基于Ansys Fluent混合油導流仿真分析

徐小兵,陳 博,鄭心剛,薄風艷

1.江蘇豐尚油脂工程技術有限公司 (揚州 225127) 2.江蘇豐尚智能科技有限公司 (揚州 225127) 3.國家飼料加工裝備工程技術研究中心 (揚州 225127)

目前社會上的植物油品種眾多,除了如大豆油、菜籽油、花生油等大宗油,還有眾多小品種油如橄欖油、亞麻籽油等,其需求量也在隨著人類生活品質的提高,而在不斷地增加。各油脂加工廠家以及油脂工程公司都在不斷地通過改進工藝和結構,以此優化工藝和設備來提高出油率、降低消耗等。浸出器作為浸出車間的關鍵設備,其好壞直接或者間接地影響車間的生產指標和能源消耗。同時為滿足節能環保、操作簡便等要素,對于浸出器部分結構的設計則尤為重要。

本文重點闡述了關于浸出器噴淋系統中分布槽內部的混合油液相流動的分析。目前在實際應用中為防止油類混合物中的殘渣有可能會堆積在分布槽底部,若長時間堆積后會影響分布槽的使用功能。本模擬分析旨在找到更合適的導流葉片,利用葉片對液體流動的擾動將殘渣從分布槽底部卷起,從而減小殘渣在槽底的堆積,該分析過程是基于Ansys Fluent軟件來模擬分布槽內部混合油在導流片表面流動時的過程。以此作為理論依據,為實現具體的結構做支撐,獲得較嚴謹合理的結構來解決實際生產中遇到的一些問題,從而來減少設備操作者的工作量,降低勞動強度,提高設備的功能性,更是為了能夠滿足安全生產、節能環保的要求。

常用的計算流體動力學(CFD)軟件有Ansys(Fluent),Comsol Multiphysics,CFX,Phoenics,CD- Star,Flow3D 等,其中以Fluent最為成熟和應用廣泛。由于涵蓋了Ployflow和Fluent Dynamic International(FDI)的全部計算資源,Fluent軟件有豐富且先進的物理模型和強大的后處理功能,如層流和湍流,定長流和非定長流,以及無粘性流等[1-2]。所以針對噴淋分布槽中混合油在導流片表面流動的情況,應用Ansys(Fluent)軟件來進行模擬仿真,可以獲得較為貼切真實的結果,從而對實際的結構設計能起到更為直接的指導作用。

1 分布槽等建立三維模型

本文中所涉及的主要裝置包括有:空心管、分布槽和導流片,模型是運用三維設計軟件進行繪制建立,分別建立空心管、分布槽和導流片的模型后,再將三個零件組裝成一個整體,形成所要分析的具體模型。將三維設計軟件輸出的文件保存成可以被Ansys軟件讀取應用的類型,在Ansys spaceclaim中對該模型進行簡化、流道抽取等操作。為后續進行仿真分析做準備。

2 在Fluent中設定的參數

在Fluent計算中,需要混合油的技術參數,比如混合油濃度、壓強或者流速、黏度、溫度等等,如下表1所示。通過選擇某一級的循環混合油參數來作為分析的液相資料,在分析之前,將流體的密度、粘度和表面張力等參數輸入到系統中,另外混合油在導流片表面的流動的狀態還與噴淋量有關。在一定的范圍內,循環噴淋量越大,滲流速度越大,流動狀態越接近湍流或湍流程度越大,則第二、第三階段的傳質阻力越小[3]。因此為了能夠看出混合油流動的情況,需要混合油的流速或者流量的參數,按照表1中列舉的幾個主要技術參數來做仿真分析,通過在具體數據情況下的仿真結果,來觀察導流片表面流過的混合油在槽中的流動情況,以此來分析導流片的結構,并進行優化,以滿足最終的要求。

表1 混合油相關參數

根據空心管的直徑,管孔大小,折合到每個管孔的流量為5 m3/h,上表中除了以上混合油的參數,對于Ansys軟件的數限范圍也進行了一些設定,比如網格劃分中實體單元節點、關聯中的缺省值、平滑度等等,Fluent里面的分析有多種網格參數選項,不同選項為后續的網絡劃分、動態模擬等都會產生不同結果,而為了獲得最接近實際的流動效果,都需要做網格參數的設定。

3 混合油導流片表面流動仿真

3.1 導流面混合油流動設想

混合油從空心管道進口進入,充滿整個管道內腔,在管道的下側有小孔,混合油從小孔落下,由于管道內腔中的混合油有一定壓力,因此混合油是以一定速度從小孔中打出來的。有一定沖擊力的混合油流到導流片上,導流片表面是具有一定曲面的形狀,混合油就會相切于曲面,形成一個向特定方向流動的液體流。導流片表面混合油流動示意見下圖1。

