基于流固耦合的空調(diào)分歧管應(yīng)力分析

摘要：基于ANSYS Workbench分析平臺，采用流固耦合的計(jì)算方法，對空調(diào)分歧管的斷裂進(jìn)行分析，探討410A氟利昂流場速度分布，分析空調(diào)分歧管的變形和等效應(yīng)力分布，對分歧管出現(xiàn)裂紋的位置進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度評定。結(jié)果表明：空調(diào)分歧管的最大等效應(yīng)力為305.2MPa，位置位于出現(xiàn)裂紋的三通管根部，分歧管出現(xiàn)裂紋處的一次應(yīng)力高于許用值。

關(guān)鍵詞：流固耦合；空調(diào)分歧管；等效應(yīng)力；應(yīng)力分析

中圖分類號：TU831.3; O353.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-5276（2024）06-0017-03

Abstract：Based on the ANSYS Workbench analysis platform， the fluid-structure coupling calculation method was used to analyze the fracture of the air-conditioning branch pipe， with the discussion of the velocity distribution of the 410A Freon flow field， the deformation and equivalent stress distribution of the air-conditioning branch pipe were analyzed， and tress analysis and strength evaluation were carried out at the crack-occuring location. The results show that the maximum equivalent stress of the branch pipe of the air conditioner， located at the root of the cracked tee pipe， is 305.2MPa， and the primary stress of the branch pipe where the crack occurs is higher than the allowable value.

Keywords：fluid-structure coupling; air-conditioning branch pipe; equivalent stress; stress analysis

0引言

多聯(lián)空調(diào)實(shí)現(xiàn)了一臺室外機(jī)配多臺室內(nèi)機(jī)對空調(diào)房間進(jìn)行制冷或制熱。因其管控方便、控溫準(zhǔn)確、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高層建筑［1-2］。在大型高層建筑所采用的多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)中，室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)之間存在高落差、管路結(jié)構(gòu)中存在眾多分支，經(jīng)常會用到不同類型的分歧管。因?yàn)樗鼈冇绊懼评淞坎黄胶饴?，所以必須在通往室?nèi)機(jī)的分支處安裝分歧管管路，作為系統(tǒng)一部分的可選附件［3-5］。

某企業(yè)在制熱工況時個別分歧管在安裝運(yùn)行一段時間后在三通的根部發(fā)生裂紋，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)冷媒泄露，發(fā)生裂紋的分歧管如圖1所示。

分歧管工作原理如圖2所示。

分歧管都是在冬季制熱工況發(fā)生故障的，影響空調(diào)工況的正常運(yùn)行。但目前對空調(diào)制熱工況時分歧管與流體相互作用情況下分歧管的應(yīng)力和變形還未進(jìn)行相關(guān)研究。

流固耦合問題在交通、航空、船舶、化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。越來越多的研究者開始通過流固耦合數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行研究［6］?；谏鲜龇制绻艹霈F(xiàn)裂紋的問題，本文采用流固耦合方法，計(jì)算流體對分歧管應(yīng)力和變形的影響，并分析三通管根部產(chǎn)生裂紋的原因，為分歧管的實(shí)際應(yīng)用提供借鑒，為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供參考。

1模型幾何結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分

分歧管由三通管、前直管、后直管、彎管組成。分歧管的尺寸和結(jié)構(gòu)如圖3所示。

分歧管為紫銅管，密度8 900kg/m3，彈性模量1.10×1011Pa，泊松比0.34，抗拉屈服強(qiáng)度2.80×108Pa，抗壓屈服強(qiáng)度2.20×108Pa。使用Workbench中的Mesh模塊對分歧管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在流體計(jì)算中，使用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格單元對流體域進(jìn)行離散化。初始網(wǎng)格單元數(shù)共計(jì)722 584個，得到分歧管流場壓力為3 187 618.5Pa。按照網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證的要求，將單元數(shù)增加到1 397 048個，得到流場壓力為3 199 783.5Pa，計(jì)算后得到的流場壓力變化量超過 3%。由此將網(wǎng)格數(shù)再增加到2 312 018個，得到流場壓力為3 204 032Pa，此時壓力的改變量不超過 3%。因此，本文采用2 312 018個網(wǎng)格單元數(shù)對流體域進(jìn)行離散。固體域采用253 436個網(wǎng)格單元，網(wǎng)格劃分如圖4所示，分歧管固體域與流體域連接面網(wǎng)格劃分如圖5所示。

