CAE技術(shù)在流體機(jī)械及工程中的應(yīng)用研究

劉禹 張英豪 洪得桓

摘要：本文對液壓力學(xué)中單一靜態(tài)、動態(tài)、多種裝置的 CAE技術(shù)在液壓力學(xué)中的運(yùn)用進(jìn)行了研究。所涉的靜態(tài)裝置有：貯槽、塔式、換熱器、離心式水泵、液環(huán)式水泵、螺旋式水泵、多套裝置體系如：滅火給水、高架管線等。介紹了流-固-液耦合、動、靜分析和設(shè)定、相-離散相模型、單一裝置和多裝置的系統(tǒng)級等問題。對于單一裝置，首先要進(jìn)行流場的數(shù)值模擬，然后通過有限元和振型分析來確定結(jié)構(gòu)的流載狀態(tài)。在多臺裝置的情況下，著重考慮穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行的工作特性，以便進(jìn)行設(shè)備的選擇和評價，并有目標(biāo)地制訂相應(yīng)的保護(hù)對策。并指出了CAE技術(shù)在流體力學(xué)和工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù);流體機(jī)械;單個設(shè)備;多個設(shè)備系統(tǒng)

引言

液體力學(xué)是利用液體作為能源轉(zhuǎn)化的一種機(jī)器。在一般意義上，可將液體力學(xué)劃分成兩大類別：靜態(tài)裝置（例如管路、壓力容器、熱交換器等），以及動力裝置（例如：水泵、壓氣機(jī)、分選機(jī)等）。按照國家“十四五年發(fā)展計劃”提出的新的能源技術(shù)和“環(huán)?！彼枷耄餍懈鳂I(yè)都在努力實現(xiàn)節(jié)約、降低能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益。由于其具有良好的適用性和容易實現(xiàn)自動化、智能化等優(yōu)點，在我國的許多國家和地區(qū)得到了廣泛地使用。因此，在液體力學(xué)中，如何使其達(dá)到“綠色發(fā)展”的目的，已經(jīng)是一個十分重要的課題。

CAE （CAE）是指通過計算機(jī)對工程進(jìn)行計算、對產(chǎn)品和裝備進(jìn)行分析、仿真和最優(yōu)設(shè)計的總稱。眾所周知，傳統(tǒng)的液體力學(xué)與裝備研究方法，往往要經(jīng)過大量的研究、測試、生產(chǎn)，開發(fā)時間較長，生產(chǎn)費(fèi)用較高。利用CAE技術(shù)進(jìn)行仿真和分析，可以降低工程造價，縮短設(shè)計與分析的周期;通過最優(yōu)的方法，找到最優(yōu)的產(chǎn)品設(shè)計，減少物料的損耗和費(fèi)用;提前在生產(chǎn)或建造項目之前，找出可能存在的問題;對不同的實驗計劃進(jìn)行仿真，降低實驗的時間和費(fèi)用;綜上所述，CAE技術(shù)在減少開發(fā)費(fèi)用、減少生產(chǎn)實踐、提高產(chǎn)品的性能方面有著顯著的優(yōu)越性。

1單個設(shè)備的仿真分析

1.1靜設(shè)備

油庫、塔筒、管線等靜態(tài)設(shè)施的建設(shè)與利用日益趨向于大規(guī)模、輕型，在大風(fēng)天氣下，此類室外設(shè)施經(jīng)常會出現(xiàn)垮塌、結(jié)構(gòu)損壞等情況，因此必須對設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析。另外，當(dāng)裝置內(nèi)部和外部的液體流場引起的誘發(fā)頻率與裝置的自然頻率接近或吻合時，會引起裝置的諧波，從而影響到裝置的工作，從而引起裝置的安全性問題。采用CAE技術(shù)，按照圖1中所述的程序，對裝置內(nèi)部和外部的流場和內(nèi)部的流-固-固耦聯(lián)進(jìn)行了數(shù)值模擬。詳細(xì)地說，就是通過對裝置內(nèi)的流媒水力和外界的風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬，確定裝置的流載狀態(tài)，然后通過有限元和模態(tài)分析，得出裝置的各個階、自振頻率，并對其進(jìn)行強(qiáng)度校核，以驗證其可靠性。

