CFD计算范文

CFD计算范文（精选9篇）

CFD计算 第1篇

发动机进排气系统的气体流动特性复杂多变,直接影响发动机的充气效率,对发动机的动力性和经济性有着重要的影响。进气歧管是发动机的主要部件,应为发动机各缸提供均匀的新鲜进气,是影响发动机整体性能的关键因素。笔者首先利用Boost计算软件为进气歧管三维仿真计算提供边界条件,运用Star-CD软件对歧管进行三维仿真,通过三维仿真模拟研究不仅能得到进气歧管的流通性能和进气均匀性等信息,还能直观地反应出歧管内流体的流动状态,为歧管的设计和改进提供重要的理论依据。

1 数值模型

1.1 三维模型与网格划分

在计算中为了在Star-CD中方便地选取细化区域,所以模型首先用有限元前处理软件HYPERMESH进行面网格的划分。表面网格处理好后导入StarCD中进行体网格的划分。网格总数为38万左右,网格模型见图1。

1.2 计算仿真

歧管流体流动要受物理守恒定律的控制,基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律。控制方程就是这些守恒定律的数学描述。而进行模拟计算,实际上就是求解控制方程。湍流模型采用高雷诺数k-ε湍流模型,近壁区采用标准壁面函数方程处理,且要求贴近壁面的网格的y+值在11~200之间,残差均应小0.001。

1.3 边界条件

我们采用稳态计算和瞬态计算两种方法对进气歧管进行分析。稳态计算主要分析歧管的流通性能,稳态计算共计算4个case在每个case中分别将歧管的一个出口定义为出口边界,其余进口定义为壁面,计算中进口速度取一个循环的平均值30.85m/s,瞬态计算主要分析歧管的进气均匀性。由Boost软件提供计算边界,具体边界条件见图2和图3。在稳态和瞬态计算中流体设为理想气体。

2 计算结果分析

2.1 稳态计算结果

在进口流速为30.85 m/s时,1,2,3,4缸进出口总压压差分别为2 562,2 637,2 593,2 593 Pa,从计算结果看四个缸的压力损失处在比较合理的范围,从相对压差损失率来看,1,2,3,4缸分别为-1.74%,1.14%,-0.54%和1.14%,相对压差损失率也在比较合理的范围。从稳态计算结果看,该歧管的流通性比较好。

2.2 瞬态计算结果

进气流通性见表1。瞬态计算主要是计算歧管的进气均匀性,图4显示了匹配增压发动机时三维CFD计算与一维Boost计算出口流量随曲轴转角的变化曲线,从图中可以看出两计算结果大体相似,略有差异。相对于一维计算,三维CFD计算考虑了管内流体的流动,因此二者存在差异是必然的,但三维的结果更加可信。

本次瞬态计算共进行了7个循环,其中前6个循环保证收敛解,7个循环输出计算结果。从瞬态计算结果来看,应用在增压发动机时歧管各通道的进气量存在一定的差异,其中1,2缸的进气量偏大,而3,4缸的进气量偏少。相对于平均进气量,1,2,3,4缸的误差分别为17%,3.3%,-11.2%,-9.2%,而在计算中为保证进气均匀性,原则上要求各通道的进气量的相对误差在10%左右,因此该歧管在进气性能方面存在一定的不均匀性问题。经计算该歧管应用在自然进气发动机时相对于平均进气量1,2,3,4缸的误差分别为10.6%,0.8%,-6.7%,-4.7%,进气均匀性比增压时得到很大的提高,该歧管更适用于自然进气发动机。进气均匀性对比见表2。

原因分析:该机型为增压发动机时歧管入口处气体压力偏大,因此造成气体在歧管内具有较好的穿透性,气流比较容易到达稳压腔的深处,从而造成1,2两缸进气量比3,4两缸进气量偏大。图5显示3缸开启时1缸内的气体流动,图6显示了1缸开启时3缸内气体的流动。从图中可以看出当3缸开启时,1缸有相当明显的气流流进,而1缸开启时3缸几乎没有明显的气流流入,4缸内气体的流动状态与3缸相似。正是因为匹配增压机型时歧管的贯通性强,导致1缸进气量大,而3,4两缸进气量少。自然进气发动机因为入口气体压力小,气体的穿透性较差,所以各缸的进气均匀性较增压发动机好。

3 结论

通过对进气歧管的CFD数值模拟分析表明:

a.该进气歧管进出口压力损失较小可以满足工程上的需求,说明歧管内部管路设计合理,歧管有较好的流通性能。

b.瞬态计算由于发动机工作条件不同而导致歧管内气体均匀性出现差别,说明该进气歧管匹配自然进气发动机更为合适。

c.CFD分析可以为设计人员提供清晰的内部流场信息,是设计人员对歧管的设计效果有直观的了解。在提高设计能力,节约试验成本方面,CFD分析可以起到重要的作用。

摘要：利用Star-CD软件对公司某型发动机进气歧管进行三维数值仿真模拟。首先通过CFD稳态计算得到进出口的压力梯度对进气歧管的流通性能进行分析;其次通过瞬态计算分析该进气歧管应用在自然进气发动机与增压发动机时的进气均匀性差别。结果表明:该歧管的流通性能良好;在进气均匀性方面应用在自然进气发动机比应用在增压发动机上效果优良。

关键词：歧管,压力损失,均匀性

参考文献

[1] JohnD.Anderson.Computational Fluid Dynamics[M].北京:机械工业出版社,2006.

CFD计算 第2篇

基于CFD的拖网渔船阻力计算及试验验证

拖网渔船在海洋渔船中占有很大份额,具有多工况、船型复杂的特点,是渔船节能专向研究的重点对象.文中将CFD技术应用于该船型的阻力计算,考虑自由水面效应,计算出相应航速下的阻力值,与模型试验结果吻合度较高,可以在进一步深入研究其影响因素的.前提下部分取代模型试验的效果.

作 者：张晓君 杨校刚 王向前 ZHANG Xiao-jun YANG Xiao-gang WANG Xiang-qian 作者单位：浙江海洋学院船舶与建筑工程学院,浙江舟山,316004刊 名：浙江海洋学院学报(自然科学版)英文刊名：JOURNAL OF ZHEJIANG OCEAN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)年，卷(期)：28(1)分类号：S972.13关键词：拖网渔船 CFD技术 阻力 验证

CFD计算 第3篇

对于水轮机而言, 传统观点认为, 活动导叶的水力特性对整机的运行效率影响非常小, 可以忽略。因此, 针对机组的CFD数值模拟研究, 大多集中在转轮、蜗壳、尾水管等核心过流部件上, 活动导叶的流场数值模拟相对较少。事实上, 表征水轮发电机组的工作效率、稳定性、气蚀性等指标的优劣, 主要取决于机组内部的水流状态。在泥沙磨损、空化等不利因素作用下, 导叶经常会出现磨损严重、气蚀破坏等现象, 导致其立面翼型的型线发生改变, 偏离实验确定的理论尺寸。继而导叶内部的水流流态发生改变, 使得机组在运行过程中, 出现不同程度的稳定性问题。根据文献的资料显示, 某电站从1997~2003年期间, 因导叶扭曲变形、头部和端部出现局部穿透等现象造成事故停机检修达10次之多, 根据现场调查显示, 每个导叶遭受破坏的部位和磨损的形态基本相同。根据经验判定, 活动导叶运行中出现的问题基本是由水力因素引起。因此, 对导叶进行内部流场分析, 有利于了解各个工况点下的水流运行状态、速度压力分布规律, 为产品的优化设计和提高整机的稳定性提供理论依据。