2計(jì)算方法

本文基于流固耦合的計(jì)算方法，使用ANSYS Workbench分析平臺提供的Flow（Fluent）和Transient Structural模型，分別對分歧管進(jìn)行流場分析和瞬態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。二者通過組件系統(tǒng)中System Coupling實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成計(jì)算的雙向耦合；在Workbench軟件的Transient Structural模塊中模擬了固體域。在Model模塊中，邊界條件設(shè)置為3個管道的固定約束，忽略分歧管的擺動，分歧管與流體接觸的內(nèi)表面設(shè)置為fluid flow interface，在Fluid Flow模塊中模擬流體域，流體為410A氟利昂，入口速度設(shè)為6m/s，入口溫度為383.15K，出口壓力為3.2MPa，出口溫度為383.15K。根據(jù)雷諾數(shù)公式：Re=duρ/μ，410A氟利昂的流速u=6m/s，密度ρ=88.74km/m3，黏度μ=1.80×10-5kg/（m·s）。將分歧管的管徑與410A氟利昂的各參數(shù)值代入上式，計(jì)算出雷諾數(shù)Re=1 131 435。此時處于完全湍流狀態(tài)。因此計(jì)算時應(yīng)選用 k-ε湍流模型方程，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在分歧管三通管部位，壓力-速度耦合項(xiàng)采用SIMPLE算法，收斂殘差設(shè)置為1×10-4。在流固耦合模擬計(jì)算時，須采用動網(wǎng)格的模擬方法，以便計(jì)算流體域和固體域的相互作用。選擇Smoothing與Remeshing兩種動網(wǎng)格方法，設(shè)置動網(wǎng)格區(qū)域，分歧管與流體接觸的區(qū)域設(shè)置為耦合面，即System Coupling。流體域和固體域的時間步長均設(shè)置為 0.001s。最后把兩個區(qū)域的模型導(dǎo)入System Coupling中，將流體區(qū)域中的System Coupling面和固體區(qū)域中的fluid flow interface面設(shè)置為耦合表面，以確保在耦合計(jì)算過程中完成數(shù)據(jù)傳輸。計(jì)算耦合運(yùn)動時間為10s。此時，流場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3結(jié)果與討論

3.1分歧管的宏觀流場結(jié)構(gòu)

圖6為分歧管整體速度矢量分布?？梢钥闯?，由于結(jié)構(gòu)的突變，導(dǎo)致流體從分歧管三通管開始流動至后面兩管時，在靠近中部的位置具有較大的速度梯度，速度激增至8.67m/s，產(chǎn)生了較大的沖擊，必然導(dǎo)致在此處會出現(xiàn)流場旋渦，引起分歧管管壁此處應(yīng)力的增加，此處與分歧管產(chǎn)生裂紋的位置對應(yīng)。

3.2分歧管的變形與等效應(yīng)力

圖7為分歧管整體變形云圖。分歧管的變形量在三通管根部與后彎管前端連接的附近區(qū)域較大，最大可達(dá)到0.33mm，從分歧管中部到分歧管兩側(cè)趨于減小，減小至0.04mm，說明分歧管的中部也就是三通管根部附近區(qū)域是分歧管的薄弱區(qū)域，而分歧管出現(xiàn)裂紋的位置就位于此區(qū)域內(nèi)。

圖8為分歧管等效應(yīng)力分布云圖，反映了分歧管以及流體之間的力耦合效應(yīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)：分歧管三通管根部的應(yīng)力最大，是分歧管強(qiáng)度最容易失效的部位。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分歧管根部應(yīng)力為305.2MPa，最大等效應(yīng)力位置與分歧管產(chǎn)生裂紋位置一致。