圖2顯示了 CFD法所計算出的某個50000立方米的球狀容器的外部空氣壓力（風(fēng)力 U=30米/秒）。球殼的外徑為21.3米，容器的厚度為21.3米，容器的厚度為24毫米，容器的內(nèi)部填充比為0.9，所承受的壓力為1.66 MPa。在球罐的頂板、底板、側(cè)板及后風(fēng)向上，形成了一個正壓區(qū)。在周向風(fēng)壓力作用下，風(fēng)力最大的是在迎風(fēng)區(qū)的中央處，然后隨風(fēng)速的變化而降低。圖3顯示了根據(jù)流體-固體耦合的方法，所獲得的球形容器的位移曲線。

從圖3 b可以看出，由于風(fēng)力的作用，球殼體的背風(fēng)面的變形比迎風(fēng)面的變形要大，而且隨著風(fēng)力的增大，這種變化會更加顯著，所以，風(fēng)荷載的分布和不均勻性對設(shè)備安全的影響不容忽視。

圖4是一種化學(xué)分餾器在流動-固耦合過程中的振動模態(tài)法，它的自振頻率和振動模式3 l。它具有24米高、1.4米的內(nèi)徑、10毫米的壁厚度、26個塔板、氣體、液體的氣體和液體，其工作壓力為0.13 MPa，高溫289.4攝氏度。根據(jù)圖3和4的結(jié)果，可以為裝置制訂對應(yīng)的保安保護(hù)。

1.2動設(shè)備

在工作狀態(tài)下，很多部件和構(gòu)件在一定的轉(zhuǎn)速下工作，并與流體的接觸媒介發(fā)生交互作用，因此它的工作機(jī)制要比靜態(tài)裝置更加復(fù)雜。動力裝置中的流體運(yùn)動問題是動、動零件之間的交互干擾以及曲面彎曲等，并伴隨著二次氣流、空隙、尾流以及各類旋流。同時，由于裝置的工作速度較快，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部的壓力比液態(tài)的飽和蒸汽壓低，從而發(fā)生汽化，從而導(dǎo)致表面物料的腐蝕，從而導(dǎo)致裝置的故障。

關(guān)于移動裝置的 CAE技術(shù)仍然主要遵循圖1所述的技術(shù)路徑，但是必須把該計算模式劃分為若干個計算區(qū)，例如在圖5中所顯示的運(yùn)動區(qū)域和靜態(tài)水體，并且利用分接口來分離和聯(lián)系運(yùn)動區(qū)域和靜態(tài)水體。對于非穩(wěn)定問題，要求應(yīng)用滑動網(wǎng)格（動態(tài)區(qū)域不變形）或動態(tài)網(wǎng)格（可變的計算區(qū)域）法來捕獲流體換熱量的暫態(tài)特性。

圖6顯示了采用 OpenFOAM的開放源碼軟件對 S形離心式油泵流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。設(shè)計點流率 Q為54升/秒，旋轉(zhuǎn)速度為2900 r/分鐘，空耗剩余 NPSH為5.81 m。如從附圖6 b所示，在葉輪進(jìn)口槳葉的吸力表面處聚集有一中空的云團(tuán)（氣泡）。采用 CAE后處理技術(shù)，利用離心式水泵內(nèi)部的流動特性仿真，對其進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報和數(shù)值分析。

圖7是2BE1-353型水環(huán)式真空泵，采用 CFD仿真方法進(jìn)行了數(shù)值計算，其中，液相區(qū)為紅色，液相區(qū)為藍(lán)色。具有710毫米的直徑，372 r/分鐘的旋轉(zhuǎn)速度，60，000 Pa （絕對的）進(jìn)口壓力和1 atm的輸出（絕對的）。仿真計算表明，液環(huán)泵的工作特性是可靠的。