1 活动导叶模型概况

本文采用立式混流式水轮机的活动导叶作为计算模型, 机组的额定功率为10MW, 主要参数如表1所示。机组的活动导叶数目为20个, 采用不锈钢整体铸造。导叶部分相关参数如表2所示。

2 流场的网格划分及边界条件的确定

机组在最优工况点下运行, 其水力性能为最佳状态。将最优工况点作为计算依据, 可以分析出机组在水力性能最佳的时候, 速度压力分布规律。找出该状态下, 流态的最不利环节, 便可以此为依据, 判断出非工况点下该环节对机组的影响。计算模型在最优工况点的特征参数如表3所示。

湍流模型采用目前在工程应用中最为广泛, 且精度较高的RNG (renormalization group) 模型, 其运输方程为:

式中, μt为湍流涡粘系数;k为湍流脉动动能;ε为湍流耗散率;Gk为平均速度梯度引起的湍动能k的生成项;μeff为有效粘性系数。

2.1 网格划分

网格划分是在模型构建完成以后, 对计算区域在空间上进行离散。本文采用六面体单元的非结构化网格划分整个流场 (如图1所示) , 共有52520个网格单元。

2.2 边界条件的给定

活动导叶流场模型的边界条件划分较为简单。具体划分方式为:计算区域外侧为导叶的进口, 设为速度进口边界;内侧为导叶的出口, 设为压力出口边界;固壁边界条件包括除进口和出口外的所有流体和固体的接触面, 具体确定方式如图2所示。近壁区用标准壁面函数, 壁面切应力方程[4]为:

式中, 为离开壁面第一个节点, 在平行壁面方向上与壁面相应点的速度差; 为第一节点到壁面的距离; 为粘性长度;Cμ=0.09;E=8.143。

3 计算结果的后处理

3.1 流场速度压力分布

计算结果的后处理, 本质是对整个流场模拟的图像结果显示。通过迭代计算, 得到活动导叶在最优工况下的速度压力分布规律, 如图3~6所示。

3.2 计算结果分析

(1) 由图3所示, 在最优工况点下, 水流速度变化趋势是由进口至出口均匀增大, 流动比较顺畅, 叶片的进出口未发生脱流的情况, 沿整个圆周方向的速度分布具有非常良好的对称性, 可见, 在该工况点下, 机组运行状态较为良好。

(2) 由图4所示, 活动导叶内部流场的压力分布情况, 从进水边到出水边均匀降低, 压力沿整个流场的圆周方向也呈现较好的对称性。活动导叶中的压降较小, 水头损失也较低。

(3) 众所周知, 当流场中产生负压的时候, 零件会发生气蚀破坏[1]。由图4~图6所示, 无论是导叶正面还是背面, 压力沿着导叶型线从进水边到出水边均呈下降趋势。虽然在最优工况下, 并未产生负压, 但是可以推断, 在非最优工况的时候, 叶片出口区域却难保不会产生负压区, 以至于发生气蚀。所以, 活动导叶遭气蚀破坏的区域, 通常在出水边。这与电站调研搜集到的资料相当一致, 如图7所示。

4 结束语

本文针对10MW混流式水轮机活动导叶的最优工况点下进行流场CFD分析, 计算出了导叶内部流场的速度压力分布规律, 得出其出水边容易受到气蚀破坏的结论, 有助于活动导叶设计过程中的工艺改进 (如采用抗气蚀性较强的材料等) , 对整机的优化设计有着重要的意义。

摘要：阐述了对水轮机活动导叶内部流场CFD分析的目的。以额定出力10MW的混流式水轮机活动导叶作为计算模型, 采用六面体非结构化网格划分流场, 在最优工况点条件下, 计算出了部件的水力特性, 为后续的工艺优化改造, 提供了理论根据。

关键词：活动导叶,网格,CFD分析

参考文献

[1]程良骏.水轮机[M].北京:机械工业出版社, 1981.

[2]南省水力发电工程学会湖南省电力公司.水电站事故) 障碍) 案例与分析[M].北京:中国电力出版社, 2004.

[3]辛喆, 常近时.混流式水轮机全部通流元件的三维湍流流场分析与性能预测[D].北京:中国农业大学, 2005.

CFD培训心得体会-sc 第4篇

2018年3月31日至4月2日，我在北京了参加计算流体动力学(Computatio-nal Fluid Dynamics，CFD)的培训，十分感谢室领导给我这次外出学习的机会。3天时光的培训虽很短，但从中学到的知识却使我受益匪浅，受益良多，使我更深刻的认识到了CFD的强大之处，在很大程度上开拓了我的眼界、增强了自我的业务潜力，同时也认清了自身离一个优秀的CFD使用者之间所存在的差距，明确了自我今后的学习发展方向，为今后的学习和业务技能培训奠定了坚实的基础。现将外出培训学习所学总结如下：

1、对CFD及其软件模块有了进一步的认识：

计算流体力学可用于多相流、化学组分流、多物理场耦合、一般流动问题、流体换热问题、运动部件等应用领域的问题。具体到常用的软件模块有SCDM，ICEM，fluent等。这些模块都有各自擅长的领域，并且相互之间是可以进行互联互通的。

SCDM模块的使用，主要用于三维几何建模，功能和使用操作方面类似于常用的三维建模软件。ICEM软件模块主要用于网格的划分，网格划分是一项细致活儿，可以毫不夸张的说这是一门艺术。因为工程计算上多采用成熟的程序或商业软件作为求解器，只要设置好初始条件、物理参数和收敛条件，计算工作基本上由计算机来完成。网格的生成工作约占整个项目周期的80%～95%，生成一套高质量的网格将显著提高计算精度和收敛的速度，对于复杂模型，网格划分显得尤为重要。fluent模块具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，并且还随着其软件的升级而进一步的完善和丰富。可用于计算的物理问题包括可压与不可压流体、耦合传热、热辐射、多相流、粒子输送过程、化学反应和燃烧问题。还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相传介质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的使用模型。

2、业务技能方面有了进一步提高：

在这几天里，我们进行了ICEM-CFD网格划分与Fluent通用技术培训，主要内容有CFD基础、应用场合以及基本的工作流程，看老师操作和自己操作是并一回事，这是一门十分重视实操的软件 注重理论学习，理论知识得到充实：以前看书的时候总想着看完就完了，也就是为了应付某个考试而看，可透过这次培训，使我认识到医学领域里的理论知识就好比盖房子打的地基一样，需要相当的牢固、扎实。是任何科研与操作的先决条件，要求相当的严谨，一环扣一环。

一些流体的物理参数和紊流模型的经验系数等

不能知其然不知其所以然。软件模拟只是数字化的模型计算，主要还是靠人为来选择合理正确的模型和参数设置。这就需要我们将实际问题抽象简化成为已知的一种物理模型或多种物理模型的组合。

