基于FLUENT軟件的珩磨用高精度純油凈化效果模擬分析

劉 坤

(湖北第二師范學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院，武漢 430203)

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基于FLUENT軟件的珩磨用高精度純油凈化效果模擬分析

劉 坤

(湖北第二師范學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院，武漢 430203)

珩磨用高精度純油對于機(jī)器設(shè)備的安全有效運(yùn)行、降低磨損提高設(shè)備運(yùn)行壽命來說具有非常重要的作用，本文主要利用FLUENT軟件來對珩磨用高精度油進(jìn)行仿真模擬，在仿真模擬過程中主要利用FLUENT軟件來對整個循環(huán)過程和循環(huán)模式進(jìn)行模擬，將仿真結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，來證明本文所設(shè)計的珩磨用高精度純油具有十分良好的應(yīng)用效果。

珩磨用高精度油；軟件系統(tǒng)；FLUENT；模擬分析

1 引言

石油資源是人類寶貴的資源，它在地球上的儲量也是非常有限，隨著工業(yè)技術(shù)水平的快速發(fā)展，節(jié)能節(jié)油的概念也關(guān)系到我國能源的發(fā)展，工業(yè)用油在使用過程中難免不會摻入大量的雜質(zhì)和水分，這些都會造成設(shè)備的損壞以及環(huán)境的污染。

隨著人類工業(yè)的快速發(fā)展，油液對于環(huán)境的污染非常厲害，這些潛在的危害會導(dǎo)致設(shè)備中的油污進(jìn)一步累積，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)珩磨用高精度油的凈化只是停留在經(jīng)驗(yàn)層面上，因此會導(dǎo)致整個設(shè)備的運(yùn)行壽命不夠高，甚至是導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的珩磨用油完全喪失掉自身的使用價值，雖然目前對于磨用高精度油的凈化和處理有一些措施和手段，但是缺乏利用相關(guān)的軟件對整個凈化過程進(jìn)行模擬分析，這樣就會導(dǎo)致凈化系統(tǒng)的效果不能進(jìn)行體現(xiàn)。因此，本文基于FLUENT軟件來對磨用高精度純油的凈化過程進(jìn)行模擬分析。

2 避免采用單箱循環(huán)凈化模式的研究

在實(shí)際工程中，為了對磨用高精度油進(jìn)行凈化，通常采用的是利用油箱內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)處理的方法，這種處理方法有一定的缺點(diǎn)，那就是凈化的效果不是太理想，并且在凈化的過程中會出現(xiàn)一些不夠正常的現(xiàn)象。因此，本文主要是采用FLUENT軟件來對單個油箱循環(huán)凈化箱內(nèi)的固定流場進(jìn)行動態(tài)性的模擬，根據(jù)凈化效果來分析存在問題的原因，最后提出改進(jìn)策略。

2.1 單箱凈化實(shí)驗(yàn)

在本文中設(shè)計一個單桶的內(nèi)部油循環(huán)系統(tǒng)裝置，整個裝置如圖1所示，凈化裝置主要對濾油機(jī)中的殘渣進(jìn)行過濾，在過濾的過程中對不同位置的油刻度進(jìn)行表示，如下圖所示主要表示的位置有A高度、B高度以及C高度。

圖1 單箱凈化裝置草圖

測試得到發(fā)動機(jī)磨合油機(jī)械雜質(zhì)含量列于表1中。

表1 不同時間、不同位置的發(fā)動機(jī)

