基于Ansys Fluent混合油導(dǎo)流仿真分析

徐小兵,陳 博,鄭心剛,薄風(fēng)艷

1.江蘇豐尚油脂工程技術(shù)有限公司 (揚(yáng)州 225127) 2.江蘇豐尚智能科技有限公司 (揚(yáng)州 225127) 3.國(guó)家飼料加工裝備工程技術(shù)研究中心 (揚(yáng)州 225127)

目前社會(huì)上的植物油品種眾多,除了如大豆油、菜籽油、花生油等大宗油,還有眾多小品種油如橄欖油、亞麻籽油等,其需求量也在隨著人類生活品質(zhì)的提高,而在不斷地增加。各油脂加工廠家以及油脂工程公司都在不斷地通過(guò)改進(jìn)工藝和結(jié)構(gòu),以此優(yōu)化工藝和設(shè)備來(lái)提高出油率、降低消耗等。浸出器作為浸出車間的關(guān)鍵設(shè)備,其好壞直接或者間接地影響車間的生產(chǎn)指標(biāo)和能源消耗。同時(shí)為滿足節(jié)能環(huán)保、操作簡(jiǎn)便等要素,對(duì)于浸出器部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)則尤為重要。

本文重點(diǎn)闡述了關(guān)于浸出器噴淋系統(tǒng)中分布槽內(nèi)部的混合油液相流動(dòng)的分析。目前在實(shí)際應(yīng)用中為防止油類混合物中的殘?jiān)锌赡軙?huì)堆積在分布槽底部,若長(zhǎng)時(shí)間堆積后會(huì)影響分布槽的使用功能。本模擬分析旨在找到更合適的導(dǎo)流葉片,利用葉片對(duì)液體流動(dòng)的擾動(dòng)將殘?jiān)鼜姆植疾鄣撞烤砥?從而減小殘?jiān)诓鄣椎亩逊e,該分析過(guò)程是基于Ansys Fluent軟件來(lái)模擬分布槽內(nèi)部混合油在導(dǎo)流片表面流動(dòng)時(shí)的過(guò)程。以此作為理論依據(jù),為實(shí)現(xiàn)具體的結(jié)構(gòu)做支撐,獲得較嚴(yán)謹(jǐn)合理的結(jié)構(gòu)來(lái)解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的一些問(wèn)題,從而來(lái)減少設(shè)備操作者的工作量,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高設(shè)備的功能性,更是為了能夠滿足安全生產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保的要求。

常用的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件有Ansys(Fluent),Comsol Multiphysics,CFX,Phoenics,CD- Star,Flow3D 等,其中以Fluent最為成熟和應(yīng)用廣泛。由于涵蓋了Ployflow和Fluent Dynamic International(FDI)的全部計(jì)算資源,Fluent軟件有豐富且先進(jìn)的物理模型和強(qiáng)大的后處理功能,如層流和湍流,定長(zhǎng)流和非定長(zhǎng)流,以及無(wú)粘性流等[1-2]。所以針對(duì)噴淋分布槽中混合油在導(dǎo)流片表面流動(dòng)的情況,應(yīng)用Ansys(Fluent)軟件來(lái)進(jìn)行模擬仿真,可以獲得較為貼切真實(shí)的結(jié)果,從而對(duì)實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能起到更為直接的指導(dǎo)作用。

1 分布槽等建立三維模型

本文中所涉及的主要裝置包括有:空心管、分布槽和導(dǎo)流片,模型是運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行繪制建立,分別建立空心管、分布槽和導(dǎo)流片的模型后,再將三個(gè)零件組裝成一個(gè)整體,形成所要分析的具體模型。將三維設(shè)計(jì)軟件輸出的文件保存成可以被Ansys軟件讀取應(yīng)用的類型,在Ansys spaceclaim中對(duì)該模型進(jìn)行簡(jiǎn)化、流道抽取等操作。為后續(xù)進(jìn)行仿真分析做準(zhǔn)備。

2 在Fluent中設(shè)定的參數(shù)