3、下一步学习计划：

（1）进一步扎实理论功底，掌握流体力学基础理论。熟悉常用流体模型极其参数设置，如雷诺数和瑞利数等。

（2）进一步强化软件操作，结合已知案例熟悉操作流程，增强自身技术能力。

（3）结合现有的工作需求，独立自主解决实际工作中的相关流体计算问题，以达到学以致用的目的。

CFD计算 第5篇

一、计算空气动力学课程存在的问题

计算空气动力学的教学内容丰富, 如稳态及非稳态数值计算、不同模型等。传统的黑板式教育可以对静态、公式等进行细致推导, 但对动态过程难以生动的描述。由于计算中涉及到迭代等较为抽象, 学生理解费力。

实验教学, 可以帮助学生较好地理解尾流涡脱落, 但每个学生都做一次实验, 其人工成本及实验成本都较高, 而且实验的操作复杂, 高精度实验设备等价格昂贵, 不能满足学生人手一机的需求。同时, 实验过程中, 叶片尾流涡的脱落过程受较多限制, 为实验教学带来了不小的困难。

因此, CFD软件可以通过数值计算对空气动力学物理模型 (叶片翼型) 进行仿真和数据汇总处理、对比分析。分析不同风速对叶片的扰流及后续尾流产生及脱落;分析不同空气密度对翼型升力及阻力系数变化等。

二、计算空气动力学教学过程流程图

通过参考有关书籍[4]及学生课堂反应情况, 总结出计算空气动力学, 用CFD软件教学过程流程图, 如图1所示。根据教学大纲, 学生按照操作流程逐步学习, 每步具体内容再展开讲解。这样, 可以使学生既掌握相关计算空气动力学知识, 又提高动手能力。操作步骤, 即为贯穿计算空气动力学课程主线可以使学生巩固所学成果, 加深学生计算空气动力学的教学内容。学生亲自算出来的结果, 使学生对CFD软件产生浓厚兴趣, 加大学习本门课程的源动力。

三、教学应用实例

授课过程中, 学生遇到问题及学生创新思路进行举例说明, 帮助学生们更好的理解, 拓展学生们的思维。采用saratov翼型进行仿真模拟前期网格划分, 生成图2所示相应的网格文件。从图2中, 我们可以看出, 翼型周围所采用的是四边形网格。图2b是学生根据计算图2a翼型时, 通过思考, 自己动手建立的二维网格模型, 再对该网格进行仿真。

边界条件及参数设置, 选择稳态模型, 紊流模型选择S-A模型二阶迎风差分格式, 来流速度V为8m/s。按照图1的逐步设置, 得到流场数据。

图3是saratov翼型及其组合翼型周围压力分布图, 可看出吸力面及压力面据相关知识分析翼型前缘压力高的原因。

图4是翼型周围速度分布图, 沿来流方向组合后的翼型后速度最低, 在翼型叶根处速度较大, 是符合常识的, 通过举例说明使抽象的问题形象化。

图5是翼型周围速度的矢量图, 我们可以看到翼型后涡的产生过程。

三、结论

综上, 结合空气动力学相关理论知识, 对计算空气动力学讲解说明, 可以使学生们加深空气动力学的理论知识。通过组合翼型并对其进行分析, 可以看出学生们的想法是新奇的, 这说明学生们在学习的过程中进行了充分的思考, 又通过这个计算空气动力学这门课所讲授的内容进行了理解与进一步拓展, 不仅仅激发对计算空气动力学的学习兴趣, 而且可以探索翼型未知问题。

参考文献

[1]秦云甫.浅谈我国风电发展现状、问题与对策[J].中国电力教育, 2011, (3) :45-46.

[2]赵琴, 杨小林, 严敬.CFD技术在工程流体力学教学中的应用[J].高等教育研究, 2008, 25 (1) :28-29.

[3]柏静儒, 辛思谕, 王擎.CFD软件在传热学教学中的应用及浅析[J].中国电力教育, 2014, (29) :43-45.

CFD计算 第6篇

计算流体力学是基于计算机技术的一种数值计算工。随着计算机技术的不断发展, 计算流体力学在土木工程中的应用越来越广泛。

1 计算流体力学在工程中的主要应用

(1) 在桥梁工程中的应用。现在出现了很多横跨大河或者海峡的大跨度桥梁, 空气动力学的研究在桥梁工程中的应用越来越广泛。风荷载的作用使桥梁会发生震颤, 桥梁本身在外荷载的作用下也会产生颤振;如果产出共振, 尽管在风速并不大的情况下, 共振是使桥梁发生破坏的主要原因。例如1942 美国的塔科马海峡悬桥就在相当低的风速下受激振动而倒塌。因此桥梁的颤振, 是桥梁在初步设计阶段到可行性研究阶段非常重要的问题。而传统的风动试验, 存在模型和环境等模拟失真等问题, 试验条件也难以控制, 这将会影响大跨度桥梁颤振稳定性的正确判断。因此, 寻找流体力学研究的新手段, 以便为设计者提供更准确风的荷载影响数值。从20 世纪60 年代开始, 随着计算机的出现, 用计算机来模拟流体流动, 即计算流体力学——CFD方法的出现, 为风工程研究提供了一种新的手段, 即“数值风洞”。通过大量的试验, 将数值风动与传统的风洞试验方法进行对比分析, 其结果在分布规律上是一致的。

(2) 计算流体力学在水利工程中的应用。波浪对港口和海岸工程产生很重要的动力影响。波浪在传播过程中, 由于地形变化和水工建筑物的影响, 会产生绕射等现象, 使得河口海岸地区的水动力条件非常复杂, 过去在河口海岸工程设计中, 除了理论研究和现场总结经验外, 主要藉助于水力模型试验, 解决了大量生产实践中的问题。随着海岸工程的规模不断扩大, 给水力模型试验带来一定的困难, 也产生了一定的局限性。随着电子计算机技术的不断发展, 以及分析海岸水动力现象的数学模型的发展, CFD在海岸工程中得到了广泛的应用, 它结合了数值方法水动力学方面的应用称为“计算水力学”。比如在南海海域波浪计算中运用了波普模型, 对海浪情况进行定期预报。比如对近海岸区域不规则波浪成长模型分析, 找到了波浪呈周期性传播变化的规律。比如三峡工程中, 对长江中下游与上游航运的“瓶颈”现象进行三维仿真研究, 对航运监控系统的建立有重要意义。

(3) 计算流体力学在建筑工程中的应用。在房屋建筑工程中, 由于城市建设不断向高度发展, 楼宇建设而导致的街区小气候问题越来越严重。因为高大建筑物的建设, 在建成街区内会出现风口, 致使局部风速过大, 严重时会影响到临近建筑物; 由于风速风向改变, 火灾发生时, 加速灾害传递的, 增加损失;还会出现流动迟滞现象, 造成局部空气严重污染。应用CFD技术可以对高大建筑群进行小气候数值模拟, 避免小气候发生, 减少环境污染和不必要的损失, 提高设计质量。我国是一个能源大国, 能源危机日益显著, 利用CFD技术模拟流体流动和热传递, 找到流动规律, 进行控制设计, 对提高暖通节能, 发展绿色建筑有重要意义。利用CFD技术还可以解决建筑物在强风作用下的摆动等结构安全性问题。

