淺談SolidWorks在化工機械設計中的應用

李懷軍

重慶鋼鐵集團設計院，重慶 400080

伴隨著社會工業(yè)化的雄厚發(fā)展，逐步形成了屬于自己的發(fā)展天地，但人們對其性能優(yōu)良、安全可靠、價廉物美、制造周期快等諸多方面的要求也在不停地助長。傳統(tǒng)的化工機械及設備的設計方法已經(jīng)不能滿足人們對其產(chǎn)品質量的要求，同時也不能適應日益繁榮的市場需求，原因在于傳統(tǒng)的化工機械及設備在受實驗條件限制的同時也是屬于暗箱操作。然而另一種新思路和新方法的誕生解決了上述疑難，那就是計算機技術的出現(xiàn)。計算機是數(shù)值模擬技術的一種工具，目前，除了直接試驗外，人們逐漸采用先進的數(shù)值模擬技術進行策劃和研究，結合數(shù)值計算和剖析的模式解決在研究工程技術中遇到的具體困難；由于其投資少、策劃過程快、信息完備、模仿能力強等特點，所以在能源、礦場、化工、輕工等行業(yè)的機械研發(fā)過程中都得到了長足的發(fā)展和相當?shù)膽?。本篇文章通過旋風分離器在化工領域中的廣泛應用為例闡述了計算流體動力學技術的運用，從而在化工機械及設備的數(shù)值模擬進一步的結構優(yōu)化和其研發(fā)中奠定了一定的基礎。

1 SOLIDWORKS技術在化工機械設計中的運用

廣泛應用于化工、石油、礦山和諸多類輕工行業(yè)的旋風分離器是一種以分離、除塵為功能的設備；而氣力輸送、流態(tài)化、分離及干燥過程等多相流問題也是每一個領域中的突出問題。所以，選取旋風分離器內部的三維兩相流場進行Solid works數(shù)值模擬研究對氣、固分離很有代表意義。

2 SOLIDWORKS的技術建模

第一，建立幾何模型：Solid works、Gambit、AutoCAD等軟件都可以用來創(chuàng)建幾何模型。本篇文章采用計算模型為Solid works高效型旋風分離器，其幾何參數(shù)各為：a=95mm，b=38mm，D=190mm,h=285mm，B=72.5mm，De=64mm，H=760mm,S=95mm；第二，劃分模型的網(wǎng)格：網(wǎng)格的類別分為多種，四面體網(wǎng)格、鍥形、六面體及混合等網(wǎng)格全屬于三維模型的范疇；在引用中為了方便增高計算的精確度，首先，引用者應當選擇與流體的流動特點相適宜的網(wǎng)格形式。再次，劃分網(wǎng)格數(shù)目也會影響計算的確精度，如果網(wǎng)格的數(shù)目超越了所允許的數(shù)目時，只會增加計算所需內存、減緩解的收斂，所以，網(wǎng)格的數(shù)目并不是多多受益。故此，網(wǎng)格的劃分在數(shù)值模擬中雖處于前處理過程，但網(wǎng)格質量的好壞對模擬的結果起著相當意義的作用。本篇文章介紹的分塊網(wǎng)格技術，一方面創(chuàng)建非均勻網(wǎng)格是基于控制網(wǎng)格節(jié)點的分布控制網(wǎng)格位置的多少，另一方面在計算域離散成5個子區(qū)域各自劃分成網(wǎng)格的基礎上吻合了網(wǎng)格位置與計算領域的幾何形狀；為了達到計算的預期程度，在這里總共劃分了非均勻的344148個六面體網(wǎng)格單元；第三，設置邊界條件類型：本篇文章假定出口端湍流流動已經(jīng)達到飽和性的發(fā)展狀態(tài)，將排氣口端的形式選為outflow，將入口端的形式選為velocity-inlet；分離器的壁面端采用顆粒服從鏡面反射的原理設為無滑移壁面wall。

3 SOLIDWORKS的技術數(shù)值求解

首先定位適應實際流場特性的計算模塊（兩相流和單相流）、運行條件、物料屬性等給模型，然后進行數(shù)值代入解答。1）氣、固兩相流場的計算就應用離散相模型中的相間耦合的隨機軌道模型，但旋風分離器內流場由于是三維強旋轉湍流，故而應用抽象的雷諾應力湍流模型（RSM），這樣做是基于其本身含有清晰的多向異性；2）設定運作時的條件，設入口氣流方向垂直于進口截面，而其速度為20m/S；3）固相顆粒群采用密度為2750kg/m3，能通過45tzm 的篩網(wǎng)篩孔的滑石粉，在假定固相顆粒群的粒徑布置滿足Rosin-Ramm-ler分布的基礎上，將粒徑布置分為10個空間，顆粒相對分布范圍作為該顆粒的比率含量，而計算顆粒直徑選為每個粒徑分布區(qū)的中間值。氣相流體就用常溫下的空氣；含塵量在含塵氣體中取9.5g/m3（標準）；4）模型的數(shù)值求解中由于統(tǒng)一了匹配的選取差分格式為QUICK 、壓力插補格式為PRESTO，采用了非交錯網(wǎng)格的SIM-PLEC算法的格式，通過速度和壓力之間的互通校正關系迫使質量守恒同時獲得壓力場。故而可以得到比較滿意的計算成果。

4 結果分析與討論

由于采用數(shù)值模擬的方式功效相當大，故而可以形象的模仿出每一個物理量在每一個位置上的信息，故而解決了旋風分離器內部的流場復雜和通過實驗的手段很難測量周全的困難。比如我們要考查速度的模擬結果時就可以查看任何一點位置處的合速度、極坐標下各個分速度等；觸類旁通，其他多種形式的模擬結果考查也如此。

4.1 速度場分布

流體的運動在整個截面內、外部流體的旋流方向相同且類型都為旋轉流，所以就證明了螺旋的螺旋方向在旋風分離器內、外是相同的。我們可以從不同截面的速度矢量圖所提供的信息中尋找出哪里的流場紊亂，哪里的速度分布規(guī)則等等。

4.2 壓強分布

通過比較和參照各類圖左側的數(shù)據(jù)標志條，我們不難找出哪些區(qū)域的壓強高，哪些區(qū)域的壓強，然后再取某一值做比較就可得出答案。當然，我們也可以通過其他方法來實現(xiàn)這一目標，比如說相對于某一點的壓強的變化率、壓降值等，來發(fā)現(xiàn)哪里的壓強幅度變化較大，能量損耗比較嚴重等。通常我們把這種方式叫做“自定義函數(shù)表達式”。

5 結論

SOLIDWORKS技術的分析和解讀功能是相當?shù)膹姶?，它能夠通過模仿和效仿機械設備內部空間的流場，從而獲得包括壓強分布、速度分布、濃度及溫度分布等等流動狀態(tài)的多種不同程度上的直接和明晰的信息。SOLIDWORKS技術是一種在先進技術中加進的虛擬設計方式，本篇文章通過舉例來闡述了SOLIDWORKS技術進行數(shù)值模擬的程序，同時也賦予了相當數(shù)量的模擬結果，進一步證明了引用SOLIDWORKS技術運算的實踐性和合理性，再次印證了SOLIDWORKS技術軟件在化工機械的策劃意圖中具有潛在的應用能量，它的發(fā)展前景值得人們引起關注。

[1]楊杰.風機流場的數(shù)值模擬分析[J].武漢理工大學學報，2009，28(5)：763-765.

[2]洪厚勝.SOLIDWORKS用于機械攪拌生化反應器液固兩相混合的研究[J].化學反應工程與工藝，2007，20(3)：249-254.