CAE技術(shù)在流體機(jī)械及工程中的應(yīng)用研究

黃思 林冠堂 莫宇石

摘要：介紹了有關(guān)CAE技術(shù)在流體機(jī)械工程中的單個(gè)靜設(shè)備、動(dòng)設(shè)備以及多個(gè)設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用的方法和成果。涉及的靜設(shè)備有儲(chǔ)罐、塔、換熱器，動(dòng)設(shè)備有離心泵、液環(huán)泵和螺桿泵，多個(gè)設(shè)備系統(tǒng)有消防供水系統(tǒng)和架空管道系統(tǒng)等。討論了流體機(jī)械及工程仿真中常見的流固耦合、動(dòng)靜計(jì)算域設(shè)置、連續(xù)相一離散相模型、單個(gè)設(shè)備與多個(gè)設(shè)備系統(tǒng)尺度等CAE技術(shù)問題。對(duì)單個(gè)設(shè)備而言，先進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算以確定結(jié)構(gòu)計(jì)算的流動(dòng)載荷條件，再進(jìn)行有限元計(jì)算和模態(tài)分析。對(duì)于多個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)，以關(guān)注系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的工作性能為主，便于完成設(shè)備的選型與評(píng)估、有針對(duì)性地制定安全防護(hù)措施。最后對(duì)CAE技術(shù)在流體機(jī)械及工程中的應(yīng)用前景做了展望。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù);流體機(jī)械;單個(gè)設(shè)備;多個(gè)設(shè)備系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（ 2022）02-0001-06

0 引言

流體機(jī)械是以流體為工質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械設(shè)備。從廣義上講，流體機(jī)械可分為靜設(shè)備（如管道、壓力容器、換熱器等）和動(dòng)設(shè)備（如泵、壓縮機(jī)和分離機(jī)等）兩大類。根據(jù)我國第十四個(gè)五年規(guī)劃發(fā)展綱要中對(duì)新能源技術(shù)和綠色發(fā)展理念的要求，各行業(yè)都應(yīng)對(duì)生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行節(jié)能減排、降耗增效。流體機(jī)械由于適應(yīng)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于能源、醫(yī)療、化工、新能源等國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的眾多領(lǐng)域之中。因此如何實(shí)現(xiàn)流體機(jī)械的綠色發(fā)展理念已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

CAE（ Computer Aided Engineering）技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助工程，是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程計(jì)算、產(chǎn)品設(shè)備分析、模擬仿真以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的統(tǒng)稱。眾所周知，流體機(jī)械及設(shè)備傳統(tǒng)的研發(fā)模式一般需要經(jīng)歷多次反復(fù)的設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)、制造等過程，研發(fā)周期長、成本高。CAE技術(shù)通過計(jì)算機(jī)模擬分析，可減少設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期;采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案，降低材料的消耗或成本;在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題;模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi);總之，CAE技術(shù)具有降低研發(fā)成本、縮短周期、可預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能等明顯優(yōu)勢(shì)[1]。

本文以作者研究團(tuán)隊(duì)近些年運(yùn)用CAE技術(shù)在流體機(jī)械及工程領(lǐng)域開展的一些代表性工作為例，探討CAE技術(shù)應(yīng)用的方法旨在提高該技術(shù)在流體機(jī)械及工程領(lǐng)域應(yīng)用的水平。