(4) 计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用。当今建筑的发展是集安全、经济和绿色环保于一体, 因此陈旧的为保证建筑安全而制定的消防规范对建筑设计的自由发挥会产生诸多的限制, 从上世纪80 年代末开始, 一些发达国家开始加强对消防设计体制的管理, 推出了“个性化”设计体系。“个性化”设计体系的原意为“表现性”设计, 它不简单照搬以前消防设计的技术要求, 而是依据每一栋新建筑的设计和火灾原理及疏散的具情况来模拟火灾时建筑的防灾能力, 消防设计也从各个系统分支向总体集成发展。在模拟火灾的过程中, 火灾的烟气扩散模拟是最主要的一个分支, 而烟气扩散模拟依赖计算流体力学来实现, 因此, 计算流体力学也成为“性能化设计”的主要工具之一, 随着现代计算机技术的发展, 计算流体力学在建筑消防设计中也将发挥越来越重要的角色。

2 计算流体力学的局限性

计算流体力学在应用中也有一定的局限性: (1) 如何建立准确的数学模型, 确定出和流动过程相关的边界条件, 得到该过程完整的控制方程存在一定的难度; (2) 在数值模拟过程中要对流动进行有限元处理, 而有限元法是从求解固体力学问题发展起来的, 更适合低速流动的问题, 如何更好的应用到高速流动中, 有待进一步探索; (3) 工程实际中存在很多湍流现象, 湍流的难点是同一个流场中, 流体质点尺度差异过大, 且湍流本身是非线性行为, 现有理论对湍流的数值模拟存在一定的局限性。

3 结论及展望

目前, CFD研究的主要问题是计算程序的稳定性, 计算误差和解的收敛性等, 以及CFD技术和软件使用的成本。CFD技术在航空航天等空气动力学领域取得了很大的成就, 但在建筑工程中CFD的应用起步相对较晚, CFD与建筑工程相结合的过程中, 需要处理复杂的流动现象, 即使是所谓的通用CFD软件, 也不是适合于所有流体力学问题, 需要我们根据研究的对象做准确的选择。尽管有缺点, 作为一个新学科, CFD必然日趋成熟, 并且将在建筑领域获得更广泛的应用, 为一些未知的领域提供技术参考。

摘要：计算流体力学是基于计算机技术的一种数值计算工具, 简称CFD。CFD最早用于航空航天事业, 后来逐渐延伸到化工、海洋、桥梁工程等多个领域。近年来, CFD也开始更多地应用到房屋建筑工程中, 如对于高层建筑风场的模拟、采暖系统工程的模拟。CFD计算更适合于缺乏施工经验, 施工技术不是很完整的工程, 特点鲜明, 成本低、周期短、效率高, 可以对实际情况进行模拟, 在边界条件处理合理的情况下, 计算结果准确, 可以为后续工程提供参考。

关键词：计算流体力学,发展,应用

参考文献

[1]傅晓英, 刘俊, 许剑峰, 罗麟.计算流体力学在城市规划设计中的应用研究[J].四川大学学报, 2002 (P63) , P65.

[2]林秉南.流体力学在我国水利工程中的一些应用[J].灾害学, 2010:P271-273.

[3]李家春.现代流体力学发展的回顾与展望[J].力学进展, 1995:P151-158.

[4]金杉, 庄达民, 张向阳.计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用[J].建筑技术, 2011:P174.

[5]陈耀松, 单肖文, 陈沪东.计算流体力学的新方向及其在工业上的应用[J].中国科学, 2007:P54-57.

CFD计算 第7篇

汽油缸内直接喷射(Gasoline Direct Injection)发动机是将汽油直接喷入气缸,通过合理的喷嘴选型和布置、可变的喷油定时、喷雾及利用缸内气流运动形成合适的混合气进行燃烧。GDI发动机相比PFI发动机而言有如下的优点:

a.汽油直接喷射到缸内,消除了发动机冷启动时的低温影响,不需过量供油来形成可燃混合气,改善了冷启动性能,降低了HC排放。

b.直接喷射到缸内的汽油油滴从进入气缸的空气中吸热蒸发,使得混合气温度下降,体积变小,有利于提高发动机的充气效率,降低爆震倾向,因此可采用更高的压缩比,提高发动机热效率。

c.缸内直喷配合缸内气流运动可组织分层稀薄燃烧,进一步降低燃油消耗量。

d.由于缸内直喷更易于需要的混合气形成和控制,所以GDI发动机具有良好的瞬态响应特性。

基于以上优点,GDI发动机成为当代汽油机的发展趋势,已经在全球范围开始大批量投放市场。但是在GDI发动机工程化开发过程常常遇到一个难题汽油湿壁。GDI发动机汽油湿壁现象带来各“热点”积碳,油耗增高,同时污染机油,影响发动机润滑。笔者论述了在一款GDI发动机开发过程中,通过CFD模拟计算,提出喷嘴和火花塞位置布置、喷嘴选型、以及合理组织缸内喷雾和气流流动的工程方案,既保证了发动机在各种工况下点火时在火花塞附近均可形成可燃混合气,又避免“湿壁”现象的发生。

1 喷雾模型标定

为了精确地模拟缸内喷雾,必须建立和试验测试环境一致的CFD计算模型。所以必须对喷雾模型、喷嘴的设置参数进行标定,通过和试验测试结果的比较确定各种参数的数值,这些参数数值的设定用于后续的缸内喷雾的模拟计算。

1.1 标定方法

喷嘴的试验在大气环境中进行,油压为10 MPa,环境压力为0.1 MPa,喷嘴为6孔,静态流量为14.2 g/s。CFD模型中的气相采用欧拉算法,液相采用拉格朗日算法,在喷嘴入口处设置了通过试验测试得到的粒子直径分布参数。在计算中没有考虑粒子间的碰撞和聚合,其它的各种子模型选择如下[1]:

破碎模型:WAVE

碰壁模型:Mundo Sommerfeld

蒸发模型:Dukowicz

湍流耗散模型:Enable

建立的喷雾定容室见图1,喷嘴位于图中坐标系的原点。

1.2 标定结果

通过调整各子模型的参数数值和喷嘴入口的流速等,得到的贯穿度模拟值和试验值见图2。

从图2中可见,喷雾贯穿度的计算值和试验值非常接近,因此模型标定选用的各子模型和喷嘴入口参数可以用于后续的缸内喷雾计算分析。

图3显示的是在1.5 ms时刻,CFD计算的喷雾形状和试验测试的喷雾形状的对比,从油束的分布、粒子的贯穿度等的比较来看,计算值和试验测试值都很吻合,因此对于喷嘴各种参数的设置能够体现喷嘴的真实喷雾特性,保证了后续的气缸内喷雾模拟计算的精度。

2 缸内喷雾模拟

2.1 计算模型

计算过程从发动机排气时刻开始,包括排气、进气和压缩过程。进气道入口设置流量和温度参数,排气道出口设置流量和温度参数(参数值均从GT-POWER一维CFD模拟计算得到),其它壁面都设置相应的温度边界条件。缸内喷雾模型采用以上所述的已经标定好的模型。另外,为了计算壁面的油膜质量,激活wallfilm模型。对于喷嘴的6个孔的参数单独进行设置,包括设置入口的速度、方向、流量、单束燃油喷雾锥角等,见图4。为了增强计算的收敛性,将排气道出口延长了50 mm,整个计算区域的模型见图5。计算了两种工况,5 000 r/min和2 000 r/min全负荷。

