秦立慶,顏文煅
(閩南理工學(xué)院,福建 石獅 362700)
流體機(jī)械是一種機(jī)械設(shè)備,以流體作為機(jī)械生產(chǎn)的關(guān)鍵能源,結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子、行星輥、同步機(jī)構(gòu)四部分構(gòu)成,幾乎沒有易損件,有關(guān)型線均由對(duì)應(yīng)的軌跡曲線方程確定,平滑過渡、運(yùn)轉(zhuǎn)平順,在同步機(jī)構(gòu)作用下,行星輥相對(duì)于轉(zhuǎn)子做轉(zhuǎn)速相同、方向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子內(nèi)腔同心旋轉(zhuǎn)。流體機(jī)械主要用于為機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行提供動(dòng)力。流體機(jī)械廣泛應(yīng)用于水利、熱電、給排水、化工、冶金等各領(lǐng)域,適用于水、海水、油品、噴煤粉、焦?fàn)t煤氣、含塵氣體等介質(zhì)中,在泵的出口或管路中起到止回和截止功能。由于流體機(jī)械的廣泛應(yīng)用,在中國(guó),針對(duì)流體機(jī)械的設(shè)計(jì)研究并不罕見,傳統(tǒng)的流體機(jī)械設(shè)計(jì)方法中流體機(jī)械的參數(shù)設(shè)定主要依靠試驗(yàn)所得,再通過設(shè)計(jì)人員自身的經(jīng)驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)所得參數(shù)加以篩選、調(diào)整,最終完成流體機(jī)械設(shè)計(jì)。近年來,有學(xué)者提出建立流體機(jī)械的有限元模型對(duì)固體強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,對(duì)內(nèi)部參數(shù)和流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,獲得較直觀的應(yīng)力分布仿真圖和內(nèi)部流場(chǎng)仿真圖,在此基礎(chǔ)上對(duì)流體機(jī)械進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。還有學(xué)者提出將正交試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬,考慮液環(huán)真空泵葉輪的多因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),改善內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)[2]。但上述傳統(tǒng)方法針對(duì)部分流體機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì),會(huì)在參數(shù)設(shè)定時(shí)存在一定誤差,在投入實(shí)際應(yīng)用一段時(shí)間后,存在相對(duì)總壓效率難以滿足現(xiàn)實(shí)需求的問題,導(dǎo)致流體機(jī)械的氣動(dòng)性能與預(yù)期相比相差甚遠(yuǎn)。
針對(duì)上述問題,CFD法的應(yīng)用價(jià)值逐漸顯現(xiàn)出來。CFD法通過理論差分計(jì)算建立數(shù)學(xué)模型的方式,提高機(jī)械設(shè)計(jì)中參數(shù)設(shè)定的科學(xué)性,進(jìn)而減少設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定時(shí)存在的誤差。因此,有理由將CFD法應(yīng)用在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中,通過CFD法設(shè)計(jì)出1種新型流體機(jī)械,致力于從根本上提高流體機(jī)械的相對(duì)總壓效率,進(jìn)而確保流體機(jī)械在現(xiàn)實(shí)使用中具備良好的氣動(dòng)性能。
CFD法又稱時(shí)間推進(jìn)法,是流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算中的核心方法,尤其在近年來受到學(xué)術(shù)界的重點(diǎn)關(guān)注。CFD法能夠以時(shí)間為依據(jù),通過倒推的方式計(jì)算,利用任意曲線坐標(biāo)系建立數(shù)學(xué)模型,分析數(shù)據(jù)中的流動(dòng)性,進(jìn)而客觀地表現(xiàn)出數(shù)學(xué)中的抽象規(guī)律。與此同時(shí),CFD法具備理論研究中的計(jì)算方法,主要包括:差分格式以及離散方程組的求解,且計(jì)算過程簡(jiǎn)單,計(jì)算方程式能夠被計(jì)算機(jī)所識(shí)別,可在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)復(fù)雜方程組的求解[3]。CFD法以其強(qiáng)大的分析能力與計(jì)算能力,在眾多流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法中脫穎而出,成為時(shí)下最受關(guān)注的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法[4]?;诖?,如何將CFD法恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中,是本次研究中的主要內(nèi)容,也是本次研究中的亮點(diǎn)所在。
在基于CFD法的流體機(jī)械設(shè)計(jì)中,必須預(yù)先輸入流體機(jī)械幾何邊界條件,包括進(jìn)口邊界和出口邊界兩部分。針對(duì)流體機(jī)械進(jìn)口邊界的設(shè)定包括:流體機(jī)械絕對(duì)速度方向、流體機(jī)械給定總壓以及流體機(jī)械給定靜溫,通過CFD法中的湍流模型,計(jì)算以上3個(gè)流體機(jī)械進(jìn)口邊界參數(shù)[5]。設(shè)流體機(jī)械絕對(duì)速度方向的計(jì)算表達(dá)式為q,則有
q=k1/2.
