使用嵌入 CAD 的工程流體力學(xué)仿真優(yōu)化氣體混合過(guò)程

2017-03-01 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

SOLIDWORKS FLOW SIMULATION 是氣體混合 CFD 分析的最佳方法

氣體混合在各種廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域都非常重要,例如,煙道中的氣體混合對(duì)于排放控制系統(tǒng)的操作非常重要,填料塔和其他類型化學(xué)反應(yīng)器中的氣體混合會(huì)影響過(guò)程的產(chǎn)出量和可變性,氣體混合對(duì)用于處理危險(xiǎn)廢物的旋轉(zhuǎn)窯焚化爐的性能有重大影響,呼吸道中的氣體混合影響霧化藥物的療效,混合效率上若干個(gè)百分點(diǎn)的提升即可大幅減少低氧化氮燃燒器的能耗和排放。優(yōu)化氣體和空氣混合以滿足特定應(yīng)用需求頗具挑戰(zhàn)性,該過(guò)程通常需要反復(fù)建造并測(cè)試原型,因此非常耗費(fèi)時(shí)間和成本。大公司已經(jīng)采用了計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 來(lái)模擬氣體混合,但鑒于使用 CFD 技術(shù)所需投入的大量成本、時(shí)間和專業(yè)知識(shí),目前為止這種技術(shù)的應(yīng)用僅限于研究或解決現(xiàn)有設(shè)計(jì)的疑難問(wèn)題。

然而過(guò)去幾年,市面上出現(xiàn)了完全嵌入主流機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)境的新型CFD 工具,這些工具使用更加簡(jiǎn)單、更快且更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。在設(shè)計(jì)流程的早期階段,用戶可以使用這些新工具來(lái)評(píng)估大量備選方案的性能,早期階段的分析使之有可能以較少的時(shí)間和較低的成本來(lái)提高產(chǎn)品性能并解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文介紹了在設(shè)計(jì)流程的早期階段使用CFD改善氣體混合的使用指南。

氣體和空氣混合的重要性

燃燒設(shè)備制造商面臨著諸多競(jìng)爭(zhēng)壓力和監(jiān)管壓力,這迫使他們不得不提高能效、減少環(huán)境排放、加大控制力度并提供更大的燃料靈活性。應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)的關(guān)鍵在于改善燃燒器的性能,因?yàn)槿紵魇撬腥紵到y(tǒng)的重要組成部分。即便是很小的性能改進(jìn),也會(huì)對(duì)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)且耗費(fèi)大量能源的系統(tǒng)產(chǎn)生重大的積極影響。

對(duì)于幾乎所有燃燒器而言,燃料和氣體混合都是設(shè)計(jì)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。許多應(yīng)用領(lǐng)域面臨的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是通過(guò)注入氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)近乎理想化的混合。混合很重要,因?yàn)闅怏w和燃料的濃度不均勻?qū)?dǎo)致排放量的大幅上升和燃燒效率的大幅下降。非常徹底的氣體和空氣混合可消除火焰中的冷熱點(diǎn),冷熱點(diǎn)是氮氧化物排放的原動(dòng)力。

氣體和空氣混合設(shè)計(jì)方法的改變

直到最近之前,適當(dāng)?shù)臍怏w混合設(shè)計(jì)還被認(rèn)為更像是一項(xiàng)藝術(shù)而不是科學(xué)。傳統(tǒng)方法是建造原型或修改現(xiàn)有產(chǎn)品,然后測(cè)試產(chǎn)品,最終基于結(jié)果修改原型或產(chǎn)品,反復(fù)執(zhí)行此流程直到獲得理想的結(jié)果。此方法的問(wèn)題在于建造、修改和測(cè)試原型通常需要投入大量成本,而且非常耗時(shí)。