2.2 计算结果

从图6可以看出,缸内的滚流运动在没有喷雾的情况下比喷雾时要强,主要是因为燃油的运动方向与缸内气流的运动方向相反,见图7,所以喷雾削弱了缸内的滚流运动。图7是5 000 r/min全负荷工况下某时刻缸内喷雾与气流相互影响的情况,由于缸内的滚流运动很强,高速运动的燃油微粒没有到达气缸壁面就被气流卷吸,因此合适的滚流运动有助于燃油的雾化和缸内混合气的形成,同时也避免了湿壁现象发生。但是,如果滚流太强则会将燃油吹到左侧的气缸壁面,仍然会造成湿壁。因此GDI发动机的气道开发一定要和喷雾相互协调,兼顾到喷嘴的布置、喷孔的布局及方向等,确保气道在各种工况下提供合适的气流滚流运动来帮助缸内燃油的雾化和混合气的形成。

图8是2 000 r/min全负荷工况下某时刻缸内喷雾和气流运动的交互作用,由于2 000 r/min时缸内气流滚流运动较弱,油滴的穿透特性就变得较强,气流的卷吸作用变弱,大量燃油直接喷射到气缸壁面上。

从图9可见,2 000 r/min时气缸壁面的燃油量比5 000 r/min时高出很多,主要原因是2 000 r/min时缸内较弱的滚流不能阻止燃油射向壁面,特别是在540℃A时壁面油量仍然很多,导致当活塞上行把大量附在壁面上的汽油刮入机油盘。

图10显示的是以火花塞电极中心为球心,半径为r=5 mm的球体内的混合气当量比随曲轴转角变化的曲线。在2 000 r/min和5 000 r/min工况下火花塞周围都保持了较浓的混合气,确保发动机能够稳定点火燃烧。

5 000 r/min时的喷油时刻比2 000 r/min提前了48°CA,在5 000 r/min时的喷油早期部分燃油射到活塞顶部(见图12),由于活塞顶部的温度较高,油滴蒸发很快,在喷油后期也有燃油触到气缸壁面,但量极少。而在2 000 r/min喷油时,在450℃A后大量的燃油仍然喷射到气缸壁上(见图11),附在活塞顶部的燃油较少,而气缸的壁面温度相对于活塞顶部温度要低很多,所以附在缸壁的燃油蒸发很慢,就会形成大量的油膜,随后这部分燃油就会被活塞环带入机油盘。

3 喷嘴优化分析

为了改善低转速时汽油湿壁现象的发生,提出了新的喷嘴喷孔方案,见图13,新方案将喷孔布置得更分散,另外将喷孔的射流方向调到靠近活塞顶部的中部区域。图14中各个点的坐标是在距离喷嘴尖部50 mm的平面上测试得到,主要是用来确定多孔喷嘴的每个喷孔的喷射方向,为CFD计算提供喷嘴参数的输入值。

通过图8和图15的对比就可以看出,在同一时刻不同喷嘴方案的喷雾形态差异很大,新方案的燃油喷向活塞顶部,而原方案的燃油喷向气缸壁面。在整个喷雾过程中,新方案的燃油直接碰壁的很少,大量的燃油射向活塞顶部,确保了燃油及时蒸发,见图17。同时新方案喷嘴也确保了在不同转速下,在火花塞周围形成可点燃的混合气,见图16。

采用新方案的喷嘴后,发动机在低转速时喷射到气缸壁面的燃油量大幅下降(见图18),基本和高转速时的水平相当,特别是在曲轴转角540 ℃A附近的壁面油量很少,大大降低了机油稀释的风险。两种方案都已经进行了试验验证,验证了CFD计算的准确性,从另一方面来说,应用CFD模拟分析为该GDI发动机解决汽油湿壁问题提供了有效的解决方案。

4 试验验证

针对原喷嘴和新方案在发动机台架上进行了试验验证,结果表明新喷嘴方案对机油稀释问题改善很明显,见表1。

5 结论

基于CFD的系统辨识方法 第8篇

1 基于CFD的系统辨识方法

1.1 系统辨识

Zadeh L A于1962年对“系统辨识”给出定义:它是在对输入和输出观测的基础上,在指定的一类系统中,确定一个与被识别的系统等价的系统。一般系统输出y(n)用系统过去输出y(n-m)和现在输入u(n)及过去输入u(n-m)的函数描述[5]:

这里f()为未知函数关系,一般情况为泛函数,可以是线性函数或非线性函数,分别对应于线性或非线性系统,虽然通常这个函数是未知的,但是局部输入输出数据可以测出,系统辨识的任务就是根据这部分信息寻找确定函数或确定系统来逼近这个未知函数。但是,实际上不可能找到一个与实际系统完全等价的模型。从实用的角度来看,系统辨识就是从一组模型中选择一个模型,按照某种准则,使之能最好地拟合由系统的输入输出观测数据体现出的实际系统的动态或静态特性[6,7,8]。

CFD的数值模拟,能使研究人员更加深刻地理解问题产生的机理,为实验提供指导,节省以往实验所需的人力、物力和时间,并对实验结果整理和规律发现起指导作用[9]。

在涉及流体传递过程问题的求解中,所需求解的主要变量的控制方程源于3个物理规律的支配,即质量守恒、动量守恒和能量守恒,其通用形式如下:

undefined (2)

非稳态项+对流项=扩散项+源项

式中 ϕ通用变量,可以代表u,v,w,T等求解变量;

Γϕ 广义扩散系数;

Sϕ 广义源项。

单值性条件即初始条件和边界条件,使一个过程区别于另一个过程,因此控制方程与相应的单值性条件的组合构成对一个特定物理过程的完整描述,基于控制方程及其对应单值性条件就可求解与研究对象有关的流场速度、温度及浓度等物理量分布[10]。

目前一般利用CFD商用软件(如Fluent、CFX、Phoenics及CFD/NHT等)进行数值模拟,一般模拟过程流程[11]如图1所示。

1.2 基于CFD的系统辨识方法

将CFD数值模拟的边界条件或源项看作是控制系统的控制量,u,v,w,T等求解变量看作是控制系统的被控量。利用CFD的数值模拟可以完成系统辨识的第1步和第2步:即通过CFD数值模拟对被控系统进行预测,获得先验知识,同时按照给定输入数据获得系统的输出(响应)数据,实现人为调控下的各种响应模拟。因此,能够获得系统丰富的动态信息,对系统有更深入的认识。图2为基于CFD数值模拟的系统辨识建模方法及其应用原理。

