气/固两相流90°弯管段应力仿真研究

李文涛 柴琪琪 王月明 王志春

（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010）

气/固两相流90°弯管段应力仿真研究

李文涛 柴琪琪 王月明 王志春

（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010）

为了深入研究气/固两相流平台中90°弯管段应力随流速的变化情况，对90°弯管段应力变化进行仿真研究。在Comsol Multiphysics仿真软件上建立90°弯管段模型，并用Comsol Multiphysics 软件对90°弯管段流速与应力的关系进行仿真研究。仿真出三维应力变化图和应力面平均变化图，得出不同流速下对应的应力面平均值。从而得出：一定流速下从入口处到出口处应力逐渐减小，流速越大管道受到的应力越大。仿真结果对于实验装置的建立具有一定指导作用。

气/固两相流 90°弯管段 应力 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

图1 90°弯管段COMSOL仿真模型

随着社会的高速发展和科学技术的进步，气固两相流体系在国民经济生产以及人类生活中的地位越来越重要，针对工业中常见的圆截面90°弯管中的气固两相流的流动特征难于观测，以及由此造成的对其流动特性缺乏认识的问题，在气固两相流的检测平台中已经成为一个非常受关注的话题。在工业生产过程中，两相流（气/液、气/固、液/固）参数的测量和控制是一个急需解决的问题［1］。随着数值计算理论和计算机软硬件技术的不断发展，计算流体动力学（CFD）技术逐渐成为研究巷道工作而粉尘运动规律的重要手段［2］。

工业现场所用的传输管道大多是非透明的圆形截面管道，并包含长直管段和90°弯管。目前，对于速度测量，主要有基于电容、静电感应、γ射线等监测原理的相关测速方法［3-4］，基于超声、光学、微波等原理的多普勒测速方法及空间滤波方法等等［5］。

2 90°弯管段的应力几何模型的建立

90°弯管段的模型及设计按以下条件建立模型。管道的外径为50mm.管壁厚3mm，管道进口到出口长为0.871m。在仿真时在进出口处和出口处加长0.2m。90°弯管段如图1所示，图（a）为90°弯管段的仿真模型。图（b）为为网格划分后的仿真剖分模型，本文采用自由剖分方式。管道密度设置为1000kg/m3，动力粘度设置为0.001pa/s。依据实际实验管段，可建立如图1所示仿真模型。

3 90°弯管段的应力数学模型的建立

在装置运行时，固体气体的质量比小于2，属于稀相的气固两相流。气速范围在20m/s～30m/s之间。在流体在管道中运行过程时，根据流体的流速，密度，动力粘度及管道的管径，流体的运行状态分为层流，紊流，湍流。其区分的参考量是雷诺数Re。

当Re＞2000时，是紊流 。当Re＜2000时，是层流。

经过计算，可以通过雷诺数的计算，从而判断气固两相流的流动为典型的湍流。

3.1 90°弯管段的应力的系统关系式

图2 三维应力变化图与应力面平均变化图

本文有限元计算90°弯管段的应力的系统关系式如下：

图3 不同流速下对应的应力面平均值

其中ρ为流体密度，t为时间，u为位移，Fv为体积力，s为应力，▽为拉普拉斯算子。

3.2 Von Mises等效应力

Stress intensity （应力强度），是由第三强度理论得到的当量应力，其值为第一主应力减去第三主应力。Von Mises 是一种屈服准则，屈服准则的值通常叫等效应力。

4 90°弯管道应力仿真和分析

本文探讨了90°弯管段在不同流速下的应力变化和一定流速下应力的变化情况。本实验共做了6组，图2列出3组供观测。分析实验用六组。

本文探讨了管道仿真10s内不同情况下应力的COMSOL Multiphysics仿真。

图2显示了流速为20m/s、22m/s、24m/s、时管道不同位置处的应力变化情况。

从三维应力变化图中可以看出：当流速一定时随着时间增加应力逐渐增加，离入口处越远应力越小。图中还可以看出入口处会出现瞬间的应力变大，离入口处越远应力的变化越缓慢。

本实验共做了6组，图2列出3组供观测。分析实验用六组。图2里的三组图，每组图的第二个为应力面平均变化图。图3所示为6组流速下的应力面平均变化曲线， 图中6组曲线分别代表一组数据，从图中可以很直观的观测出不同流速下应力面平均值的变化情况。图3中可以看出流速为20m/s、22m/s、24m/s、26m/s、28m/s、30m/ s时，随着流速的逐渐增加应力的面平均值也会逐渐变大。说明流速对应力的变化是有影响的。

5 结语

本文运用多物理场耦合有限元仿真软件C O M S O L Multiphysics对90°弯管段的应力进行仿真，在建立的90°弯管段仿真模型上分析了该管道的一系列物理仿真量。本文主要是针对90°弯管段的应力相关量进行仿真，针对不同流量下应力的变化进行了仿真和研究。从三维应力变化图得出：随着时间增加应力逐渐增加；离入口处越远应力越小。

［1］李文涛，叶俊.气/固两相流螺旋式电容传感器的仿真设计［J］.仪表技术与传感器，2013（10）：7-10.

［2］胡承欢，夏毅敏.独头巷道爆破粉尘运动规律的仿真分析［J］ 计算机仿真，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］许传龙，汤光华，王式民等.基于静电传感器空间滤波效应的颗粒速度测量［J］.化工学报，2007，58（1）：67-74.

国家自然基金（61463042），内蒙古自然科学基金（2014MS0609）

李文涛 （1961—），女（汉族），内蒙古包头人，教授，硕士生导师，主要研究领域为自动化仪表、两相流测量技术；柴琪琪 （1988—），女（汉族），山西长治人，硕士研究生，主要研究为领域两相流测量技术。