三种防冲挡板选型的流固耦合仿真分析_徐文斌.pdf

第 卷 第期 年 月成都工业学院学报 ，：收稿日期：基金项目：安徽省教育厅自然科学重点项目（）；安徽省高校优秀青年人才支持项目（）作者简介：徐文斌（），男，副教授，硕士，研究方向：化工机械设计与制造、设备可靠性分析，电子邮箱：。三种防冲挡板选型的流固耦合仿真分析徐文斌（安徽职业技术学院 环境与生命健康学院，合肥）摘要：为保证在蒸汽除沫罐的进口处设置的防冲挡板有足够的强度且安全可靠，对防冲挡板结构的选型和强度进行分析。首先采用 对平板形、圆弧形及球冠形防冲挡板进行流场性能仿真，计算出防冲挡板表面的压力分布；其次采用 模块进行结构强度计算。结果表明：平板型、圆弧形以及球冠型防冲挡板在进口方向上最大压力分别为，种不同类型的防冲挡板都在强度安全范围以内，且圆弧形防冲挡板的应力及变形最小，因此蒸汽除沫罐选择圆弧形防冲挡板效果最好。关键词：防冲挡板；流固耦合；数值模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，：；在蒸汽除沫器进口处设置防冲挡板，可吸收进入除沫器的高速蒸汽流的动能，减小流体对设备内部流场的冲击使流体分布较为均匀，并能降低对设备本体的冲刷而导致冲刷腐蚀失效。目前防冲挡板的主要结构有平板形、弧形及球冠形。对于平板形防冲挡板，等采用粒子图像测速技术（，）结合本征正交分解（，）分析了平板形防冲挡板对浅水槽内的流体流动状态的影响，发现在平均速度场中回流最大的区域出现在中层速度场。陆耀军等根据均流模型以水为介质模拟了油水混合液在重力式油水分离设备中的多相流动，研究表明平板形防冲挡板入口区流体流动湍动激烈，混合较均匀。张玉辉等通过数值模拟研究了球冠形挡板式入口构件对沉降器流场特性的影响，并以均稳指数为评价依据进行了分析。学者们主要从防冲挡板对流体流动形态的角度进行了诸多研究，鲜少见有关防冲挡板结构强度的研究报道。本文采用流固耦合仿真分析的方法对蒸汽除沫器平板形、圆弧形及球冠形防冲挡板进行流场性能仿真，计算出防冲挡板表面的压力分布；然后以防冲挡板表面的压力分布为载荷，采用 模块进行防冲挡板结构强度的计算，分析防冲挡板的形变和应力，以期望为蒸汽除沫器防冲挡板的选型提供依据。年第 期 徐徐文文斌斌：三三种种防防冲冲挡挡板板选选型型的的流流固固耦耦合合仿仿真真分分析析 有限元模型的建立采用 软件中的 建立蒸汽除沫器模型以及防冲挡板模型，如图 所示。其中蒸汽除沫器公称直径 ，高度 。由于模型中防冲挡板结构的几何形状比较复杂，因此采用四面体网格对防冲挡板进行网格划分。为了更好地捕捉模型的防冲挡板结构特征，对防冲挡板进行网格局部细化，定义防冲挡板厚度方向上至少有 层网格，边界层采用棱柱层划分，厚度最大不超过 ，划分 层，由壁面向流体内增长，增长率为.。为了精确地捕捉防冲挡板表面的压力分布，在防冲挡板表面做出边界层，最大面网格为 ，防冲挡板表面最大尺寸不超过 ；用曲率中心角加密弧形边界区域，取值为。根据饱和蒸汽物性参数表，查得 的饱和蒸汽密度.；黏度 .；除沫器进口水力直径 .，体积流量.，得到蒸汽流速 .；雷诺数 .。仿真中，提供了多种不同类型的流动模型来应对不同的流体流动状态，湍流模型适用于模拟完全湍流状态，适合包括快速应变的复杂剪切流、中等旋涡流等过程。综合考虑选择 湍流模型。（）除沫器模型（）平板形 （）圆弧形 （）球冠形图 蒸汽除沫器及防冲挡板模型 流体计算结果分析由图 可知，平板型、圆弧形以及球冠型防冲挡板在进口方向上最大压力分别为 ，。对于平板形防冲挡板，气体的来流方向与防冲挡板表面垂直，气流的冲击力将全部作用在防冲挡板表面；圆弧形防冲挡板由于表面存在弯曲弧度，对来流起一定的分流作用；而球冠形防冲挡板，气流垂直进入时，与防冲挡板表面存在一个偏斜角度，气流的冲击力将会有一部分被分解到其他方向上。对比 种防冲挡板，从流体分析可知圆弧形防冲挡板与球冠形防冲挡板效果要优于平板形防冲挡板。