圖6和7中的兩相流問題的一個共同之處是，可以使用一個“雙重流動模式”來進(jìn)行仿真，即把分散的粒子相位（氣泡，小滴）假定為一個連續(xù)的準(zhǔn)液體。在兩個流場中，兩個不同的數(shù)值模式下，均存在著同樣的控制方程式，因此其運(yùn)算量相對較少。另外，由于在工程上經(jīng)常出現(xiàn)液、固、氣兩相流動等問題，由于固體粒子自身具有分散性，在粒子尺寸上存在很大的差異，特別是當(dāng)要理解固體粒子對機(jī)械地磨損時，如果繼續(xù)以粒子為繼續(xù)使用，則與現(xiàn)實存在著很大的誤差，以致無法得到所需的資料。

在這種情況下，可以考慮利用“連續(xù)-分離模式”來解決這一問題，即利用 CFD法對連續(xù)流動的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，將固體粒子看作是一個離散的相位，利用 DEM分析了粒子的運(yùn)動、接觸、撞擊等性質(zhì)，并利用耦合界面對流體和粒子進(jìn)行了動態(tài)和能量的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到了一個雙向耦合的目的。

2多個設(shè)備的系統(tǒng)仿真分析

本文主要針對單一裝置規(guī)模內(nèi)的三維流動和結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，而在現(xiàn)實中，許多技術(shù)要求都是針對多臺裝置的水平（規(guī)模）進(jìn)行模擬。從整體上講，為了選擇和評價裝置的安全性，本文著重討論了穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)化的運(yùn)行特性。

如在圖8 A中所描述的滅火給水裝置，它由一個滅火水泵、一個閥門、一個管道和幾個平行的滅火水炮組成，它的數(shù)量可以根據(jù)打開或關(guān)閉的水龍頭來調(diào)節(jié)。在火災(zāi)情況較大時，應(yīng)加大氣門的開啟程度 Y，供水泵應(yīng)確保水壓 H值不會降低過大，否則會對消防工作造成不利的后果。在供水要求降低的情況下，系統(tǒng)內(nèi)的高壓很可能會導(dǎo)致管道、系統(tǒng)的破壞，嚴(yán)重威脅到人身的生命。采用 Flowmaster軟件（Flowmaster）為基礎(chǔ)，對滅火給水進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。從滅火水泵壓力 H和氣門開口 Y之間的關(guān)系（圖8）可以看出，在滅火給水裝置中設(shè)置有壓力的水泵要比設(shè)置常規(guī)的離心式水泵要好。

另外，在化學(xué)工廠的高架管線，通常是一條或數(shù)十條管線，在管線上分布，用以運(yùn)輸不同的溫度、壓、流狀態(tài)下的化學(xué)原材料及產(chǎn)品。因此，存在著局部變形、薄板斷裂等問題，從而造成了一定的安全風(fēng)險。選擇一個具有102米乘6米乘13米的空中管線，包括10套支柱、4個管架和27個管子。

3結(jié)束語

文章結(jié)合筆者課題組近幾年的典型工作，闡述了 CAE技術(shù)在流體力學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)可以綜合考慮各種因素，運(yùn)用多種物理場模擬方法，研究了流態(tài)、傳熱、質(zhì)量、力學(xué)等問題。該方法不但適用于單一裝置，而且適用于由多種裝置構(gòu)成的體系。

在電腦軟件和軟件技術(shù)的發(fā)展下，采用了先進(jìn)的技術(shù)，如：人工智能、大數(shù)據(jù)等。CAE技術(shù)在流體力學(xué)、工程學(xué)等方面的廣泛運(yùn)用，它具有很好的兼容性、實用性和實用性，從而使 CAE技術(shù)成為一種廣泛的技術(shù)手段。

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