基于ANSYS CFX的一種氣壓式送料罐優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝碧洪，梁忠偉，劉曉初，蕭金瑞，黃駿，陳志斌

(1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東羅定527200;2.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州510006)

氣壓式送料罐是將單一或多種物料充分混合后高速噴出的罐體。該罐體常用于表面強(qiáng)化、表面微處理、表面清潔等設(shè)備上，例如噴丸、噴砂設(shè)備［1］。氣壓式送料罐示意圖如圖1所示。

圖1 氣壓式送料罐工作原理圖

其工作原理為:物料(如研磨液和鋼珠或砂)從進(jìn)料口1 置入，高壓氣體(試驗(yàn)中選取0.6 MPa 大小的壓縮空氣)主要經(jīng)進(jìn)氣管3 驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)球閥2，使球閥沿進(jìn)氣管道上移關(guān)閉進(jìn)料口，使送料罐幾乎處于封閉狀態(tài)。高壓氣體從浮動(dòng)球閥管道與進(jìn)氣管道之間間隙噴入儲(chǔ)料罐，隨著高壓氣體持續(xù)噴入，送料罐內(nèi)的氣壓逐漸增大并形成回轉(zhuǎn)渦流，帶動(dòng)物料進(jìn)行回轉(zhuǎn)混合，后物料經(jīng)下料口8 進(jìn)入出氣管5;部分高壓氣體經(jīng)支管4 帶動(dòng)物料進(jìn)入出氣管，后通過高壓噴頭高速噴向工件表面，實(shí)現(xiàn)噴丸、噴砂等工藝。

1 現(xiàn)有送料罐結(jié)構(gòu)缺陷

現(xiàn)有送料罐結(jié)構(gòu)如圖2所示。在實(shí)際加工過程中，由于物料是由性能差異較大的材料所組成，使得物料黏度大、易結(jié)塊，甚至堵塞噴射管?，F(xiàn)有送料罐底部平坦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容易使結(jié)塊的物料沉積在送料罐底部(如圖3所示)，從而造成該部分物料不能進(jìn)入循環(huán)，大大降低了物料的使用率，造成物料的浪費(fèi)。

圖2 送料罐實(shí)物圖

圖3 罐內(nèi)殘留的混合物

基于以上原因，有必要對(duì)送料罐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化的方案是在送料罐的底部設(shè)計(jì)合理的錐度。由于送料罐的內(nèi)部流場(chǎng)、渦流黏度對(duì)底部殘留的物料具有較明顯的作用，因此利用ANSYS CFX 對(duì)不同錐度送料罐內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，掌握罐體內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律，為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供有價(jià)值的參考［2］。

2 控制方程

根據(jù)雷諾方程計(jì)算送料罐體的雷諾數(shù)［3］

式中:v為截面的平均速度;

d為管道直徑;

ν 為流體的運(yùn)動(dòng)黏度。

由于計(jì)算所得送料罐體的雷諾數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界雷諾數(shù)2 320，所以罐體內(nèi)部流場(chǎng)為三維定常不可壓縮紊流場(chǎng)。流場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)k- ε(2epn)紊流模型、雷諾時(shí)均N-S 方程和壓力-速度耦合半隱式SINPLE 算法去模擬分析?？刂品绞酵ㄊ饺缡?2)所示［4-7］，各控制方程參數(shù)如表1所示。

表1 控制方程參數(shù)

其中:ρ 為流體的密度;

μ 為動(dòng)力黏度;

k為紊流動(dòng)能;

ε 為黏性耗散;

u、v、w分別為直角坐標(biāo)系上x、y、z方向上的速度分量;

Fi為各個(gè)方向上的質(zhì)量力;

σk=1.0，σε=1.3;

C1=1.44，C2=1.92;

μt=ρk20.09/ε。

3 計(jì)算模型的建立

圖4 送料罐底部錐度示意圖

如圖4所示，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將送料罐底部結(jié)構(gòu)抽象成一個(gè)錐形圓臺(tái)模型，已知圓臺(tái)上端面外徑d1=252 mm，下料管外徑d2=32 mm，hn為圓臺(tái)模型上端面與下端面的高度，且h0=45 mm，hn高度控制式(3)如下:

hn=45 +20n(n取整數(shù))(3)

