黃 浩，李立民

（武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081）

進(jìn)氣管道作為空氣過(guò)濾系統(tǒng)的收集裝置，廣泛應(yīng)用于各大消音除塵設(shè)備系統(tǒng)。由于管道由鋼架支撐，進(jìn)風(fēng)口面積大，管內(nèi)空氣流量大，空氣流動(dòng)對(duì)管壁產(chǎn)生較大作用力會(huì)導(dǎo)致管壁變形。因此對(duì)進(jìn)氣管道進(jìn)行流固耦合分析，對(duì)于系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化有重要意義。

廣義的流固耦合為流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用影響的問(wèn)題。人們對(duì)流固耦合現(xiàn)象的早期認(rèn)識(shí)源于飛機(jī)工程中的氣動(dòng)彈性問(wèn)題。Wright兄弟等都曾遇到過(guò)飛機(jī)氣動(dòng)彈性問(wèn)題，但他們主要從感官直覺(jué)上來(lái)解決問(wèn)題，并沒(méi)有完善的理論支持［1］。隨后，各類專家學(xué)者不斷投入到流固耦合問(wèn)題的研究中。Murakami等［2］借助超級(jí)計(jì)算機(jī)用大渦模擬的方法對(duì)繞三維建筑的不穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行研究，其計(jì)算結(jié)果表明大渦模擬法精度很高，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符。Apsley等［3］對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行有限體積法和二階方法分析并與普通的k－ε模型相比較，認(rèn)為這種方法更符合風(fēng)場(chǎng)對(duì)固體側(cè)面的影響。我國(guó)的流固耦合研究起源于20世紀(jì)80年代，王世忠等［4］對(duì)輸液管道利用反對(duì)稱矩陣方法進(jìn)行流固耦合分析。楊向龍等［5］基于商用軟件FLUENT和自制非線性有限元程序，建立了三維彈性薄膜結(jié)構(gòu)和黏性流體耦合的有限元模型并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)從1增大到500時(shí)，計(jì)算很快發(fā)散。鄢奉林［6］對(duì)汽車排氣管道進(jìn)行了氣－固耦合有限元分析。

上述研究多以外場(chǎng)分析和小型輕結(jié)構(gòu)內(nèi)場(chǎng)分析為主，尚未見有針對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)管道內(nèi)部流場(chǎng)與管壁耦合的分析。為此，本文應(yīng)用Workbench等軟件對(duì)武漢某環(huán)保設(shè)備有限公司消音除塵管道進(jìn)行仿真分析，得出其流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)場(chǎng)的壓力、速度分布云圖，旨在為大型集氣管道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 流固耦合方程的建立

1.1 流體控制方程

本文耦合分析采用氣固兩相流，應(yīng)當(dāng)遵循流體力學(xué)三大定律。對(duì)于一般的可壓縮牛頓流體，守恒定律通過(guò)如下控制方程描述［7］：

質(zhì)量守恒方程

式中：t為時(shí)間；ff為體積力矢量；ρf為流體密度；v為流體速度矢量；τf為剪切力張量；E為單位質(zhì)量?jī)?nèi)能；qf為單位體積熱量損失。

1.2 固體控制方程

固體部分的守恒方程由牛頓第二定律導(dǎo)出：

式中：ρs為固體密度；σs為柯西應(yīng)力張量；fs為體積力矢量；為固體域當(dāng)?shù)丶铀俣仁噶俊?/p>

1.3 流固耦合方程

流固耦合遵循最基本的守恒原則，在流固耦合的交界面處，應(yīng)滿足流體與固體應(yīng)力、位移的相等或守恒，即滿足如下方程：

式中：τf和τs分別為流體和固體應(yīng)力；nf和ns分別為流體和固體單位方向向量；df和ds分別為流體和固體位移。

2 仿真分析

2.1 分析流程

流固耦合問(wèn)題的分離解法一般有單向耦合法和雙向耦合法。由于輸氣管道管壁變形對(duì)流場(chǎng)的反作用很小，可以忽略不計(jì)，故本文采用單向耦合法在ANSYS中對(duì)管道內(nèi)部流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行分析，分析流程如圖1所示。建立流體和管壁結(jié)構(gòu)的三維模型。將流體模型導(dǎo)入ICEM中劃分網(wǎng)格，然后在CFX里進(jìn)行邊界條件設(shè)置及流場(chǎng)仿真計(jì)算。將管壁結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行有限元（FEA）靜力分析，并將CFX的計(jì)算結(jié)果作為載荷導(dǎo)入Workbench進(jìn)行流固耦合（FSI）分析，得出管壁的總變形。

圖1 流固耦合分析流程Fig.1 Process of fluid－solid coupling analysis

2.2 三維模型的建立

管道進(jìn)氣口為立體方形，多次彎折，出氣口為左方右圓過(guò)渡段，管道壁厚約為5mm，整體全長(zhǎng)約9m，寬約7m。在Solidworks中建立流體和管道外壁的三維幾何模型，如圖2、圖3所示。