在Fluent計(jì)算中,需要混合油的技術(shù)參數(shù),比如混合油濃度、壓強(qiáng)或者流速、黏度、溫度等等,如下表1所示。通過(guò)選擇某一級(jí)的循環(huán)混合油參數(shù)來(lái)作為分析的液相資料,在分析之前,將流體的密度、粘度和表面張力等參數(shù)輸入到系統(tǒng)中,另外混合油在導(dǎo)流片表面的流動(dòng)的狀態(tài)還與噴淋量有關(guān)。在一定的范圍內(nèi),循環(huán)噴淋量越大,滲流速度越大,流動(dòng)狀態(tài)越接近湍流或湍流程度越大,則第二、第三階段的傳質(zhì)阻力越小[3]。因此為了能夠看出混合油流動(dòng)的情況,需要混合油的流速或者流量的參數(shù),按照表1中列舉的幾個(gè)主要技術(shù)參數(shù)來(lái)做仿真分析,通過(guò)在具體數(shù)據(jù)情況下的仿真結(jié)果,來(lái)觀察導(dǎo)流片表面流過(guò)的混合油在槽中的流動(dòng)情況,以此來(lái)分析導(dǎo)流片的結(jié)構(gòu),并進(jìn)行優(yōu)化,以滿足最終的要求。

表1 混合油相關(guān)參數(shù)

根據(jù)空心管的直徑,管孔大小,折合到每個(gè)管孔的流量為5 m3/h,上表中除了以上混合油的參數(shù),對(duì)于Ansys軟件的數(shù)限范圍也進(jìn)行了一些設(shè)定,比如網(wǎng)格劃分中實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)、關(guān)聯(lián)中的缺省值、平滑度等等,Fluent里面的分析有多種網(wǎng)格參數(shù)選項(xiàng),不同選項(xiàng)為后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)劃分、動(dòng)態(tài)模擬等都會(huì)產(chǎn)生不同結(jié)果,而為了獲得最接近實(shí)際的流動(dòng)效果,都需要做網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)定。

3 混合油導(dǎo)流片表面流動(dòng)仿真

3.1 導(dǎo)流面混合油流動(dòng)設(shè)想

混合油從空心管道進(jìn)口進(jìn)入,充滿整個(gè)管道內(nèi)腔,在管道的下側(cè)有小孔,混合油從小孔落下,由于管道內(nèi)腔中的混合油有一定壓力,因此混合油是以一定速度從小孔中打出來(lái)的。有一定沖擊力的混合油流到導(dǎo)流片上,導(dǎo)流片表面是具有一定曲面的形狀,混合油就會(huì)相切于曲面,形成一個(gè)向特定方向流動(dòng)的液體流。導(dǎo)流片表面混合油流動(dòng)示意見(jiàn)下圖1。

圖1 導(dǎo)流片表面混合油流動(dòng)示意圖(端面視角)

在做這個(gè)混合油液體流仿真時(shí),在Fluent中選擇和設(shè)定了相關(guān)的變量,變量在由于變量的選擇和設(shè)定不同,對(duì)于其結(jié)果是變化的。為了能夠看出混合油在導(dǎo)流片表面的流動(dòng)狀態(tài)和流動(dòng)方向,液體流的過(guò)程能否滿足設(shè)計(jì)意圖,因此,為了能夠獲取反映真實(shí)的仿真結(jié)果,結(jié)合混合油的特性,軟件參數(shù)設(shè)定的規(guī)范化,在變量選擇與設(shè)定上都盡量真實(shí)客觀。

基于Fluent對(duì)混合油導(dǎo)流的仿真分析,在對(duì)模型進(jìn)行修正后,再設(shè)定有關(guān)環(huán)境變量。

3.2 劃分網(wǎng)格

導(dǎo)流片模型是帶有一定弧度的曲面,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在網(wǎng)格劃分過(guò)程中,由于在建立原始模型時(shí),有些建模過(guò)程產(chǎn)生了尖角、分隔線等,這些不利于網(wǎng)格劃分精度,甚至有可能會(huì)中斷網(wǎng)格劃分,因此在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前,需要對(duì)分析的模型進(jìn)行檢修。

由于分布槽整體較長(zhǎng),且在長(zhǎng)度方向上存在周期性,考慮到本模擬涉及到兩相流模型,且為瞬態(tài)計(jì)算,計(jì)算量較大,因此選取了分布槽有周期性的一節(jié)如下圖2所示,并將該節(jié)兩端設(shè)置為周期性邊界條件。這種設(shè)置既可以減小計(jì)算量,又不會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