從表1可以看出，在油液凈化前后，整個珩磨用靜止階段中處在不同階層的油液機(jī)械雜質(zhì)含量都不相同，中層油與上層油之間機(jī)械雜質(zhì)的含量也會不相同，這充分說明經(jīng)過靜止以及澄清過后的油液它們內(nèi)部的機(jī)械雜質(zhì)等固體顆粒物都會沉降到油桶的底部位置，當(dāng)靠近油桶越近時，相應(yīng)的雜質(zhì)含量也會發(fā)生變化。在油桶中的油液經(jīng)過一系列的處理之后，就會使得上層與中層以及下層油液中機(jī)械雜質(zhì)含量發(fā)生比較明顯的變化。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以表明，機(jī)械雜質(zhì)在凈化過程中會在過濾設(shè)備排污口處產(chǎn)生一定的流速和能量，尤其是在油箱底部會沉積大量的機(jī)械雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可以大規(guī)?？焖俚臄U(kuò)散當(dāng)中油箱中，這些重新浮起來的雜質(zhì)在凈化之后會發(fā)生一定的沉降，除此之外，凈化時間的長短對于凈化效果有著十分明顯的影響，凈化時間越長，其凈化效果就會越好。

通過實(shí)驗(yàn)表明，油液的凈化對于如何除去機(jī)械雜質(zhì)是具有非常重要的作用的，這主要是因?yàn)殡S著凈化時間的延長，原先靜止在桶底部的一些機(jī)械雜質(zhì)也會逐步得到清除，經(jīng)過凈化攪拌之后的油污中機(jī)械雜質(zhì)含量也會明顯下降，這說明經(jīng)過沉淀之后的油污層的凈化效果不太理想，其凈化方法還存在著某種較大的不足和缺陷。

2.2 單箱油液凈化流場數(shù)值模擬

本文主要利用FLUENT軟件來對珩磨用高精度純油的凈化效果進(jìn)行模擬分析，通過模擬分析得出凈化過程中，哪些檢測指標(biāo)會低于油桶中原先的指標(biāo)。

2.1 FLUENT 軟件及其應(yīng)用簡介

FLUENT軟件主要是基于CFD軟件的思想，并且從用戶的角度出發(fā)，針對當(dāng)前各種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件的核心思想主要是采取各種離散式的數(shù)值方法和處理方法來對某個領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行分析計算，從而高效的解決各種復(fù)雜條件下的流動計算問題。在上述計算的基礎(chǔ)上，F(xiàn)LUENT軟件主要對流體流動以及各種傳熱過程進(jìn)行了準(zhǔn)確模擬，這些模擬都會形成一個比較精確性的圖形界面。

GAMBIT軟件主要是面向CFD軟件處理方法的，在上述方法的基礎(chǔ)上采用幾何建模的方法以及網(wǎng)格劃分的方法來對當(dāng)前的液體流動進(jìn)行高經(jīng)度的模擬。該軟件具有較強(qiáng)的靈活性和可用性，并且該軟件可以將各種油污處理以及凈化的動態(tài)過程進(jìn)行模擬，用戶可以直接應(yīng)用GAMBIT軟件來建立一些比較復(fù)雜的流體模型和實(shí)際模型，除此之外，GAMBIT軟件還可以從CAD/CAE中來讀取相應(yīng)的計算分析數(shù)據(jù)。

GAMBIT軟件具有較高的自動化功能，并且在不同的場合下都能夠生產(chǎn)網(wǎng)格，它們之間都可以組合成不同的混合網(wǎng)格。FLUENT6.1軟件可以用相應(yīng)的模擬軟件來分析不同程度壓力范圍內(nèi)的復(fù)雜流場。由于在分析流場的過程中采取不同的加速收斂技術(shù)，并且它們之間具有不同的收斂精度以及物理模型，通過上述軟件可以對珩磨用高精度油的化學(xué)反應(yīng)、凈化、傳熱等多個過程進(jìn)行有效模擬。

(1) 基本功能

其基本功能主要包括6個方面，分別為不可壓或可壓流動、正常狀態(tài)下的流體過渡分析、各種流體環(huán)境下的層流分析、牛頓流或者非牛頓流分析、兩相流中的氣穴現(xiàn)象、各種復(fù)雜流體條件下的表面流動分析。

