三通管接头流固、流固热耦合计算对比分析

张志鑫,李旭东

(兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州 730050)

三通管接头流固、流固热耦合计算对比分析

张志鑫,李旭东

(兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州 730050)

为了研究三通管接头在流体运输过程中的力学性能变化,基于多物理场耦合程序MpCCI,联立结构场分析软件ABAQUS和流场计算软件FLUENT,对三通管接头的力学性能变化进行了流固耦合、流固热耦合数值仿真。结果表明:在相同的流场边界条件下,流固热耦合计算得出管对应部位的应力、位移比没有温度场的流固耦合计算得到的都大了数百倍;在三通管存在尖角以及管接合的区域,应力集中的现象很明显,有温度场时应力集中更严重,应力集中的区域也更大。

流固耦合;流固热耦合;应力集中;力学性能

管接头是机械、石油、化工、冶金等行业中管道连接的关键部件,但由于高温、压力、疲劳和腐蚀等原因,使得管子在使用过程中出现断裂、泄露等危险事故[1]。实际工程中应用的三通管是一个多学科交叉、多物理场耦合的实例。在三通管的服役过程中会受到管内流场的冲击和摩擦作用,这种流场的冲击力使得管发生变形,会改变双层管的力学性能[2-4]。我们以三通管接头为研究对象,通过多物理场耦合软件Mp CCI,联立结构场分析软件ABAQUS和流场计算软件FLUENT,对其接头的力学性能变化进行了流固耦合、流固热耦合数值仿真。

1 两种耦合的方法及软件介绍

1.1 流固、流固热耦合方法

美国的Westergaard H M在1933年首次提出了流固耦合的问题,但是直到20世纪80年代以后才被重视起来。在研究的三通管的流固耦合、流固热耦合分析计算中,采用的是压力-位移耦合方式,即三通管内的流场会对管有膨胀或挤压作用,使得三通管发生变形,这种变形在结构体分析软件中会用单元节点的位移来表示,而流场作用在三通管上的压力是由流场单元网格的节点压力来表示的。

流固耦合、流固热耦合的计算是借助计算流体力学与计算结构力学分析流场与结构场中的力学计算问题。研究中三通管在流场作用下的变形微小,并且流场和三通管耦合明显,因此在对管进行流固耦合、流固热耦合分析时选用的是弱耦合求解的方法。弱耦合求解方法就是在每个时间增量步上通过对CSD方程和CFD方程的依次求解,在耦合界面处对流场计算数据和结构场计算数据进行交换,这样反复交替的计算直到耦合分析完成[5]。

1.2 Mp CCI多物理场耦合软件

多物理场耦合的软件很多,由德国Fraunho fer研究所推出的Mp CCI(Mesh-based parallel Code Coupling Interface)软件,其本身不具有多场耦合的分析功能,但许多大型有限元分析商用软件可以通过MpCCI与其他软件的互相传递、交换数据,实现多场耦合的分析,也就是说它是很多商业软件或者多学科分析的一个程序接口[6]。

1.3 ABAQUS软件

有限元分析软件ABAQUS擅长处理复杂的非线性问题,如擅长解决非线性材料、大变形以及接触等高端问题,其不但可以分析高度非线性的庞大复杂模型,还可以解决单一零部件的力学分析和多场耦合的分析,如能够分析热/电耦合、渗流/应力耦合等,还可以对整个系统进行模拟分析。正是由于ABAQUS超强的分析能力和模拟复杂问题的可靠性,它在航空航天、机械制造、汽车交通、石油化工、国防军工、能源等领域以及科研中被广泛应用[7-9]。

1.4 FLUENT软件

FLUENT软件是一款能够模拟分析复杂流体流动以及流体与温度场相互作用的CFD软件。与传统方法相比其具有不受实验模型和物理模型的制约、计算速度快、节省时间、节约成本、应用领域广以及能够获得可靠准确的计算结果等优点,并且也很容易模拟易燃、高温以及特殊尺寸等真实流体环境,而这些环境又是实验室无法达到的[10,11]。

2 结构场和流场的计算模型

2.1 结构场计算模型

在ABAQUS中完成三通管接头的几何建模,管的内直径20 mm,管厚2.5 mm,长管长200 mm,短管长100 mm,如图1所示。材料属性见表1。ABAQUS中默认的单位是mm,因此在管的流固耦合、流固热耦合分析中,材料参数必须由m转换成mm对应下的材料参数,然后创建耦合面,耦合面是结构场和流场接触的表面,也是结构场计算数据和流场计算数据交换传递的界面。流固耦合中的网格单元类型为3D Stress,而流固热耦合因为增加了温度场,所以设为Coupled Temperature-Displacement网格单元类型。同理,在分析步模块,流固耦合选择Static General分析类型,而流固热耦合选择Coupled Temperature-Displacement分析类型。在对三通管进行流固热耦合分析计算时,除了设置三通管两端的固定边界条件外,还需要设置温度场边界条件,即在三通管的内表面设置初始温度场,最后写出input文件。

