利用SolidWorks Flow Simulation改進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：利用SolidWorks中附帶的CFD插件Flow Simulation，對(duì)廢氣收集風(fēng)道進(jìn)行流場(chǎng)模擬，分析結(jié)構(gòu)修改對(duì)氣體流動(dòng)軌跡產(chǎn)生的影響，使其結(jié)構(gòu)更有利于平衡多個(gè)進(jìn)氣口的流量。

關(guān)鍵詞：SolidWorks Flow Simulation；風(fēng)道；流場(chǎng)模擬

隨著多項(xiàng)環(huán)保政策的連續(xù)出臺(tái)，我國(guó)大氣污染情況日益受到重視。其中車間廢氣占有很大的比例；排放口多，大小不一，分布不均是其顯著特點(diǎn)。一般采用集氣罩收集處理，為達(dá)到理想的收集效果，需平衡各罩口壓力，才能滿足廢氣收集要求。而風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)集氣罩口壓力的影響非常大，通常采用風(fēng)道沿程阻力計(jì)算來(lái)確定。

Flow Simulation是知名三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks中流體分析插件，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)上的無(wú)縫鏈接。SolidWorks Flow Simulation流體仿真軟件去除了一般CFD軟件的復(fù)雜性，可以讓設(shè)計(jì)者快捷地仿真對(duì)設(shè)計(jì)至關(guān)重要的流體流動(dòng)、傳熱和流體作用力，模擬真實(shí)條件下的流體流動(dòng)，并快速分析流體的運(yùn)動(dòng)、傳熱和相關(guān)作用力的影響【1】，解決實(shí)際問(wèn)題，提高工作效率。

在風(fēng)道設(shè)計(jì)中，F(xiàn)low Simulation的使用【2】，讓設(shè)計(jì)者更直觀地觀察風(fēng)道內(nèi)的氣體流動(dòng)情況，并能顯示各部位的壓力、流量情況，幫助設(shè)計(jì)者更快、更準(zhǔn)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

某橡膠制品企業(yè)，有4臺(tái)橡膠煉制機(jī)，分散布置。需對(duì)其散發(fā)出的異味氣體收集處理。根據(jù)相關(guān)規(guī)范計(jì)算得出，這4臺(tái)設(shè)備的收集風(fēng)量分別為97、65、65、103m3/min，總風(fēng)量330m3/min。

1.原始模型分析

根據(jù)每臺(tái)設(shè)備的排風(fēng)量，初步按11m/s的管內(nèi)流速，計(jì)算出各段風(fēng)道的直徑，取整分別為450、350、350、450mm，總管直徑800mm。三維建模見(jiàn)圖1。本文主要分析修改風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，吸風(fēng)罩暫不做分析。

新建內(nèi)部分析模型，流體為空氣，風(fēng)道表面粗糙度50μm，其余為默認(rèn)值。風(fēng)道出口設(shè)置為出口體積流量5.5m3/s，進(jìn)口均設(shè)置為環(huán)境壓力。

將四個(gè)進(jìn)氣口設(shè)為體積流量，出氣口和末端進(jìn)氣口設(shè)為靜壓平均值，增加方程目標(biāo)為兩個(gè)靜壓值相減，以上目標(biāo)均用于控制目標(biāo)收斂。

全局網(wǎng)格精度6級(jí)，劃分成354193個(gè)網(wǎng)格，運(yùn)行項(xiàng)目。

加載結(jié)果，插入流動(dòng)跡線，如圖1所示。從圖上可以看出，整個(gè)風(fēng)道風(fēng)速在6～15m/s之間，管內(nèi)空氣流動(dòng)均勻，未存在渦流現(xiàn)象。

插入目標(biāo)圖，體積流量1～4分別為117.06、59.64、56.36、95.46 m3/min，與設(shè)計(jì)值偏差分別為20.68%、8.25%、13.23%、7.32%，方程目標(biāo)162Pa。進(jìn)氣管1進(jìn)氣量比設(shè)計(jì)值超出20%，這一現(xiàn)象的原因是由于進(jìn)氣管1靠近出氣口，三通位置與進(jìn)氣口壓差較大，導(dǎo)致管內(nèi)流速增加，流量增大，從而使其他進(jìn)氣口流量不同程度的減小。

2.改進(jìn)模型分析

根據(jù)原模型的分析結(jié)果調(diào)整風(fēng)道結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣口1直徑改為400mm，進(jìn)氣口2、進(jìn)氣口3先合并后匯入總管，進(jìn)氣口4及總管大小不變。

再次對(duì)修改后的風(fēng)道進(jìn)行分析，加載分析結(jié)果，插入流動(dòng)跡線如圖2。

體積流量1～4分別為100.61、62.42、62.24、105.19m3/min，與設(shè)計(jì)值偏差分別為3.72%、3.97%、4.25%、2.13%，方程目標(biāo)172Pa。修改后的風(fēng)道各進(jìn)氣口風(fēng)量與設(shè)計(jì)值偏差均在5%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。風(fēng)道的壓力損失172Pa。

3.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)軟件的分析，可以從后處理中得到想要的結(jié)果。從結(jié)果中可以看出分析對(duì)象的改進(jìn)方向，并減少了以往復(fù)雜的計(jì)算，減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，提高工作效率。

通過(guò)與工程實(shí)踐的比較證明了Flow Simulation在分析風(fēng)道內(nèi)氣流仿真的適用性，同時(shí)也表明了風(fēng)道改進(jìn)后其結(jié)構(gòu)的合理性。

Flow Simulation與其他CFD軟件相比具有操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)交換性好、功能實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)其向?qū)Чδ芸梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)使用方法，特別適合一線工程師使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳超祥，葉修梓.SolidWorks Flow Simulation教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011

[2]陳超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013

作者簡(jiǎn)介：

李國(guó)峰（1987.02），男，漢族，籍貫黃山，學(xué)歷大專，職稱助理工程師，工作單位杭州至柔環(huán)?？萍加邢薰?，研究方向廢氣治理。