(2)網(wǎng)格性能

a)從形狀上來說主要包括以下幾種：最為主要的是四邊形、其次就是三角形、最后式四面體或者菱形，最后式金字塔形狀的網(wǎng)格。

b)允許保持不同狀態(tài)下的網(wǎng)格界面發(fā)生重疊。

(3)數(shù)值方法

FLUENT6.1在珩磨用高精度純油的模擬求解中主要可以應(yīng)用的方法有三種。FLUENT6.1的應(yīng)用主要有以下幾個主要的特征：首先式可以利用完全非結(jié)構(gòu)的方法來對有限元體積進(jìn)行分析；其次就是在一定的速度范圍內(nèi)來對各種動態(tài)的內(nèi)存進(jìn)行分析和匹配。最后根據(jù)匹配的結(jié)果來對模擬的情況進(jìn)行精確的分析和計算。

(4)數(shù)據(jù)輸出：輸出可以輸出到AVS系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，除此之外，F(xiàn)ILEDVIEW以及TECPLOT都可以對并行數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確輸出，F(xiàn)EA中的數(shù)據(jù)輸出之后也可以應(yīng)用到GAMBIT軟件當(dāng)中。

2.2 Fluent 數(shù)值模擬

本文在對珩磨用高精度純油進(jìn)行仿真分析過程中，主要采用的是大型商業(yè)軟件CFD，這種軟件可以對單箱油進(jìn)行凈化操作以及各種流體場的模擬。圖2主要介紹的是各種模擬邊界條件，在模擬的過程中主要采用的是真空濾油機(jī)，這種過濾設(shè)備采用的是HIJG的排油管道以及FKLE的回油管道，每個管道的數(shù)據(jù)如下：油桶直徑大小為d=56mm，h=900mm，油面高度大小為680mm。

圖2 流場模擬邊界示意圖

(1)控制方程

當(dāng)油桶中的油污在經(jīng)過長時間的放置之后，會產(chǎn)生大量的機(jī)械雜質(zhì)，這些機(jī)械雜質(zhì)都會進(jìn)行下沉，并且會沉降到桶底當(dāng)中，其中只有一些少量的雜質(zhì)仍然會懸浮在油面之上，因此在桶中需要利用不同流體技術(shù)來對其進(jìn)行模擬。

a)油相控制方程

當(dāng)排油管道浸沒在油中時，整個油桶中的液體會發(fā)生一定的劇烈抖動，對于這種抖動的模擬需要用到湍流模型，在這種流體的模擬過程中需要應(yīng)用到雷諾平均運(yùn)動法則，依靠相關(guān)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并且采用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來對整個凈化過程進(jìn)行模擬，在模擬的過程中通過采用二維軸對稱圓柱坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的描述可以采取下述的方程來進(jìn)行描述：

(1)

其中：

質(zhì)量守恒方程常稱作連續(xù)方程：

φ=1擴(kuò)散系數(shù)Γ=0 源項(xiàng)S=0

對于x徑向動量方程：φ=u 擴(kuò)散系數(shù)Γ=μeff+μ+μt

源項(xiàng)

(2)

對于z軸向動量方程：φ=w 擴(kuò)散系數(shù)Γ=μeff+μ+μt

源項(xiàng)

(3)

源項(xiàng)S=Gk+ρε

(4)

(5)

b)顆粒相控制方程

顆粒群是離散化的模式，本文在數(shù)值模擬過程中可以借助離散模型Lagrangian坐標(biāo)來對整個流場中的離散顆粒物進(jìn)行計算和模擬，這些顆粒物都是連續(xù)分布的，因此在研究過程中可以利用相應(yīng)的方程來計算運(yùn)動軌跡，在計算運(yùn)動軌跡的過程中可以對湍流渦旋的作用進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，在分析的過程中利用牛頓第二定律可知：

(6)

Boysan 等人使用隨機(jī)方法并考慮顆粒在湍流氣流中的擴(kuò)散運(yùn)動，將顆粒運(yùn)動的 Lagranrian 方程寫成下列形式：

(7)

