張志鑫,李旭東

(蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點實驗室,甘肅蘭州 730050)

三通管接頭流固、流固熱耦合計算對比分析

張志鑫,李旭東

(蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點實驗室,甘肅蘭州 730050)

為了研究三通管接頭在流體運輸過程中的力學(xué)性能變化,基于多物理場耦合程序MpCCI,聯(lián)立結(jié)構(gòu)場分析軟件ABAQUS和流場計算軟件FLUENT,對三通管接頭的力學(xué)性能變化進(jìn)行了流固耦合、流固熱耦合數(shù)值仿真。結(jié)果表明:在相同的流場邊界條件下,流固熱耦合計算得出管對應(yīng)部位的應(yīng)力、位移比沒有溫度場的流固耦合計算得到的都大了數(shù)百倍;在三通管存在尖角以及管接合的區(qū)域,應(yīng)力集中的現(xiàn)象很明顯,有溫度場時應(yīng)力集中更嚴(yán)重,應(yīng)力集中的區(qū)域也更大。

流固耦合;流固熱耦合;應(yīng)力集中;力學(xué)性能

管接頭是機械、石油、化工、冶金等行業(yè)中管道連接的關(guān)鍵部件,但由于高溫、壓力、疲勞和腐蝕等原因,使得管子在使用過程中出現(xiàn)斷裂、泄露等危險事故[1]。實際工程中應(yīng)用的三通管是一個多學(xué)科交叉、多物理場耦合的實例。在三通管的服役過程中會受到管內(nèi)流場的沖擊和摩擦作用,這種流場的沖擊力使得管發(fā)生變形,會改變雙層管的力學(xué)性能[2-4]。我們以三通管接頭為研究對象,通過多物理場耦合軟件Mp CCI,聯(lián)立結(jié)構(gòu)場分析軟件ABAQUS和流場計算軟件FLUENT,對其接頭的力學(xué)性能變化進(jìn)行了流固耦合、流固熱耦合數(shù)值仿真。

1 兩種耦合的方法及軟件介紹

1.1 流固、流固熱耦合方法

美國的Westergaard H M在1933年首次提出了流固耦合的問題,但是直到20世紀(jì)80年代以后才被重視起來。在研究的三通管的流固耦合、流固熱耦合分析計算中,采用的是壓力-位移耦合方式,即三通管內(nèi)的流場會對管有膨脹或擠壓作用,使得三通管發(fā)生變形,這種變形在結(jié)構(gòu)體分析軟件中會用單元節(jié)點的位移來表示,而流場作用在三通管上的壓力是由流場單元網(wǎng)格的節(jié)點壓力來表示的。

流固耦合、流固熱耦合的計算是借助計算流體力學(xué)與計算結(jié)構(gòu)力學(xué)分析流場與結(jié)構(gòu)場中的力學(xué)計算問題。研究中三通管在流場作用下的變形微小,并且流場和三通管耦合明顯,因此在對管進(jìn)行流固耦合、流固熱耦合分析時選用的是弱耦合求解的方法。弱耦合求解方法就是在每個時間增量步上通過對CSD方程和CFD方程的依次求解,在耦合界面處對流場計算數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)場計算數(shù)據(jù)進(jìn)行交換,這樣反復(fù)交替的計算直到耦合分析完成[5]。

1.2 Mp CCI多物理場耦合軟件

多物理場耦合的軟件很多,由德國Fraunho fer研究所推出的Mp CCI(Mesh-based parallel Code Coupling Interface)軟件,其本身不具有多場耦合的分析功能,但許多大型有限元分析商用軟件可以通過MpCCI與其他軟件的互相傳遞、交換數(shù)據(jù),實現(xiàn)多場耦合的分析,也就是說它是很多商業(yè)軟件或者多學(xué)科分析的一個程序接口[6]。

1.3 ABAQUS軟件

有限元分析軟件ABAQUS擅長處理復(fù)雜的非線性問題,如擅長解決非線性材料、大變形以及接觸等高端問題,其不但可以分析高度非線性的龐大復(fù)雜模型,還可以解決單一零部件的力學(xué)分析和多場耦合的分析,如能夠分析熱/電耦合、滲流/應(yīng)力耦合等,還可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。正是由于ABAQUS超強的分析能力和模擬復(fù)雜問題的可靠性,它在航空航天、機械制造、汽車交通、石油化工、國防軍工、能源等領(lǐng)域以及科研中被廣泛應(yīng)用[7-9]。