2 应用案例及分析

到目前为止,有很多学者从事基于CFD的控制系统建模研究,其中具有代表性的工作有:Immel S M等[12]利用Schur平衡法[13]从CFD模型中得到适用于控制系统的降阶模型;美国NASA的Chicatelli A等[14,15]对控制学科和CFD技术的多学科交叉建模方法做了系统研究;Peng X和van Paassen A H C[16]利用CFD技术得到房间温度控制的区域模型;Bewley T[17]从流体力学和控制理论两方面对流体控制及控制与流体交叉性学科的发展做了详细的综述;Astrid P和Huisman L[18]利用正交分解法进行CFD模型降阶,得到状态空间方程形式的热传导预测控制系统模型;Yang Y X等[19]提出将CFD作为控制系统离线建模工具,并将CFD数值模拟结果作为控制系统信息数据库供实际过程控制系统在线调用,实时更新控制系统模型;Desta T Z等[20,21,22]提出了一种用于非均匀流体控制系统的控制器设计方法,结合CFD数值模拟和系统辨识技术,建立房间温度场控制系统模型;Gerber A G等[23]在Yang Y X的基础上,提出一种用于塑体成型系统中温度控制的预测控制方案;Rizzo M A等[24]提出了基于ARMARKOV干扰抑制方法的自适应流体控制算法和基于CFD技术的系统辨识方法。

2.1 飞行推进器设计

美国NASA Lewis 研究中心的Chicatelli A等利用CFD数值模拟的数据得到空间飞行器推进控制系统的线性模型,并对控制学科和CFD技术的多学科交叉建模方法做了系统研究。图3为基于CFD数值模拟的控制系统建模方法流程[25]。

2.2 塑体热加工温度控制

塑件熔体的温度控制是塑料注射成型工艺工程中一个重要的组成部分,Gerber A G等[23]利用基于CFD数值模拟的系统辨识方法建立了塑料注射成型机加热器-熔体温度的多输入多输出(MIMO,3输入3输出)控制系统模型,并提出了一种基于模型的预测控制策略。

2.3 建筑内部温度场控制

CFD最先是在化学、汽车、航空宇宙及核工业等领域中建立起来的,近几年来,CFD被用于建筑和温室环境控制方面的研究,如被用来模拟温室室内的气候环境。然后利用这些模型来研究温室室内环境对外部环境和温室环境控制的响应。CFD方法可应用于模拟和预测室内外或设备内的空气或其它工质流体的流动情况,从而得到相关量,诸如速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。Desta T Z等[20,21,22,26]提出了一种用于非均匀流体控制系统的控制器设计方法。该方法的研究以一个空调房间为研究对象,以空气入口边界条件作为控制量,数值模拟结果中的测点温度作为被控量,对系统的进行阶跃响应,采用简单(精简)辅助变量(Simplified Refined Instrumental Variable,SRIV)模型辨识方法[27,28]和YIC(Young Identification Criterion)准则[29,30,31]得到控制系统模型,并设计预测控制算法,验证控制的有效性。

2.4 自适应流体控制

Rizzo M A等[24]利用商用CFD软件Fluent与控制仿真软件MATLAB建立了二维管道流动控制系统模型。控制对象如图4a所示。通过控制位于y和z之间的射流u(t),以达到抑制干扰w(t)对主流区z点流速的影响。在CFD数值模拟过程中,施加白噪声边界条件u(t),得到二维管道内速度场分布;利用模拟数据和MATLAB系统辨识工具箱辨识该流体系统控制模型;采用ARMARKOV抑制扰动算法进行流体控制,其控制效果如图4b所示。详细内容可参阅文献[24]。

3 讨论与研究方向

3.1 CFD数值模拟

对CFD数值模拟结果的准确度应持正确认识。网格的划分、控制方程的选择、边界条件的制定以及数值计算方法等都有可能影响模拟的准确性。因此,应使用正确的数学模型和可靠的物性数据以保证CFD数值模拟结果的正确性,并使用有效的数值计算方法以提高解的准确度。

CFD数值模拟的计算时间长且大量响应数据使其不能直接应用到控制系统,尤其是实时控制系统。因此,应设法减少模拟时间,并对模拟得到的数据进行处理。

3.2 系统辨识

在实际应用中,除了要合理地选择辨识算法外,还存在许多问题要解决,如输入信号的选择、模型类的选择、准则函数的选择、模型检验、时变过程及在线辨识等问题。对于一个实际系统,并不是模型越精确越好,可以根据不同的用途建立不同的数学模型。在分析、设计实际系统和预报实际物理量时,要使用精确的数学模型,而作为控制用的数学模型可以不必很精确,尤其在设计具有自适应的控制器时,可用较粗略的数学模型。

3.3 交互性软件的开发

各学科之间的边界较强,很难保证控制研究人员跨过这些界限。由于CFD数值模拟专业性很强,导致大多数控制研究人员往往不使用CFD数值模拟进行控制系统的建模。因此,要开发交互性软件(界面),使控制工程师能够不用精通CFD数值模拟,就可直接得到数值模拟的结果用于控制系统建模,而且可以通过交互性软件(界面)为CFD数值模拟提出要求。

3.4 研究方向

将控制技术、流体力学和其它学科充分结合的多学科系统明显地需要更好的解决方法,也需要更好的数值方法来详细研究这些复杂和存在不确定性的系统的设计、控制和优化。未来对于CFD用于控制系统建模的研究方向包括如下几点:

a. 基于CFD数值模拟的控制系统在线建模。受CFD数值模拟的速度限制,目前,CFD只能用于控制系统的离线建模。采用降阶的CFD模型等方法进行数值模拟,以减少CFD的模拟时间,将CFD模拟数据插入智能控制系统中,用于实时控制。

b. 设计鲁棒控制器。在CFD数值模拟过程中,由简单湍流模型的选取,边界条件的不准确等因素而导致模拟的误差和控制模型的不确定性,可以被强鲁棒性的控制器所克服。因此,设计的控制器应具有较强的鲁棒性。

c. 开发交互性软件。交互性软件必须能够实现图5所示的功能。

4 结束语

将CFD技术用于控制系统建模才刚刚起步,这需要更多的关注和耗费更长的时间来进一步发展。目前的研究现状表明,CFD用于控制系统建模的定性研究和半定量研究是没有问题的。随着CFD和控制理论体系的完善,基于CFD的系统辨识已经成为未来控制系统建模的一个分支。通过对CFD数据模拟和系统辨识的研究和应用,将会在系统的设计、操作和控制方面带来革命性的改变。

摘要：概述了计算流体力学(CFD)数值模拟和系统辨识的原理,详细阐述了基于CFD数值模拟的系统辨识“灰箱”建模方法的基本原理和实现步骤,对近几年该方法的应用案例进行分析,指出该建模方法存在的问题及发展方向。

搅拌过滤过程的CFD仿真 第9篇

离心搅拌过滤设备是一种新型过滤设备, 当它工作时, 搅拌轴带动搅拌腔内的混合液高速旋转, 利用离心力将混合液甩在周围的滤网上, 利用旋转产生的巨大压力将清液压出滤网, 滤渣则留在滤网内。同时由于搅拌腔内的液体始终处于高速流动的状态, 原本附着在滤网上的滤渣被快速地剥离下来, 在实现过滤的同时保证滤网表面的清洁[1]。