(1)
式中:k為流體機(jī)械湍流動(dòng)能。通過式(1),得出流體機(jī)械絕對(duì)速度方向。在此基礎(chǔ)上,設(shè)流體機(jī)械給定總壓的計(jì)算表達(dá)式為ε,則有
(2)
式中:l為流體機(jī)械湍流尺度。通過式(2),得出流體機(jī)械給定總壓。此后,設(shè)流體機(jī)械給定靜溫的計(jì)算表達(dá)式為r,則有
(3)
式中:T為流體機(jī)械運(yùn)行時(shí)的粘滯耗散率;w為總壓比,保證此參數(shù)誤差不得高于0.5;p為流體機(jī)械運(yùn)行過程中的絕熱效率。通過式(3),得出流體機(jī)械給定靜溫,以此作為流體機(jī)械進(jìn)口邊界參數(shù),輸入流體機(jī)械進(jìn)口邊界條件。針對(duì)流體機(jī)械出口邊界的設(shè)定包括:給定流量以及給定出口靜壓,以上出口邊界參數(shù)同樣可以通過CFD法中的湍流模型計(jì)算得出[6]。設(shè)流體機(jī)械給定流量的計(jì)算表達(dá)式為η,則有
η=T+(W2-w2r2)/2Cp.
(4)
式中:W為流體機(jī)械運(yùn)行時(shí)壓力梯度;C為流體機(jī)械的物性參數(shù)。通過式(4),得出流體機(jī)械給定流量。而后計(jì)算流體機(jī)械給定出口靜壓,設(shè)流體機(jī)械給定出口靜壓的計(jì)算表達(dá)式為m,則有
(5)
式中:v為流體機(jī)械約化靜壓;i為流體機(jī)械運(yùn)行過程中的流動(dòng)曲率;u為流體機(jī)械的總壓比。通過式(5),得出流體機(jī)械給定出口靜壓。以此作為流體機(jī)械出口邊界參數(shù),輸入流體機(jī)械出口邊界條件。在輸入流體機(jī)械幾何邊界條件中,還需要考慮到流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的壁面函數(shù),通過施加壁面函數(shù)的方式,控制輸入流體機(jī)械幾何邊界條件的速度。設(shè)壁面函數(shù)的表達(dá)式為D,則有
(6)
式中:y為流體機(jī)械壁面馮卡門常數(shù);B為光滑壁面系數(shù),通常情況下取值為5.0。通過式(6),輸入流體機(jī)械幾何邊界條件,實(shí)現(xiàn)流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的第一步。
2.2 生成流體機(jī)械空間離散格式網(wǎng)格
在輸入流體機(jī)械幾何邊界條件后,基于CFD法生成流體機(jī)械空間離散格式網(wǎng)格。首先,需要利用CFD法,采用高階格式計(jì)算流體機(jī)械空間線性插值[7-8]。設(shè)流體機(jī)械空間線性插值計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)為Φ,可得
Comparison of methods for determination of scalp moisture 4 28
Φ=(1-f)N+D.
