氣/固兩相流90°彎管段應力仿真研究

李文濤 柴琪琪 王月明 王志春

（內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭 014010）

氣/固兩相流90°彎管段應力仿真研究

李文濤 柴琪琪 王月明 王志春

（內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭 014010）

為了深入研究氣/固兩相流平臺中90°彎管段應力隨流速的變化情況，對90°彎管段應力變化進行仿真研究。在Comsol Multiphysics仿真軟件上建立90°彎管段模型，并用Comsol Multiphysics 軟件對90°彎管段流速與應力的關系進行仿真研究。仿真出三維應力變化圖和應力面平均變化圖，得出不同流速下對應的應力面平均值。從而得出：一定流速下從入口處到出口處應力逐漸減小，流速越大管道受到的應力越大。仿真結果對于實驗裝置的建立具有一定指導作用。

氣/固兩相流 90°彎管段 應力 流速 仿真

【Abstract】In order to study the variation of stress with the flow rate of 90 degree bend pipe in the gas / solid two phase flow platform， the simulation of the stress change of the 90 degree bend pipe is set up.Establish a 90 degree elbow model on Comsol Multiphysics.The relationship between flow velocity and stress of the 90 degree elbow is studied by simulation in Comsol Multiphysics.Get the three dimensional stress variation diagram and the average variation of stress surface via simulation.Through the analysis， we can know that the stress is reduced form the entrance to the exit and the greater of the flow velocity， the greater stress of the pipeline bear.The simulation results are of certain guiding role for the experiment testing platform.

【Key words】gas/solid two-phase flow；90 degree bend；Von Mises；Current Speed；simulation

1 引言

圖1 90°彎管段COMSOL仿真模型

隨著社會的高速發展和科學技術的進步，氣固兩相流體系在國民經濟生產以及人類生活中的地位越來越重要，針對工業中常見的圓截面90°彎管中的氣固兩相流的流動特征難于觀測，以及由此造成的對其流動特性缺乏認識的問題，在氣固兩相流的檢測平臺中已經成為一個非常受關注的話題。在工業生產過程中，兩相流（氣/液、氣/固、液/固）參數的測量和控制是一個急需解決的問題［1］。隨著數值計算理論和計算機軟硬件技術的不斷發展，計算流體動力學（CFD）技術逐漸成為研究巷道工作而粉塵運動規律的重要手段［2］。

工業現場所用的傳輸管道大多是非透明的圓形截面管道，并包含長直管段和90°彎管。目前，對于速度測量，主要有基于電容、靜電感應、γ射線等監測原理的相關測速方法［3-4］，基于超聲、光學、微波等原理的多普勒測速方法及空間濾波方法等等［5］。

2 90°彎管段的應力幾何模型的建立

90°彎管段的模型及設計按以下條件建立模型。管道的外徑為50mm.管壁厚3mm，管道進口到出口長為0.871m。在仿真時在進出口處和出口處加長0.2m。90°彎管段如圖1所示，圖（a）為90°彎管段的仿真模型。圖（b）為為網格劃分后的仿真剖分模型，本文采用自由剖分方式。管道密度設置為1000kg/m3，動力粘度設置為0.001pa/s。依據實際實驗管段，可建立如圖1所示仿真模型。

3 90°彎管段的應力數學模型的建立

在裝置運行時，固體氣體的質量比小于2，屬于稀相的氣固兩相流。氣速范圍在20m/s～30m/s之間。在流體在管道中運行過程時，根據流體的流速，密度，動力粘度及管道的管徑，流體的運行狀態分為層流，紊流，湍流。其區分的參考量是雷諾數Re。

當Re＞2000時，是紊流 。當Re＜2000時，是層流。

經過計算，可以通過雷諾數的計算，從而判斷氣固兩相流的流動為典型的湍流。

3.1 90°彎管段的應力的系統關系式

圖2 三維應力變化圖與應力面平均變化圖

本文有限元計算90°彎管段的應力的系統關系式如下：

圖3 不同流速下對應的應力面平均值

其中ρ為流體密度，t為時間，u為位移，Fv為體積力，s為應力，▽為拉普拉斯算子。

3.2 Von Mises等效應力

Stress intensity （應力強度），是由第三強度理論得到的當量應力，其值為第一主應力減去第三主應力。Von Mises 是一種屈服準則，屈服準則的值通常叫等效應力。

4 90°彎管道應力仿真和分析

本文探討了90°彎管段在不同流速下的應力變化和一定流速下應力的變化情況。本實驗共做了6組，圖2列出3組供觀測。分析實驗用六組。

本文探討了管道仿真10s內不同情況下應力的COMSOL Multiphysics仿真。

圖2顯示了流速為20m/s、22m/s、24m/s、時管道不同位置處的應力變化情況。

從三維應力變化圖中可以看出：當流速一定時隨著時間增加應力逐漸增加，離入口處越遠應力越小。圖中還可以看出入口處會出現瞬間的應力變大，離入口處越遠應力的變化越緩慢。

本實驗共做了6組，圖2列出3組供觀測。分析實驗用六組。圖2里的三組圖，每組圖的第二個為應力面平均變化圖。圖3所示為6組流速下的應力面平均變化曲線， 圖中6組曲線分別代表一組數據，從圖中可以很直觀的觀測出不同流速下應力面平均值的變化情況。圖3中可以看出流速為20m/s、22m/s、24m/s、26m/s、28m/s、30m/ s時，隨著流速的逐漸增加應力的面平均值也會逐漸變大。說明流速對應力的變化是有影響的。

5 結語

本文運用多物理場耦合有限元仿真軟件C O M S O L Multiphysics對90°彎管段的應力進行仿真，在建立的90°彎管段仿真模型上分析了該管道的一系列物理仿真量。本文主要是針對90°彎管段的應力相關量進行仿真，針對不同流量下應力的變化進行了仿真和研究。從三維應力變化圖得出：隨著時間增加應力逐漸增加；離入口處越遠應力越小。

［1］李文濤，葉俊.氣/固兩相流螺旋式電容傳感器的仿真設計［J］.儀表技術與傳感器，2013（10）：7-10.

［2］胡承歡，夏毅敏.獨頭巷道爆破粉塵運動規律的仿真分析［J］ 計算機仿真，2015，8（32）：235-238.

［3］YAN Y.Mass flow measurement of bulk solids in pneumatic pipelines ［J］.Measurement Science and Technology， 1996，12 （7）：1687-1706.

［4］MATHUR M P，KLINZING G E.Flowmeasurement in pneumatic transport of pulverized coal［J］.Powder Technology，1984， 40：309-321.

［5］許傳龍，湯光華，王式民等.基于靜電傳感器空間濾波效應的顆粒速度測量［J］.化工學報，2007，58（1）：67-74.

國家自然基金（61463042），內蒙古自然科學基金（2014MS0609）

李文濤 （1961—），女（漢族），內蒙古包頭人，教授，碩士生導師，主要研究領域為自動化儀表、兩相流測量技術；柴琪琪 （1988—），女（漢族），山西長治人，碩士研究生，主要研究為領域兩相流測量技術。