基于Solidworks/Fluent軟件的旋風(fēng)分離器造型與流場(chǎng)分析

舒安慶，程 孟，徐才福，魏化中

(1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢市壓力容器壓力管道安全工程研究中心，湖北 武漢 430074；3.中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引 言

Solidworks是達(dá)索系統(tǒng)旗下的子公司-Solidworks公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的招牌式產(chǎn)品，在目前的三維造型領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，并被中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)指定為“職業(yè)機(jī)械工程師認(rèn)證”唯一的3D培訓(xùn)和考核軟件在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣.Gambit是由FLUENT Inc.公司自主開(kāi)發(fā)的專用CFD前處理器，用于模擬對(duì)象的幾何建模以及網(wǎng)格生成，其強(qiáng)大的功能以及高頻率的更新完善速度，讓其在目前所有的CFD前處理軟件中穩(wěn)居上游[1].Fluent用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)，采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度[2-4].

首先利用Solidworks先進(jìn)快捷的3D造型功能完成旋風(fēng)分離器立體圖的繪制.其次，利用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)定，并在Fluent軟件中進(jìn)行流場(chǎng)分析.

1 旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)

1.1 旋風(fēng)分離器各部分尺寸計(jì)算

旋風(fēng)分離器通常采用由矩形流體進(jìn)口，圓柱形主筒體，小圓筒形出氣口，和錐形灰斗四部分組成的主體結(jié)構(gòu).由于旋風(fēng)分離器只要進(jìn)氣口速度相同，無(wú)論其尺寸大小，壓力損失都相同，而所分離的灰塵顆粒的臨界粒徑與進(jìn)氣口矩形截面的寬度和筒體主體直徑之比成正比[5].

(1)

(2)

qv=bhui

(3)

其中，式(1)為氣體在旋風(fēng)分離器中螺旋流動(dòng)的時(shí)的阻力系數(shù)計(jì)算式，式(2)為旋風(fēng)分離器壓力損失計(jì)算式，式(3)為氣體流量計(jì)算式，ξ為阻力系數(shù)，Δp為分離器的壓力損失，qv為進(jìn)氣口的流量，ρ為粉塵的密度，ui進(jìn)氣口切向速度,b為進(jìn)氣口截面寬度，h為進(jìn)氣口截面長(zhǎng)度，L為主筒體長(zhǎng)度，D為主筒體直徑，d為出氣口的直徑，δ為錐形漏斗下端出口直徑，H為錐體高度m1，m2，m3，m4分別為比例系數(shù)[5-6].

在此選用化工原理中的基礎(chǔ)旋風(fēng)分離器操作參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.當(dāng)溫度為20 ℃,壓力為0.10 MPa，流量為2.5 m3/s，塵粒密度為2 500 kg/m3,最大允許壓力損失為2.0 kPa，m1=1/5，m2=3/5，m3=2，m4=1/2時(shí).解得：

L=1.12 m，H=2.24 m，b=0.224 m，h=0.67 m，d=0.56 m.

1.2 Solidworks造型

圖1 主筒體剖面草圖

由以上給出的條件和計(jì)算的結(jié)果尺寸來(lái)進(jìn)行旋風(fēng)分離器的三維造型，下面通過(guò)造型具體步驟給出其詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程.

(1)草圖的繪制.選擇一個(gè)基準(zhǔn)面作為草繪基準(zhǔn)平面，由于旋風(fēng)分離器的主筒體為軸對(duì)稱體，所以只需要繪制主筒體剖面圖的一半后旋轉(zhuǎn)即可，根據(jù)上面計(jì)算提供的數(shù)據(jù)，所繪得的草圖如圖1所示.

(2)主筒體旋轉(zhuǎn)實(shí)體化.選擇剖面圖的豎直中線作為旋轉(zhuǎn)軸，將上步中所繪的剖面作為旋轉(zhuǎn)平面，旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置為360度，最終所得的圖形如圖2所示.

圖2 主筒體實(shí)體圖

(3)旋風(fēng)分離器進(jìn)氣口草圖的繪制.選擇主筒體上端面作為旋風(fēng)分離器進(jìn)口的草繪平面，依照尺寸繪制進(jìn)氣口的截面草圖如圖3所示.

