CAE技術在流體機械及工程中的應用研究

黃思 林冠堂 莫宇石

摘要：介紹了有關CAE技術在流體機械工程中的單個靜設備、動設備以及多個設備系統應用的方法和成果。涉及的靜設備有儲罐、塔、換熱器，動設備有離心泵、液環泵和螺桿泵，多個設備系統有消防供水系統和架空管道系統等。討論了流體機械及工程仿真中常見的流固耦合、動靜計算域設置、連續相一離散相模型、單個設備與多個設備系統尺度等CAE技術問題。對單個設備而言，先進行流場計算以確定結構計算的流動載荷條件，再進行有限元計算和模態分析。對于多個設備的系統，以關注系統穩態或瞬態的工作性能為主，便于完成設備的選型與評估、有針對性地制定安全防護措施。最后對CAE技術在流體機械及工程中的應用前景做了展望。

關鍵詞：CAE技術;流體機械;單個設備;多個設備系統

中圖分類號：TH455

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（ 2022）02-0001-06

0 引言

流體機械是以流體為工質進行能量轉換的機械設備。從廣義上講，流體機械可分為靜設備（如管道、壓力容器、換熱器等）和動設備（如泵、壓縮機和分離機等）兩大類。根據我國第十四個五年規劃發展綱要中對新能源技術和綠色發展理念的要求，各行業都應對生產制造的各個環節進行節能減排、降耗增效。流體機械由于適應性強、易于實現自動化智能化等特點，被廣泛應用于能源、醫療、化工、新能源等國民經濟建設的眾多領域之中。因此如何實現流體機械的綠色發展理念已成為當前的研究熱點之一。

CAE（ Computer Aided Engineering）技術即計算機輔助工程，是利用計算機進行工程計算、產品設備分析、模擬仿真以及優化設計的統稱。眾所周知，流體機械及設備傳統的研發模式一般需要經歷多次反復的設計、性能試驗、制造等過程，研發周期長、成本高。CAE技術通過計算機模擬分析，可減少設計成本，縮短設計和分析的循環周期;采用優化設計，找出產品設計最佳方案，降低材料的消耗或成本;在產品制造或工程施工前預先發現潛在的問題;模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經費;總之，CAE技術具有降低研發成本、縮短周期、可預測產品性能等明顯優勢[1]。

本文以作者研究團隊近些年運用CAE技術在流體機械及工程領域開展的一些代表性工作為例，探討CAE技術應用的方法旨在提高該技術在流體機械及工程領域應用的水平。

1 單個設備的仿真分析

1.1 靜設備

儲罐、塔、管道等靜設備的建造和使用呈現出大型化和輕質化的趨勢，強風作用下這類戶外設備的倒塌傾覆和結構破壞案例時有發生，需要考慮強風載荷下設備的結構分析。此外，設備內外流體流動產生的誘導頻率與設備固有頻率相一致或相近時，設備會發生共振，損害其正常工作，甚至會引發安全問題[2]。根據如圖1所示的計算流程，運用CAE技術對設備內外流體流動和結構進行流固耦合分析。具體講就是首先對設備內部流動介質流體力及外部風載荷進行數值計算（CFD），確定設備結構計算的流動載荷條件，再利用有限元計算和模態分析，得到設備的各階振型和固有頻率，對應力集中部位進行強度校核以檢驗結構的可靠性。

圖2所示為按CFD計算得到的某-5 000 m3丙烷球形儲罐外表面風壓分布（風速U=30 m/s）。球殼外徑、儲罐高度和壁厚分別為21.3 m、24 m和48 mm，罐內充裝率為0.9，壓力為1.66 MPa。風載荷在球罐迎風面形成正壓區，在球罐頂部、底部、側面和背風面形成負壓區。風壓在迎風面中心達到最大值，沿著周向風壓值逐漸減小。圖3所示為按流固耦合計算得到的球罐位移分布。由圖3 （b）可見，風載荷的作用使球殼背風面變形大于迎風面的變形，風速越大這種趨勢越明顯，因此設備表面風載荷的存在及其不均勻性對設備安全的影響不可忽視。

