化，可以在FluentWALL2。该曲线为大管道与小管道接触处后部的曲线，如图lO软件中显示弯管内的速度矢量分布图，如图5、图6所示。由图5所示的ABCD曲线。从点到D点的y方向上的压力分布，如可以看出在水平大管未弯曲前，由于粘性的影响，在管道壁面上图10所示。从图10可以看出，管道内部点的压力最小，数值的流体质点速度为零；在大管在弯曲处和小管混合时，由于小管约为一380Pa；C点处的压力最大，约为100Pa；A和D处的压强几中流体的速度较大，在弯管后半段，横截面上的流体的速度呈梯乎相当，约为50Pa。由前面的速度分析知，管道中的流体在B点 第9期机械设计与制造2011年9月MachineryDesign&Manufacture213文章编号：1001—3997(2011)09—0213—02基于GL规范对兆瓦级风力发电机组机架的分析计算杨兆忠颜志伟晏红文(南车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部，株洲421000)AnalysisandcomputationformainframeOfMWclasswindturbinegeneratorsystembasedonGLguidelineYANGZhao—zhong，YANZhi—wei，YANHong-wen(CSRZhuzhouElectricLocomotiveResearchInstituteCo．，Ltd．，WindPowerBusinessUnit，Zhuzhou421000，China)l【摘要】对机架的分析计算包括极限强度分析、疲劳强度分析和模态分析。由于机架的结构和承；；受的载荷复杂，利用有限元方法对兆瓦级风力发电机组机架进行极限强度分析。根据GL规范和EC3《?(19)等标准，对焊接结构的机架利用差值外推得到焊址处在单位载荷下的应力。对作用在机架上的疲{l劳载荷普，通过通道合并和雨流统计得到焊址处的等效疲劳应力，并结合GL规范进行疲劳损伤判断。2》使用有限元法计算了机架的固有频率，防止风机工作中机架在其它振源激励下发生共振。《?关键词：风力发电机；机架；有限元；强度；l【Abstract】Theanalysisandcomputationfor，includeultimatestrengthanalysis,fatiguej}analysisandmodalanalysis．Sincetherackstructureandbearingloadiscomplicated，FEAisappliedfor《}an，umesrengthQ厂d￡rbiemainframe．ACCOrdingtoGLandsfandardssch∞Ec31—9，l；throughextrapolatingD-valueof口rackweldedstructure，loadstressunderunitloadisobtainedatweldingiiarec~Asfor￡efatigueloaddistributionapplyingupontheframe，whichequivalentfatiguestresscouldbe《；obtainedatweldingareathroughchannelITtergingandrain-flowstatistics，thefatiguedamagecouldbe一；；}s舭essFedEAcotmbingtheGLstandards．InadditionnaturalfrequencyofthemainframeiscalculatedbyapPlyingioprevenfthemainframeWOrkfrom如nanceinspiredbythe。herf0c。z。{{Keywords：Windturbinegenerator；Mainframe；FEA；Strength；中图分类号：TH16，TK8文献标识码：A1引言强度失效和疲劳失效，所以要分别对匕述两种强度进行校核计算。另外，为了保证机架在风机工作时不发生共振，需对其进予亍；奁i分析。为确保现代兆瓦级风力发电机组设计、制造和运行维护过程的规范，对其进行相关的认证是重要的一步。通过严格认证的风力2机架的极限强度分析发电机组被认为是值得信赖和可靠的，这不但有助于开拓市场，对机架进行极限强度分析计算使用有限元分析算法。计算所甚至在某些国家，通过特定的认证是风力发电机组投产运行的强使用的几何模型在三维软件中建立，并根据有限元理论和结构力制法律要求_1]。目前，国际上通用的风电认证规范有IEC614001、学理论简化掉了机架上的一些电缆支架、吊耳、一些凸出的倒角德国劳埃德(GL)认证规范和丹麦的DS472标准目。(凹进去的圆角都在模型中考虑，避免应力集中)等对机架强度分机架结构复杂，如图1所示，是风力发电机最主要的承力部件析影响不大的细小部分。如图2所示，由于该模型用来校核机架的之一。机架承载着主轴传过来的轮毂中心载荷，齿轮箱的载荷，发电强度，对于其螺栓连接部分进行了简化处理，并建立齿轮箱和塔筒机的载荷，偏航电机的载荷以及变频柜的载荷。对机架的分析计算是假体。将建立完的模型导人前处理软件进行网格划分和边界条件要确保其在20年的时间内不能够失效。目前较为常见失效形式有静的定义。为了计算结果的准确性，对划分好的网格要进行质量检★来稿日期：2010—11-22附近的速度最大，大的流速导致了B点出现负压。管道出口横截与小管接触拐点处附近的速度最大，压强最小，能量最大。这对于面上的压力分布，如图I1所示。出口处的压力最大值出现在离右指导混合弯管设计有一定的指导意义。壁面约0．4cm处的地方。参考文献[1]王福军计算流体动力学分析[M]．北京：清华大学出版社，2004．4结束语[2]孔珑．工程流体力学[M]．北京：中国电力出版社，1998．混合弯管在工业生产领域正得到越来越多的运用，为了追[3]马爱梅，鹿晓阳，孙胜．弯管内的流体应力分析与计算[J]．山东大学学报(工学版)，2005，8(4)：6—9．求设计的最优化，通过流体计算软件对其工作过程进行数值模拟[4]张远君．流体力学大全[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1990．分析无疑是最好的方法之一。采用Gambit对混合弯管进行了建[5]韩占平，王敬，兰小平．FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M]．北模与离散后，采用Fluent对管道内部流体的温度、速度、压力和动京：北京理工大学出版社，2004．16JY．Ohtake，A．Belyaev，M．Alexa，G．Turk，H．Seide1．Multi—levelPartiti0nof压水头等分布情况进行了计算和分析。结果表明，混合弯管大管UnityImplicits，InProceedingsofSiggraph，2003：463--470．