如图1所示, 本文设计的螺旋搅拌过滤器, 其螺旋搅拌轴主轴呈阶梯轴分布, 底端长光轴部分焊接有4块搅拌板, 搅拌板又和螺旋叶片焊接。装配时, 螺旋搅拌轴伸入到圆柱形的过滤腔内部, 过滤腔圆周上安装有滤网。工作时, 电动机将转矩传给主轴, 4块搅拌板拨动液体高速旋转, 同时螺旋叶片将液体和滤渣沿轴向输送。由于离心差速的原理, 最终清液全部通过滤网, 进入下一道工序, 而滤渣则被排出到过滤器外。这样的设计始终保证过滤设备内部的清洁, 大大提高工作效率。螺旋搅拌过滤设备还可以根据需要调整设备倾斜的角度, 利用重力提升出料口背压大小, 提高固液分离效率。

如图2所示, 本文设计的螺旋搅拌过滤器于2016年1~3月在广西南宁市和防城港市两家糖厂分别进行了样机实验, 对比了螺旋搅拌过滤器-膜设备组合工艺和传统甘蔗汁过滤工艺的生产效果。

在实验过程中, 螺旋搅拌过滤器运行效果良好, 过滤精度高, 排渣通畅, 对滤布的消耗小。整套工艺累计生产纳滤水、反渗透水、甘蔗清汁将近40 t。甘蔗汁过滤设备累计生产过滤初压汁800多t, 过滤通量基本保持在4 m3/h, 滤液的固含量下降到2%以下。

对比传统的处理设备和处理工艺, 螺旋搅拌过滤器最大的特点就是能保持长时间的高精度作业。这也是后续设备和工艺能持续正常工作的前提和保证。图3~图4为使用过滤器和使用传统的滚筒筛加高频振筛组合作为预处理设备对后续膜处理工艺的影响。

由于在实际工作时, 搅拌腔内始终是封闭的, 这对于我们研究搅拌过滤过程中流体域流速的大小、流态, 滤网边界压力的分布情况, 以及流体域固含量的分布情况增加了很大的难度。本文通过计算流体力学的方法, 对不同工作转速下, 搅拌腔内流体的速度、流态、压力分布和固含量分布进行了仿真, 讨论了它们与过滤效率和分离效率的关系, 为后续对设备结构的改进和同类设备再次研发提供依据。

1 有限元分析的前处理

1.1 有限元模型建立和边界条件的确定

应用CFD软件解决流体力学问题, 第一步是对研究的对象建模。本文采用Solid Works完成主轴的建立, 螺旋搅拌轴三维实体如图5所示, 完成实体创建后, 将零件导入到ANSYS软件中。由于本文中螺旋搅拌轴结构较复杂, 属于非轴对称零件, 螺旋搅拌轴在插入流体域后, 整个流体域的结构也因此复杂起来。使用结构化的网格, 会造成较大的计算负担, 而且可能不容易收敛。因此本文选用非结构化的网格, 搅拌腔内为流体域。

流体工作的搅拌腔为长圆柱体, 螺旋搅拌轴的搅拌板和叶片伸入到搅拌腔内。如图6所示, 位置1为搅拌腔的进料口, 在CFD软件中设置为压力入口;位置2为滤网, 设置为压力出口, 位置3的缝隙为滤渣的排出口, 设置为自由出流。压力出口的压力大小, 为过滤介质的阻力压降。本设备的过滤介质选用的是涤纶滤网, 过滤介质阻力特征参数为8.15, 过滤静水透水率为62 m2·s/L[1], 阻力压降大小为45.978 k Pa[2,3]。

1.2 多相流模型选择和液相、固相的属性定义

本文采用标准k-ε模型进行模拟, 多相流模型选用的是Mixture模型, 计算方法选用多重坐标系 (MRF) 模型。在对液相、固相属性定义上, 本文模拟的情况是针对甘蔗初压汁进行过滤分离;设定的液相的密度为1.08×103kg/m3, 黏度为1.945×10-3Pa·s[5];固相颗粒平均密度1.5×103kg/m3, 初始固含量14%。

2 仿真结果分析

本文选择了200 r/min、500 r/min、800 r/min三种工作转速, 对搅拌过滤过程进行了模拟仿真。

2.1 搅拌腔内流体的流速和流态分析

动态过滤在原理上不同于传统的滤饼过滤, 在动态过滤中, 流体域的切向速度可以反映过滤时过滤速度的大小。而流线图则是更加直观地反映过滤过程中流体的流动状态。研究表明:管道内, 层流失稳一定会产生泰隆涡流[7,8], 这种涡流被认为是强化过滤的重要手段, 是动态过滤设备能够持续清洁地完成过滤的关键[6], 涡流的数目与位置也可以反映实际过滤时的效率高低。

2.1.1 搅拌腔内流体的流速分析

从图8可以看出, 在800 r/min的工作转速下域内切向流速的最大值出现在螺旋搅拌轴尾端处 (入料口位置) , 大小为9.4 m/s, 之后迅速降低到不足1 m/s, 在流体域的大部分空间切向流速的均值随距离入料口的位置增加而增加, 在螺旋叶片螺旋线位置激增, 在尾端由于回流作用达到第二个高值。以上也是被排出滤网的液体速度分布的规律。

m/s

从图8和表1中可以看出, 当转速从200 r/min上升到800 r/min时, 域内切向平均流速从0.597 m/s上升到2.358m/s, 最大切向流速从2.383 m/s上升到9.407 m/s, 上升了近4倍, 滤网边界切向流速与工作转速的关系近似于正比例关系。

2.1.2 搅拌腔内流体的流态分析

图9~图11分别为三维、轴向和径向的液相流线图。从流线图中可以看出, 液体的流线在三维空间里是一条螺旋线, 在轴向和径向上会形成涡流, 当搅拌轴工作转速变化时, 涡流的数目、位置和形状随之发生改变。工作转速从200 r/min上升到800 r/min, 轴向上单侧的涡流数从7个上升到9个, 形状由长扁平形到更加接近圆形, 位置也更加靠近滤网所在的边界;在径向上单个截面的涡流数目从1个上升到3个, 直径也从不足10 mm上升到大约50mm, 扩大约5倍。

对于动态过滤, 涡流强烈的剪切作用使得固相颗粒很难停留在过滤介质表面, 同时又使过滤介质表面产生速度的极化, 涡流的数目与位置与过滤效率的高低息息相关。涡流数目越多、直径越大说明液相在流体域内流动时间越长, 与滤网接触时间越长, 对滤网表面的滤渣冲刷效果越好。涡流位置越接近滤网边界, 则对边界产生的速度极化效果越强切向速度越高, 更加有利于固液分离。

2.2 流场压力仿真和螺旋搅拌过滤设备的过滤方程

对于动态过滤, 其压力大小决定了过滤速率的大小。根据达西公式, 过滤速率与压力降成正比, 与阻力成反比, 通过以上关系可以比较精确地计算出过滤设备的过滤流量, 结合具体的原理和公式还可以得到设备的过滤方程。

2.2.1 流场压力仿真结果

当转速为800 r/min时, 从流体域的入料端到出料端, 滤网边界的平均压力从48.7 k Pa上升到51.72 k Pa, 滤网边界压力的最大值出现在流体域的中间部分, 中心最小压力经历了一个先剧烈下降再缓慢上升的过程, 当转速为800 r/min时, 流体域中心压力从42 k Pa迅速下降到32k Pa, 最后在流体域出口的地方回升至38 k Pa。这个现象与液体进入搅拌系统后的能量耗散有关。

