折流板除雾器结构尺寸优化数值模拟.pdf

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化工机械
2014年
折流板除雾羇结构尺寸优化数值模拟
夏芃力孔庆森2刘丽艳
(1.天津市化工设计院;2.天津大学化工学院)
要运用 ANSYS软件财折流极除雾器进行流固耨合数值襪拟研究,优化折流板除雾器的结构尺す
参数。选取折流板除雾器约束处最大应力om,进第一块折板的最大应力Cm和最大拢度ma为按
制指标,研究了约東孔径、折流板高度及的東边宽度等因亲对折流板除雾器力学能响规律,鮴果表
明约束孔径20mm、折板高度80mm、约東边究60mm的条件下折流板力学性能最优,相关计算方法可为
折板除雾器的工业设计提供指导。
关缝词折流板除雾器流固合カ学性能结构尺す优化
中图分类号T0050.3文載标识码A文章号0254-6094(2014)03-0350407
化工生产排放的气体中经常含有产品液滴或法。随着计算机技术的飞速发展,数值模拟方法
固体小颗粒,若直接排放,则可能腐蚀下游设备,得到广泛关注。流固耦合数值模拟技术可直接提
诱发振动造成力学失效,或出现浪费原料及污染取设备内部流场和載荷分布,加载到力学计算过
大气等现象。近年来,国外一种新型除污节能设程中,实现力学计算准确加載,实时捕捉工作状
备一折流板式除雾器被广泛应用于工业生产态。 Tang D M等针对流固耦合技术进行研究,对
中,该设备可有效地从气流中分离出夹带的徴小比了线性理论和实验数据,并将其应用于超音速
液滴和固体颗粒,进而改善生产条件、减少环境污压气机的分析中,在更接近真实的工作状态下得
染。由于该类分离器的材料和结构尺寸多种多到较理想的研究结果“-。折流板除雾器的坍塌
样,且具有高效节能、工作稳定性好、结构坚固耐失效机理比较复杂,研究流场稳态情况下折流板
用及可常规设计等特点,同时还能适于高气速、高的受力和应力分布情况,可为进一步研究除雾器
液载和各种粘性液体,因而被广泛应用于治金、化失效机理奠定基础。笔者采用流固耦合数值模拟
工及炼油等工业领域。
方法,计算除雰器内流体压力场,加载到固体计算
1939年国外学者首次对折流板除雾器进行域,分析固体折流板受力情况,研究结枃参数对折
研究,随后研究者们分别采用实验和数值模拟的板力学性能的影响,并得到最优结构参数,为其工
方法对折流板除雰器流场进行研究,实验结果验业应用提供指导。
证了数值模拟流场的可靠性“。随着折流板除1数值模拟
雾器应用的工业化和大型化,出现了设备坍塌、断
模型及网格
裂等力学问题,严重影响生产效益和安全“。
采用 ANSYS软件对折流板除雾器进行流固
目前,工业生产中折流板的力学性能受到设备运耦合数值模拟,实际工作过程中单片折流板的受
行状况及约束等因素的影响,很难实现直接测量力情况基本相同,为滅少计算时间和计算量,只取
和分析,针对这一问题尚末开发出有效的解决方其中一片折流板为研究对象,模拟该折流板两侧
本长江学者和创新团队发展计划(IRT10936)。
夏力,男,1977年1月生,工程师。天津市,300193
万数据
第41卷第3期
化工机械
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流场,将沆场载荷加载到折流板上进行受力分析,位
图1a给出单片折流板的计算模型。采用ICEM
软件对流体和固体的计算域生成六面体结构化网
格,弯折处和约束处对流体和固体进行网格加密
处理(图1b、c),对网格进行了敏感性分析和网格
无关性检验。图2给出了进口气速为5m/s时,折
流板上、下两侧流体通道中心位置横截面流场压
力分布。由图2可见,折流板上、下两侧通道内的
流场分布基本相同,靠近进口处压力均较大,在每
弯折处折流板两侧的压差较大,随着流体的
b.折流板下侧
流动,折流板两侧通道内的压力均逐渐减小,两侧
图2进ロ气速5m/时折流板两側压力分布
1.2数值模拟条件
的压差也随之减小。但总体上两侧通道压力场分
流体边界条件
布基本一致。
流体介质选取25°C时空气-水体系,空气为
连续相,水滴为分散相。连续相进口条件为速度
进口;出口条件为压力出?;壁面条件为无滑移,
绝热。离散相进口条件为速度进口,速度与连续
相相同,在进口均匀分布;出口条件为压力出口
壁面条件为与壁面相互作用模型选用Sick-to
wal模型。
2固体边界条件
折流板的载荷由流体计算结果给出,折流板
约束为4个螺栓孔,在螺栓孔处采用 ANSYS
Workbench中 Cylindrieal Support约束折流板上4
个螺栓孔,半径和轴向固定,切向自由。
1.3流体控制方程
结合实际情况和合理的计算时间,对流体做
出如下假设:
a.进入折流板气速不大于7m/s,可视为不
可压缩气体
图1数值模型建立以及网格划分
b.液滴粒径可做球体处理,忽略液滴聚合
蒸发和摩擦的影响
c.液体颗粒撞击到壁面上即认为被捕集,不
考虑壁面水膜的影响
d.液滴到达除雾器出口处即认为未捕集。
在三维坐标系中,采用欧拉一拉格朗日方法
分别处理连续相和离散相。气相的控制方程为连
续性方程、 Navier-stokes方程和RNCk-s方程
4固体控制方程
对体积V内介质,由虚功原理可得
折流板上侧
Sx. dv
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