1.4 FLUENT軟件

FLUENT軟件是一款能夠模擬分析復(fù)雜流體流動以及流體與溫度場相互作用的CFD軟件。與傳統(tǒng)方法相比其具有不受實驗?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ偷闹萍s、計算速度快、節(jié)省時間、節(jié)約成本、應(yīng)用領(lǐng)域廣以及能夠獲得可靠準(zhǔn)確的計算結(jié)果等優(yōu)點,并且也很容易模擬易燃、高溫以及特殊尺寸等真實流體環(huán)境,而這些環(huán)境又是實驗室無法達(dá)到的[10,11]。

2 結(jié)構(gòu)場和流場的計算模型

2.1 結(jié)構(gòu)場計算模型

在ABAQUS中完成三通管接頭的幾何建模,管的內(nèi)直徑20 mm,管厚2.5 mm,長管長200 mm,短管長100 mm,如圖1所示。材料屬性見表1。ABAQUS中默認(rèn)的單位是mm,因此在管的流固耦合、流固熱耦合分析中,材料參數(shù)必須由m轉(zhuǎn)換成mm對應(yīng)下的材料參數(shù),然后創(chuàng)建耦合面,耦合面是結(jié)構(gòu)場和流場接觸的表面,也是結(jié)構(gòu)場計算數(shù)據(jù)和流場計算數(shù)據(jù)交換傳遞的界面。流固耦合中的網(wǎng)格單元類型為3D Stress,而流固熱耦合因為增加了溫度場,所以設(shè)為Coupled Temperature-Displacement網(wǎng)格單元類型。同理,在分析步模塊,流固耦合選擇Static General分析類型,而流固熱耦合選擇Coupled Temperature-Displacement分析類型。在對三通管進(jìn)行流固熱耦合分析計算時,除了設(shè)置三通管兩端的固定邊界條件外,還需要設(shè)置溫度場邊界條件,即在三通管的內(nèi)表面設(shè)置初始溫度場,最后寫出input文件。

圖1 三通管結(jié)構(gòu)場模型Fig.1 The structure field model of t-branch pipe

表1 三通管的材料屬性Table 1 Material properties of t-branch pipe

2.2 流場計算模型

流場的計算域為三通管內(nèi)部的區(qū)域,需要注意的是流場計算域的外徑必須要和三通管的內(nèi)徑一致。通過ABAQUS/CAE來進(jìn)行流場計算域的建立,對流場計算域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在ABAQUS中只能對流場計算域幾何模型的邊界進(jìn)行指定,然后導(dǎo)出FLUENT計算所需要的inp文件。流場的幾何模型和網(wǎng)格如圖2所示。再將inp文件導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行求解器設(shè)置,在流場物性里,流體選擇了液態(tài)水,水的參數(shù)為默認(rèn)值。在FLUENT需要設(shè)定三種邊界條件,分別是入口邊界條件,出口邊界條件和壁面邊界條件。沿y軸正向和z軸正向為管的兩個入口邊界條件,入口速度都為0.2 m/s,另一管口為出口邊界條件,其余面是耦合面為wall邊界條件。在流固熱耦合時,還需要對耦合面進(jìn)行溫度傳遞方式的設(shè)置。最后寫出cas文件。

圖2 三通管流場模型Fig.2 The flow field model of t-branch pipe

3 兩個耦合過程及其結(jié)果對比

3.1 三通管接頭的流固耦合過程

通過協(xié)同耦合仿真技術(shù)把三通管流固耦合過程中的物理量變化的過程清晰地展示出來,其過程如圖3所示[12]。分析過程可以分為以下三個步驟:

圖3 MpCCI作為接口的耦合示意圖Fig.3 Coupling diagram when MpCCI as the interface

(1)分別在相應(yīng)的軟件建立需要耦合計算的模型(在ABAQUS中建立三通管的結(jié)構(gòu)場計算模型,設(shè)置三通管的內(nèi)表面為耦合面;在FLUENT建立流場的計算模型,設(shè)置流場和管接觸面為耦合面)。