假設(shè)Δh為圓臺(tái)模型上、下端面高度h的增量且Δh值取20 mm，因此送料罐底部錐度C的控制式(4)如下:

通過式(3)和(4)，可求解得送料罐錐度C。由于考慮到n≥5 超出現(xiàn)有設(shè)備的安裝尺寸，所以只選取n≤4 這5 個(gè)錐度進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化，為設(shè)計(jì)更合理的送料罐提供數(shù)據(jù)。表2 為對(duì)應(yīng)5 個(gè)n值計(jì)算所得的各個(gè)錐度值。

表2 各個(gè)數(shù)值的錐度

4 邊界條件與數(shù)值計(jì)算

4.1 網(wǎng)格劃分

先在三維軟件Pro/E 中建立模型，然后導(dǎo)出stp/igs 的中間格式文件，再導(dǎo)入到ANSYS CFX 中，利用CFX 自帶網(wǎng)格工具進(jìn)行劃分。網(wǎng)格的劃分是基于CFD 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算的網(wǎng)格形狀控制，運(yùn)用Tentrahedrons 四面體網(wǎng)格劃分中的Patch Conforming法進(jìn)行三維幾何劃分，此方法可以考慮所有的面和邊(盡管在收縮控制和虛擬拓?fù)鋾r(shí)會(huì)改變且默認(rèn)損傷外貌基于最小尺寸限制)，并且會(huì)在多部件中盡可能結(jié)合使用掃掠方法生成共形的混合四面體/棱柱和六面體網(wǎng)格，另外此方法還帶高級(jí)尺寸功能。所以用此方法對(duì)罐體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，能很好地提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)為121 247，單元數(shù)為626 160。圖5 為單元質(zhì)量圖，圖中接近1 的百分比越高，說明網(wǎng)格質(zhì)量越好［3］。

圖5 網(wǎng)格單元質(zhì)量圖

4.2 邊界條件

整個(gè)罐體模型網(wǎng)格區(qū)域定義為一個(gè)流體域，內(nèi)部工作環(huán)境壓力為1 個(gè)大氣壓(0.1 MPa)，并且計(jì)算過程中忽略重力影響。定義入口流體速度為20 m/s，出口為自由邊界條件(opening)。在近壁面區(qū)采用scalable 的wall function 壁函數(shù)，以減小計(jì)算機(jī)內(nèi)存要求和提高計(jì)算效率［2］。

圖6 邊界條件

4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

先標(biāo)準(zhǔn)初始化，設(shè)置Number of Iterations 迭代的次數(shù)都為100 步，Reporting Interval 使用間隔時(shí)間為1 s，Profile Update Interval 剖面更新間隔為1 s。n=0時(shí)是原始送料罐，在此用1≤n≤4 的罐體與n=0 的罐體作比較分析，以獲得流場(chǎng)最優(yōu)、渦流黏度最小的罐體。圖7—21 為各個(gè)錐度的流場(chǎng)結(jié)果圖。

圖7 n=0 速度流線圖

圖8 n=1 速度流線圖

圖9 n=2 速度流線圖

圖10 n=3 速度流線圖

圖11 n=4 速度流線圖

圖12 n=0 速度矢量圖

圖13 n=1 速度矢量圖

圖14 n=2 速度矢量圖

圖15 n=3 速度矢量圖

圖16 n=4 速度矢量圖

圖17 n=0 渦流黏度圖

圖18 n=1 渦流黏度圖

圖19 n=2 渦流黏度圖

圖20 n=3 渦流黏度圖

圖21 n=4 渦流黏度圖

圖7—21 右下的U 形支管是進(jìn)氣的一個(gè)分支，它繞過了罐體直接與出氣管聯(lián)接，目的是為了使從罐體內(nèi)噴射出來的物料能順利地從出口噴射出去。