1 單個(gè)設(shè)備的仿真分析

1.1 靜設(shè)備

儲(chǔ)罐、塔、管道等靜設(shè)備的建造和使用呈現(xiàn)出大型化和輕質(zhì)化的趨勢(shì)，強(qiáng)風(fēng)作用下這類戶外設(shè)備的倒塌傾覆和結(jié)構(gòu)破壞案例時(shí)有發(fā)生，需要考慮強(qiáng)風(fēng)載荷下設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析。此外，設(shè)備內(nèi)外流體流動(dòng)產(chǎn)生的誘導(dǎo)頻率與設(shè)備固有頻率相一致或相近時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)生共振，損害其正常工作，甚至?xí)l(fā)安全問題[2]。根據(jù)如圖1所示的計(jì)算流程，運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)設(shè)備內(nèi)外流體流動(dòng)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行流固耦合分析。具體講就是首先對(duì)設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)流體力及外部風(fēng)載荷進(jìn)行數(shù)值計(jì)算（CFD），確定設(shè)備結(jié)構(gòu)計(jì)算的流動(dòng)載荷條件，再利用有限元計(jì)算和模態(tài)分析，得到設(shè)備的各階振型和固有頻率，對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行強(qiáng)度校核以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖2所示為按CFD計(jì)算得到的某-5 000 m3丙烷球形儲(chǔ)罐外表面風(fēng)壓分布（風(fēng)速U=30 m/s）。球殼外徑、儲(chǔ)罐高度和壁厚分別為21.3 m、24 m和48 mm，罐內(nèi)充裝率為0.9，壓力為1.66 MPa。風(fēng)載荷在球罐迎風(fēng)面形成正壓區(qū)，在球罐頂部、底部、側(cè)面和背風(fēng)面形成負(fù)壓區(qū)。風(fēng)壓在迎風(fēng)面中心達(dá)到最大值，沿著周向風(fēng)壓值逐漸減小。圖3所示為按流固耦合計(jì)算得到的球罐位移分布。由圖3 （b）可見，風(fēng)載荷的作用使球殼背風(fēng)面變形大于迎風(fēng)面的變形，風(fēng)速越大這種趨勢(shì)越明顯，因此設(shè)備表面風(fēng)載荷的存在及其不均勻性對(duì)設(shè)備安全的影響不可忽視。

圖4所示為在流固耦合計(jì)算中由模態(tài)分析得到的某一化工分餾塔的結(jié)構(gòu)位移、固有頻率及其振型結(jié)果[3]。該塔高24m，內(nèi)徑1.4m，壁厚10 mm，塔板數(shù)26，氣相和液相分別為天然氣和汽油，工作壓力和溫度分別為0.13 MPa和289.4℃。針對(duì)圖3和圖4的結(jié)果，可以有針對(duì)性地對(duì)設(shè)備制定相應(yīng)的安全防護(hù)措施。

圖5所示為石化企業(yè)的某一換熱器計(jì)算模型和溫度計(jì)算結(jié)果。換熱器殼體長3m，內(nèi)徑159 mm，內(nèi)有11根φ25 mmx2.5 mm的換熱管。殼程介質(zhì)為減頂氣，入口流量6.3 kg/h，溫度255℃;管程介質(zhì)為循環(huán)水，入口流量125.9 kg/h，溫度32℃[4]。該問題求解的難度在于設(shè)備總體尺寸大，而壁厚、污垢厚度等局部細(xì)節(jié)尺寸較小，涉及流體流動(dòng)傳熱、固體導(dǎo)熱甚至還有設(shè)備的失效分析等內(nèi)容，對(duì)計(jì)算機(jī)資源配置要求較高，需要對(duì)計(jì)算模型做出合理的簡化處理。

1.2 動(dòng)設(shè)備

工作時(shí)動(dòng)設(shè)備的許多結(jié)構(gòu)和零部件以某個(gè)速度運(yùn)行，與所接觸的流動(dòng)介質(zhì)相互作用，因而其工作機(jī)理比靜設(shè)備要復(fù)雜得多。動(dòng)設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)的主要問題是動(dòng)靜部件間的相互干涉和表面曲率等作用，同時(shí)還伴有二次流、間隙流、尾跡及各種旋渦[5]。另一方面，設(shè)備高速運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)局部壓力低于液體飽和蒸汽壓而產(chǎn)生空化汽蝕，造成表面材料剝蝕使設(shè)備失效[6]。

有關(guān)動(dòng)設(shè)備的CAE方法基本上仍采用圖1給出的技術(shù)路線，但需要將計(jì)算模型分成如圖6所示的運(yùn)動(dòng)域和靜止域等多個(gè)計(jì)算域，使用分界面將運(yùn)動(dòng)域和靜止域分隔和關(guān)聯(lián)。非穩(wěn)態(tài)問題需要采用滑移網(wǎng)格（運(yùn)動(dòng)域不變形）方法[7-8]或動(dòng)網(wǎng)格（計(jì)算域可變形）方法[9-10]捕捉流動(dòng)傳熱的瞬態(tài)行為。

