基于Fluent的混合弯管流场的数值模拟

第 9期 2 0 1 1 年 9月 机 械 设 计与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 21 1 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 9 0 2 1 1 o 2 基于 F l u e n t 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 3 0 0 2 2 2 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n f o r f l o w f i e l d o f mi x e d e l b o w b a s e d o n f l u e n t ZHOU Yi YAN Gu a n g h ui T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n A u t o m o t i v e a n d T r a n s p o r t a t i o n T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 C h i n a 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 F L U E N T 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 F L U E N T 混合弯管 流场 模拟 A b s t r a c t E l b o w s a r e u s e d 1T l r e a n d re o r e i n d i v e r s e a r e as o fi n d u s t r y p r o d u c t io n B y t a k i n g a c o n i l i o n e l b o w a s a r e s e arc h o b j e c t p h y s i c a l m o d e l i n g i s b u i l t w i t h t h e h e l p o f flu i d m e c h ani c s c o m p u t a t i o n i n w h i c h b a s i c p ara m e t e r s a r e s e t a n d a d e t ail e d c o m p r e h e n s i v e 2 D n u m e r i c al s i mu l i o n f o r p a r a m e t e r s u c h 傩 t e mpe r a t u r e i ns i d e t h e e l b o w pr e s s u r e a n d s pe e d e t c i s d o n e base d o n Fl u e n t T h e n t h e r e s u l t s are s h o w n b y d i a g r a m s t h us i m p o r t ant d e s i g n and o p t i m i z i n g b asi s s uch as e x t r e m e v al u e f o r d e s i gn r e q u i r e m e n t and t h e l o c a t i o n are o b t a i n e d a n d v i v i d and d e t ail e d s t u d y and a n aly s i s o n t h e flu i d s t a t us i nsi d e t h e e l b o w i s d o ne Ke y wor ds FLUENT M i x e d e l b ow Fl o w fie l d S i m ul a t i o n 中图分类号 T H1 6 0 3 5 3 文献标识码 A l l j l 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 F L U E N T软件 利用 G A MB I T 模块对 弯管进行物理建模 通过 F L U E N T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 2模拟分析 基于 F l u e n t 软件平台对混合弯管进行模拟分析时主要步骤 有 1 基于 G a mb i t 模块建立计算模型并进行网格划分 2 基于 F l u e n t 设置计算参数并进行计算 3 计算结果的后处理 实现计 算结果图形化 2 1模 型建立 基于 F L U E N T软件中的G A MB I T模块 建立弯管的二维模 拟 模型 如图 1 所示 设定温度为 2 9 0 K的冷流体以0 2 0 r r d s 的 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 3 2 0 K 速度为 l m s 的热流体进入 两者在弯管内部混合 相关参 数 如表 1 所示13 表 1初始模拟参数 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 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 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 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 管壁面边界设定为静止的绝热边界 2 2数值模拟与结果分析 采用 F l u e n t 6 2 1 6对该问题进行模拟计算 在具体计算时 采用分离隐式求解器进行稳态计算 由于弯 管段部分会有二次流和漩涡产生 因此粘性模型采用 R e a l i z a b l e k s 双方程模型 近壁区采用标准的壁面函数来克服R e 数后 噌模型 在壁面附近带来的不足 其中 模型中的常数取为 1 4 4 T K E P r a n d t l 数为 1 T D RP r a n d t l 数为 1 2 能量 P r a n d t l 数为0 8 5 o 先采用一阶离散化形式 大约进行 6 0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 2 0 1 0 1 1 1 8 基金项 目 天津职业技术师范大学青年教师基金支助项目 Y J s O 9 0 8 天津职业技术师范大学科研发展基金资助项 目 KI 1 0 0 4 兰 周 毅等 基于F l u e n t 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 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 继续计算 在计算时 可以看出 继续迭代大约3 0 次 计算收敛 查 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 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 a 一阶离散化的温度分布图 b 一阶离散化的速度分布图 图2一阶离散化模拟分析图 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 3 1温度分析 弯管出口横截面上的温度分布曲线 如图4 所示 从图中 看 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 2 9 2 K 最高处的温度大约为 3 1 7 K 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 P o s i t i o n c m 图4弯管出口横截面上的温度分布曲线 3 2速度分析 图5速度矢量分布图 图6速度矢量局部放大图 为了能够更清楚的看出弯管内的速度的变化 可以在 F l u e n t 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 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 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 