黃 浩，李立民

（武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢，430081）

進氣管道作為空氣過濾系統(tǒng)的收集裝置，廣泛應用于各大消音除塵設備系統(tǒng)。由于管道由鋼架支撐，進風口面積大，管內空氣流量大，空氣流動對管壁產生較大作用力會導致管壁變形。因此對進氣管道進行流固耦合分析，對于系統(tǒng)整體結構優(yōu)化有重要意義。

廣義的流固耦合為流體與結構之間的相互作用影響的問題。人們對流固耦合現(xiàn)象的早期認識源于飛機工程中的氣動彈性問題。Wright兄弟等都曾遇到過飛機氣動彈性問題，但他們主要從感官直覺上來解決問題，并沒有完善的理論支持［1］。隨后，各類專家學者不斷投入到流固耦合問題的研究中。Murakami等［2］借助超級計算機用大渦模擬的方法對繞三維建筑的不穩(wěn)定風場進行研究，其計算結果表明大渦模擬法精度很高，計算結果與實驗數(shù)據(jù)基本相符。Apsley等［3］對風場進行有限體積法和二階方法分析并與普通的k－ε模型相比較，認為這種方法更符合風場對固體側面的影響。我國的流固耦合研究起源于20世紀80年代，王世忠等［4］對輸液管道利用反對稱矩陣方法進行流固耦合分析。楊向龍等［5］基于商用軟件FLUENT和自制非線性有限元程序，建立了三維彈性薄膜結構和黏性流體耦合的有限元模型并進行分析，發(fā)現(xiàn)當雷諾數(shù)從1增大到500時，計算很快發(fā)散。鄢奉林［6］對汽車排氣管道進行了氣－固耦合有限元分析。

上述研究多以外場分析和小型輕結構內場分析為主，尚未見有針對大型鋼結構管道內部流場與管壁耦合的分析。為此，本文應用Workbench等軟件對武漢某環(huán)保設備有限公司消音除塵管道進行仿真分析，得出其流場及結構場的壓力、速度分布云圖，旨在為大型集氣管道的結構優(yōu)化提供依據(jù)。

1 流固耦合方程的建立

1.1 流體控制方程

本文耦合分析采用氣固兩相流，應當遵循流體力學三大定律。對于一般的可壓縮牛頓流體，守恒定律通過如下控制方程描述［7］：

質量守恒方程

式中：t為時間；ff為體積力矢量；ρf為流體密度；v為流體速度矢量；τf為剪切力張量；E為單位質量內能；qf為單位體積熱量損失。

1.2 固體控制方程

固體部分的守恒方程由牛頓第二定律導出：

式中：ρs為固體密度；σs為柯西應力張量；fs為體積力矢量；為固體域當?shù)丶铀俣仁噶俊?/p>

1.3 流固耦合方程

流固耦合遵循最基本的守恒原則，在流固耦合的交界面處，應滿足流體與固體應力、位移的相等或守恒，即滿足如下方程：

式中：τf和τs分別為流體和固體應力；nf和ns分別為流體和固體單位方向向量；df和ds分別為流體和固體位移。

2 仿真分析

2.1 分析流程

流固耦合問題的分離解法一般有單向耦合法和雙向耦合法。由于輸氣管道管壁變形對流場的反作用很小，可以忽略不計，故本文采用單向耦合法在ANSYS中對管道內部流場及結構場進行分析，分析流程如圖1所示。建立流體和管壁結構的三維模型。將流體模型導入ICEM中劃分網格，然后在CFX里進行邊界條件設置及流場仿真計算。將管壁結構模型導入Workbench中進行網格劃分，然后進行有限元（FEA）靜力分析，并將CFX的計算結果作為載荷導入Workbench進行流固耦合（FSI）分析，得出管壁的總變形。

圖1 流固耦合分析流程Fig.1 Process of fluid－solid coupling analysis

2.2 三維模型的建立

管道進氣口為立體方形，多次彎折，出氣口為左方右圓過渡段，管道壁厚約為5mm，整體全長約9m，寬約7m。在Solidworks中建立流體和管道外壁的三維幾何模型，如圖2、圖3所示。

2.3 基本參數(shù)