(2)通過MpCCI把兩個模型耦合在一起, MpCCI中FEM模塊是用來調(diào)用結(jié)構(gòu)場計算模型的,在其中設(shè)置結(jié)構(gòu)場相關(guān)的參數(shù)、結(jié)構(gòu)場模型文件等,注意兩個模型的單位要一致。另外一個模塊是CFD模塊,用來調(diào)用流場的計算模型,其中設(shè)置流場相關(guān)參數(shù)以及流場計算的模型文件等。其次,設(shè)置耦合計算時傳遞數(shù)據(jù)的耦合界面和交換的物理變量,在Mp CCI界面選取結(jié)構(gòu)場和流場的耦合面。流固耦合計算時,主要關(guān)注的是三通管在流場作用下的應(yīng)力變化等力學(xué)變量。流固耦合需要交換的變量為NPosition(結(jié)構(gòu)場需要交換的變量)和Re1Wall Force(流場需要交換的物理量)。在耦合計算過程中,結(jié)構(gòu)場和流場分別進(jìn)行求解計算,再通過MpCCI的協(xié)助,完成變量的數(shù)據(jù)交換。

(3)設(shè)置完耦合參數(shù)后,調(diào)用MpCCI、ABAQUS和FLUENT三個計算程序開始耦合計算。計算過程先對流場進(jìn)行分析計算,流場計算的壓力數(shù)據(jù)通過Mp CCI進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并傳遞給ABAQUS,ABAQUS通過數(shù)據(jù)的插值計算轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù),ABAQUS再通過Mp CCI把轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)傳遞給FLUENT,這樣的計算過程和數(shù)據(jù)交換過程反復(fù)交替運行,直至耦合計算完成。最后通過結(jié)構(gòu)場和流場相應(yīng)的后處理軟件對計算結(jié)果進(jìn)行分析處理。

3.2 三通管接頭的流固熱耦合過程

流固熱耦合是在流固耦合的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,也就是在原來流固耦合兩個物理場的基礎(chǔ)上考慮了溫度場對應(yīng)力分析的影響,來進(jìn)行溫度場、結(jié)構(gòu)場以及流場相互耦合作用的分析計算。我們通過對材料設(shè)置熱傳導(dǎo)參數(shù),像比熱容、熱傳導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)以及設(shè)置溫度邊界條件來實現(xiàn)溫度場的耦合計算。研究的流固熱耦合僅是三通管的管內(nèi)壁有溫度場的耦合分析,其耦合計算不但需要設(shè)置溫度場相關(guān)的材料參數(shù),而且要在ABAQUS中設(shè)置相應(yīng)的分析類型以及網(wǎng)格單元類型。分析類型和單元類型都設(shè)置為Coupled temperature-displacement熱力耦合類型。

流場中要設(shè)置能量方程、耦合面的熱交換方程等參數(shù)。和流固耦合的分析過程一樣,通過Mp CCI把從ABAQUS中導(dǎo)出的input文件以及FLUENT中導(dǎo)出的cas文件耦合在一起進(jìn)行分析計算。但不同的是耦合過程中耦合變量設(shè)置不一樣,流固熱耦合還需要在Mp CCI中設(shè)置溫度場相關(guān)的變量,像Film Temp、Wal1HTCoeff、Wa1l Temp等。

3.3 仿真結(jié)果及其對比分析

在后處理中因為管、管的邊界條件以及流場的邊界條件都對稱,所以取圖時截取的是剖面圖,以便能更清楚地看到管內(nèi)壁的力學(xué)性能變化。

圖4、圖5分別為三通管流固耦合、流固熱耦合得到的位移云圖。位移的實質(zhì)是三通管在流場壓力的作用下,其單元節(jié)點位置發(fā)生偏移。位移反映了流場流體作用于三通管的膨脹力的大小,由圖4、圖5可以看出在流固耦合的計算結(jié)果中,管內(nèi)眾多區(qū)域位移大小均在10－4mm的量級,而流固熱耦合得到的位移大小基本都在10－2mm的量級。即流固熱耦合后管對應(yīng)節(jié)點的位移比只有流固耦合得到的位移大了兩個數(shù)量級。這說明由于溫度場的作用,流固熱耦合下流體作用于管的膨脹力比只有流固耦合時流體對管的膨脹力大數(shù)百倍。