顆粒軌道由下列方程確定：

(8)

(9)

c)控制方程數(shù)值解

對于油箱控制方程組，本文需要采取統(tǒng)一化的數(shù)值計算方法，這種計算方法能夠?qū)χ饕腔谟邢摅w積法，在此基礎(chǔ)上來對各種擴(kuò)散項(xiàng)進(jìn)行離散化的處理，并且采用線性插值來對流項(xiàng)中的各個模式進(jìn)行分析和計算，在壓力和速度的分析過程中主要采用的是耦合的SIMPLE的方法來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

(2)物理模型

a)網(wǎng)格劃分

在珩磨用高精度純油的模擬過程中，需要利用Gambit作為前端處理器來對其進(jìn)行網(wǎng)格化的處理，這種處理一般是采用bottom-up的方式，在處理過程中往往采用的是點(diǎn)到線、線到面的方法，這種方法通常能夠生產(chǎn)一些整體化的網(wǎng)格，并且每種網(wǎng)格都是四邊形的。與此同時，由于Gambit軟件具有較強(qiáng)的自適應(yīng)功能，因此在網(wǎng)格化的過程中需要對其進(jìn)行細(xì)分或者是粗分，總的網(wǎng)格數(shù)量為15600個。

b)相關(guān)設(shè)置

本文需要采用FLUENT默認(rèn)的求解器來對各種穩(wěn)態(tài)流動情況進(jìn)行分析和計算，在計算過程中需要充分考慮到大氣壓以及重力加速度的影響，珩磨用高精度純油的密度可以取889kg/m3，在400C的環(huán)境下其運(yùn)動的粘度值可以取86.5mm2/s，在這種湍流環(huán)境下可以利用相應(yīng)的計算標(biāo)準(zhǔn)對流體流動問題進(jìn)行準(zhǔn)確的計算和分析，假定桶中的顆粒物以及雜質(zhì)都是鐵屑或者是鋁屑，那么在這種條件下其計算密度應(yīng)該取作2719kg/m3，相應(yīng)的比熱Cp可以取作871J/(kg.k)。

(3)求解計算

在本文的求解計算中所用到的方法是壓力修正SIMPLE法，這種方法的實(shí)質(zhì)就是迭代法。在每一步的計算過程中，可以對整個模擬過程中的壓力場進(jìn)行猜測，根據(jù)猜測的情況來對速度場進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和計算。在上述壓力修正計算過程中需要根據(jù)循環(huán)條件來對整個珩磨用高精度純油凈化過程進(jìn)行分析。為了避免在計算過程中出現(xiàn)不必要的計算誤差，提高相應(yīng)的計算精度，需要在求解的過程中設(shè)置一些參數(shù)來當(dāng)作松弛因子，松弛因子的奢侈過程中壓強(qiáng)項(xiàng)的松弛系數(shù)可以設(shè)置為0.3，動量項(xiàng)系數(shù)可以設(shè)置為0.7，湍動量和耗散率的因子分別設(shè)置為0.8，迭代次數(shù)可以設(shè)置為300。

3 模擬顯示及結(jié)果分析

經(jīng)過FLUENT軟件的分析與處理之后，可以分別得到珩磨用高精度純油的油污的顆粒速度矢量圖以及流線圖，兩個圖形分別展示如下：

圖3 桶內(nèi)油相速度矢量圖

圖4 底部顆粒相速度矢量圖

圖3表明，排油口當(dāng)中的油污注入進(jìn)來之后可以形成一種渦形的流動結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以將懸浮的機(jī)械渣沫沉積到油桶的底部，并且還可以不斷的攪混和泛起。圖4的仿真可以表明，在整個油箱回油的過程中，由于油口周圍的雜質(zhì)具有不同的運(yùn)動速度以及運(yùn)行趨勢，這就導(dǎo)致油污顆粒的運(yùn)動方向和運(yùn)動速度不同。

