李懷軍

重慶鋼鐵集團(tuán)設(shè)計(jì)院，重慶 400080

伴隨著社會(huì)工業(yè)化的雄厚發(fā)展，逐步形成了屬于自己的發(fā)展天地，但人們對(duì)其性能優(yōu)良、安全可靠、價(jià)廉物美、制造周期快等諸多方面的要求也在不停地助長。傳統(tǒng)的化工機(jī)械及設(shè)備的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足人們對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量的要求，同時(shí)也不能適應(yīng)日益繁榮的市場(chǎng)需求，原因在于傳統(tǒng)的化工機(jī)械及設(shè)備在受實(shí)驗(yàn)條件限制的同時(shí)也是屬于暗箱操作。然而另一種新思路和新方法的誕生解決了上述疑難，那就是計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)是數(shù)值模擬技術(shù)的一種工具，目前，除了直接試驗(yàn)外，人們逐漸采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行策劃和研究，結(jié)合數(shù)值計(jì)算和剖析的模式解決在研究工程技術(shù)中遇到的具體困難；由于其投資少、策劃過程快、信息完備、模仿能力強(qiáng)等特點(diǎn)，所以在能源、礦場(chǎng)、化工、輕工等行業(yè)的機(jī)械研發(fā)過程中都得到了長足的發(fā)展和相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。本篇文章通過旋風(fēng)分離器在化工領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用為例闡述了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)的運(yùn)用，從而在化工機(jī)械及設(shè)備的數(shù)值模擬進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和其研發(fā)中奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 SOLIDWORKS技術(shù)在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

廣泛應(yīng)用于化工、石油、礦山和諸多類輕工行業(yè)的旋風(fēng)分離器是一種以分離、除塵為功能的設(shè)備；而氣力輸送、流態(tài)化、分離及干燥過程等多相流問題也是每一個(gè)領(lǐng)域中的突出問題。所以，選取旋風(fēng)分離器內(nèi)部的三維兩相流場(chǎng)進(jìn)行Solid works數(shù)值模擬研究對(duì)氣、固分離很有代表意義。

2 SOLIDWORKS的技術(shù)建模

第一，建立幾何模型：Solid works、Gambit、AutoCAD等軟件都可以用來創(chuàng)建幾何模型。本篇文章采用計(jì)算模型為Solid works高效型旋風(fēng)分離器，其幾何參數(shù)各為：a=95mm，b=38mm，D=190mm,h=285mm，B=72.5mm，De=64mm，H=760mm,S=95mm；第二，劃分模型的網(wǎng)格：網(wǎng)格的類別分為多種，四面體網(wǎng)格、鍥形、六面體及混合等網(wǎng)格全屬于三維模型的范疇；在引用中為了方便增高計(jì)算的精確度，首先，引用者應(yīng)當(dāng)選擇與流體的流動(dòng)特點(diǎn)相適宜的網(wǎng)格形式。再次，劃分網(wǎng)格數(shù)目也會(huì)影響計(jì)算的確精度，如果網(wǎng)格的數(shù)目超越了所允許的數(shù)目時(shí)，只會(huì)增加計(jì)算所需內(nèi)存、減緩解的收斂，所以，網(wǎng)格的數(shù)目并不是多多受益。故此，網(wǎng)格的劃分在數(shù)值模擬中雖處于前處理過程，但網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對(duì)模擬的結(jié)果起著相當(dāng)意義的作用。本篇文章介紹的分塊網(wǎng)格技術(shù)，一方面創(chuàng)建非均勻網(wǎng)格是基于控制網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的分布控制網(wǎng)格位置的多少，另一方面在計(jì)算域離散成5個(gè)子區(qū)域各自劃分成網(wǎng)格的基礎(chǔ)上吻合了網(wǎng)格位置與計(jì)算領(lǐng)域的幾何形狀；為了達(dá)到計(jì)算的預(yù)期程度，在這里總共劃分了非均勻的344148個(gè)六面體網(wǎng)格單元；第三，設(shè)置邊界條件類型：本篇文章假定出口端湍流流動(dòng)已經(jīng)達(dá)到飽和性的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，將排氣口端的形式選為outflow，將入口端的形式選為velocity-inlet；分離器的壁面端采用顆粒服從鏡面反射的原理設(shè)為無滑移壁面wall。

