CAE技术在流体机械及工程中的应用研究

刘禹 张英豪 洪得桓

摘要：本文对液压力学中单一静态、动态、多种装置的 CAE技术在液压力学中的运用进行了研究。所涉的静态装置有：贮槽、塔式、换热器、离心式水泵、液环式水泵、螺旋式水泵、多套装置体系如：灭火给水、高架管线等。介绍了流-固-液耦合、动、静分析和设定、相-离散相模型、单一装置和多装置的系统级等问题。对于单一装置，首先要进行流场的数值模拟，然后通过有限元和振型分析来确定结构的流载状态。在多台装置的情况下，着重考虑稳态和暂态运行的工作特性，以便进行设备的选择和评价，并有目标地制订相应的保护对策。并指出了CAE技术在流体力学和工程领域的发展趋势。

关键词：CAE技术;流体机械;单个设备;多个设备系统

引言

液体力学是利用液体作为能源转化的一种机器。在一般意义上，可将液体力学划分成两大类别：静态装置（例如管路、压力容器、热交换器等），以及动力装置（例如：水泵、压气机、分选机等）。按照国家“十四五年发展计划”提出的新的能源技术和“环保”思想，各行各业都在努力实现节约、降低能耗、提高经济效益。由于其具有良好的适用性和容易实现自动化、智能化等优点，在我国的许多国家和地区得到了广泛地使用。因此，在液体力学中，如何使其达到“绿色发展”的目的，已经是一个十分重要的课题。

CAE （CAE）是指通过计算机对工程进行计算、对产品和装备进行分析、仿真和最优设计的总称。众所周知，传统的液体力学与装备研究方法，往往要经过大量的研究、测试、生产，开发时间较长，生产费用较高。利用CAE技术进行仿真和分析，可以降低工程造价，缩短设计与分析的周期;通过最优的方法，找到最优的产品设计，减少物料的损耗和费用;提前在生产或建造项目之前，找出可能存在的问题;对不同的实验计划进行仿真，降低实验的时间和费用;综上所述，CAE技术在减少开发费用、减少生产实践、提高产品的性能方面有着显著的优越性。

1单个设备的仿真分析

1.1静设备

油库、塔筒、管线等静态设施的建设与利用日益趋向于大规模、轻型，在大风天气下，此类室外设施经常会出现垮塌、结构损坏等情况，因此必须对设备进行结构的分析。另外，当装置内部和外部的液体流场引起的诱发频率与装置的自然频率接近或吻合时，会引起裝置的谐波，从而影响到装置的工作，从而引起装置的安全性问题。采用CAE技术，按照图1中所述的程序，对装置内部和外部的流场和内部的流-固-固耦联进行了数值模拟。详细地说，就是通过对装置内的流媒水力和外界的风荷载进行数值模拟，确定装置的流载状态，然后通过有限元和模态分析，得出装置的各个阶、自振频率，并对其进行强度校核，以验证其可靠性。

图2显示了 CFD法所计算出的某个50000立方米的球状容器的外部空气压力（风力 U=30米/秒）。球壳的外径为21.3米，容器的厚度为21.3米，容器的厚度为24毫米，容器的内部填充比为0.9，所承受的压力为1.66 MPa。在球罐的顶板、底板、侧板及后风向上，形成了一个正压区。在周向风压力作用下，风力最大的是在迎风区的中央处，然后随风速的变化而降低。图3显示了根据流体-固体耦合的方法，所获得的球形容器的位移曲线。

从图3 b可以看出，由于风力的作用，球壳体的背风面的变形比迎风面的变形要大，而且随着风力的增大，这种变化会更加显著，所以，风荷载的分布和不均匀性对设备安全的影响不容忽视。

图4是一种化学分馏器在流动-固耦合过程中的振动模态法，它的自振频率和振动模式3 l。它具有24米高、1.4米的内径、10毫米的壁厚度、26个塔板、气体、液体的气体和液体，其工作压力为0.13 MPa，高温289.4摄氏度。根据图3和4的结果，可以为装置制订对应的保安保护。

1.2动设备

在工作状态下，很多部件和构件在一定的转速下工作，并与流体的接触媒介发生交互作用，因此它的工作机制要比静态装置更加复杂。动力装置中的流体运动问题是动、动零件之间的交互干扰以及曲面弯曲等，并伴随着二次气流、空隙、尾流以及各类旋流。同时，由于装置的工作速度较快，导致系统内部的压力比液态的饱和蒸汽压低，从而发生汽化，从而导致表面物料的腐蚀，从而导致装置的故障。