圖3 進(jìn)氣口截面草圖

(4)旋風(fēng)分離器進(jìn)氣口的拉伸實(shí)體化.選擇步驟3中草繪的進(jìn)氣口截面作為拉伸截面，選定拉伸功能，依照以上計(jì)算所得的數(shù)據(jù)，將拉伸深度修改為670 mm，點(diǎn)擊確定按鈕，所得的圖形如圖4所示.

(5)將上述繪制完成的旋風(fēng)分離器三維圖形保存為“*.igs”格式，以便Gambit軟件將模型讀入.

圖4 進(jìn)氣口實(shí)體化后的整體圖樣

2 模型讀入和網(wǎng)格的劃分

2.1 模型的讀入

打開(kāi)Gambit軟件包后點(diǎn)擊“File→Impore→IGES”,打開(kāi)如圖所示的對(duì)話框，將對(duì)話框中各選項(xiàng)的下拉菜單依次進(jìn)行設(shè)置，最后點(diǎn)擊Accept按鈕，將模型導(dǎo)入到Gambit軟件包中，設(shè)置后的Import IGES File對(duì)話框中的內(nèi)容如圖5所示.

圖5 圖形格式轉(zhuǎn)換讀入對(duì)話框

2.2 網(wǎng)格的劃分

為防止整體劃分網(wǎng)格總數(shù)過(guò)大，將旋風(fēng)分離器整體分為幾部分依次進(jìn)行劃分.劃分后所得的網(wǎng)格化圖形如圖6所示.

圖6 模型網(wǎng)格劃分后圖形

3 分析

3.1 旋風(fēng)分離器壓力場(chǎng)的分析

在Fluent軟件中導(dǎo)入Gambit所劃分好網(wǎng)格和設(shè)定好邊界條件的的模型后，設(shè)定基本參數(shù)，進(jìn)行迭代，確認(rèn)達(dá)到收斂后，得出旋風(fēng)分離器內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布圖如圖7、8所示.

圖7 壓力分布橫向剖面云圖

圖8 壓力分布縱向剖面云圖

從圖7、8中可以看出，在同一高度，壓力分布由壁面到中心，大小逐漸遞減，且基本上沿軸對(duì)稱分布;靜壓沿筒壁變化不大，但在進(jìn)氣口和筒壁相連處，壓力波動(dòng)比較大，和進(jìn)氣口在同一平面的旋風(fēng)分離器的筒體中心，由于有漩渦的存在，還出現(xiàn)了負(fù)壓.

3.2 旋風(fēng)分離器內(nèi)速度的分析

經(jīng)調(diào)制計(jì)算后的速度分布圖如圖9、10所示.

圖9 速度分布橫向剖面矢量圖

圖10 速度分布縱向剖面矢量圖

從圖9、10中可以看出，速度從進(jìn)氣口進(jìn)入旋風(fēng)分離器時(shí)有個(gè)速度增大的過(guò)程，經(jīng)旋轉(zhuǎn)后，速度越往中心越小，在出灰口的中心和出氣口的中心以及靠近出氣口壁面的地方，速度均為零，和進(jìn)氣口軸對(duì)稱的地方，速度并不軸對(duì)稱分布，在進(jìn)氣口下方，兩邊的速度分布大致相同，但也不完全軸對(duì)稱分布[7-8].

3.3 塵粒跡線圖

塵粒進(jìn)入旋風(fēng)分離器后其軌跡變化曲線如圖11所示.

圖11 塵粒軌跡分布圖

從塵粒進(jìn)入旋風(fēng)分離器后軌跡變化曲線可以知道，靠近外壁處的塵粒會(huì)沿著容器壁做螺旋運(yùn)動(dòng)而沉降下來(lái)，從進(jìn)氣口進(jìn)入而離出氣口較近的粒子，容易被沿著出氣口流出的氣體所帶走.

4 結(jié) 語(yǔ)

用Solidworks實(shí)現(xiàn)旋風(fēng)分離器的造型，具有簡(jiǎn)單快捷，形象直觀，模型精確的特點(diǎn)，為旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)分析奠定了模型基礎(chǔ)，同時(shí)，文中也指出了Solidworks和Gambit在模型對(duì)接時(shí)，格式的轉(zhuǎn)換形式，為學(xué)習(xí)將此兩類軟件進(jìn)行結(jié)合使用者提供了一定的方法指導(dǎo).

通過(guò)Fluent軟件分析獲得的旋風(fēng)分離器內(nèi)部壓力，速度，以及粒子軌跡的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果，有較重要的參考使用價(jià)值.

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