另一個(gè)問(wèn)題是,如果停用一直用于某操作過(guò)程的產(chǎn)品(例如發(fā)電設(shè)備)而進(jìn)行修改和測(cè)試,則可能產(chǎn)生高昂的成本。最近,試驗(yàn)和分析工具的改進(jìn)讓軟件原型逐漸取代硬件原型成為可能,前者可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出設(shè)計(jì)備選方案的性能。工程師使用CFD 按照現(xiàn)場(chǎng)使用條件來(lái)模擬產(chǎn)品運(yùn)行。相比物理測(cè)試,采用 CFD 仿真通?？色@取更多信息,例如貫穿整個(gè)求解域的流速和方向、壓力、溫度和組分濃度值。

作為分析的一部分,設(shè)計(jì)師可以更改系統(tǒng)的幾何體或邊界條件并查看其對(duì)流體流動(dòng)型態(tài)的影響。因此,CFD讓分析師可以用更短的時(shí)間和更低的成本來(lái)評(píng)估多種不同配置的性能。

嵌入式CAD 的發(fā)展趨勢(shì)

最近,嵌入 CAD 系統(tǒng)的 CFD 軟件的使用趨勢(shì)使得有可能將仿真應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段,相比物理原型,這種方法可以測(cè)試更多的設(shè)計(jì)備選方案,同時(shí)還能減少所需的原型數(shù)量。嵌入CAD 的 CFD使用原始 3D CAD 數(shù)據(jù),自動(dòng)劃分流體空間,并將流體參數(shù)作為基于對(duì)象的特征進(jìn)行管理,這使工程師無(wú)需理解CFD 的計(jì)算部分,只需專注于產(chǎn)品的流體力學(xué),這是他們本來(lái)就應(yīng)該理解和掌握的。

新一代CFD 軟件包含先進(jìn)的自動(dòng)控制功能,確保在幾乎所有應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)收斂,無(wú)需手動(dòng)調(diào)試。可能最重要的功能控制著網(wǎng)格質(zhì)量,是避免運(yùn)行發(fā)散的最大原因之一。因此,只需大致了解CAD 系統(tǒng)和產(chǎn)品的物理學(xué)知識(shí)即可操作 CFD 軟件,而絕大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師都已掌握這些知識(shí)和技能。這些步驟的自動(dòng)化還大幅減少了分析時(shí)間,使得在設(shè)計(jì)變更之前就交付分析結(jié)果成為可能。

氣體混合的仿真指南

幾種最佳做法可以幫助用戶確保CFD 氣體和空氣混合仿真的準(zhǔn)確性。使用原始 3D 數(shù)據(jù)可以保障實(shí)體模型的質(zhì)量。對(duì)于具有最低網(wǎng)格要求的內(nèi)部流體模型而言,實(shí)體必須形成密封的內(nèi)部空間,內(nèi)部流場(chǎng)不會(huì)出現(xiàn)對(duì)外泄漏通道。用戶應(yīng)該盡可能地消除幾何體的微小細(xì)節(jié),以便將CFD模型的大小降至最低。

導(dǎo)入幾何體后,應(yīng)該使用 CFD 軟件的 “檢查幾何體” 功能來(lái)檢查是否存在問(wèn)題。通過(guò)執(zhí)行試驗(yàn)網(wǎng)格生成并使用后處理器以可視化方式查看不規(guī)則單元,檢查是否存在因薄實(shí)體上的孔洞而引起的不規(guī)則單元?？梢酝ㄟ^(guò)增加局部網(wǎng)格密度來(lái)修正不規(guī)則單元。

湍流模型在混合仿真中非常重要,因?yàn)榇蠖鄶?shù)公司無(wú)法在成本上承擔(dān)功能強(qiáng)大到可以捕捉微小湍流細(xì)節(jié)的計(jì)算機(jī)。選擇正確湍流模型的關(guān)鍵因素在于將應(yīng)用中可能出現(xiàn)的流體特征與解算器中的可用模型相匹配。