对比不同的工作转速, 当速度从200 r/min上升到800r/min时, 滤网边界压力的最大值随之增大, 从50.56 k Pa上升到57.9 k Pa, 上升了15.6%。从径向截图来看, 压力以从内向外逐层递增的方式分布。从200 r/min到800 r/min, 中心截面外圈压力和界面中心差从1.3 k Pa增大到23 k Pa, 压力的差值增大了15倍, 即随着转速的增加, 流体域压力的数值离散程度越大, 数值的分层越来越清晰。综上, 随着搅拌轴转速的提高, 靠过滤介质的压力越来越大, 更加有利于混合液体的固液分离。

2.2.2 螺旋搅拌过滤设备的过滤方程

对于过滤过程来说, 压力的大小决定了过滤的速率和过滤通量的大小。因此利用仿真得到的压力数值结合过滤过程的达西公式, 可以计算出螺旋搅拌过滤机在搅拌过滤过程中的处理量:

式中:ΔP为过滤过程总压力差, μ为液体黏度, Pa·s;d V是在时间dt期间流过介质层的液体体积;A为介质层的横截面积;Rm为过滤介质的比阻, cm-1;Q是液体通过介质层的体积流速。

在传统的过滤过程中, 由于滤饼的堆积, 过滤压降由两部分组成:分别是滤网的压降ΔPm和滤饼的压降ΔPc, 但是由于螺旋搅拌过滤机的过滤原理为动态过滤, 理论和实践都证明在过滤过程中, 很少有滤饼堆积, 这样ΔP就和滤网的压力ΔPm等价, 使得过滤过程公式的计算大大简化。

根据哈根-泊素叶方程和过滤速率基本方程, 恒压过滤下过滤压差 (即过滤介质两端压差) 计算式为

式中;K为过滤常数;qe为介质阻力常数, ξ为介质阻力特性参数, 都是根据具体的过滤介质而定, 其大小可以通过恒压过滤实验获得。

由于目前并没有针对螺旋搅拌过滤机设计过滤能力的设计公式, 我们从原理上去考虑螺旋搅拌过滤机的过滤过程。其搅拌腔内的过滤过程主要还是依靠离心差分的原理来实现的, 因此可考虑将离心式过滤的一些设计公式, 整合进来。

对于离心式过滤机, 过滤压降主要是以离心力产生的静压得到, 其计算式为:

式中:p为液相产生的压力;ρs为固相的密度;ρ为液相密度;ξ为孔隙率;ω为角速度;r为搅拌腔搅拌范围的直径;dps为固相颗粒引起的“物料力”对压力的叠加。

根据式 (3) , 可以总结出螺旋搅拌过滤机的过滤方程

式中:P0为螺旋搅拌过滤机进料口的压力, 该值大小由上一道工序决定;K0为针对旋流器的无量纲常数, 用来解决如压力或速度损失的情况。这些常数与过滤设备的工作转速、几何尺寸、长径比、搅拌设备的外形有关, 具体需要进行大量的实验去研究, 在已经进行的仿真中, P0的总体损失没有超过其值的70%, 这里将P0的系数取为0.7。这样就得到了螺旋搅拌过滤设备过滤方程的经验表达。这个表达式反映了螺旋搅拌过滤设备的过滤流量与压力、过滤腔直径、转速、滤网特性和输入压力的关系, 相对于传统的达西公式更能反映出动态过滤无滤饼形成的特点和离心过滤压力随转速变化的特点。

用该方程对一些转速下的过滤流量进行了计算, 与仿真模拟得出的结果对比如图14所示。

通过过滤方程计算的结果与CFD仿真模拟结果的对比, 我们发现, 当转速较高或者输入压力较低的情况下, 计算值与仿真值的偏差结果较大, 计算值大于仿真值。在转速并不太高、输入压力合适的情况下, 计算值与仿真值比较接近, 整体误差在15%。可以作为经验公式, 较为简略地估算设备的过滤流量和生产能力。

2.3 固相颗粒浓度仿真和分离效率比较

2.3.1 固相颗粒浓度仿真结果

从仿真得到的径向云图可以看出, 在螺旋叶片的推动下, 固体颗粒的体积分数从入料端向出料端方向逐渐增大。工作转速在800 r/min下, 固含量从入料口的14%上升到出料口的26%。在分布上, 固相颗粒较浓的区域主要贴近中心的主轴和螺旋叶片的螺旋线位置。当靠近出料端, 已经没有螺旋叶片的情况时, 固相颗粒又会向中心轴的方向聚集, 而靠近过滤介质的位置, 固相浓度相对较低。

为了直观表述工作转速对固相分离、浓缩效果的影响, 我们引入分流效率这一概念。

设分离效率为ε[9], 是指螺旋搅拌过滤设备排渣口的固相质量流率和进料口的固相质量流率之比:

式中:m为入口固相的质量流率, kg/s;mu为排渣口的质量流率;Q为入口的流量;Qu为排渣口流量。不同转速下的分离效率如表3所示。

对比不同转速下出料端的固含量大小, 当工作转速从200 r/min上升到800 r/min时, 出口固含量从16%上升到26%, 增长62.5%, 分离效率从24.2%上升到29.5%, 增长了5.3%。

3 结论

本文采用CFD软件对螺旋搅拌器的过滤搅拌过程进行研究, 针对不同主轴转速下进行数值模拟仿真。对度矢量图、压力云图、固含量云图进行分析与对比。得出以下结论:

1) 流体域内切向流速大小能反映过滤速度, 随着搅拌轴转速的提高, 搅拌域的平均转速和截面的切向转速提升。当工作转速从200 r/min上升到800 r/min时, 平均切向流速从0.597 m/s上升到2.358 m/s, 上升近4倍, 切向流速与工作转速成正比。

2) 流体域内液相的流动状态能影响过滤设备的效率, 在螺旋搅拌过滤机工作状态下, 流体域内层流失稳, 形成涡流, 涡流的数目随转速的提升而增加:轴向单侧从200 r/min的7个, 上升到800 r/min的9个。径向涡流的直径从10 mm增大到50 mm。涡流数目的增加、涡流直径的扩大对过滤效率的提高有良好的促进作用。

3) 流体域内滤网边界的压力决定过滤速率的大小随着主轴转速的提高, 搅拌域内靠近滤网的位置压力提升, 平均压力从200 r/min的48.7 k Pa, 上升到800 r/min的51.72 k Pa。中央截面边界与圆心压力差从1.3 k Pa扩大到23 k Pa。流体域最大压力从50.56 k Pa上升到57.9 k Pa, 上升了15.6%。

4) 根据螺旋搅拌过滤机工作原理和动态过滤的特点, 写出了螺旋搅拌过滤机过滤基本方程。相比于传统的达西公式, 将入料口压力、工作转速和滤网性能、过滤设备基本尺寸等内容写入了方程内, 能更好地反映螺旋搅拌过滤机的工作特点。方程计算值与ANSYS仿真值的平均误差在15%左右。

5) 螺旋搅拌过滤设备的分离效率随转速的增加而增加, 当工作转速从200 r/min上升到800 r/min时, 分离效率提高了5.3%。

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