圖4 三通管流固耦合計算位移云圖Fig.4 Displacement cloud chart of t-branch pipe fluid-sdid couple computation

圖5 三通管流固熱耦合計算位移云圖Fig.5 Displacement cloud chart of t-branch pipe fluid-solid heat coupling calculation

圖6、圖7分別為三通管流固耦合、流固熱耦合得到的應(yīng)力云圖。由圖6、圖7可以看出,流固熱耦合計算得到的管對應(yīng)節(jié)點應(yīng)力大小多在102N的量級上,比流固耦合計算得到的應(yīng)力大兩個數(shù)量級,這同樣歸功于溫度場顯著增大了管的應(yīng)力。此外還可以看出,在三通管T字交接的地方其位移較其余區(qū)域發(fā)生了突變,這是由于兩股入流流體在該區(qū)域交匯沖撞造成的。在三通管的接合處都出現(xiàn)了應(yīng)力集中,所區(qū)別的是流固耦合中應(yīng)力集中區(qū)域很小,而在流固熱耦合中該區(qū)域擴大成一個箭頭形狀,這也顯示了溫度場對管的應(yīng)力集中的增強作用。

圖6 三通管流固耦合計算應(yīng)力云圖Fig.6 Stress cloud chart of t-branch pipe fluid-solid couple calculation

圖7 三通管流固熱耦合計算應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud chart of t-branch pipe fluid-solid heat coupling calculation

4 結(jié)論

(1)通過后處理得到的剖面圖比較流固耦合、流固熱耦合的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),在相同的流場邊界條件下,三通管內(nèi)壁有溫度場時管的應(yīng)力、位移等計算結(jié)果比沒有溫度場時的流固耦合計算得到的應(yīng)力、位移都大兩個數(shù)量級。

(2)在三通管內(nèi)存在尖角以及管接合的區(qū)域,應(yīng)力集中的現(xiàn)象很明顯,有溫度場時應(yīng)力集中更嚴(yán)重、區(qū)域更大。

(3)說明了溫度場對三通管的材料力學(xué)性能的影響巨大,這使得三通管在工程實踐中應(yīng)用時,必須要考慮溫度場對其材料力學(xué)性能的影響。所以在必須有溫度場的服役工況時,為避免發(fā)生不必要的后果,對施加在三通管的溫度場和熱場必須要加以嚴(yán)格的控制,否則會造成管的膨脹位移、應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)性能指標(biāo)過大。研究得到的結(jié)果對三通管在有溫度場的服役工況下的服役行為可以給出較有價值的參考。

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Comparative Analysis of Tee Pipe Coupling Fluid-solid, Fluid-solid Thermal Coupling Calculation

Zhang Zhixin,Li Xudong
(State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-Ferrous Metal Material,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China)

In order to study the mechanical properties changes of tee pipe coupling during the fluid transport,this paper bases on the multi-physics field coupled program MpCCI and simultaneous structure field to analyze the software ABAQUS and flow field calculation software FLUENT,making fluid-structure interaction and fluid solid heat couple numerical simulation in the changes of mechanical properties of tee pipe coupling.The results show that,in the same flow field boundary conditions,the fluid solid heat couple calculation of the stress and displacement of tube corresponding parts are hundreds of times larger than the fluid solid couple calculation without temperature field.What is more,there is obvious stress concentration in the connection area of sharp corner and tubes in the t-branch pipe.It is more obvious of the stress concentration with larger stress concentration areas when there is temperature field.

Fluid-structure coupling;Thermal fluid-structure coupling;Stress concentration;Mechanical properties

U174

:A

:1004-0366(2016)05-0079-05

2015-03-04;

:2015-04-25.

張志鑫(1990-),男,湖北鄖西人,碩士研究生,研究方向為計算機仿真.E-mail:zzxllgjhx＠sina.com.

Zhang Zhixin,Li Xudong.Comparative Analysis of Tee Pipe Coupling Fluid-solid,Fluid-solid Thermal Coupling Calculation[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):79-83.[張志鑫,李旭東.三通管接頭流固、流固熱耦合計算對比分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(5):79-83.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.019.