用集成在結(jié)構(gòu)CAD中的同步計算流體力學(xué)仿真方法優(yōu)化氣體混合過程.pdf

Mechanical analysis W h i t e P a P e r w w w m e n t o r c o m 用集成在結(jié)構(gòu) CAD 中的 同步計算流體力學(xué)仿真方法 優(yōu)化氣體混合過程 ?；萍紝I(yè)代理同步CFD模擬軟件 FloEFD Mentor Graphics 氣體混合最優(yōu)方法 2 6 在混合氣體中 用最新的嵌入式計算機(jī)輔助設(shè)計軟件 最優(yōu)方法就是用計算流體力學(xué)分析 在廣泛的應(yīng)用中 對混合氣體的研究是很重要的 例如 在 煙道里 混合氣體常常到達(dá)排放控制系統(tǒng)的臨界狀態(tài) 在填料塔和其他類型的化學(xué)反應(yīng)器 混合氣體影響過程的 吞吐量和可變性 混合氣體對用于處理危險廢物的回轉(zhuǎn)窯 焚燒爐的運行 有很大的影響 在航空呼吸氣體中 混合氣 體對霧化吸入藥物的性能有影響 混合氣體的效率僅提高 百分之幾 就可以大大減少能源消耗和低液化氮燃燒器的 排放量 優(yōu)化燃?xì)夂涂諝饣旌?以滿足特殊應(yīng)用的要求是一項具有 挑戰(zhàn)性的過程 它通常涉及一個非常昂貴和費時的建設(shè)和 測試樣機(jī)的過程 大多數(shù)公司利用計算流體力學(xué) CFD 模擬混合氣體 但其使用到現(xiàn)在還主要限于研究或解決現(xiàn) 有設(shè)計的問題 因為使用 CFD 技術(shù)需要投入相當(dāng)?shù)馁Y金 時間和具備專業(yè)知識 但是 在過去幾年里 新的 CFD 工具已經(jīng)研發(fā)出來 它完全嵌入主流機(jī)械環(huán)境設(shè)計 這使這種新的工具操作起來 更容易 更快 因此應(yīng)用它的成本更低 新的工具提供了在設(shè)計早期階段評估大量潛在設(shè)計替代方案性能的能 力 早期的分析使我們能夠在更短的時間以較低的成本改善產(chǎn)品的性能和解決設(shè)計問題 本論文為在設(shè)計的早 期階段使用計算流體力學(xué)改善混合氣體提供了指導(dǎo) 本文特別關(guān)注了燃燒中的氣體混合過程 但對于其他各種各 樣的混合氣體應(yīng)用 優(yōu)化原則是一致的 燃燒氣體和空氣混合的重要性 競爭和監(jiān)管壓力 迫使制造商的燃燒設(shè)備 提高能源利用效率 減少向環(huán)境中的排放量 改善燃料控制能力 并提 高燃料應(yīng)用的靈活性 解決這個挑戰(zhàn)的鑰匙就是改善燃燒器性能 因為燃燒器是所有燃燒系統(tǒng)中一個主要組成 部分 即使燃燒器性能發(fā)生很小的改進(jìn) 也能對持續(xù)運營 消耗大量能源的系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響 燃料和空氣混合幾乎在每個燃燒器的設(shè)計中起著關(guān)鍵作用 很多應(yīng)用中的一個主要設(shè)計難題是氣體的注入 盡量 實現(xiàn)氣體的混合達(dá)到理想狀態(tài) 混合是重要的 因為空氣和燃料的濃度不均勻可以大大提高排放水平 降低燃燒 效率 燃料和空氣非常透徹的混合消除熱冷點不均的火焰 火焰決定著氮氧化物的排放量 燃料和空氣混合變化的設(shè)計方法 直到最近 認(rèn)為合適的混合氣體設(shè)計是藝術(shù)而不是科學(xué)的人更多 反應(yīng)出控制氣體混合的難度之大 傳統(tǒng)的做法 是建立一個樣機(jī)或修改現(xiàn)有的產(chǎn)品 再檢驗產(chǎn)品 然后根據(jù)結(jié)果 修改樣機(jī)或產(chǎn)品 直到取得理想的結(jié)果 這種 方法存在的問題是 建立 修改和測試的樣機(jī)往往昂貴 可能需要相當(dāng)長的時間 值得關(guān)注的是 制造樣品的設(shè) 計方法可能昂貴到必須關(guān)閉一個產(chǎn)品 像那些持續(xù)運轉(zhuǎn)的系統(tǒng) 比如修改或測試發(fā)電系統(tǒng) 最近 實驗和分析工 具的改進(jìn) 使人們有可能用虛擬樣機(jī)取代物理模型樣機(jī) 虛擬樣機(jī)準(zhǔn)確地篩選選擇的設(shè)計方案的性能 工程師 使用的 CFD 在能夠代表產(chǎn)品運營環(huán)境的邊界條件設(shè)置下仿真產(chǎn)品 CFD 軟件仿真通常提供的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實 驗測試所能提供的信息量 如流體速度和方向 壓力 溫度 各種物質(zhì)濃度值 分析過程中 