CAE技术在流体机械及工程中的应用研究
黄思 林冠堂 莫宇石
摘要：介绍了有关CAE技术在流体机械工程中的单个静设备、动设备以及多个设备系统应用的方法和成果。涉及的静设备有储罐、塔、换热器，动设备有离心泵、液环泵和螺杆泵，多个设备系统有消防供水系统和架空管道系统等。讨论了流体机械及工程仿真中常见的流固耦合、动静计算域设置、连续相一离散相模型、单个设备与多个设备系统尺度等CAE技术问题。对单个设备而言，先进行流场计算以确定结构计算的流动载荷条件，再进行有限元计算和模态分析。对于多个设备的系统，以关注系统稳态或瞬态的工作性能为主，便于完成设备的选型与评估、有针对性地制定安全防护措施。最后对CAE技术在流体机械及工程中的应用前景做了展望。
关键词：CAE技术;流体机械;单个设备;多个设备系统
中图分类号：TH455
文獻标志码：A
文章编号：1009-9492（ 2022）02-0001-06
0 引言
流体机械是以流体为工质进行能量转换的机械设备。从广义上讲，流体机械可分为静设备（如管道、压力容器、换热器等）和动设备（如泵、压缩机和分离机等）两大类。根据我国第十四个五年规划发展纲要中对新能源技术和绿色发展理念的要求，各行业都应对生产制造的各个环节进行节能减排、降耗增效。流体机械由于适应性强、易于实现自动化智能化等特点，被广泛应用于能源、医疗、化工、新能源等国民经济建设的众多领域之中。因此如何实现流体机械的绿色发展理念已成为当前的研究热点之一。
CAE（ Computer Aided Engineering）技术即计算机辅助工程，是利用计算机进行工程计算、产品设备分析、模拟仿真以及优化设计的统称。众所周知，流体机械及设备传统的研发模式一般需要经历多次反复的设计、性能试验、制造等过程，研发周期长、成本高。CAE技术通过计算机模拟分析，可减少设计成本，缩短设计和分析的循环周期;采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本;在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题;模拟各种试验方案，减少试验时间和经费;总之，CAE技术具有降低研发成本、缩短周期、可预测产品性能等明显优势[1]。
本文以作者研究团队近些年运用CAE技术在流体机械及工程领域开展的一些代表性工作为例，探讨CAE技术应用的方法旨在提高该技术在流体机械及工程领域应用的水平。
1 单个设备的仿真分析
1.1 静设备
储罐、塔、管道等静设备的建造和使用呈现出大型化和轻质化的趋势，强风作用下这类户外设备的倒塌倾覆和结构破坏案例时有发生，需要考虑强风载荷下设备的结构分析。此外，设备内外流体流动产生的诱导频率与设备固有频率相一致或相近时，设备会发生共振，损害其正常工作，甚至会引发安全问题[2]。根据如图1所示的计算流程，运用CAE技术对设备内外流体流动和结构进行流固耦合分析。具体讲就是首先对设备内部流动介质流体力及外部风载荷进行数值计算（CFD），确定设备结构计算的流动载荷条件，再利用有限元计算和模态分析，得到设备的各阶振型和固有频率，对应力集中部位进行强度校核以检验结构的可靠性。
图2所示为按CFD计算得到的某-5 000 m3丙烷球形储罐外表面风压分布（风速U=30 m/s）。球壳外径、储罐高度和壁厚分别为21.3 m、24 m和48 mm，罐内充装率为0.9，压力为1.66 MPa。风载荷在球罐迎风面形成正压区，在球罐顶部、底部、侧面和背风面形成负压区。风压在迎风面中心达到最大值，沿着周向风压值逐渐减小。图3所示为按流固耦合计算得到的球罐位移分布。由图3 （b）可见，风载荷的作用使球壳背风面变形大于迎风面的变形，风速越大这种趋势越明显，因此设备表面风载荷的存在及其不均匀性对设备安全的影响不可忽视。