圖5 進(jìn)口油相流線圖

圖6 底部顆粒相流線圖

圖5所示的情況表明，來自過濾設(shè)備的排油口中的油污會通過回油管道形成一定的通路，在這種通路中各種油污在經(jīng)過凈化之后也可以在濾油機(jī)中進(jìn)行反復(fù)的凈化。另外一個方面，在桶中可以對利用有效的過濾設(shè)備可以對大量的機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)行循環(huán)處理，從圖6中的相關(guān)顆粒物的處理情況來看，處在底部的顆粒物會由于排油口的流速以及壓力沖擊導(dǎo)致整個油污出現(xiàn)反復(fù)運(yùn)動，最終導(dǎo)致過濾之后的清潔的油出現(xiàn)重新被污染的情況。

圖7 油相速度等值線圖

圖8 顆粒相速度等值線圖

從圖7中的油污運(yùn)行速度可以看出，從整體上看流體的油污附近存在一個衰減的分布，這其中還會出現(xiàn)一些液體流速不斷減小的現(xiàn)象，并且桶內(nèi)始終不會出現(xiàn)一些循環(huán)的死區(qū)，可見，桶中處在死角的油污根本無法得到有效的清洗或者是凈化。

從圖8當(dāng)中油污顆粒物的運(yùn)行速度發(fā)生變化時，相應(yīng)的凈化效果也會發(fā)生變化，顆粒物的運(yùn)行速度往往處在一種單循環(huán)的模式，這種模式對于顆粒物的清除具有十分積極的作用。因此，本文利用FLUENT軟件可以對油箱內(nèi)的循環(huán)凈化過程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，這種模擬可以利用實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行測量。采用單循環(huán)處理之后，相應(yīng)的油液或者油污可以通過一些捷徑來形成一條有效的凈化循環(huán)通道；從另外一個方面來講，濾油機(jī)在循環(huán)過程中可

以對油污進(jìn)行有效的凈化并且可以對其進(jìn)行凈化靜止以及澄清，通過澄清之后可以使其重新回到新油當(dāng)中，其次經(jīng)過凈化之后的油液回到攪混的油中又會重新造成二次污染。因此，本文利用FLUENT軟件可以對珩磨用高精度純油的凈化過程進(jìn)行有效分析，通過仿真分析來獲知其凈化過程中存在的問題，根據(jù)存在的問題來給出相應(yīng)的改善措施和改進(jìn)方法，使得其提純的方法更加簡便、高效。

4 結(jié)論

本文采用FLUENT軟件來對單油箱中的循環(huán)油凈化模式進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上來對液固流場進(jìn)行了有效的模擬計算，通過模擬計算可以表明，珩磨用高精度純油的實(shí)際實(shí)驗(yàn)值與軟件模擬值之間吻合度較好，因此，在工程實(shí)際中可以利用該軟件來對機(jī)械雜質(zhì)的凈化過程進(jìn)行模擬，并且在模擬的過程中可以盡量的避免單油箱循環(huán)模式。通過這種模擬方法可以指導(dǎo)珩磨用高精度純油的凈化過程。

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Simulation Analysis of High Precision Honing Pure Oil Purifying Effect Based on FLUENT Software

LIU Kun

(School of Computer Science, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

The high-precision honing pure oil is of great importance for the effectively and safely operating the equipment, reducing abrasion, improving equipment operating life. The paper uses FLUENT software to perform simulations by using high-precision honing oil, with the main help from the use of FLUENT software to simulate the entire cycle process and cycle mode. The simulation results will be compared to demonstrate that high-precision honing pure oil has a good application effect.

high-precision honing oil; software system; FLUENT; simulation analysis

2016-06-10

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃優(yōu)秀中青年人才項(xiàng)目(Q20123105)

劉 坤(1980-)，男，湖北武漢人，講師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)研究。

TP31

A

1674-344X(2016)08-0020-05