比較圖7—11 的速度流線圖，當(dāng)n=3 時(shí)的錐度流場(chǎng)是最均勻的，能使罐內(nèi)的物料被“攪拌”均勻，并且能穩(wěn)定地噴射出去。此外穩(wěn)定、均勻的流場(chǎng)還能使設(shè)備工作平穩(wěn)，延長(zhǎng)壽命。其他錐度的罐子例如n=4的流場(chǎng)主要集中在中間位置，會(huì)造成流場(chǎng)不均勻并且物料被“攪拌”不均勻;n=0、1、2 的流場(chǎng)也不均勻，會(huì)引起設(shè)備工作振動(dòng)，影響整個(gè)設(shè)備的壽命與安全［8-9］。

圖12—16 為各個(gè)錐度的速度矢量圖，n=0、4的流場(chǎng)方向比較單一，二次流和二次漩渦比較少;n=1、2、3 的矢量圖大概差不多，但n=1(圖13 箭頭所指位置)的矢量比較亂，會(huì)對(duì)罐體與出導(dǎo)管的交接形成強(qiáng)大的沖擊，影響壽命;n=3 的二次流和二次漩渦比n=2 的要多，從而n=3 罐體更能使物料混合充分［10］。

圖17—21 為各錐度的渦流黏度圖，n=0 的黏性分布極不合理，n=1(箭頭指的位置)會(huì)因?yàn)轲ざ缺容^集中引起大量堆積;n=2、4 長(zhǎng)時(shí)間工作由于箭頭所指的位置黏度非常高，可能會(huì)引起堵塞現(xiàn)象;而n=3 是最合理的，黏度比較低，并且分布在罐體內(nèi)部不易產(chǎn)生堆積的位置。

通過對(duì)上述5 個(gè)錐度的各個(gè)物理量的對(duì)比分析，最終選擇n=3，錐度為C3=2.10∶1 的罐體，并制造了經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的氣壓式送料罐主體，如圖22所示。

圖22 舊罐體(左)與新罐體(右)

通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化后的新罐體相比舊罐子工作要更加平穩(wěn)，并且罐內(nèi)殘留物明顯減少了，如圖23所示，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果。

圖23 新型罐體試驗(yàn)后結(jié)果圖

5 結(jié)論

(1)ANSYS CFX 軟件能有效地反映氣壓式送料罐內(nèi)部的三維紊流流場(chǎng)，揭示了內(nèi)部流場(chǎng)的速度流線、速度矢量和渦流黏度分布規(guī)律，為設(shè)計(jì)出更加合理的罐體提供重要依據(jù)。

(2)重新設(shè)計(jì)的新罐體的試驗(yàn)效果與預(yù)測(cè)結(jié)果非常接近，從而驗(yàn)證了利用ANSYS CFX 軟件對(duì)氣壓式送料罐內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬的可行性和有效性。

(3)通過對(duì)氣壓式送料罐內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，分析流場(chǎng)對(duì)罐體的影響，減少了對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的依賴，達(dá)到了縮短研制周期、降低研發(fā)成本的目的。

［1］王守仁，王瑞國(guó).拋(噴)丸清理工藝與設(shè)備［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］王勻，李炳男，許楨英.一種改進(jìn)的基于FLUENT 的三維波浪水槽模擬方法［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(1):134-136.

［3］黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0 超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)［M］.北京:人民郵電出版社，2013.

［4］任玉新，陳海昕.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［5］許賢良，王開松，孟利民.流體力學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

［6］劉元義，王廣業(yè).沖壓焊接多級(jí)離心泵葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算機(jī)輔助分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(8):207-211.

［7］ZHOU Weidong，ZHAO Zhimei，LEE T S，et al.Investigation of Flow Through Centrifugal Pump Impeller Using Computational Fluid Dynamics.Internationl［J］.Journal of Rotating Machinery，2003，9(1):49-61.

［8］李文鋒，杜彥亭，趙剛.基于FLUENT 的精密數(shù)控車床靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì)及優(yōu)化［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(7):15-21.

［9］巴鵬，閆小樓，歐周華.基于CFD 技術(shù)的截止閥阻力特性分析［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(1):153-156.

［10］郭杰，王兆伍，余四平.半開式葉輪高速離心泵三維流場(chǎng)分析［J］.機(jī)械制造，2012，41(6):61-63，89.