圖1 導流片表面混合油流動示意圖(端面視角)

在做這個混合油液體流仿真時,在Fluent中選擇和設定了相關的變量,變量在由于變量的選擇和設定不同,對于其結果是變化的。為了能夠看出混合油在導流片表面的流動狀態和流動方向,液體流的過程能否滿足設計意圖,因此,為了能夠獲取反映真實的仿真結果,結合混合油的特性,軟件參數設定的規范化,在變量選擇與設定上都盡量真實客觀。

基于Fluent對混合油導流的仿真分析,在對模型進行修正后,再設定有關環境變量。

3.2 劃分網格

導流片模型是帶有一定弧度的曲面,對模型進行網格劃分,在網格劃分過程中,由于在建立原始模型時,有些建模過程產生了尖角、分隔線等,這些不利于網格劃分精度,甚至有可能會中斷網格劃分,因此在進行網格劃分之前,需要對分析的模型進行檢修。

由于分布槽整體較長,且在長度方向上存在周期性,考慮到本模擬涉及到兩相流模型,且為瞬態計算,計算量較大,因此選取了分布槽有周期性的一節如下圖2所示,并將該節兩端設置為周期性邊界條件。這種設置既可以減小計算量,又不會影響結果的準確性。

圖2 網格劃分示意圖

3.3 流動仿真過程

本仿真采取瞬態計算,模型涉及到兩相流的VOF算法,邊界條件采取速度入口及壓力出口,計算域對稱兩端采用周期性邊界條件,計算采用Simplec算法,時間步長設置為0.01 s。初始狀態為槽內無任何混合油,計算域內全部為空氣,當混合油充滿分布槽,且溢出的混合油滴落并穩定流出計算域時停止計算。

圖3展示了達到穩定狀態時流體域中心面的volume fraction截圖,藍色代表空氣,紅色代表混合油,由于VOF模型的原理所限,中間色代表每個單元格中空氣和混合油所占比重的程度,從實際角度看可理解為該處的混合油中存在微小的空氣氣泡。

圖3 仿真流動圖

在進行網格劃分后,通過多組數據模擬在導流片表面的流動狀態,仿真分析中的流線作為模擬液體流動的方向和方位,在模擬混合油流動時,混合油在與導流片接觸后,在一定的流速下,沿著導流片表面的曲線方向向前流動,表面的多條方向的曲線組成不同的曲面,導流片的曲面方向改變了上面孔中豎直向下的混合油方向,而上面管道孔中的混合油在不停地向導流片輸送混合油,液體沿著導流片設定的方向連續流動,從而形成了混合油特定流向的液體流。

3.4 導流效果

各參數仿真分析后所得仿真圖見圖4、圖5。

圖4 仿真流動跡線圖

圖5 仿真流動中心面y向速度圖

跡線圖展示了流體在流場中實際流動的軌跡,顏色代表流體在該位置的速度大小。由圖4可見,速度的最大值出現在混合油出口處,而在整個分布槽中清晰可見的是,跡線遍布槽中所有位置,沒有明顯的低速區,沒有無跡線涉及的空白區域,這意味著槽內的雜質不會因陷入低速區而沉積,也不會在漩渦打轉最后沉積于漩渦內低速區,而是會被油沖出分布槽。

通過實際數據的控制,模擬出液體流動速度得到的速度圖,可見分布槽內的液體不僅僅能夠沿分布槽長度方向串流,而且其流速較快,這種流動對混合油內部的殘渣跟隨液相一起高速流動,起到了很好的預期效果?？偨Y仿真分析的結果:根據仿真結果可見流體跡線遍布分布槽內幾乎所有區域,無明顯滯止區,流場區域也十分活躍,槽內周期性地產生高速流動,且該高速流動可從分布槽底部掃過,這種流動可使殘渣被從底部卷起,或能達到預期目的。

4 結束語

通過Ansys Fluent對混合油在導流片表面流動做仿真模擬,分析在不同數據情況下的結果,驗證導流片弧形面的結構與所需求的最為合適曲面之間的差別,以此來修改設計中不合理的地方,同時還能合理的指導加工制作過程的技術要求,經過各方面的優化,獲得最佳的結構來滿足生產,并解決現行設備結構應用中存在的問題。所以鑒于導流片的設計能夠避免噴淋時出現的一些弊端,在制作前利用分析軟件驗證導流片結構的做法,是較為合理正確的方法,這為提高設計準確性,以及降低制作工作量,提供了有利的指導和幫助。