圖7所示為使用開源軟件OpenFOAM計(jì)算得到的設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下IS型離心泵的流場(chǎng)分布[11]。設(shè)計(jì)點(diǎn)流量Qd=54 L/s，轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min，有效汽蝕余量NPSHa=5.81 m。從圖7 （b）可以看出空化云（氣泡）集中在葉輪入口葉片吸力面的位置。通過CAE后處理，由離心泵內(nèi)流場(chǎng)模擬結(jié)果可以對(duì)泵水力性能進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。如圖8所示，數(shù)值模擬可以較好地預(yù)測(cè)離心泵的水力性能。

圖9所示為按CFD模擬計(jì)算得到的2BE1-353型水環(huán)真空泵內(nèi)氣液兩相分布，紅色表示氣相，藍(lán)色表示液相。葉輪直徑為710 mm，轉(zhuǎn)速為372 r/min，入口壓力為60 000 Pa（絕壓），出口壓力1 atm（絕壓）。數(shù)值模擬結(jié)果得到了液環(huán)泵性能實(shí)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證[12]。

圖7和圖9這類兩相流問題的共同點(diǎn)是在模擬計(jì)算時(shí)可采用“雙流體模型”，將離散的顆粒相（氣泡、液滴）假設(shè)成連續(xù)的擬流體。雙流體模型中離散相和連續(xù)相有相同形式的控制方程，計(jì)算量較小，目前的CFD對(duì)多相流模擬主要采用這種方法。此外，工程中常有液固或氣固兩相流的情況，固體顆粒本身是離散的，在顆粒尺度范圍較大，尤其是需要了解固體顆粒對(duì)設(shè)備磨損的情況下，若仍將顆粒作為連續(xù)相處理會(huì)與實(shí)際情況有較大偏差甚至得不到想要的信息。

因此，對(duì)這類問題可考慮“連續(xù)一離散相模型”，按CFD方法求解連續(xù)的流體介質(zhì)，把固相顆粒視為離散相，采用離散元方法（DEM）對(duì)顆粒相的動(dòng)力學(xué)、接觸和碰撞等特性進(jìn)行求解，通過耦合接口實(shí)現(xiàn)流體與顆粒之間的動(dòng)量和能量傳遞，達(dá)到雙向耦合的效果[13]，具體過程如圖10所示，其中Fluent是CFD軟件，EDEM是DEM軟件。

圖1 1所示為計(jì)算得到的IS型離心泵輸送固液兩相介質(zhì)時(shí)固體顆粒的分布情況[14]。設(shè)計(jì)點(diǎn)流量Qd=99 m3/h，揚(yáng)程Hd=13.6 m，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，入口固相體積率2%，粒徑1.0-3.0 mm，密度p=1 500 kg/m3。

圖12所示為設(shè)計(jì)工況下該泵各部位材料的相對(duì)磨損量（t=0.8 s）?？傮w而言，蝸殼的磨損量約占總磨損的70%左右（圖12（a）），這個(gè)結(jié)果與Roco等[15]的涂層磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。葉輪各部位磨損量大小順序?yàn)椋喝~片工作面>后蓋板>前蓋板>葉片背面>葉片頭部>葉片尾端（圖12（b）），該計(jì)算結(jié)果與有關(guān)涂層磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16-17]的趨勢(shì)基本一致。

還有一類動(dòng)設(shè)備是依靠腔體的容積變化來與流動(dòng)介質(zhì)交換能量的，例如單螺桿泵在工作時(shí)轉(zhuǎn)子和定子相嚙合構(gòu)成一系列流體腔室，如圖13所示，腔室的大小和形狀隨時(shí)間作周期變化。對(duì)于這類流體域變形的仿真計(jì)算問題，一般采用動(dòng)網(wǎng)格方法解決，如圖14所示。

