基于噴砂罐兩相流仿真的SRP項目探索實踐*

黃 思，黃家興，張 聰，林耿賢

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

大學(xué)是培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才的基地，“學(xué)生研究計劃”(Student Research Program，以下簡稱“SRP”)作為學(xué)生提前參與科研和創(chuàng)新的平臺，是高校進行科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要手段。近年來對本科生科研能力的培養(yǎng)開始得到越來越多的關(guān)注和重視，SRP的作用顯得更為重要[1-5]。

華南理工大學(xué)SRP是根據(jù)學(xué)校建設(shè)高水平大學(xué)的要求，為培養(yǎng)高素質(zhì)、“三創(chuàng)型（創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)） ”人才啟動的學(xué)生科研項目，旨在通過鼓勵學(xué)生切實參與到科研實踐項目當中，開展初步的探索性研究工作，從而幫助學(xué)生獲得科研的基本研究技能，并在實踐過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。目前，SRP已成為國內(nèi)高校開展本科創(chuàng)新教育普遍的實踐平臺之一，是獲得眾多高校認可并在全校范圍內(nèi)予以實施的一項學(xué)生訓(xùn)練計劃[6-9]。

噴砂罐是一種廣泛應(yīng)用于石油化工、船舶、土木等行業(yè)[10-13]的空氣輸送機械。噴砂罐主要由壓力罐和噴槍組成，其工作原理是以壓縮空氣形成高速射流將磨料砂粒噴射到工件表面，使其機械性能發(fā)生變化以達到加工的目的。噴砂罐內(nèi)部流場為高濃度的復(fù)雜氣固兩相流，罐體內(nèi)部屬于高壓且相對封閉的區(qū)域，現(xiàn)有條件無法直接觀測噴砂罐內(nèi)的氣固兩相流場。因此，通過模擬仿真計算和動畫展示噴砂罐內(nèi)的氣固兩相瞬態(tài)流場將是一個具有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的課題。在研究過程中，學(xué)生可以清楚地了解噴砂罐的工作原理及壓力、速度的分布規(guī)律，同時也是對過程控制專業(yè)必修課程“過程流體機械”教學(xué)手段的補充與完善。

1 項目實施過程與方法

指導(dǎo)教師根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計劃以及“過程流體機械”課程的要求，擬定相應(yīng)的SRP項目，學(xué)生根據(jù)個人實際情況進行申請，指導(dǎo)教師從中篩選出具備足夠流體機械基礎(chǔ)的學(xué)生加入項目組。項目啟動后，指導(dǎo)教師先為學(xué)生講解項目的內(nèi)容和需要完成的任務(wù)；指導(dǎo)學(xué)生通過搜索網(wǎng)上資料和查閱相關(guān)文獻進一步了解噴砂罐的工作原理；指導(dǎo)學(xué)生掌握項目所用流體仿真軟件的使用方法和參數(shù)設(shè)置原理，并學(xué)會利用專業(yè)知識來判斷計算結(jié)果的差異；最后按照學(xué)生興趣和基礎(chǔ)的不同，對項目進行具體地分工，并制訂相應(yīng)的階段性目標及工作內(nèi)容。同時，制定了學(xué)生介紹個人研究成果的計劃，通過將一段時間內(nèi)的工作成果做一次自我總結(jié)，可以促進學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)，鍛煉學(xué)生的表達與總結(jié)能力。整個SRP項目的計劃安排如表1所示。

表1 項目安排

2 項目實施的主要結(jié)果

2.1 流動計算域三維模型的建立

項目選取如圖1所示的某造船廠噴砂罐作為研究對象，使用SolidWorks建模，得到如圖2所示的流動計算域。該計算域由罐體、進氣管和出口管等部分組成，罐體圓柱段內(nèi)徑810 mm，錐段半錐角為48°，進氣管內(nèi)徑55 mm，出口管內(nèi)徑34 mm。

圖1 噴砂罐結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 流場仿真計算

根據(jù)實際操作工況條件，計算采用的介質(zhì)和工藝參數(shù)如表2所示。設(shè)磨料砂粒為球形，砂粒與砂粒間的接觸模型選取Hertz-Mindlin無滑移模型，砂粒與噴砂罐的接觸采用Hertz-Mindlin模型結(jié)合Archard磨損模型，選取磨損常數(shù)[14-15]K/H=10-12。噴砂罐工作壓力為0.55 MPa，顆粒—顆粒和顆?！獓娚肮薏牧系南嗷プ饔孟禂?shù)如表3所示。

表3 材料的相互作用

計算域內(nèi)氣體和固體砂粒的初始條件為靜止狀態(tài)，其中氣相位于罐內(nèi)上方，固相砂粒位于下方。氣體進口邊界條件按噴砂罐工作壓力給定，出口邊界條件按1個大氣壓給定。設(shè)置氣體流動計算時間步長Δt=10-3s，砂粒運動計算時間步長Δt=10-5s。

2.3 后處理與動畫制作

經(jīng)過流場仿真模擬得到計算結(jié)果，指導(dǎo)學(xué)生對結(jié)果進行后處理，得到噴砂罐內(nèi)的氣體壓力分布圖（圖3） 和流速矢量分布圖（圖4），由此可以直觀地得出噴砂罐內(nèi)的氣體壓力和流速的分布規(guī)律。

計算結(jié)果顯示噴砂罐入口管壓力為罐體工作壓力，罐體內(nèi)部壓力分布較均勻。在出口管附近，流通面積的減小導(dǎo)致氣流需要克服更大摩擦阻力，產(chǎn)生較大壓降。罐體內(nèi)形成環(huán)向的氣流運動，速度相對均勻，氣體出口處的速度較大，達到了345 m/s。

圖3 噴砂罐橫截面氣體壓力分布

圖4 噴砂罐橫截面速度矢量分布

圖5 是2 s內(nèi)不同時刻噴砂罐的顆粒位置及速度分布，由圖可以看出顆粒在罐內(nèi)做順時針的環(huán)向運動，罐體中部顆粒速度更高。為了更直觀地展現(xiàn)噴砂罐內(nèi)的顆粒運動規(guī)律，學(xué)生們在教師的指導(dǎo)下，使用視頻編輯軟件顯示2 s內(nèi)不同時刻的顆粒分布情況，并將結(jié)果串聯(lián)合并，制作成能夠直接用于教學(xué)的動畫課件。

圖5 不同時刻噴砂罐內(nèi)顆粒位置及速度分布

3 結(jié)束語

本文介紹了“噴砂罐氣固兩相流的數(shù)值仿真及動畫制作”的SRP項目的實施過程、方法及主要結(jié)果。在該研究項目中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下完成了噴砂罐流動計算域的三維建模、網(wǎng)格劃分、模擬計算及結(jié)果處理，得到并分析了噴砂罐內(nèi)部的壓力場、流場和顆粒分布，制作了相關(guān)的教學(xué)動畫課件。

在SRP項目的實踐過程中，學(xué)生在具備一定專業(yè)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，開始參與探索性的科研實踐項目，對于所學(xué)專業(yè)知識能夠有更深的理解與應(yīng)用。同時，SRP項目堅持貫徹學(xué)生主體、教師引導(dǎo)的思想，重點培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，對切實提高本科生的綜合素質(zhì)具有積極的意義，同時也能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的能力。