CAE技術在流體機械及工程中的應用研究

劉禹 張英豪 洪得桓

摘要：本文對液壓力學中單一靜態、動態、多種裝置的 CAE技術在液壓力學中的運用進行了研究。所涉的靜態裝置有：貯槽、塔式、換熱器、離心式水泵、液環式水泵、螺旋式水泵、多套裝置體系如：滅火給水、高架管線等。介紹了流-固-液耦合、動、靜分析和設定、相-離散相模型、單一裝置和多裝置的系統級等問題。對于單一裝置，首先要進行流場的數值模擬，然后通過有限元和振型分析來確定結構的流載狀態。在多臺裝置的情況下，著重考慮穩態和暫態運行的工作特性，以便進行設備的選擇和評價，并有目標地制訂相應的保護對策。并指出了CAE技術在流體力學和工程領域的發展趨勢。

關鍵詞：CAE技術;流體機械;單個設備;多個設備系統

引言

液體力學是利用液體作為能源轉化的一種機器。在一般意義上，可將液體力學劃分成兩大類別：靜態裝置（例如管路、壓力容器、熱交換器等），以及動力裝置（例如：水泵、壓氣機、分選機等）。按照國家“十四五年發展計劃”提出的新的能源技術和“環保”思想，各行各業都在努力實現節約、降低能耗、提高經濟效益。由于其具有良好的適用性和容易實現自動化、智能化等優點，在我國的許多國家和地區得到了廣泛地使用。因此，在液體力學中，如何使其達到“綠色發展”的目的，已經是一個十分重要的課題。

CAE （CAE）是指通過計算機對工程進行計算、對產品和裝備進行分析、仿真和最優設計的總稱。眾所周知，傳統的液體力學與裝備研究方法，往往要經過大量的研究、測試、生產，開發時間較長，生產費用較高。利用CAE技術進行仿真和分析，可以降低工程造價，縮短設計與分析的周期;通過最優的方法，找到最優的產品設計，減少物料的損耗和費用;提前在生產或建造項目之前，找出可能存在的問題;對不同的實驗計劃進行仿真，降低實驗的時間和費用;綜上所述，CAE技術在減少開發費用、減少生產實踐、提高產品的性能方面有著顯著的優越性。

1單個設備的仿真分析

1.1靜設備

油庫、塔筒、管線等靜態設施的建設與利用日益趨向于大規模、輕型，在大風天氣下，此類室外設施經常會出現垮塌、結構損壞等情況，因此必須對設備進行結構的分析。另外，當裝置內部和外部的液體流場引起的誘發頻率與裝置的自然頻率接近或吻合時，會引起裝置的諧波，從而影響到裝置的工作，從而引起裝置的安全性問題。采用CAE技術，按照圖1中所述的程序，對裝置內部和外部的流場和內部的流-固-固耦聯進行了數值模擬。詳細地說，就是通過對裝置內的流媒水力和外界的風荷載進行數值模擬，確定裝置的流載狀態，然后通過有限元和模態分析，得出裝置的各個階、自振頻率，并對其進行強度校核，以驗證其可靠性。

圖2顯示了 CFD法所計算出的某個50000立方米的球狀容器的外部空氣壓力（風力 U=30米/秒）。球殼的外徑為21.3米，容器的厚度為21.3米，容器的厚度為24毫米，容器的內部填充比為0.9，所承受的壓力為1.66 MPa。在球罐的頂板、底板、側板及后風向上，形成了一個正壓區。在周向風壓力作用下，風力最大的是在迎風區的中央處，然后隨風速的變化而降低。圖3顯示了根據流體-固體耦合的方法，所獲得的球形容器的位移曲線。

從圖3 b可以看出，由于風力的作用，球殼體的背風面的變形比迎風面的變形要大，而且隨著風力的增大，這種變化會更加顯著，所以，風荷載的分布和不均勻性對設備安全的影響不容忽視。

圖4是一種化學分餾器在流動-固耦合過程中的振動模態法，它的自振頻率和振動模式3 l。它具有24米高、1.4米的內徑、10毫米的壁厚度、26個塔板、氣體、液體的氣體和液體，其工作壓力為0.13 MPa，高溫289.4攝氏度。根據圖3和4的結果，可以為裝置制訂對應的保安保護。

1.2動設備

在工作狀態下，很多部件和構件在一定的轉速下工作，并與流體的接觸媒介發生交互作用，因此它的工作機制要比靜態裝置更加復雜。動力裝置中的流體運動問題是動、動零件之間的交互干擾以及曲面彎曲等，并伴隨著二次氣流、空隙、尾流以及各類旋流。同時，由于裝置的工作速度較快，導致系統內部的壓力比液態的飽和蒸汽壓低，從而發生汽化，從而導致表面物料的腐蝕，從而導致裝置的故障。