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 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 可以达到 1 2 m s 弯管出口横截面上的速度曲线 如图 7 所示 在 2 5 c m位置处 由于管道壁面的粘性 该处的速度值为 0 出口处 速度最大的地方出现在 3 6 3 8 c m处 即弯管的后半段的右边 靠近壁面的地方 最大速度大约为 0 7 5 m s 7 00 e 01 专6 0 0 e 一 0 1 兰5 0 0 e O l 弘 0 0 e 一 0 1 3 0 0 e 一 0 1 2 0 0 e 0 1 1 0 0 e o 1 0 0 o e o 0 2 4 2 6 2 8 3 3 2 3 4 3 6 3 8 4 P o s i t io n c m 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 0 P a 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 图8弯管内部压力分布云图 图9弯管内部压力分布线图 一 c P o s i t i o n c m 图 1 0曲线 A B C D 上 Y方向的压力变化曲线 P o s i t i o n c m 图 1 1管道出口横截面上的压力分布图 为了更加清楚地呈现管道的压力分布 定义一个曲线 WA L L 2 该曲线为大管道与小管道接触处后部的曲线 如图 l O 所示的 A B C D曲线 从 点到 D点的 y方向上的压力分布 如 图 1 0 所示 从图 1 0 可以看出 管道内部 点的压力最小 数值 约为一 3 8 0 P a C点处的压力最大 约为 1 0 0 P a A和 D处的压强几 乎相当 约为 5 0 P a 由前面的速度分析知 管道中的流体在 B点 a 三芒a c a J 一 苗l s 1j 1 1J 1J J 1J 1 1J J J 4 m叭叭叭 叶叶叶叶针叶 叶 一 一 g d i I d 焉 第 9期 2 0 1 1年 9月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t ur e 21 3 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 9 0 2 1 3 0 2 基于 G L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 4 2 1 0 0 0 An al y s i s a n d c o mpu t a t i o n f or ma i n f r a me O f MW c l a s s wi n d t u r b i n e g e n e r a t or s y s t e m b a s e d o n GL g u i d e l i n e YANG Zh a o z ho ng YAN Zh i we i YAN Ho n g we n C S R Z h u z h o u E l e c t r i c L o c o mo t i v e R e s e a r c h I n s t i t u t e C o L t d Wi n d P o w e r B u s i n e s s U n i t Z h u z h o u 4 2 1 0 0 0 C h i n a 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 G L 规范和 E C 3 1 9 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 G L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 A b s t r a c t T h e a n a l y s i s and c o m p u ta t i o n f o r i n c l u d e u l t i m at e s t r e n g t h anal y s is f a t ig u e j anal y s i s and mo d a l anal ysi s S i n c e t h e r a c k s t r u c t u r e a n d b e a r i n g l o a d i s c o m p l i c a t e d F E A is a p p l i e d f o r a n u m e s r e n g th Q 厂 d rb i e m a inf ra m e A C C O rd in g to G L a n d s fa n d a r d s s c h E c 3 1 9 l t h r o u g h e x t r apo l at i n g D v al u e o f 口r a c k w e l d e d s t r u c t u r e l o a d s t r e s s u n d e r u n i t l o ad is o b t ai n e d at w e l d i n g i i are c A s f o r e f a t i g u e l o ad d is t r i b u t i o n a p p l y i n g u p o n t h e f r am e w h i c h e q u i v ale n t f a t i g u e s t r e s s c o u l d b e o b t ai n e d at w e l d i n g ar e a t h r o u g h c h ann e l IT te r g i n g and r ai n fl o w s t at i s t ic s t h e f a t i g u e d a m a g e c o u l d b e 一 s e s s e d c o m b in g th e G L s tan d ar d s I n ad d itio n n at u r al f re q u e nc y of th e m a inf ra m e is c al c u lat e d b y ap P ly in g i 舭F E A t o p re v e n f th e m a inf ram e W O r k f r o m 如 n a n c e in sp ir e d b y th e h e r f0 c z K e y w o r d s Wi n d t u r b i n e g e n e r a t o r Ma i n f r a me F E A S t r e n g t h 中图分类号 T H1 6 T K8 文献标识码 A 1引言 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 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 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 制法律要求 1 目前 国际上通用的风电认证规范有 I E C 6 1 4 0 0 1 德国劳埃德 G L 认证规范和丹麦的 D S 4 7 2 标准目 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 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 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 要确保其在2 0年的时间内不能够失效 目前较为常见失效形式有静 来稿 日期 2 0 1 0 1 1 2 2 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 2机架的极限强度分析 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 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 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 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 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 强度 对于其螺栓连接部分