3.3 流動(dòng)仿真過(guò)程

本仿真采取瞬態(tài)計(jì)算,模型涉及到兩相流的VOF算法,邊界條件采取速度入口及壓力出口,計(jì)算域?qū)ΨQ兩端采用周期性邊界條件,計(jì)算采用Simplec算法,時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.01 s。初始狀態(tài)為槽內(nèi)無(wú)任何混合油,計(jì)算域內(nèi)全部為空氣,當(dāng)混合油充滿分布槽,且溢出的混合油滴落并穩(wěn)定流出計(jì)算域時(shí)停止計(jì)算。

圖3展示了達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)流體域中心面的volume fraction截圖,藍(lán)色代表空氣,紅色代表混合油,由于VOF模型的原理所限,中間色代表每個(gè)單元格中空氣和混合油所占比重的程度,從實(shí)際角度看可理解為該處的混合油中存在微小的空氣氣泡。

圖3 仿真流動(dòng)圖

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分后,通過(guò)多組數(shù)據(jù)模擬在導(dǎo)流片表面的流動(dòng)狀態(tài),仿真分析中的流線作為模擬液體流動(dòng)的方向和方位,在模擬混合油流動(dòng)時(shí),混合油在與導(dǎo)流片接觸后,在一定的流速下,沿著導(dǎo)流片表面的曲線方向向前流動(dòng),表面的多條方向的曲線組成不同的曲面,導(dǎo)流片的曲面方向改變了上面孔中豎直向下的混合油方向,而上面管道孔中的混合油在不停地向?qū)Я髌斔突旌嫌?液體沿著導(dǎo)流片設(shè)定的方向連續(xù)流動(dòng),從而形成了混合油特定流向的液體流。

3.4 導(dǎo)流效果

各參數(shù)仿真分析后所得仿真圖見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 仿真流動(dòng)跡線圖

圖5 仿真流動(dòng)中心面y向速度圖

跡線圖展示了流體在流場(chǎng)中實(shí)際流動(dòng)的軌跡,顏色代表流體在該位置的速度大小。由圖4可見(jiàn),速度的最大值出現(xiàn)在混合油出口處,而在整個(gè)分布槽中清晰可見(jiàn)的是,跡線遍布槽中所有位置,沒(méi)有明顯的低速區(qū),沒(méi)有無(wú)跡線涉及的空白區(qū)域,這意味著槽內(nèi)的雜質(zhì)不會(huì)因陷入低速區(qū)而沉積,也不會(huì)在漩渦打轉(zhuǎn)最后沉積于漩渦內(nèi)低速區(qū),而是會(huì)被油沖出分布槽。

通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)的控制,模擬出液體流動(dòng)速度得到的速度圖,可見(jiàn)分布槽內(nèi)的液體不僅僅能夠沿分布槽長(zhǎng)度方向串流,而且其流速較快,這種流動(dòng)對(duì)混合油內(nèi)部的殘?jiān)S液相一起高速流動(dòng),起到了很好的預(yù)期效果?？偨Y(jié)仿真分析的結(jié)果:根據(jù)仿真結(jié)果可見(jiàn)流體跡線遍布分布槽內(nèi)幾乎所有區(qū)域,無(wú)明顯滯止區(qū),流場(chǎng)區(qū)域也十分活躍,槽內(nèi)周期性地產(chǎn)生高速流動(dòng),且該高速流動(dòng)可從分布槽底部掃過(guò),這種流動(dòng)可使殘?jiān)粡牡撞烤砥?或能達(dá)到預(yù)期目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Ansys Fluent對(duì)混合油在導(dǎo)流片表面流動(dòng)做仿真模擬,分析在不同數(shù)據(jù)情況下的結(jié)果,驗(yàn)證導(dǎo)流片弧形面的結(jié)構(gòu)與所需求的最為合適曲面之間的差別,以此來(lái)修改設(shè)計(jì)中不合理的地方,同時(shí)還能合理的指導(dǎo)加工制作過(guò)程的技術(shù)要求,經(jīng)過(guò)各方面的優(yōu)化,獲得最佳的結(jié)構(gòu)來(lái)滿足生產(chǎn),并解決現(xiàn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)用中存在的問(wèn)題。所以鑒于導(dǎo)流片的設(shè)計(jì)能夠避免噴淋時(shí)出現(xiàn)的一些弊端,在制作前利用分析軟件驗(yàn)證導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的做法,是較為合理正確的方法,這為提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性,以及降低制作工作量,提供了有利的指導(dǎo)和幫助。