使用嵌入 CAD 的工程流體力學仿真優化氣體混合過程

2017-03-01 by:CAE仿真在線來源:互聯網

SOLIDWORKS FLOW SIMULATION 是氣體混合 CFD 分析的最佳方法

氣體混合在各種廣泛的應用領域都非常重要,例如,煙道中的氣體混合對于排放控制系統的操作非常重要,填料塔和其他類型化學反應器中的氣體混合會影響過程的產出量和可變性,氣體混合對用于處理危險廢物的旋轉窯焚化爐的性能有重大影響,呼吸道中的氣體混合影響霧化藥物的療效,混合效率上若干個百分點的提升即可大幅減少低氧化氮燃燒器的能耗和排放。優化氣體和空氣混合以滿足特定應用需求頗具挑戰性,該過程通常需要反復建造并測試原型,因此非常耗費時間和成本。大公司已經采用了計算流體力學(CFD) 來模擬氣體混合,但鑒于使用 CFD 技術所需投入的大量成本、時間和專業知識,目前為止這種技術的應用僅限于研究或解決現有設計的疑難問題。

然而過去幾年,市面上出現了完全嵌入主流機械設計環境的新型CFD 工具,這些工具使用更加簡單、更快且更經濟實惠。在設計流程的早期階段,用戶可以使用這些新工具來評估大量備選方案的性能,早期階段的分析使之有可能以較少的時間和較低的成本來提高產品性能并解決設計問題。本文介紹了在設計流程的早期階段使用CFD改善氣體混合的使用指南。

氣體和空氣混合的重要性

燃燒設備制造商面臨著諸多競爭壓力和監管壓力,這迫使他們不得不提高能效、減少環境排放、加大控制力度并提供更大的燃料靈活性。應對此挑戰的關鍵在于改善燃燒器的性能,因為燃燒器是所有燃燒系統的重要組成部分。即便是很小的性能改進,也會對持續運轉且耗費大量能源的系統產生重大的積極影響。

對于幾乎所有燃燒器而言,燃料和氣體混合都是設計過程的重要環節。許多應用領域面臨的主要設計挑戰是通過注入氣體來實現近乎理想化的混合。混合很重要,因為氣體和燃料的濃度不均勻將導致排放量的大幅上升和燃燒效率的大幅下降。非常徹底的氣體和空氣混合可消除火焰中的冷熱點,冷熱點是氮氧化物排放的原動力。

氣體和空氣混合設計方法的改變

直到最近之前,適當的氣體混合設計還被認為更像是一項藝術而不是科學。傳統方法是建造原型或修改現有產品,然后測試產品,最終基于結果修改原型或產品,反復執行此流程直到獲得理想的結果。此方法的問題在于建造、修改和測試原型通常需要投入大量成本,而且非常耗時。

另一個問題是,如果停用一直用于某操作過程的產品(例如發電設備)而進行修改和測試,則可能產生高昂的成本。最近,試驗和分析工具的改進讓軟件原型逐漸取代硬件原型成為可能,前者可以準確地預測出設計備選方案的性能。工程師使用CFD 按照現場使用條件來模擬產品運行。相比物理測試,采用 CFD 仿真通常可獲取更多信息,例如貫穿整個求解域的流速和方向、壓力、溫度和組分濃度值。

作為分析的一部分,設計師可以更改系統的幾何體或邊界條件并查看其對流體流動型態的影響。因此,CFD讓分析師可以用更短的時間和更低的成本來評估多種不同配置的性能。

嵌入式CAD 的發展趨勢

最近,嵌入 CAD 系統的 CFD 軟件的使用趨勢使得有可能將仿真應用于設計階段,相比物理原型,這種方法可以測試更多的設計備選方案,同時還能減少所需的原型數量。嵌入CAD 的 CFD使用原始 3D CAD 數據,自動劃分流體空間,并將流體參數作為基于對象的特征進行管理,這使工程師無需理解CFD 的計算部分,只需專注于產品的流體力學,這是他們本來就應該理解和掌握的。