3 SOLIDWORKS的技術(shù)數(shù)值求解

首先定位適應(yīng)實(shí)際流場(chǎng)特性的計(jì)算模塊（兩相流和單相流）、運(yùn)行條件、物料屬性等給模型，然后進(jìn)行數(shù)值代入解答。1）氣、固兩相流場(chǎng)的計(jì)算就應(yīng)用離散相模型中的相間耦合的隨機(jī)軌道模型，但旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)由于是三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流，故而應(yīng)用抽象的雷諾應(yīng)力湍流模型（RSM），這樣做是基于其本身含有清晰的多向異性；2）設(shè)定運(yùn)作時(shí)的條件，設(shè)入口氣流方向垂直于進(jìn)口截面，而其速度為20m/S；3）固相顆粒群采用密度為2750kg/m3，能通過45tzm 的篩網(wǎng)篩孔的滑石粉，在假定固相顆粒群的粒徑布置滿足Rosin-Ramm-ler分布的基礎(chǔ)上，將粒徑布置分為10個(gè)空間，顆粒相對(duì)分布范圍作為該顆粒的比率含量，而計(jì)算顆粒直徑選為每個(gè)粒徑分布區(qū)的中間值。氣相流體就用常溫下的空氣；含塵量在含塵氣體中取9.5g/m3（標(biāo)準(zhǔn)）；4）模型的數(shù)值求解中由于統(tǒng)一了匹配的選取差分格式為QUICK 、壓力插補(bǔ)格式為PRESTO，采用了非交錯(cuò)網(wǎng)格的SIM-PLEC算法的格式，通過速度和壓力之間的互通校正關(guān)系迫使質(zhì)量守恒同時(shí)獲得壓力場(chǎng)。故而可以得到比較滿意的計(jì)算成果。

4 結(jié)果分析與討論

由于采用數(shù)值模擬的方式功效相當(dāng)大，故而可以形象的模仿出每一個(gè)物理量在每一個(gè)位置上的信息，故而解決了旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)復(fù)雜和通過實(shí)驗(yàn)的手段很難測(cè)量周全的困難。比如我們要考查速度的模擬結(jié)果時(shí)就可以查看任何一點(diǎn)位置處的合速度、極坐標(biāo)下各個(gè)分速度等；觸類旁通，其他多種形式的模擬結(jié)果考查也如此。

4.1 速度場(chǎng)分布

流體的運(yùn)動(dòng)在整個(gè)截面內(nèi)、外部流體的旋流方向相同且類型都為旋轉(zhuǎn)流，所以就證明了螺旋的螺旋方向在旋風(fēng)分離器內(nèi)、外是相同的。我們可以從不同截面的速度矢量圖所提供的信息中尋找出哪里的流場(chǎng)紊亂，哪里的速度分布規(guī)則等等。

4.2 壓強(qiáng)分布

通過比較和參照各類圖左側(cè)的數(shù)據(jù)標(biāo)志條，我們不難找出哪些區(qū)域的壓強(qiáng)高，哪些區(qū)域的壓強(qiáng)，然后再取某一值做比較就可得出答案。當(dāng)然，我們也可以通過其他方法來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，比如說相對(duì)于某一點(diǎn)的壓強(qiáng)的變化率、壓降值等，來發(fā)現(xiàn)哪里的壓強(qiáng)幅度變化較大，能量損耗比較嚴(yán)重等。通常我們把這種方式叫做“自定義函數(shù)表達(dá)式”。

5 結(jié)論

SOLIDWORKS技術(shù)的分析和解讀功能是相當(dāng)?shù)膹?qiáng)大，它能夠通過模仿和效仿機(jī)械設(shè)備內(nèi)部空間的流場(chǎng)，從而獲得包括壓強(qiáng)分布、速度分布、濃度及溫度分布等等流動(dòng)狀態(tài)的多種不同程度上的直接和明晰的信息。SOLIDWORKS技術(shù)是一種在先進(jìn)技術(shù)中加進(jìn)的虛擬設(shè)計(jì)方式，本篇文章通過舉例來闡述了SOLIDWORKS技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬的程序，同時(shí)也賦予了相當(dāng)數(shù)量的模擬結(jié)果，進(jìn)一步證明了引用SOLIDWORKS技術(shù)運(yùn)算的實(shí)踐性和合理性，再次印證了SOLIDWORKS技術(shù)軟件在化工機(jī)械的策劃意圖中具有潛在的應(yīng)用能量，它的發(fā)展前景值得人們引起關(guān)注。

[1]楊杰.風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(5)：763-765.

[2]洪厚勝.SOLIDWORKS用于機(jī)械攪拌生化反應(yīng)器液固兩相混合的研究[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2007，20(3)：249-254.