K-epsilon 模型是一種備受歡迎的兩方程湍流模型,該模型包含兩個(gè)額外傳輸方程以表示流體的湍流屬性。業(yè)界已開(kāi)發(fā)出針對(duì)特定流體配置的專業(yè)版本K-epsilon 模型。設(shè)計(jì)工程師需要能夠驗(yàn)證其模型是否能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出實(shí)際混合過(guò)程的化學(xué)和物理特性。一種方法是針對(duì)當(dāng)前這一代產(chǎn)品構(gòu)建模型,并確認(rèn)該模型可預(yù)測(cè)其產(chǎn)品性能。至此,設(shè)計(jì)師即可放心地修改模型,因?yàn)樗麄冎涝撃Ｐ涂深A(yù)測(cè)出新設(shè)計(jì)的性能。如果中斷當(dāng)前產(chǎn)品運(yùn)行的代價(jià)過(guò)于高昂,則有理由建造一個(gè)小比例的產(chǎn)品模型,并將其性能與仿真模型進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)例研究

以下例子描述了如何使用這些方法來(lái)設(shè)計(jì)新一代EclipseLinnox 燃燒器。這種燃燒器被設(shè)計(jì)成可大幅降低在使用風(fēng)扇將空氣吹入自然氣體燃燒器時(shí)產(chǎn)生的能耗,而且具有與現(xiàn)有設(shè)計(jì)同等的能效和排放控制。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo),工程師需要在設(shè)計(jì)早期階段使設(shè)計(jì)流線化并去除有助于提高混合水平的特征,同時(shí)還要確保整個(gè)混合管道內(nèi)氣體與空氣的比例保持在7.5% +/- 0.5%。Eclipse設(shè)計(jì)師使用 3D CAD 系統(tǒng)生成燃燒器的初始設(shè)計(jì),然后使用 SOLIDWORKS Flow Simulation 技術(shù)進(jìn)行仿真。初始模型的仿真結(jié)果顯示了整個(gè)混合管道內(nèi)空氣和燃料的濃度,同時(shí)還高亮顯示出需要改善混合效果的區(qū)域。

使用嵌入 CAD 的工程流體力學(xué)仿真優(yōu)化氣體混合過(guò)程solidworks simulation培訓(xùn)教程圖片2

圖 1:基于中壓空氣旋渦和氣體注入的當(dāng)前設(shè)計(jì)的仿真產(chǎn)生一個(gè)良好質(zhì)量的混合

設(shè)計(jì)工程師對(duì)混合器設(shè)計(jì)做了一系列更改,每進(jìn)行一次更改之后,都要重新運(yùn)行一次仿真來(lái)確定相關(guān)更改的影響,同時(shí)需特別注意整個(gè)腔室內(nèi)的組分分布和壓降。他們還需對(duì)每個(gè)主要變型進(jìn)行一系列參數(shù)研究,從而評(píng)估更改設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸的影響。通過(guò)觀察這些更改對(duì)兩種組分的分布的影響,他們可以了解到設(shè)計(jì)敏感性,而這是使用物理測(cè)試方法無(wú)法做到的。工程師集中精力處理其中一項(xiàng)設(shè)計(jì)并執(zhí)行進(jìn)一步優(yōu)化,仿真結(jié)果表明,最終設(shè)計(jì)的壓降僅有300 帕斯卡,這比現(xiàn)有的燃燒器設(shè)計(jì)減少了 900%(10 倍)。直到這一階段,Eclipse 才針對(duì)新設(shè)計(jì)建造了第一個(gè)原型。原型的性能非常接近仿真預(yù)測(cè),這大幅降低了獲取新設(shè)計(jì)所需的時(shí)間和成本。

總之,將嵌入 CAD 的 CFD 仿真解決方案用于氣體混合產(chǎn)品的早期設(shè)計(jì)階段可以節(jié)省時(shí)間和成本。針對(duì)特定行業(yè)的具體需求而優(yōu)化的最佳做法,可以幫助設(shè)計(jì)工程師避免分析錯(cuò)誤。通過(guò)遵循特定的流程,所有工程師都可以在更改成本很低甚至無(wú)需任何成本的時(shí)候優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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