图1 三通管结构场模型Fig.1 The structure field model of t-branch pipe

表1 三通管的材料属性Table 1 Material properties of t-branch pipe

2.2 流场计算模型

流场的计算域为三通管内部的区域,需要注意的是流场计算域的外径必须要和三通管的内径一致。通过ABAQUS/CAE来进行流场计算域的建立,对流场计算域模型进行网格划分,在ABAQUS中只能对流场计算域几何模型的边界进行指定,然后导出FLUENT计算所需要的inp文件。流场的几何模型和网格如图2所示。再将inp文件导入FLUENT中进行求解器设置,在流场物性里,流体选择了液态水,水的参数为默认值。在FLUENT需要设定三种边界条件,分别是入口边界条件,出口边界条件和壁面边界条件。沿y轴正向和z轴正向为管的两个入口边界条件,入口速度都为0.2 m/s,另一管口为出口边界条件,其余面是耦合面为wall边界条件。在流固热耦合时,还需要对耦合面进行温度传递方式的设置。最后写出cas文件。

图2 三通管流场模型Fig.2 The flow field model of t-branch pipe

3 两个耦合过程及其结果对比

3.1 三通管接头的流固耦合过程

通过协同耦合仿真技术把三通管流固耦合过程中的物理量变化的过程清晰地展示出来,其过程如图3所示[12]。分析过程可以分为以下三个步骤:

图3 MpCCI作为接口的耦合示意图Fig.3 Coupling diagram when MpCCI as the interface

(1)分别在相应的软件建立需要耦合计算的模型(在ABAQUS中建立三通管的结构场计算模型,设置三通管的内表面为耦合面;在FLUENT建立流场的计算模型,设置流场和管接触面为耦合面)。

(2)通过MpCCI把两个模型耦合在一起, MpCCI中FEM模块是用来调用结构场计算模型的,在其中设置结构场相关的参数、结构场模型文件等,注意两个模型的单位要一致。另外一个模块是CFD模块,用来调用流场的计算模型,其中设置流场相关参数以及流场计算的模型文件等。其次,设置耦合计算时传递数据的耦合界面和交换的物理变量,在Mp CCI界面选取结构场和流场的耦合面。流固耦合计算时,主要关注的是三通管在流场作用下的应力变化等力学变量。流固耦合需要交换的变量为NPosition(结构场需要交换的变量)和Re1Wall Force(流场需要交换的物理量)。在耦合计算过程中,结构场和流场分别进行求解计算,再通过MpCCI的协助,完成变量的数据交换。

(3)设置完耦合参数后,调用MpCCI、ABAQUS和FLUENT三个计算程序开始耦合计算。计算过程先对流场进行分析计算,流场计算的压力数据通过Mp CCI进行数据转换并传递给ABAQUS,ABAQUS通过数据的插值计算转换为相应的应力、位移等数据,ABAQUS再通过Mp CCI把转换完的数据传递给FLUENT,这样的计算过程和数据交换过程反复交替运行,直至耦合计算完成。最后通过结构场和流场相应的后处理软件对计算结果进行分析处理。

3.2 三通管接头的流固热耦合过程

流固热耦合是在流固耦合的基础上进行的,也就是在原来流固耦合两个物理场的基础上考虑了温度场对应力分析的影响,来进行温度场、结构场以及流场相互耦合作用的分析计算。我们通过对材料设置热传导参数,像比热容、热传导率、线膨胀系数以及设置温度边界条件来实现温度场的耦合计算。研究的流固热耦合仅是三通管的管内壁有温度场的耦合分析,其耦合计算不但需要设置温度场相关的材料参数,而且要在ABAQUS中设置相应的分析类型以及网格单元类型。分析类型和单元类型都设置为Coupled temperature-displacement热力耦合类型。

流场中要设置能量方程、耦合面的热交换方程等参数。和流固耦合的分析过程一样,通过Mp CCI把从ABAQUS中导出的input文件以及FLUENT中导出的cas文件耦合在一起进行分析计算。但不同的是耦合过程中耦合变量设置不一样,流固热耦合还需要在Mp CCI中设置温度场相关的变量,像Film Temp、Wal1HTCoeff、Wa1l Temp等。

3.3 仿真结果及其对比分析

在后处理中因为管、管的边界条件以及流场的边界条件都对称,所以取图时截取的是剖面图,以便能更清楚地看到管内壁的力学性能变化。

图4、图5分别为三通管流固耦合、流固热耦合得到的位移云图。位移的实质是三通管在流场压力的作用下,其单元节点位置发生偏移。位移反映了流场流体作用于三通管的膨胀力的大小,由图4、图5可以看出在流固耦合的计算结果中,管内众多区域位移大小均在10－4mm的量级,而流固热耦合得到的位移大小基本都在10－2mm的量级。即流固热耦合后管对应节点的位移比只有流固耦合得到的位移大了两个数量级。这说明由于温度场的作用,流固热耦合下流体作用于管的膨胀力比只有流固耦合时流体对管的膨胀力大数百倍。