3.3應(yīng)力評定

為了分析空調(diào)分歧管制熱工況時斷裂的原因，采用線處理方法對應(yīng)力進(jìn)行均勻化和當(dāng)量線性化處理。線處理法是作沿截面法向方向的積分路徑線，并將各應(yīng)力分量沿此積分路徑線進(jìn)行處理與分析，是分析應(yīng)力常用的基本方法，對應(yīng)力處理有著適用性和準(zhǔn)確性［7］。然后對應(yīng)力進(jìn)行分類與評定。本文選擇貫穿分歧管厚度且通過最大等效應(yīng)力點(diǎn)（即分歧管制熱工況下出現(xiàn)裂紋的位置）的最短路徑為應(yīng)力處理線。

根據(jù)相關(guān)鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力分類原則，沿厚度線性分布的應(yīng)力為一次彎曲應(yīng)力pb，結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域內(nèi)壓力產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力為一次局部薄膜應(yīng)力pL，整體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的彎曲應(yīng)力為二次應(yīng)力Q。通過對上述路徑進(jìn)行線性化處理，可以得到薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和峰值應(yīng)力。根據(jù)相關(guān)鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，得到各應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算方式，以下是判斷各類應(yīng)力強(qiáng)度的依據(jù)。

式中：SⅡ?yàn)橐淮尉植勘∧?yīng)力強(qiáng)度，MPa;

SⅢ為一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，MPa;

SⅣ為一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度，MPa;

pL為一次局部薄膜應(yīng)力，MPa;

K為載荷組合系數(shù);

Sm為設(shè)計(jì)溫度下材料的應(yīng)力強(qiáng)度，MPa;

pb為一次彎曲應(yīng)力，MPa;

Q為二次應(yīng)力，MPa。

在本模擬過程中，K=1，分歧管受內(nèi)壓產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力為一次局部薄膜應(yīng)力，彎曲應(yīng)力主要為一次應(yīng)力。因此，應(yīng)力評價標(biāo)準(zhǔn)為：

由于不考慮疲勞破壞，因此忽略了峰值應(yīng)力強(qiáng)度對分歧管整體強(qiáng)度的影響。通過數(shù)值計(jì)算之后在Ansys Workbench軟件中顯示了應(yīng)力處理后的分布曲線，如圖9所示。

表1分別列出了分歧管模型應(yīng)力處理的結(jié)果。由表1可以看出，SⅢ＜124.04MPa不成立，分歧管出現(xiàn)裂紋處應(yīng)力評價結(jié)果為不合格。

4結(jié)語

本文采用流固耦合計(jì)算方法，對空調(diào)分歧管制熱工況時流場的速度分布、變形、等效應(yīng)力進(jìn)行了分析，并對分歧管進(jìn)行強(qiáng)度評定來討論分歧管制熱工況下出現(xiàn)裂紋的原因，得出以下結(jié)論。

1）通過對分歧管的速度分布、變形、等效應(yīng)力的分析，確定了分歧管結(jié)構(gòu)的薄弱位置，其與分歧管產(chǎn)生裂紋位置一致，在最大等效應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力處理。結(jié)果可知，分歧管三通根部的一次應(yīng)力高于許用值，這說明分歧管三通管根部的強(qiáng)度不足，這種分歧管的結(jié)構(gòu)不適合在本空調(diào)系統(tǒng)中運(yùn)用，應(yīng)對根部進(jìn)行改進(jìn)。

2）用流固耦合的方法對空調(diào)分歧管進(jìn)行分析，結(jié)果表明分歧管的三通管根部不滿足強(qiáng)度要求，而在實(shí)際工況下分歧管運(yùn)行時在三通管根部產(chǎn)生了裂紋，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。這表明本文建立的基于流固耦合的計(jì)算模擬方法是可行的，結(jié)果是可靠的。

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收稿日期：20230411

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52176040 E0602）

第一作者簡介：佀聞（1998—），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛C(jī)械設(shè)備，3370771766@qq.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.003