圖15所示為計(jì)算得到的某一單螺桿泵定子表面的靜壓分布[18]。螺桿泵主要參數(shù)為：轉(zhuǎn)子直徑55 mm，轉(zhuǎn)子偏心距8.2 mm，定子與轉(zhuǎn)子間隙0.15 mm，定子導(dǎo)程480 mm，定子總長7.68 m?？紤]到計(jì)算硬件的限制，定子模型長度取實(shí)際總長的1/4。n=180 r/min，△p=2 MPa。由圖可知，每個(gè)腔室內(nèi)的靜壓值較為均勻，不同腔室的壓差比較明顯。

圖16所示為該螺桿泵中心截面的流速矢量圖。計(jì)算結(jié)果顯示，相鄰腔室內(nèi)流體在壓差作用下沿密封線由高壓腔室向低壓腔室泄漏，且較高△p工況的泄漏較為嚴(yán)重。

2 多個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)仿真分析

以上介紹的是在單個(gè)設(shè)備尺度上進(jìn)行三維流場(chǎng)或結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算，但實(shí)際中有很大部分的技術(shù)需求是要解決多個(gè)設(shè)備系統(tǒng)層面（尺度）上的仿真問題。就整個(gè)系統(tǒng)而言，主要關(guān)注的是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的工作性能，以便于設(shè)備的選型與安全評(píng)估等。

例如對(duì)于如圖17 （a）所示的消防供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置有消防泵、閥門、管路和若干個(gè)并聯(lián)的消防水槍等設(shè)備，水槍的數(shù)目可通過開閉水槍閥門進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)火情嚴(yán)重需要增加閥門開度y時(shí)，供水泵須保證水壓H不能下降太多，以免影響滅火效果。當(dāng)用水需求減少時(shí)，系統(tǒng)壓力過高又容易造成管路或系統(tǒng)的損壞甚至危及到人員的安全。利用Flowmaster軟件平臺(tái)建立消防供水系統(tǒng)的計(jì)算模型（圖17（b））[19]。由計(jì)算得到的消防泵水壓H與閥門開度Y的關(guān)系曲絨（圖18）可見，消防供水系統(tǒng)配置恒壓泵要優(yōu)于配置普通離心泵。

另一個(gè)案例是化工園區(qū)的架空管道系統(tǒng)，其一般是由數(shù)條甚至幾十條管道集中敷設(shè)在管廊上，用于輸送各種溫度、壓力和流量工況的化工原料和成品，因而可能出現(xiàn)局部變形、減薄失效等問題產(chǎn)生安全隱患。選取如圖19所示的某一架空管道系統(tǒng)，幾何尺寸為102 m×6 m×13 m，該系統(tǒng)有10組立柱，4層管架，27根管道。

使用Ansys軟件對(duì)該系統(tǒng)建立APDL有限元計(jì)算模型，分別采用梁單元（Beam189）和管單元（Pipe289）對(duì)立柱、管架和管道進(jìn)行建模[20-21]，載荷主要有重力、介質(zhì)溫度和流體對(duì)管道的作用力等。管道兩端和無沉降的立柱底部取固定約束，有沉降的立柱底部按測(cè)量結(jié)果設(shè)置向下位移。圖20所示為計(jì)算得到的架空管道系統(tǒng)位移分布。由圖可見，豎直方向最大位移出現(xiàn)在圖中箭頭指向位置，數(shù)值為17.2 mm。

圖21所示為計(jì)算得到的架空管道系統(tǒng)等效（VonMises）應(yīng)力分布。由圖可知，最大應(yīng)力（150 MPa）出現(xiàn)在管道與管架橫梁接觸的位置，對(duì)照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可滿足應(yīng)力校核。

3 結(jié)束語

本文以作者團(tuán)隊(duì)近年來的代表性工作為例，介紹了有關(guān)CAE技術(shù)在流體機(jī)械工程中應(yīng)用的方法和成果。CAE技術(shù)可考慮實(shí)際中存在的多方面影響因素，采用多物理場(chǎng)仿真手段，對(duì)流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、結(jié)構(gòu)受力和其他復(fù)雜的工程問題進(jìn)行分析。不僅對(duì)單個(gè)設(shè)備，也可以對(duì)多個(gè)設(shè)備所組成的系統(tǒng)進(jìn)行分析。

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，結(jié)合運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)等高科技手段，CAE技術(shù)在流體機(jī)械及工程等領(lǐng)域有著更為廣闊的應(yīng)用前景，其包容性、功能性和有效性越來越強(qiáng)而使得CAE技術(shù)貫穿整個(gè)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的過程。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱俊杰，杜春承，孫文靜.CAE仿真軟件在產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].日用電器，2020（10）：75-80.