图4 三通管流固耦合计算位移云图Fig.4 Displacement cloud chart of t-branch pipe fluid-sdid couple computation

图5 三通管流固热耦合计算位移云图Fig.5 Displacement cloud chart of t-branch pipe fluid-solid heat coupling calculation

图6、图7分别为三通管流固耦合、流固热耦合得到的应力云图。由图6、图7可以看出,流固热耦合计算得到的管对应节点应力大小多在102N的量级上,比流固耦合计算得到的应力大两个数量级,这同样归功于温度场显著增大了管的应力。此外还可以看出,在三通管T字交接的地方其位移较其余区域发生了突变,这是由于两股入流流体在该区域交汇冲撞造成的。在三通管的接合处都出现了应力集中,所区别的是流固耦合中应力集中区域很小,而在流固热耦合中该区域扩大成一个箭头形状,这也显示了温度场对管的应力集中的增强作用。

图6 三通管流固耦合计算应力云图Fig.6 Stress cloud chart of t-branch pipe fluid-solid couple calculation

图7 三通管流固热耦合计算应力云图Fig.7 Stress cloud chart of t-branch pipe fluid-solid heat coupling calculation

4 结论

(1)通过后处理得到的剖面图比较流固耦合、流固热耦合的分析结果发现,在相同的流场边界条件下,三通管内壁有温度场时管的应力、位移等计算结果比没有温度场时的流固耦合计算得到的应力、位移都大两个数量级。

(2)在三通管内存在尖角以及管接合的区域,应力集中的现象很明显,有温度场时应力集中更严重、区域更大。

(3)说明了温度场对三通管的材料力学性能的影响巨大,这使得三通管在工程实践中应用时,必须要考虑温度场对其材料力学性能的影响。所以在必须有温度场的服役工况时,为避免发生不必要的后果,对施加在三通管的温度场和热场必须要加以严格的控制,否则会造成管的膨胀位移、应力应变等力学性能指标过大。研究得到的结果对三通管在有温度场的服役工况下的服役行为可以给出较有价值的参考。

参考文献:

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[2] 刘巨保,张强,罗敏,等.双层管与流体多场耦合数值模拟[J].东北石油大学学报,2010,34(5):114-121.

[3] Lavooij C S,Tijsseling A S.Fluid-Structure Interaction in Liquid-Filled Piping Systems[J].Journal of Fluids and Structures,1991,5(5):573-595.

[4] Zhao Ming,Ghidaoui M S.Godunov-Type Solutions for Water Hammer Flows[J].Journal of Hydraulic Engineering,2004, 130(4):341-348.

[5] 张阿漫,戴绍仕.流固耦合动力学[M].北京:国防工业出版社, 2010.

[6] Ahrem R,Hackenberg M,Post P,et al.MpCCI-Mesh Based Parallel CodeCoupling Interface[J].Institute for Algorithms and Scientific Computing(SCAI),2000:10-11.

[7] 庄茁.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京:科学出版社,2005.

[8] 曾攀.有限元分析及应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[9] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2006.

[10] 韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[11] 朱红钧,林元华,谢龙汉.FLUENT流体分析及仿真实用教程[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[12] Mpcci的体系结构图[EB/OL].http://image.baidu.com/i? ct＝503316480&z＝0&tn＝baiduimagedetail&ipn＝d&word＝mpcci的体系结构图,2015-2-7.

Comparative Analysis of Tee Pipe Coupling Fluid-solid, Fluid-solid Thermal Coupling Calculation

Zhang Zhixin,Li Xudong
(State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-Ferrous Metal Material,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China)

In order to study the mechanical properties changes of tee pipe coupling during the fluid transport,this paper bases on the multi-physics field coupled program MpCCI and simultaneous structure field to analyze the software ABAQUS and flow field calculation software FLUENT,making fluid-structure interaction and fluid solid heat couple numerical simulation in the changes of mechanical properties of tee pipe coupling.The results show that,in the same flow field boundary conditions,the fluid solid heat couple calculation of the stress and displacement of tube corresponding parts are hundreds of times larger than the fluid solid couple calculation without temperature field.What is more,there is obvious stress concentration in the connection area of sharp corner and tubes in the t-branch pipe.It is more obvious of the stress concentration with larger stress concentration areas when there is temperature field.

Fluid-structure coupling;Thermal fluid-structure coupling;Stress concentration;Mechanical properties

U174

:A

:1004-0366(2016)05-0079-05

2015-03-04;

:2015-04-25.

张志鑫(1990-),男,湖北郧西人,硕士研究生,研究方向为计算机仿真.E-mail:zzxllgjhx＠sina.com.

Zhang Zhixin,Li Xudong.Comparative Analysis of Tee Pipe Coupling Fluid-solid,Fluid-solid Thermal Coupling Calculation[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):79-83.[张志鑫,李旭东.三通管接头流固、流固热耦合计算对比分析[J].甘肃科学学报,2016,28(5):79-83.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.019.