關于移動裝置的 CAE技術仍然主要遵循圖1所述的技術路徑，但是必須把該計算模式劃分為若干個計算區，例如在圖5中所顯示的運動區域和靜態水體，并且利用分接口來分離和聯系運動區域和靜態水體。對于非穩定問題，要求應用滑動網格（動態區域不變形）或動態網格（可變的計算區域）法來捕獲流體換熱量的暫態特性。

圖6顯示了采用 OpenFOAM的開放源碼軟件對 S形離心式油泵流場進行了數值模擬。設計點流率 Q為54升/秒，旋轉速度為2900 r/分鐘，空耗剩余 NPSH為5.81 m。如從附圖6 b所示，在葉輪進口槳葉的吸力表面處聚集有一中空的云團（氣泡）。采用 CAE后處理技術，利用離心式水泵內部的流動特性仿真，對其進行了數值預報和數值分析。

圖7是2BE1-353型水環式真空泵，采用 CFD仿真方法進行了數值計算，其中，液相區為紅色，液相區為藍色。具有710毫米的直徑，372 r/分鐘的旋轉速度，60，000 Pa （絕對的）進口壓力和1 atm的輸出（絕對的）。仿真計算表明，液環泵的工作特性是可靠的。

圖6和7中的兩相流問題的一個共同之處是，可以使用一個“雙重流動模式”來進行仿真，即把分散的粒子相位（氣泡，小滴）假定為一個連續的準液體。在兩個流場中，兩個不同的數值模式下，均存在著同樣的控制方程式，因此其運算量相對較少。另外，由于在工程上經常出現液、固、氣兩相流動等問題，由于固體粒子自身具有分散性，在粒子尺寸上存在很大的差異，特別是當要理解固體粒子對機械地磨損時，如果繼續以粒子為繼續使用，則與現實存在著很大的誤差，以致無法得到所需的資料。

在這種情況下，可以考慮利用“連續-分離模式”來解決這一問題，即利用 CFD法對連續流動的流場進行數值模擬，將固體粒子看作是一個離散的相位，利用 DEM分析了粒子的運動、接觸、撞擊等性質，并利用耦合界面對流體和粒子進行了動態和能量的轉換，從而達到了一個雙向耦合的目的。

2多個設備的系統仿真分析

本文主要針對單一裝置規模內的三維流動和結構進行模擬，而在現實中，許多技術要求都是針對多臺裝置的水平（規模）進行模擬。從整體上講，為了選擇和評價裝置的安全性，本文著重討論了穩態和暫態化的運行特性。

如在圖8 A中所描述的滅火給水裝置，它由一個滅火水泵、一個閥門、一個管道和幾個平行的滅火水炮組成，它的數量可以根據打開或關閉的水龍頭來調節。在火災情況較大時，應加大氣門的開啟程度 Y，供水泵應確保水壓 H值不會降低過大，否則會對消防工作造成不利的后果。在供水要求降低的情況下，系統內的高壓很可能會導致管道、系統的破壞，嚴重威脅到人身的生命。采用 Flowmaster軟件（Flowmaster）為基礎，對滅火給水進行了數學建模。從滅火水泵壓力 H和氣門開口 Y之間的關系（圖8）可以看出，在滅火給水裝置中設置有壓力的水泵要比設置常規的離心式水泵要好。

另外，在化學工廠的高架管線，通常是一條或數十條管線，在管線上分布，用以運輸不同的溫度、壓、流狀態下的化學原材料及產品。因此，存在著局部變形、薄板斷裂等問題，從而造成了一定的安全風險。選擇一個具有102米乘6米乘13米的空中管線，包括10套支柱、4個管架和27個管子。

3結束語

文章結合筆者課題組近幾年的典型工作，闡述了 CAE技術在流體力學領域的研究進展。計算機輔助設計技術可以綜合考慮各種因素，運用多種物理場模擬方法，研究了流態、傳熱、質量、力學等問題。該方法不但適用于單一裝置，而且適用于由多種裝置構成的體系。

在電腦軟件和軟件技術的發展下，采用了先進的技術，如：人工智能、大數據等。CAE技術在流體力學、工程學等方面的廣泛運用，它具有很好的兼容性、實用性和實用性，從而使 CAE技術成為一種廣泛的技術手段。

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