管道材料為普通鋼材，流體為空氣，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 輸氣管內部流體三維模型Fig.2 3Dmodel of internal fluid in the gas－conveying pipe

圖3 輸氣管道外壁三維模型Fig.3 3Dmodel of the outer wall of the gas－conveying pipe

表1 輸氣管道系統(tǒng)物性參數(shù)Table1 Physical parameters of the gas－conveying pipe

2.4 網格劃分

將流體和固體的三維模型分別導入ICEM和Workbench軟件中進行網格劃分。流體域共劃分100913個節(jié)點，520987個單元；固體域共劃分278760個節(jié)點，138708個單元。流體與管壁網格圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 流體網格圖Fig.4 Fluid grid

圖5 管壁網格圖Fig.5 Wall grid

2.5 邊界條件

流體壁面定義邊界條件類型Wall，用來計算管道內壁所受風壓。管道進口給定速度入口為2.5m／s，壓力為1.01325×105Pa；出口設置相對壓力為0；空氣溫度為25℃。

3 結果與分析

3.1 流場分析

圖6所示為殘差監(jiān)測曲線。由圖6中可見，經過64步迭代后，殘差已小于1×10－5，表明計算結果收斂。

圖6 殘差監(jiān)測曲線Fig.6 Residual monitoring curve

流場壓力及速度仿真結果如圖7所示。從圖7中可以看出，整個管道從進風口到出風口壓力減小，流速增大；流體的壓力水頭轉換成了速度水頭［8］，符合流體運動的質量守恒方程和能量守恒方程；中心截面速度分布顯示，流體在管道中心處速度大于管壁處速度，這是由于管壁內摩擦引起的，出口中心最大風速為22.5m／s。

輸氣管道中心線處的壓力、速度曲線圖如圖8所示。由圖8中可以看出，中心線處壓力隨著流速的增大而減小，出風口存在40Pa負壓。

3.2 結構場分析

加載流場壓力后管壁壓力分布云圖如圖9所示。從圖9中可以看出，最大壓力在管道進氣口處，其值為252Pa。

圖7 管道中心截面壓力和速度分布云圖Fig.7 Pressure and velocity nephogram of the cross section at the middle of the pipe

圖8 中心線處壓力和速度曲線圖Fig.8 Pressure and velocity curves at the centerline

圖9 耦合后管壁壓力分布圖Fig.9 Pressure distribution on the pipe wall after coupling

圖10 管壁總變形Fig.10 Total deformation of the pipe wall

管壁等效總變形圖如圖10所示。從圖10中可以看出，管壁存在微小變形，且管道四個角的變形明顯大于壁面變形，最大形變量為0.217mm。

4 結語

本文基于ANSYS Workbench對某環(huán)保設備公司大型消音除塵管道進行流固耦合數(shù)值分析，結果表明，空氣流經管道時，從進風口處到出風口處，壓力水頭轉化成速度水頭，壓力減小，流速增大，出風口處產生負壓；耦合后管壁存在微小變形，管壁四個角的變形明顯大于壁面變形。這可為消音除塵管道的結構優(yōu)化提供重要依據(jù)。

［1］Fung Y C.An Introduction to the theory of aero elasticity［M］.New York：John Wiley and Sons Inc，1955.

［2］Murakami S，Mochida A.Three－dimensional numerical simulation of air flow around a cubic model by means of large eddy simulation［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1987，25（3）：291－305.

［3］Apsley D D，Castro lan P.Flow and dispersion over hills：comparison between numerical predictions and experimental data［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1997（67－68）：375－386.

［4］王世忠，王茹.三維管道固液耦合振動分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，1992，24（4）：43－49.

［5］楊向龍，劉陽，楊基明.三維薄壁結構與流體相互作用數(shù)值模擬［J］.深圳大學學報：理工版，2008，25（2）：111－116.

［6］鄢奉林.汽車排氣總管流固耦合的有限元分析［D］.武漢：武漢汽車工業(yè)大學，2000.

［7］宋學官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2012：3－4.

［8］龍靖宇，楊陽，黃浩，等.基于Fluent的雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥流場的可視化仿真［J］.武漢科技大學學報，2010，33（3）：307－309.