新一代CFD 軟件包含先進的自動控制功能,確保在幾乎所有應用中實現收斂,無需手動調試。可能最重要的功能控制著網格質量,是避免運行發散的最大原因之一。因此,只需大致了解CAD 系統和產品的物理學知識即可操作 CFD 軟件,而絕大多數設計工程師都已掌握這些知識和技能。這些步驟的自動化還大幅減少了分析時間,使得在設計變更之前就交付分析結果成為可能。

氣體混合的仿真指南

幾種最佳做法可以幫助用戶確保CFD 氣體和空氣混合仿真的準確性。使用原始 3D 數據可以保障實體模型的質量。對于具有最低網格要求的內部流體模型而言,實體必須形成密封的內部空間,內部流場不會出現對外泄漏通道。用戶應該盡可能地消除幾何體的微小細節,以便將CFD模型的大小降至最低。

導入幾何體后,應該使用 CFD 軟件的 “檢查幾何體” 功能來檢查是否存在問題。通過執行試驗網格生成并使用后處理器以可視化方式查看不規則單元,檢查是否存在因薄實體上的孔洞而引起的不規則單元。可以通過增加局部網格密度來修正不規則單元。

湍流模型在混合仿真中非常重要,因為大多數公司無法在成本上承擔功能強大到可以捕捉微小湍流細節的計算機。選擇正確湍流模型的關鍵因素在于將應用中可能出現的流體特征與解算器中的可用模型相匹配。

K-epsilon 模型是一種備受歡迎的兩方程湍流模型,該模型包含兩個額外傳輸方程以表示流體的湍流屬性。業界已開發出針對特定流體配置的專業版本K-epsilon 模型。設計工程師需要能夠驗證其模型是否能夠準確地預測出實際混合過程的化學和物理特性。一種方法是針對當前這一代產品構建模型,并確認該模型可預測其產品性能。至此,設計師即可放心地修改模型,因為他們知道該模型可預測出新設計的性能。如果中斷當前產品運行的代價過于高昂,則有理由建造一個小比例的產品模型,并將其性能與仿真模型進行對比。

實例研究

以下例子描述了如何使用這些方法來設計新一代EclipseLinnox 燃燒器。這種燃燒器被設計成可大幅降低在使用風扇將空氣吹入自然氣體燃燒器時產生的能耗,而且具有與現有設計同等的能效和排放控制。為實現此目標,工程師需要在設計早期階段使設計流線化并去除有助于提高混合水平的特征,同時還要確保整個混合管道內氣體與空氣的比例保持在7.5% +/- 0.5%。Eclipse設計師使用 3D CAD 系統生成燃燒器的初始設計,然后使用 SOLIDWORKS Flow Simulation 技術進行仿真。初始模型的仿真結果顯示了整個混合管道內空氣和燃料的濃度,同時還高亮顯示出需要改善混合效果的區域。

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圖 1:基于中壓空氣旋渦和氣體注入的當前設計的仿真產生一個良好質量的混合

設計工程師對混合器設計做了一系列更改,每進行一次更改之后,都要重新運行一次仿真來確定相關更改的影響,同時需特別注意整個腔室內的組分分布和壓降。他們還需對每個主要變型進行一系列參數研究,從而評估更改設計的關鍵尺寸的影響。通過觀察這些更改對兩種組分的分布的影響,他們可以了解到設計敏感性,而這是使用物理測試方法無法做到的。工程師集中精力處理其中一項設計并執行進一步優化,仿真結果表明,最終設計的壓降僅有300 帕斯卡,這比現有的燃燒器設計減少了 900%(10 倍)。直到這一階段,Eclipse 才針對新設計建造了第一個原型。原型的性能非常接近仿真預測,這大幅降低了獲取新設計所需的時間和成本。

總之,將嵌入 CAD 的 CFD 仿真解決方案用于氣體混合產品的早期設計階段可以節省時間和成本。針對特定行業的具體需求而優化的最佳做法,可以幫助設計工程師避免分析錯誤。通過遵循特定的流程,所有工程師都可以在更改成本很低甚至無需任何成本的時候優化設計。

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