設(shè)計師可以改變系統(tǒng) 的幾何形狀或邊界條件 設(shè)置不同流體流動模式 正是由于這些原因 CFD 使得分析師能在較短的時間和較低 的成本下評估不同應(yīng)用的大量不同參數(shù)設(shè)計的性能 集成 CAD 的趨勢 目前 CFD 軟件的應(yīng)用趨勢是集成在 CAD 系統(tǒng)中 從而使得在設(shè)計階段檢查更多替代設(shè)計方案成為可能 這樣 能減少在物理測試階段制造的樣品數(shù)目 集成在 CAD 中的 CFD 工具使用原始的三維 CAD 數(shù)據(jù) 自動定義流體 區(qū)域 自動基于對象調(diào)節(jié)流動參數(shù) 無需工程師對 CFD 計算部分知識的了解 而是讓他們把重點放在產(chǎn)品設(shè)計 上 設(shè)計產(chǎn)品是結(jié)構(gòu)工程師的本職 是他們已經(jīng)掌握的知識 海基科技專業(yè)代理同步CFD模擬軟件 FloEFD Mentor Graphics 氣體混合最優(yōu)方法 3 6 最新一代的 CFD 軟件包含了復(fù)雜的自動控制功能 能確保 在幾乎每一個應(yīng)用中達(dá)到收斂 其中最重要的功能也許是 自動控制網(wǎng)格的質(zhì)量 這是影響收斂最重要的因素 因 此 操作新一代 CFD 軟件所需的技能僅僅是 CAD 系統(tǒng)知 識和產(chǎn)品的物理知識 這兩者是絕大多數(shù)設(shè)計工程師已經(jīng) 擁有的知識 將這些步驟自動化 大大減少了分析所需的 時間 能在修改設(shè)計之前給出參考結(jié)果 氣體混合仿真的準(zhǔn)則 多個最佳做法可以幫助確保燃?xì)夂涂諝饣旌系?CFD 分析 準(zhǔn)確性 利用原始三維數(shù)據(jù)確保實體模型質(zhì)量 內(nèi)部流動 模型配置最少網(wǎng)格 要求必須形成一個密封的內(nèi)部流場 永遠(yuǎn)記得幾何模型微小細(xì)節(jié)應(yīng)當(dāng)刪除 保證 CFD 分析用模 型尺寸盡可能的小 導(dǎo)入模型后 在 CFD 軟件中用 check geometry 功能檢查模型 執(zhí)行初始網(wǎng)格生成的功能 通 過生成的網(wǎng)格 檢查薄壁面上的孔導(dǎo)致的不正常的網(wǎng)格單元 并用后處理功能將這些不正常的網(wǎng)格單元可視化 不正常的網(wǎng)格單元就可通過加密局部網(wǎng)格 得到修正 在混合仿真中 湍流是非常重要的 因為大多數(shù)企業(yè)不會投資購買強大到足以捕捉最微小的湍流細(xì)節(jié)的計算機(jī) 選擇合適湍流模型的關(guān)鍵是求解器中設(shè)置了與之相匹配的流動特征 K湍流模型是非常常用的二元湍流模式 包 含兩個額外的輸運方程 代表流動的湍流特性 設(shè)計工程師必須要驗證他們的模型準(zhǔn)確預(yù)測了實際混合過程中的物理和化學(xué)反應(yīng) 辦法一就是模擬現(xiàn)有產(chǎn)品 確定模型預(yù)測了產(chǎn)品的性能 然后 設(shè)計工程師可以修改模型 并對預(yù)測新設(shè)計的性能胸有成竹 如果中斷現(xiàn)有 產(chǎn)品的運作來做預(yù)測產(chǎn)生的費用過大 則可以制造一個小尺寸的模型 對比這個模型和仿真模型的性能 現(xiàn)實案例 下面的案例 說明如何用這些方法設(shè)計新一代 Eclipse Linnox 燃燒器 這種燃燒器的目的是要大幅度減少風(fēng)機(jī) 將空氣注入天然氣燃燒器時所消耗的能量 同時保證能效以及排放指數(shù)與現(xiàn)有設(shè)計相同 為了實現(xiàn)這個目標(biāo) 工 程師們需要簡化設(shè)計 消除在之前設(shè)計版本中達(dá)到高水準(zhǔn)混合程度的功能 但是仍然保證在所有管道內(nèi)燃燒氣 體與空氣的比率為 7 5 0 5 Eclipse 設(shè)計師們在 Inventor 內(nèi)畫好燃燒器的原始模型 然后在集成在 CAD 軟件中的 FloEFD 軟件中分析他們的模型 原始模型的模擬結(jié)果顯示了空氣和燃料在所有管道內(nèi)的混合濃度 突出需要改進(jìn)混合濃度的區(qū)域 設(shè)計工程師們對混合器做了一系列的修改 每次更改后 他們執(zhí)行一次仿真分析 確定設(shè)計更改的影響 特別注 意在整個腔體內(nèi)不同物質(zhì)的分布和壓降 對每一次重大的變化 他們還進(jìn)行了一系列的參數(shù)研究 評估改變設(shè)計 的主要參數(shù)所產(chǎn)生的影響 觀察這些變化對兩種物質(zhì)分布的影響 他們了解了設(shè)計中的敏感參數(shù) 