图4所示为在流固耦合计算中由模态分析得到的某一化工分馏塔的结构位移、固有频率及其振型结果[3]。该塔高24m，内径1.4m，壁厚10 mm，塔板数26，气相和液相分别为天然气和汽油，工作压力和温度分别为0.13 MPa和289.4℃。针对图3和图4的结果，可以有针对性地对设备制定相应的安全防护措施。
图5所示为石化企业的某一换热器计算模型和温度计算结果。换热器壳体长3m，内径159 mm，内有11根φ25 mmx2.5 mm的换热管。壳程介质为减顶气，入口流量6.3 kg/h，温度255℃;管程介质为循环水，入口流量125.9 kg/h，温度32℃[4]。该问题求解的难度在于设备总体尺寸大，而壁厚、污垢厚度等局部细节尺寸较小，涉及流体流动传热、固体导热甚至还有设备的失效分析等内容，对计算机资源配置要求较高，需要对计算模型做出合理的简化处理。
1.2 动设备
工作时动设备的许多结构和零部件以某个速度运行，与所接触的流动介质相互作用，因而其工作机理比静设备要复杂得多。动设备内部流动的主要问题是动静部件间的相互干涉和表面曲率等作用，同时还伴有二次流、间隙流、尾迹及各种旋涡[5]。另一方面，设备高速运行时容易出现局部压力低于液体饱和蒸汽压而产生空化汽蚀，造成表面材料剥蚀使设备失效[6]。
有关动设备的CAE方法基本上仍采用图1给出的技术路线，但需要将计算模型分成如图6所示的运动域和静止域等多个计算域，使用分界面将运动域和静止域分隔和关联。非稳态问题需要采用滑移网格（运动域不变形）方法[7-8]或动网格（计算域可变形）方法[9-10]捕捉流动传热的瞬态行为。
图7所示为使用开源软件OpenFOAM计算得到的设计点工况下IS型离心泵的流场分布[11]。设计点流量Qd=54 L/s，转速n=2 900 r/min，有效汽蚀余量NPSHa=5.81 m。从图7 （b）可以看出空化云（气泡）集中在叶轮入口叶片吸力面的位置。通过CAE后处理，由离心泵内流场模拟结果可以对泵水力性能进行预测计算。如图8所示，数值模拟可以较好地预测离心泵的水力性能。
图9所示为按CFD模拟计算得到的2BE1-353型水环真空泵内气液两相分布，红色表示气相，蓝色表示液相。叶轮直径为710 mm，转速为372 r/min，入口压力为60 000 Pa（绝压），出口压力1 atm（绝压）。数值模拟结果得到了液环泵性能实测结果的验证[12]。
图7和图9这类两相流问题的共同点是在模拟计算时可采用“双流体模型”，将离散的颗粒相（气泡、液滴）假设成连续的拟流体。双流体模型中离散相和连续相有相同形式的控制方程，计算量较小，目前的CFD对多相流模拟主要采用这种方法。此外，工程中常有液固或气固两相流的情况，固体颗粒本身是离散的，在颗粒尺度范围较大，尤其是需要了解固体颗粒对设备磨损的情况下，若仍将颗粒作为连续相处理会与实际情况有较大偏差甚至得不到想要的信息。
因此，对这类问题可考虑“连续一离散相模型”，按CFD方法求解连续的流体介质，把固相颗粒视为离散相，采用离散元方法（DEM）对颗粒相的动力学、接触和碰撞等特性进行求解，通过耦合接口实现流体与颗粒之间的动量和能量传递，达到双向耦合的效果[13]，具体过程如图10所示，其中Fluent是CFD软件，EDEM是DEM软件。
图1 1所示为计算得到的IS型离心泵输送固液两相介质时固体颗粒的分布情况[14]。设计点流量Qd=99 m3/h，扬程Hd=13.6 m，转速n=1 450 r/min，入口固相体积率2%，粒径1.0-3.0 mm，密度p=1 500 kg/m3。