关于移动装置的 CAE技术仍然主要遵循图1所述的技术路径，但是必须把该计算模式划分为若干个计算区，例如在图5中所显示的运动区域和静态水体，并且利用分接口来分离和联系运动区域和静态水体。对于非稳定问题，要求应用滑动网格（动态区域不变形）或动态网格（可变的计算区域）法来捕获流体换热量的暂态特性。

图6显示了采用 OpenFOAM的开放源码软件对 S形离心式油泵流场进行了数值模拟。设计点流率 Q为54升/秒，旋转速度为2900 r/分钟，空耗剩余 NPSH为5.81 m。如从附图6 b所示，在叶轮进口桨叶的吸力表面处聚集有一中空的云团（气泡）。采用 CAE后处理技术，利用离心式水泵内部的流动特性仿真，对其进行了数值预报和数值分析。

图7是2BE1-353型水环式真空泵，采用 CFD仿真方法进行了数值计算，其中，液相区为红色，液相区为蓝色。具有710毫米的直径，372 r/分钟的旋转速度，60，000 Pa （绝对的）进口压力和1 atm的输出（绝对的）。仿真计算表明，液环泵的工作特性是可靠的。

图6和7中的两相流问题的一个共同之处是，可以使用一个“双重流动模式”来进行仿真，即把分散的粒子相位（气泡，小滴）假定为一个连续的准液体。在两个流场中，两个不同的数值模式下，均存在着同样的控制方程式，因此其运算量相对较少。另外，由于在工程上经常出现液、固、气两相流动等问题，由于固体粒子自身具有分散性，在粒子尺寸上存在很大的差异，特别是当要理解固体粒子对机械地磨损时，如果继续以粒子为继续使用，则与现实存在着很大的误差，以致无法得到所需的资料。

在这种情况下，可以考虑利用“连续-分离模式”来解决这一问题，即利用 CFD法对连续流动的流场进行数值模拟，将固体粒子看作是一个离散的相位，利用 DEM分析了粒子的运动、接触、撞击等性质，并利用耦合界面对流体和粒子进行了动态和能量的转换，从而达到了一个双向耦合的目的。

2多个设备的系统仿真分析

本文主要针对单一装置规模内的三维流动和结构进行模拟，而在现实中，许多技术要求都是针对多台装置的水平（规模）进行模拟。从整体上讲，为了选择和评价装置的安全性，本文着重讨论了稳态和暂态化的运行特性。

如在图8 A中所描述的灭火给水装置，它由一个灭火水泵、一个阀门、一个管道和几个平行的灭火水炮组成，它的数量可以根据打开或关闭的水龙头来调节。在火灾情况较大时，应加大气门的开启程度 Y，供水泵应确保水压 H值不会降低过大，否则会对消防工作造成不利的后果。在供水要求降低的情况下，系统内的高压很可能会导致管道、系统的破坏，严重威胁到人身的生命。采用 Flowmaster软件（Flowmaster）为基础，对灭火给水进行了数学建模。从灭火水泵压力 H和气门开口 Y之间的关系（图8）可以看出，在灭火给水装置中设置有压力的水泵要比设置常规的离心式水泵要好。

另外，在化学工厂的高架管线，通常是一条或数十条管线，在管线上分布，用以运输不同的温度、压、流状态下的化学原材料及产品。因此，存在着局部变形、薄板断裂等问题，从而造成了一定的安全风险。选择一个具有102米乘6米乘13米的空中管线，包括10套支柱、4个管架和27个管子。

3结束语

文章结合笔者课题组近几年的典型工作，阐述了 CAE技术在流体力学领域的研究进展。计算机辅助设计技术可以综合考虑各种因素，运用多种物理场模拟方法，研究了流态、传热、质量、力学等问题。该方法不但适用于单一装置，而且适用于由多种装置构成的体系。

在电脑软件和软件技术的发展下，采用了先进的技术，如：人工智能、大数据等。CAE技术在流体力学、工程学等方面的广泛运用，它具有很好的兼容性、实用性和实用性，从而使 CAE技术成为一种广泛的技术手段。

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