[2]汪文鋒，黃思，郭晨光，等.風(fēng)載荷作用下的塔群瞬態(tài)繞流及受力分析[J].江西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，43（3）：231-236.

[3]汪文鋒，黃思，郭晨光，等.塔設(shè)備在內(nèi)部流動(dòng)栽荷作用下的振動(dòng)分析[J].壓力容器，2019，36（11）：19-24.

[4]林冠堂，黃思，易天坤，等，管殼式換熱器污垢熱阻分析及數(shù)值模擬研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2021，35（4）：271- 276.

[5]劉高聯(lián)，王甲升.葉輪機(jī)械氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1980.

[6] Karassik I J，Messina J P，Cooper P，et al. Pump Handbook，Third Edition [M]. MCGraw-Hill，2001.

[7]Arnone A，Pacciani R.Rotor—stator interaction analysis using theNavier—Stokes equations and a multigrid method[J].Joumal ofturbomachinery，1 996，1 1 8（4）：679一689.

[8]Shi F，Tsukamoto H.Numerical study of pressure nuctuationscaused by impelleP—diffhser interaction in a diffuser pump stage[J].Journal of Fluids Engineering，2001，123（3）：466—474.

[9]Maple R C，Belk D M.Automated set up of blocked，patched，and embedded grids in the BEGGARflow solver[J].NumericalGrid Generation in Computational Fluid Dynamics and RelatedFields.1994：305—314.

[10]Wang Z J，Parthasarathy V，Hariharan N.A fully automated Chi—mera methodology for muhiple moving body problems[J].Inter—national Joumal for Numerical Methods in Fluids，2000，33（7）：919一938.

[11]Huang S，Wei Y，Guo C，et al.Numerieal Simulation and Perf叫一mance Prediction of Centrifugal Pump 's Fullnow Field Basedon openFOAM[J].Processes，2019，7（9）：605.

[12]黃恩，何婧，王學(xué)謙，等.基于CFD的液環(huán)泵性能預(yù)測(cè)及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2017，36（6）：6.

[13]Solutions DEM.EDEM 2.3 User Guide[M].Edinburgh，Scot—land.UK.2010.

[14]Huang S，Huang J，Guo J，et al.Study on Wear Properties of theFlow Parts in a Centrifugal Pump Based on EDEM—FluentCoupli“g[J].Processes，2019，7（7）：431.

[15]Roco M C.Modeling erosion wear in centrifugal slurry pumps[C]//Hydmtransport，1 984.

[16]田愛民，許洪元，羅先武，等.離心泵葉輪內(nèi)磨損規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].東北煤炭技術(shù)，1998（1）：43—46.

[17]Ahmad K.Baker R C，Goulas A.Computation and experimentalresults of wear in a slurry pump impelle[J].Proceedings of theInstitution of Mechanical Engineers，Part C：Journal of Mechani—cal Engineering Science，1986，200（6）：439—445.

[18]黃思，康文明，邱光琦，等.基于CFD的全金屬單螺桿泵非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算及性能預(yù)測(cè)[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2018，36（12）：121 1—1215.

[19]黃思，舒亞籃。何婧，等.基于Flowmaster的消防泵供水系統(tǒng)的模擬計(jì)算[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2016，35（12）：1711—1713.

[20]黃恩，張聰，徐征南，等.不均勻沉降架空管道桁架橋的有限元計(jì)算分析[J].壓力容器，2019，36（6）：7.

[21]黃恩，徐征南，張聰，等.基于熱流固耦合的架空管道方形補(bǔ)償器有限元分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)，2019，33（4）：6.