而根據(jù)物理實驗 這樣的信息可能永遠(yuǎn)也 不可能獲取到 工程師鎖定一個設(shè)計并執(zhí)行進(jìn)一步優(yōu)化 模擬結(jié)果顯示 最終的設(shè)計方案壓降只有 300 帕斯 卡 與現(xiàn)有的燃燒器壓降相比減少了 900 減小 10 倍 到了這一階段 Eclipse 才制造了第一個新設(shè)計 樣品 樣品的性能和仿真所預(yù)測到的很接近 然而他們卻極大地縮減了創(chuàng)造一個升級產(chǎn)品所需要的設(shè)計時間和 成本 目前新產(chǎn)品還沒有上市 總之 在涉及到氣體混合的應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計的早期階段開始使用 CFD 仿真能節(jié)省時間和金錢 最優(yōu)方法順應(yīng)了特 殊行業(yè)的要求 幫助設(shè)計工程師避免分析錯誤 遵照具體的流程 任何工程師都可通過稍微修改設(shè)計或無額外 成本產(chǎn)生的情況下優(yōu)化設(shè)計 ?；萍紝I(yè)代理同步CFD模擬軟件 FloEFD Mentor Graphics 氣體混合最優(yōu)方法 4 6 補充 不進(jìn)行分析的成本 不理想的燃?xì)夂涂諝饣旌蠒?Linnox 燃燒器性能產(chǎn)生顯著影響 從燃燒器排放的有害物質(zhì)以及不均衡的熱量 分布均會對應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響 比如在紙張干燥 石膏板干燥 食品加工 空氣凈化等應(yīng)用中 關(guān)于工程仿真對公 司盈利的影響方面 已經(jīng)有相當(dāng)多的研究 Aberdeen Group 發(fā)布了數(shù)個該主題的報告 最近的報告發(fā)現(xiàn) 一流 公司趨向于測試虛擬樣機(jī) 見表 1 而不是測試物理樣機(jī) 與此相反 那些歸類到 落后企業(yè) 類的公司很少在虛擬樣機(jī)上花費時間 而是執(zhí)行更多輪的物理實驗 圖1 仿真已有產(chǎn)品顯示 基于中等壓力空氣渦流和天然氣注入產(chǎn)生了良好質(zhì)量的混合濃度 圖2 仿真新的設(shè)計顯示 基于低壓力空氣渦流和天然氣注入產(chǎn)生了更高質(zhì)量的混合濃度 ?；萍紝I(yè)代理同步CFD模擬軟件 FloEFD Mentor Graphics 氣體混合最優(yōu)方法 5 6 這種影響可能是巨大的 根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜性 開發(fā)流程可以從一個星期至20年之間的任意一種 大多數(shù)氣體混合相關(guān)產(chǎn)品 被認(rèn)為要么是中等復(fù)雜性水平 要么是高復(fù)雜性水平 因此 研發(fā)可 能需要從1年到20年之間的任意一種 有趣的是 在中等或高復(fù)雜性水平上 建立一個實物樣品成本可能是天文數(shù)字 因此 即使能夠少建立一個樣品也可以對公司成本底線有重大影響的 企業(yè)類別可替代設(shè)計方案物理樣機(jī)設(shè)計周期 輪 一流企業(yè)7 32 72 8 處于平均線的企業(yè)9 43 13 5 落后企業(yè)4 53 84 7 來源 Aberdeen Group 2007 年 9 月 產(chǎn)品復(fù)雜性零件數(shù)量研發(fā)時間 低不到 50在一個星期到一年之間 中等50 至 1000 之間在一個月到 5 年之間 高等50 至 10000 之間在1年到 5 年之間 非常高等1000 至 100000 之間在1年到 20 年之間 來源 Aberdeen Group 2007 年 9 月 產(chǎn)品復(fù)雜性建立樣品時間建立樣品成本 低13 天7 600 美元 中等24 天58 000 美元 高等46 天130 000 美元 非常高等99 天1 200 000 美元 產(chǎn)品復(fù)雜性少 1 1 個樣品節(jié)省的時間少 1 1 個樣品節(jié)省的成本 低13 天8 306 美元 中等26 天63 800 美元 高等51 天143 000 美元 非常高等109 天1 320 000 美元 來源 Aberdeen Group 2007 年 9 月 ?；萍紝I(yè)代理同步CFD模擬軟件 FloEFD Mentor Graphics 氣體混合最優(yōu)方法 2011 Mentor Graphics corporation all rights reserved This document 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