氣/固兩相流90°彎管段應(yīng)力仿真研究

李文濤 柴琪琪 王月明 王志春

（內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

氣/固兩相流90°彎管段應(yīng)力仿真研究

李文濤 柴琪琪 王月明 王志春

（內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

為了深入研究氣/固兩相流平臺中90°彎管段應(yīng)力隨流速的變化情況，對90°彎管段應(yīng)力變化進行仿真研究。在Comsol Multiphysics仿真軟件上建立90°彎管段模型，并用Comsol Multiphysics 軟件對90°彎管段流速與應(yīng)力的關(guān)系進行仿真研究。仿真出三維應(yīng)力變化圖和應(yīng)力面平均變化圖，得出不同流速下對應(yīng)的應(yīng)力面平均值。從而得出：一定流速下從入口處到出口處應(yīng)力逐漸減小，流速越大管道受到的應(yīng)力越大。仿真結(jié)果對于實驗裝置的建立具有一定指導作用。

氣/固兩相流 90°彎管段 應(yīng)力 流速 仿真

【Abstract】In order to study the variation of stress with the flow rate of 90 degree bend pipe in the gas / solid two phase flow platform， the simulation of the stress change of the 90 degree bend pipe is set up.Establish a 90 degree elbow model on Comsol Multiphysics.The relationship between flow velocity and stress of the 90 degree elbow is studied by simulation in Comsol Multiphysics.Get the three dimensional stress variation diagram and the average variation of stress surface via simulation.Through the analysis， we can know that the stress is reduced form the entrance to the exit and the greater of the flow velocity， the greater stress of the pipeline bear.The simulation results are of certain guiding role for the experiment testing platform.

【Key words】gas/solid two-phase flow；90 degree bend；Von Mises；Current Speed；simulation

1 引言

圖1 90°彎管段COMSOL仿真模型

隨著社會的高速發(fā)展和科學技術(shù)的進步，氣固兩相流體系在國民經(jīng)濟生產(chǎn)以及人類生活中的地位越來越重要，針對工業(yè)中常見的圓截面90°彎管中的氣固兩相流的流動特征難于觀測，以及由此造成的對其流動特性缺乏認識的問題，在氣固兩相流的檢測平臺中已經(jīng)成為一個非常受關(guān)注的話題。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，兩相流（氣/液、氣/固、液/固）參數(shù)的測量和控制是一個急需解決的問題［1］。隨著數(shù)值計算理論和計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，計算流體動力學（CFD）技術(shù)逐漸成為研究巷道工作而粉塵運動規(guī)律的重要手段［2］。

工業(yè)現(xiàn)場所用的傳輸管道大多是非透明的圓形截面管道，并包含長直管段和90°彎管。目前，對于速度測量，主要有基于電容、靜電感應(yīng)、γ射線等監(jiān)測原理的相關(guān)測速方法［3-4］，基于超聲、光學、微波等原理的多普勒測速方法及空間濾波方法等等［5］。

2 90°彎管段的應(yīng)力幾何模型的建立

90°彎管段的模型及設(shè)計按以下條件建立模型。管道的外徑為50mm.管壁厚3mm，管道進口到出口長為0.871m。在仿真時在進出口處和出口處加長0.2m。90°彎管段如圖1所示，圖（a）為90°彎管段的仿真模型。圖（b）為為網(wǎng)格劃分后的仿真剖分模型，本文采用自由剖分方式。管道密度設(shè)置為1000kg/m3，動力粘度設(shè)置為0.001pa/s。依據(jù)實際實驗管段，可建立如圖1所示仿真模型。

3 90°彎管段的應(yīng)力數(shù)學模型的建立

在裝置運行時，固體氣體的質(zhì)量比小于2，屬于稀相的氣固兩相流。氣速范圍在20m/s～30m/s之間。在流體在管道中運行過程時，根據(jù)流體的流速，密度，動力粘度及管道的管徑，流體的運行狀態(tài)分為層流，紊流，湍流。其區(qū)分的參考量是雷諾數(shù)Re。