(7)
式中:f為幾何差值參數(shù);N為流體機(jī)械空間未知節(jié)點(diǎn)量。通過式(7),將流體機(jī)械空間線性插值導(dǎo)入到CFD計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中,而后設(shè)置流體機(jī)械空間離散格式網(wǎng)格拓展比,生成流體機(jī)械空間離散格式網(wǎng)格。設(shè)流體機(jī)械空間離散格式網(wǎng)格拓展比的計(jì)算表達(dá)式為R,則有
(8)
式中:a為流體機(jī)械空間離散格式網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比;b為流體機(jī)械空間離散格式網(wǎng)格的正交性。再通過式(8),確定流體機(jī)械空間離散格式網(wǎng)格拓展比后,在CFD計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)生成流體機(jī)械空間離散格式網(wǎng)格。
2.3 差分計(jì)算流體機(jī)械離散控制方程
(9)
差分計(jì)算流體機(jī)械離散控制方程的基礎(chǔ)上,通過建立收斂準(zhǔn)則,保證差分計(jì)算流體機(jī)械離散控制方程的殘差在流體機(jī)械設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)[10-11]。在流體機(jī)械設(shè)計(jì)過程中,輸出流體機(jī)械收斂準(zhǔn)則會(huì)受到外界環(huán)境的干擾,導(dǎo)致迭代結(jié)果不一定為最優(yōu)解,這就需要在輸出流體機(jī)械收斂準(zhǔn)則時(shí)剔除掉保守的欠松弛因子,保證流體機(jī)械設(shè)計(jì)的殘差最小,達(dá)到最優(yōu)解,直至所有條件都滿足流體機(jī)械設(shè)計(jì)的收斂標(biāo)準(zhǔn)時(shí),輸出流體機(jī)械收斂準(zhǔn)則。利用CFD法無論是在收斂速度還是收斂精度方面相較于傳統(tǒng)算法都取得了明顯的進(jìn)步,且在探索流體機(jī)械離散空間中能夠取得良好的應(yīng)用效果。
以輸出的流體機(jī)械收斂準(zhǔn)則為依據(jù),利用CFD法的Interface流場(chǎng)分析完成流體機(jī)械編程設(shè)計(jì)。在流體機(jī)械編程設(shè)計(jì)完畢后,進(jìn)行模擬運(yùn)行[12-13]。當(dāng)流體機(jī)械工作方式在連續(xù)或單周期時(shí),表示手動(dòng)/自動(dòng)(連續(xù)或單周期)工作方式。在不占用CPU 資源情況下,通過并行控制流體機(jī)械的閉環(huán)回路,實(shí)現(xiàn)對(duì)流體機(jī)械的控制。運(yùn)用CFD法,可以利用計(jì)算機(jī)來對(duì)流體機(jī)械的正常運(yùn)行以及故障的出現(xiàn)進(jìn)行有效的監(jiān)督和判斷,一旦提前發(fā)現(xiàn)流體機(jī)械潛在的風(fēng)險(xiǎn),就立刻采取相應(yīng)的措施[14]。這樣一來,在最大限度上保證流體機(jī)械的正常運(yùn)行。為確定流體機(jī)械上流體的移動(dòng)方向,在流體機(jī)械載重臂橫截面設(shè)計(jì)1個(gè)V槽結(jié)構(gòu),從而起到一定的導(dǎo)向作用。當(dāng)載重臂工作時(shí),滑動(dòng)小車會(huì)推動(dòng)傳送裝置上的傳送流體向上滑行,當(dāng)傳送流體下放時(shí),使其緩慢滑入到V槽結(jié)構(gòu)中。針對(duì)流體機(jī)械截面V槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),需要考慮風(fēng)載荷的作用。為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,本文沿最不利水平方向上的風(fēng)載荷進(jìn)行設(shè)計(jì),風(fēng)壓會(huì)對(duì)傳送流體造成橫向的推力,此時(shí)流體機(jī)械的套管迎風(fēng)面面積與其自重為最大值,因此,風(fēng)載荷會(huì)對(duì)其造成嚴(yán)重的影響[15]。至此,完成基于CFD法的流體機(jī)械設(shè)計(jì)。