图12所示为设计工况下该泵各部位材料的相对磨损量（t=0.8 s）。总体而言，蜗壳的磨损量约占总磨损的70%左右（图12（a）），这个结果与Roco等[15]的涂层磨损实验结果相符。叶轮各部位磨损量大小顺序为：叶片工作面>后盖板>前盖板>叶片背面>叶片头部>叶片尾端（图12（b）），该计算结果与有关涂层磨损实验结果[16-17]的趋势基本一致。
还有一类动设备是依靠腔体的容积变化来与流动介质交换能量的，例如单螺杆泵在工作时转子和定子相啮合构成一系列流体腔室，如图13所示，腔室的大小和形状随时间作周期变化。对于这类流体域变形的仿真计算问题，一般采用动网格方法解决，如图14所示。
图15所示为计算得到的某一单螺杆泵定子表面的静压分布[18]。螺杆泵主要参数为：转子直径55 mm，转子偏心距8.2 mm，定子与转子间隙0.15 mm，定子导程480 mm，定子总长7.68 m。考虑到计算硬件的限制，定子模型长度取实际总长的1/4。n=180 r/min，△p=2 MPa。由图可知，每个腔室内的静压值较为均匀，不同腔室的压差比较明显。
图16所示为该螺杆泵中心截面的流速矢量图。计算结果显示，相邻腔室内流体在压差作用下沿密封线由高压腔室向低压腔室泄漏，且较高△p工况的泄漏较为严重。
2 多个设備的系统仿真分析
以上介绍的是在单个设备尺度上进行三维流场或结构的仿真计算，但实际中有很大部分的技术需求是要解决多个设备系统层面（尺度）上的仿真问题。就整个系统而言，主要关注的是系统稳态或瞬态的工作性能，以便于设备的选型与安全评估等。
例如对于如图17 （a）所示的消防供水系统，该系统配置有消防泵、阀门、管路和若干个并联的消防水枪等设备，水枪的数目可通过开闭水枪阀门进行调整。当火情严重需要增加阀门开度y时，供水泵须保证水压H不能下降太多，以免影响灭火效果。当用水需求减少时，系统压力过高又容易造成管路或系统的损坏甚至危及到人员的安全。利用Flowmaster软件平台建立消防供水系统的计算模型（图17（b））[19]。由计算得到的消防泵水压H与阀门开度Y的关系曲绒（图18）可见，消防供水系统配置恒压泵要优于配置普通离心泵。
另一个案例是化工园区的架空管道系统，其一般是由数条甚至几十条管道集中敷设在管廊上，用于输送各种温度、压力和流量工况的化工原料和成品，因而可能出现局部变形、减薄失效等问题产生安全隐患。选取如图19所示的某一架空管道系统，几何尺寸为102 m×6 m×13 m，该系统有10组立柱，4层管架，27根管道。
使用Ansys软件对该系统建立APDL有限元计算模型，分别采用梁单元（Beam189）和管单元（Pipe289）对立柱、管架和管道进行建模[20-21]，载荷主要有重力、介质温度和流体对管道的作用力等。管道两端和无沉降的立柱底部取固定约束，有沉降的立柱底部按测量结果设置向下位移。图20所示为计算得到的架空管道系统位移分布。由图可见，竖直方向最大位移出现在图中箭头指向位置，数值为17.2 mm。
图21所示为计算得到的架空管道系统等效（VonMises）应力分布。由图可知，最大应力（150 MPa）出现在管道与管架横梁接触的位置，对照有关标准可满足应力校核。
3 结束语
本文以作者团队近年来的代表性工作为例，介绍了有关CAE技术在流体机械工程中应用的方法和成果。CAE技术可考虑实际中存在的多方面影响因素，采用多物理场仿真手段，对流体流动、传热传质、结构受力和其他复杂的工程问题进行分析。不仅对单个设备，也可以对多个设备所组成的系统进行分析。
随着计算机软硬件技术的不断更新换代，结合运用人工智能、大数据等高科技手段，CAE技术在流体机械及工程等领域有着更为广阔的应用前景，其包容性、功能性和有效性越来越强而使得CAE技术贯穿整个工程设计应用的过程。
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