圖4所示為在流固耦合計算中由模態分析得到的某一化工分餾塔的結構位移、固有頻率及其振型結果[3]。該塔高24m，內徑1.4m，壁厚10 mm，塔板數26，氣相和液相分別為天然氣和汽油，工作壓力和溫度分別為0.13 MPa和289.4℃。針對圖3和圖4的結果，可以有針對性地對設備制定相應的安全防護措施。

圖5所示為石化企業的某一換熱器計算模型和溫度計算結果。換熱器殼體長3m，內徑159 mm，內有11根φ25 mmx2.5 mm的換熱管。殼程介質為減頂氣，入口流量6.3 kg/h，溫度255℃;管程介質為循環水，入口流量125.9 kg/h，溫度32℃[4]。該問題求解的難度在于設備總體尺寸大，而壁厚、污垢厚度等局部細節尺寸較小，涉及流體流動傳熱、固體導熱甚至還有設備的失效分析等內容，對計算機資源配置要求較高，需要對計算模型做出合理的簡化處理。

1.2 動設備

工作時動設備的許多結構和零部件以某個速度運行，與所接觸的流動介質相互作用，因而其工作機理比靜設備要復雜得多。動設備內部流動的主要問題是動靜部件間的相互干涉和表面曲率等作用，同時還伴有二次流、間隙流、尾跡及各種旋渦[5]。另一方面，設備高速運行時容易出現局部壓力低于液體飽和蒸汽壓而產生空化汽蝕，造成表面材料剝蝕使設備失效[6]。

有關動設備的CAE方法基本上仍采用圖1給出的技術路線，但需要將計算模型分成如圖6所示的運動域和靜止域等多個計算域，使用分界面將運動域和靜止域分隔和關聯。非穩態問題需要采用滑移網格（運動域不變形）方法[7-8]或動網格（計算域可變形）方法[9-10]捕捉流動傳熱的瞬態行為。

圖7所示為使用開源軟件OpenFOAM計算得到的設計點工況下IS型離心泵的流場分布[11]。設計點流量Qd=54 L/s，轉速n=2 900 r/min，有效汽蝕余量NPSHa=5.81 m。從圖7 （b）可以看出空化云（氣泡）集中在葉輪入口葉片吸力面的位置。通過CAE后處理，由離心泵內流場模擬結果可以對泵水力性能進行預測計算。如圖8所示，數值模擬可以較好地預測離心泵的水力性能。

圖9所示為按CFD模擬計算得到的2BE1-353型水環真空泵內氣液兩相分布，紅色表示氣相，藍色表示液相。葉輪直徑為710 mm，轉速為372 r/min，入口壓力為60 000 Pa（絕壓），出口壓力1 atm（絕壓）。數值模擬結果得到了液環泵性能實測結果的驗證[12]。

圖7和圖9這類兩相流問題的共同點是在模擬計算時可采用“雙流體模型”，將離散的顆粒相（氣泡、液滴）假設成連續的擬流體。雙流體模型中離散相和連續相有相同形式的控制方程，計算量較小，目前的CFD對多相流模擬主要采用這種方法。此外，工程中常有液固或氣固兩相流的情況，固體顆粒本身是離散的，在顆粒尺度范圍較大，尤其是需要了解固體顆粒對設備磨損的情況下，若仍將顆粒作為連續相處理會與實際情況有較大偏差甚至得不到想要的信息。

因此，對這類問題可考慮“連續一離散相模型”，按CFD方法求解連續的流體介質，把固相顆粒視為離散相，采用離散元方法（DEM）對顆粒相的動力學、接觸和碰撞等特性進行求解，通過耦合接口實現流體與顆粒之間的動量和能量傳遞，達到雙向耦合的效果[13]，具體過程如圖10所示，其中Fluent是CFD軟件，EDEM是DEM軟件。

圖1 1所示為計算得到的IS型離心泵輸送固液兩相介質時固體顆粒的分布情況[14]。設計點流量Qd=99 m3/h，揚程Hd=13.6 m，轉速n=1 450 r/min，入口固相體積率2%，粒徑1.0-3.0 mm，密度p=1 500 kg/m3。