从流体计算结果可知，平板形防冲挡板效果最差；球冠形防冲挡板的效果会比圆弧形防冲挡板的稍好，但球冠形和圆弧形防冲挡板效果相差小，相对比较接近，需结合结构强度分析获取最优的防冲挡板。（）平板形 （）圆弧形 （）球冠形图 防冲挡板表面压力分布成都工业学院学报：第 卷 结构计算结果分析防冲挡板材料为，弹性模量为.，泊松比为.，设计温度下许用应力为。在支腿 个垫板上设定固定约束。将流体分析的结果导入结构强度仿真模拟，计算防冲挡板的形变及应力强度。在压力载荷作用下 种防冲挡板的变形如图 所示，平板形防冲挡板最大变形.，圆弧形防冲挡板最大变形为.，球冠形防冲挡板最大变形为.。在压力载荷作用下 种防冲挡板的应力如图 所示，平板形防冲挡板最大等效应力为.，圆弧形防冲挡板最大等效应力为.，球冠形防冲挡板最大等效应力为.。对比 种防冲挡板的应力得知，平板形防冲挡板应力最大，最大等效应力为.，而防冲挡板材料 在设计温度下的许用应力为.，因此 种防冲挡板都在强度安全范围内。圆弧形防冲挡板的应力及变形最小，且考虑到加工制造工艺，球冠形防冲挡板加工制造相较于圆弧形防冲挡板困难，因此在除沫罐中选择圆弧形防冲挡板效果最合适。（）平板形 （）圆弧形 （）球冠形图 防冲挡板形变云图（）平板形 （）圆弧形 （）球冠形图 防冲挡板应力云图 结语对 种防冲挡板进行流固耦合仿真分析，通过 软件对其进行流体分析，然后将流体分析结果映射至结构强度分析。结果表明：）平板形防冲挡板最大等效应力为.，圆弧形防冲挡板最大等效应力为.，球冠形防冲挡板最大等效应力为.，种防冲挡板的等效应力都小于材料许用应力，处于安全范围之内。）蒸汽除沫器选择圆弧形防冲挡板效果最佳，既可以对进口蒸汽起分流作用，使其罐内流场分布均匀，又可以保证结构强度的安全。参考文献：，.，（）：.张静，刘晓亮，龚斌，等.挡板的相对曲率对分离器入口局域流场流体力学性能的影响.化工进展，（）：.欧雍若，张壮，苏锦，等.高压热交换器防冲挡板结构优化.石油化工，（）：王学平，文学，龚斌，等.分离器入口处不同形状挡板对内部流场影响的比较分析.沈阳化工大学学报，（）：.王学平，付俊杰，张玉辉，等.平面防冲挡板式分离器冲击区非稳态湍流特性的研究.过程工程学报，（）：.（下转第 页）年第 期宋宋新新建建：以以共共享享发发展展理理念念提提升升农农村村基基础础教教育育公公平平周露芳.难为与能为：立足区域差异分析教育公平的短板与补板路径.教育理论与实践，（）：.柏龙彪.共享发展理念下的农村基础教育资源优化配置策略研究.农村经济，（）：.金丹丹.“互联网”视域下乡村教育问题及策略研究.农村经济与科技，（）：.教育部，中央组织部，中央编办，等.教育部等六部门关于加强新时代乡村教师队伍建设的意见.中华人民共和国教育部公报，（）：.葛丰.保障教育公平要有真招实效.中国经济周刊，（）：.张娟，吕嘉捷.新型城镇化背景下乡村教育治理的现实困境与路径优化.百色学院学报，（）：.佚名.关于全面深化新时代全省教师队伍建设改革的实施意见（摘要）.山东人力资源和社会保障，（）：.（上接第 页）孙然.基于材料轻量化的商用汽车驾驶室 分析与建模.红河学院学报，（）：.李琦，纪沙沙，王章忠，等.超高强度钢防撞梁的冷冲压成形数值模拟.冶金与材料，（）：.张清郁.车用 高强钢板热冲压成形数值模拟及模具磨损.锻压技术，（）：.马闻宇，杨建炜，姚野，等.热冲压工艺参数对零件成形性影响规律分析.中国冶金，（）：.陈建彬，佐凯，靳凯，等.冲压速度对高温合金卡圈成形的影响.塑性工程学报，（）：.（上接第 页），.，（）：.陆耀军，薛敦松.重力式油水分离设备流动特性研究.石油学报（石油加工），（）：.陆耀军，薛敦松.重力式油水分离设备结构优化模型.化工学报，（）：.张玉辉，龚斌，王学平，等.正弦波纹挡板式沉降器内流动特性.化工进展，（）：.谭天恩，窦梅.化工原理.版.北京：化学工业出版社，：.