2.3 基本參數(shù)

管道材料為普通鋼材，流體為空氣，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 輸氣管內(nèi)部流體三維模型Fig.2 3Dmodel of internal fluid in the gas－conveying pipe

圖3 輸氣管道外壁三維模型Fig.3 3Dmodel of the outer wall of the gas－conveying pipe

表1 輸氣管道系統(tǒng)物性參數(shù)Table1 Physical parameters of the gas－conveying pipe

2.4 網(wǎng)格劃分

將流體和固體的三維模型分別導(dǎo)入ICEM和Workbench軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。流體域共劃分100913個(gè)節(jié)點(diǎn)，520987個(gè)單元；固體域共劃分278760個(gè)節(jié)點(diǎn)，138708個(gè)單元。流體與管壁網(wǎng)格圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 流體網(wǎng)格圖Fig.4 Fluid grid

圖5 管壁網(wǎng)格圖Fig.5 Wall grid

2.5 邊界條件

流體壁面定義邊界條件類型Wall，用來(lái)計(jì)算管道內(nèi)壁所受風(fēng)壓。管道進(jìn)口給定速度入口為2.5m／s，壓力為1.01325×105Pa；出口設(shè)置相對(duì)壓力為0；空氣溫度為25℃。

3 結(jié)果與分析

3.1 流場(chǎng)分析

圖6所示為殘差監(jiān)測(cè)曲線。由圖6中可見，經(jīng)過(guò)64步迭代后，殘差已小于1×10－5，表明計(jì)算結(jié)果收斂。

圖6 殘差監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 Residual monitoring curve

流場(chǎng)壓力及速度仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，整個(gè)管道從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口壓力減小，流速增大；流體的壓力水頭轉(zhuǎn)換成了速度水頭［8］，符合流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程；中心截面速度分布顯示，流體在管道中心處速度大于管壁處速度，這是由于管壁內(nèi)摩擦引起的，出口中心最大風(fēng)速為22.5m／s。

輸氣管道中心線處的壓力、速度曲線圖如圖8所示。由圖8中可以看出，中心線處壓力隨著流速的增大而減小，出風(fēng)口存在40Pa負(fù)壓。

3.2 結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析

加載流場(chǎng)壓力后管壁壓力分布云圖如圖9所示。從圖9中可以看出，最大壓力在管道進(jìn)氣口處，其值為252Pa。

圖7 管道中心截面壓力和速度分布云圖Fig.7 Pressure and velocity nephogram of the cross section at the middle of the pipe

圖8 中心線處壓力和速度曲線圖Fig.8 Pressure and velocity curves at the centerline

圖9 耦合后管壁壓力分布圖Fig.9 Pressure distribution on the pipe wall after coupling

圖10 管壁總變形Fig.10 Total deformation of the pipe wall

管壁等效總變形圖如圖10所示。從圖10中可以看出，管壁存在微小變形，且管道四個(gè)角的變形明顯大于壁面變形，最大形變量為0.217mm。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于ANSYS Workbench對(duì)某環(huán)保設(shè)備公司大型消音除塵管道進(jìn)行流固耦合數(shù)值分析，結(jié)果表明，空氣流經(jīng)管道時(shí)，從進(jìn)風(fēng)口處到出風(fēng)口處，壓力水頭轉(zhuǎn)化成速度水頭，壓力減小，流速增大，出風(fēng)口處產(chǎn)生負(fù)壓；耦合后管壁存在微小變形，管壁四個(gè)角的變形明顯大于壁面變形。這可為消音除塵管道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供重要依據(jù)。

［1］Fung Y C.An Introduction to the theory of aero elasticity［M］.New York：John Wiley and Sons Inc，1955.

［2］Murakami S，Mochida A.Three－dimensional numerical simulation of air flow around a cubic model by means of large eddy simulation［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1987，25（3）：291－305.

［3］Apsley D D，Castro lan P.Flow and dispersion over hills：comparison between numerical predictions and experimental data［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1997（67－68）：375－386.

［4］王世忠，王茹.三維管道固液耦合振動(dòng)分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，24（4）：43－49.

［5］楊向龍，劉陽(yáng)，楊基明.三維薄壁結(jié)構(gòu)與流體相互作用數(shù)值模擬［J］.深圳大學(xué)學(xué)報(bào)：理工版，2008，25（2）：111－116.

［6］鄢奉林.汽車排氣總管流固耦合的有限元分析［D］.武漢：武漢汽車工業(yè)大學(xué)，2000.

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［8］龍靖宇，楊陽(yáng)，黃浩，等.基于Fluent的雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥流場(chǎng)的可視化仿真［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（3）：307－309.