當Re＞2000時，是紊流 。當Re＜2000時，是層流。

經(jīng)過計算，可以通過雷諾數(shù)的計算，從而判斷氣固兩相流的流動為典型的湍流。

3.1 90°彎管段的應(yīng)力的系統(tǒng)關(guān)系式

圖2 三維應(yīng)力變化圖與應(yīng)力面平均變化圖

本文有限元計算90°彎管段的應(yīng)力的系統(tǒng)關(guān)系式如下：

圖3 不同流速下對應(yīng)的應(yīng)力面平均值

其中ρ為流體密度，t為時間，u為位移，F(xiàn)v為體積力，s為應(yīng)力，▽為拉普拉斯算子。

3.2 Von Mises等效應(yīng)力

Stress intensity （應(yīng)力強度），是由第三強度理論得到的當量應(yīng)力，其值為第一主應(yīng)力減去第三主應(yīng)力。Von Mises 是一種屈服準則，屈服準則的值通常叫等效應(yīng)力。

4 90°彎管道應(yīng)力仿真和分析

本文探討了90°彎管段在不同流速下的應(yīng)力變化和一定流速下應(yīng)力的變化情況。本實驗共做了6組，圖2列出3組供觀測。分析實驗用六組。

本文探討了管道仿真10s內(nèi)不同情況下應(yīng)力的COMSOL Multiphysics仿真。

圖2顯示了流速為20m/s、22m/s、24m/s、時管道不同位置處的應(yīng)力變化情況。

從三維應(yīng)力變化圖中可以看出：當流速一定時隨著時間增加應(yīng)力逐漸增加，離入口處越遠應(yīng)力越小。圖中還可以看出入口處會出現(xiàn)瞬間的應(yīng)力變大，離入口處越遠應(yīng)力的變化越緩慢。

本實驗共做了6組，圖2列出3組供觀測。分析實驗用六組。圖2里的三組圖，每組圖的第二個為應(yīng)力面平均變化圖。圖3所示為6組流速下的應(yīng)力面平均變化曲線， 圖中6組曲線分別代表一組數(shù)據(jù)，從圖中可以很直觀的觀測出不同流速下應(yīng)力面平均值的變化情況。圖3中可以看出流速為20m/s、22m/s、24m/s、26m/s、28m/s、30m/ s時，隨著流速的逐漸增加應(yīng)力的面平均值也會逐漸變大。說明流速對應(yīng)力的變化是有影響的。

5 結(jié)語

本文運用多物理場耦合有限元仿真軟件C O M S O L Multiphysics對90°彎管段的應(yīng)力進行仿真，在建立的90°彎管段仿真模型上分析了該管道的一系列物理仿真量。本文主要是針對90°彎管段的應(yīng)力相關(guān)量進行仿真，針對不同流量下應(yīng)力的變化進行了仿真和研究。從三維應(yīng)力變化圖得出：隨著時間增加應(yīng)力逐漸增加；離入口處越遠應(yīng)力越小。

［1］李文濤，葉俊.氣/固兩相流螺旋式電容傳感器的仿真設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2013（10）：7-10.

［2］胡承歡，夏毅敏.獨頭巷道爆破粉塵運動規(guī)律的仿真分析［J］ 計算機仿真，2015，8（32）：235-238.

［3］YAN Y.Mass flow measurement of bulk solids in pneumatic pipelines ［J］.Measurement Science and Technology， 1996，12 （7）：1687-1706.

［4］MATHUR M P，KLINZING G E.Flowmeasurement in pneumatic transport of pulverized coal［J］.Powder Technology，1984， 40：309-321.

［5］許傳龍，湯光華，王式民等.基于靜電傳感器空間濾波效應(yīng)的顆粒速度測量［J］.化工學報，2007，58（1）：67-74.

國家自然基金（61463042），內(nèi)蒙古自然科學基金（2014MS0609）

李文濤 （1961—），女（漢族），內(nèi)蒙古包頭人，教授，碩士生導師，主要研究領(lǐng)域為自動化儀表、兩相流測量技術(shù)；柴琪琪 （1988—），女（漢族），山西長治人，碩士研究生，主要研究為領(lǐng)域兩相流測量技術(shù)。