本文通過設(shè)計(jì)實(shí)例分析的方式設(shè)計(jì)流體機(jī)械。本次實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備為電動(dòng)測(cè)功機(jī),電動(dòng)測(cè)功機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。
表1 電動(dòng)測(cè)功機(jī)參數(shù)設(shè)置
表1所示為本次實(shí)驗(yàn)硬件參數(shù)設(shè)置。在此基礎(chǔ)上,設(shè)置此次實(shí)驗(yàn)環(huán)境的具體內(nèi)容及參數(shù),如表2所示。
表2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置
如表2所示,首先,基于CFD法設(shè)計(jì)流體機(jī)械,通過電動(dòng)測(cè)功機(jī)測(cè)試流體機(jī)械的相對(duì)總壓效率,并記錄,將其設(shè)為實(shí)驗(yàn)組;再使用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)流體機(jī)械,同樣通過電動(dòng)測(cè)功機(jī)測(cè)試流體機(jī)械的相對(duì)總壓效率,并記錄,將其設(shè)為對(duì)照組。由此可見,本次實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容為測(cè)試兩臺(tái)流體機(jī)械的相對(duì)總壓效率,相對(duì)總壓效率數(shù)值越高證明該流體機(jī)械的氣動(dòng)性能越好。通過10次對(duì)比實(shí)驗(yàn),針對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的流體機(jī)械相對(duì)總壓效率記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
對(duì)比兩臺(tái)流體機(jī)械下的相對(duì)總壓效率,如表3所示。
表3 兩臺(tái)流體機(jī)械實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果
如表3所示,為了更好地分析出此次設(shè)計(jì)流體機(jī)械的相對(duì)總壓效率,利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制兩臺(tái)流體機(jī)械相對(duì)總壓效率曲線,如圖1所示。
根據(jù)圖1可知,本文設(shè)計(jì)的流體機(jī)械相對(duì)總壓效率明顯高于對(duì)照組,平均為95.14%,表明設(shè)計(jì)的流體機(jī)械在相對(duì)總壓效率方面相比于對(duì)照組具有明顯的優(yōu)勢(shì),有更好的氣動(dòng)性能。這是因?yàn)楸疚姆椒ㄔ谝婚_始就設(shè)定了流體機(jī)械的進(jìn)口邊界條件,并對(duì)參數(shù)進(jìn)行CFD法的湍流計(jì)算,且對(duì)流體機(jī)械離散控制的殘差保證收斂,在最大限度上保證了流體機(jī)械的效益最大化運(yùn)行,使流體機(jī)械的相對(duì)總壓效率持續(xù)較高。綜上所述,設(shè)計(jì)的流體機(jī)械在實(shí)際應(yīng)用過程中氣動(dòng)性能更好,可在現(xiàn)實(shí)中直接投入使用。
針對(duì)流體機(jī)械的相對(duì)總壓效率較低的現(xiàn)象,本文引入CFD方法對(duì)流體機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對(duì)流體機(jī)械的幾何邊界條件地設(shè)定,利用CFD法差分計(jì)算流體機(jī)械的離散控制方程,對(duì)殘差結(jié)果收斂運(yùn)算后分析流體機(jī)械三維模型的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了流體機(jī)械設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的性能,結(jié)果表明本文方法設(shè)計(jì)的流體機(jī)械相對(duì)總壓效率明顯高于對(duì)照組,平均為95.14%,解決了流體機(jī)械相對(duì)總壓效率的問題,在實(shí)際應(yīng)用中有良好的氣動(dòng)性能,具有一定的參考價(jià)值。