圖12所示為設計工況下該泵各部位材料的相對磨損量（t=0.8 s）。總體而言，蝸殼的磨損量約占總磨損的70%左右（圖12（a）），這個結果與Roco等[15]的涂層磨損實驗結果相符。葉輪各部位磨損量大小順序為：葉片工作面>后蓋板>前蓋板>葉片背面>葉片頭部>葉片尾端（圖12（b）），該計算結果與有關涂層磨損實驗結果[16-17]的趨勢基本一致。

還有一類動設備是依靠腔體的容積變化來與流動介質交換能量的，例如單螺桿泵在工作時轉子和定子相嚙合構成一系列流體腔室，如圖13所示，腔室的大小和形狀隨時間作周期變化。對于這類流體域變形的仿真計算問題，一般采用動網格方法解決，如圖14所示。

圖15所示為計算得到的某一單螺桿泵定子表面的靜壓分布[18]。螺桿泵主要參數為：轉子直徑55 mm，轉子偏心距8.2 mm，定子與轉子間隙0.15 mm，定子導程480 mm，定子總長7.68 m。考慮到計算硬件的限制，定子模型長度取實際總長的1/4。n=180 r/min，△p=2 MPa。由圖可知，每個腔室內的靜壓值較為均勻，不同腔室的壓差比較明顯。

圖16所示為該螺桿泵中心截面的流速矢量圖。計算結果顯示，相鄰腔室內流體在壓差作用下沿密封線由高壓腔室向低壓腔室泄漏，且較高△p工況的泄漏較為嚴重。

2 多個設備的系統仿真分析

以上介紹的是在單個設備尺度上進行三維流場或結構的仿真計算，但實際中有很大部分的技術需求是要解決多個設備系統層面（尺度）上的仿真問題。就整個系統而言，主要關注的是系統穩態或瞬態的工作性能，以便于設備的選型與安全評估等。

例如對于如圖17 （a）所示的消防供水系統，該系統配置有消防泵、閥門、管路和若干個并聯的消防水槍等設備，水槍的數目可通過開閉水槍閥門進行調整。當火情嚴重需要增加閥門開度y時，供水泵須保證水壓H不能下降太多，以免影響滅火效果。當用水需求減少時，系統壓力過高又容易造成管路或系統的損壞甚至危及到人員的安全。利用Flowmaster軟件平臺建立消防供水系統的計算模型（圖17（b））[19]。由計算得到的消防泵水壓H與閥門開度Y的關系曲絨（圖18）可見，消防供水系統配置恒壓泵要優于配置普通離心泵。

另一個案例是化工園區的架空管道系統，其一般是由數條甚至幾十條管道集中敷設在管廊上，用于輸送各種溫度、壓力和流量工況的化工原料和成品，因而可能出現局部變形、減薄失效等問題產生安全隱患。選取如圖19所示的某一架空管道系統，幾何尺寸為102 m×6 m×13 m，該系統有10組立柱，4層管架，27根管道。

使用Ansys軟件對該系統建立APDL有限元計算模型，分別采用梁單元（Beam189）和管單元（Pipe289）對立柱、管架和管道進行建模[20-21]，載荷主要有重力、介質溫度和流體對管道的作用力等。管道兩端和無沉降的立柱底部取固定約束，有沉降的立柱底部按測量結果設置向下位移。圖20所示為計算得到的架空管道系統位移分布。由圖可見，豎直方向最大位移出現在圖中箭頭指向位置，數值為17.2 mm。

圖21所示為計算得到的架空管道系統等效（VonMises）應力分布。由圖可知，最大應力（150 MPa）出現在管道與管架橫梁接觸的位置，對照有關標準可滿足應力校核。

3 結束語

本文以作者團隊近年來的代表性工作為例，介紹了有關CAE技術在流體機械工程中應用的方法和成果。CAE技術可考慮實際中存在的多方面影響因素，采用多物理場仿真手段，對流體流動、傳熱傳質、結構受力和其他復雜的工程問題進行分析。不僅對單個設備，也可以對多個設備所組成的系統進行分析。

隨著計算機軟硬件技術的不斷更新換代，結合運用人工智能、大數據等高科技手段，CAE技術在流體機械及工程等領域有著更為廣闊的應用前景，其包容性、功能性和有效性越來越強而使得CAE技術貫穿整個工程設計應用的過程。

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