基于ICEM- CFD 水力旋流器有限元模型建立方法探究

張歲庚

(青海省第六地質礦產勘查院,青海 格爾木 816000)

水力旋流器作為一種高效的分級、脫泥設備,它具有結構簡單、制造簡便、處理量大的優點[1],同時也附帶著動力消耗大、設備磨損快和給礦壓力、給礦濃度、給礦粒度的波動對旋流器工作指標影響十分敏感的缺點[2]。自1891 年水力旋流器問世以來,研究人員從結構、材料、物料配比等諸多方面對水力旋流器的應用展開了研究,其中有相當一部分的研究在實驗室進行,隨著計算機數值仿真模擬技術的發展,此類應用研究可以由計算速度快、精度高的計算機來完成,利用計算機數值模擬技術,不僅可以縮短研究的時間,降低研究成本,更重要的是可以反復多次多場景模擬實驗場景。ANSYA_FLUENT是當前主流的應用于流體動力學仿真分析的軟件,利用ANSYS 的FLUENT 模塊可以有效模擬礦漿中顆粒相、液相和旋流器中氣相的相互作用后的場景。

ANSYS 有限元分析包含前處理、加載求解和后處理三步[3-4]。而精準的模擬再現水力流旋流器三相流的運動情況,首先要建立正確的幾何模型并合理劃分有限元網格,網格質量的高低直接決定了數值模擬誤差的大小。本文所探討的正是有限元分析過程中前處理所要做的基礎工作。

1 旋流器的生產工作情況

該金礦廠目前原礦日處理量2400t 左右,工藝為半自磨(?6.0*3.0m)+球磨機(?4.2*7.3m)與FX500-GT×4旋流器組構成閉路循環。生產中4 臺旋流器全開,其中溢流管為200mm,沉砂口徑均為75mm。旋流器結構尺寸如圖1 所示。

圖1 水力旋流器結構尺寸圖

2 建立幾何模型

模型建立有多種方法,本文選擇在ICEM中自下而上建立圖1 中的模型,模型建立分兩部分,先建立旋流器的主體錐筒部分,后建立旋流器的溢流管,最后對兩部分進行布爾運算和拓撲檢查求得旋流器的三維模型。

以旋流器的沉砂嘴底面中心點為原點自下而上建立旋流器的錐筒部分,將幾何模型的原點設置與系統坐標系的原點重合,避免后期坐標系不重合而轉換坐標系的麻煩,同時為高效建模提供便利。拓撲檢查時可不用刪除多余的輔助點和輔助線,這在后面劃分結構化網格時不用再繪制輔助點和輔助線,從而節省建模時間,使塊能更好的擬合于幾何體。經拓撲檢查沒有特種丟失的完整模型如圖2 所示。

圖2 水力旋流器三維幾何模型

3 網格劃分

結構化與非結構化是ICEM中劃分有限元網格的兩種方法。結構化網格單元有兩種,二維的四邊形和三維的六面體。非結構化網格單元二維的有三角形、四邊形,三維的有三棱錐、三棱柱和六面體。良好的網格單元形狀是計算盡早收斂和獲得較好的網格質量的重要前提,劃分網格時應盡量使單元形狀接近正三角形、正四邊形、正三棱錐和正六面體。

3.1 水力旋流器結構化網格劃分方法

結構化網格劃分的步驟流程如圖3 所示,幾何體已在圖2 中建立,接下來對幾何體進行分塊和關聯,分塊時也按照自下而上的原則進行。

圖3 結構化網格劃分流程

3.1.1 首先對溢流管進行分塊和關聯

對于含有曲線元素構成的交界邊或面時,塊關聯完成后還要進行“O”型剖分才能獲得質量較高的網格。

3.1.2 對旋流器錐筒部分進行分塊和關聯。

對錐筒部分進行分塊關聯操作時需要注意的是,由于溢流管插入錐筒內部的部分已經進行了一次分塊和關聯,因此,在對錐筒進行“O”型剖分后,必須刪除與溢流管重疊部分的塊,否則劃分網格時會導致網格重疊紊亂計算失敗。

3.1.3 設置網格參數,劃分網格

按照操作流程拓撲檢查完后應對模型進行PART 定義,這里放到第三步進行,并不影響網格劃分。PART 的主要作用是定義邊界或生產邊界層,由于在FLUENT 中流體計算從邊界開始進行的,所以定義PART 是必須的,否則在FLUENT 中流體將無法找到邊界層而無法進行計算。對于水力旋流器,我們需要創建以下六個部分的PART：

INLET——設定旋流器的進料口為入口；OUTLET1——設定沉砂口為出口1；

OUTLET2——設定溢流管出口為出口2；

WALL1——設定錐筒其它包絡面為壁面1；

WALL2——設定溢流管外表面為壁面2；

INTERIOR——設定插入錐筒內部的溢流管入口流域內部。

PART 的名字可以隨意命名,但這里這直接命名為FLUENT 中的邊界類型(Boundary Type),是為了便于在FLUENT 中進行計算時方便識別。

3.1.4 檢查優化網格質量

參照圖1 設定全局網格尺寸,最大網格單元為0.05m,最小網格單元為0.005m,初始化顯示網格的質量比較差,并且在旋流器進料管與圓柱形殼體的交接面處,網格發生了一定的畸變,這說明六面體類型網格單元對于細節的捕捉并不是很精確,這需要通過調整最小單元尺寸來優化。其中,長寬比較大的網格單元主要集中在沉砂嘴上方,另外進料口與圓柱形殼體交界處有一部分,最小角不合格的網格單元主要集中在進料口與圓柱形殼體交界處,以及插入出入圓柱形殼體的溢流管部分。這就需要通過節點調整工具和函數工具調整邊界的節點數來優化模型網格質量。初始化和優化優化后的網格質量參數對比如表1 所示,有限元模型如圖4 所示,可以看出優化后基本符合網格質量評價標準。

表1 水力旋流器結構化網格質量參數表

圖4 水力旋流器優化后的結構化網格

3.1.5 轉換并輸出網格

結構化網格生產的網格只是預網格,并不是實際的網格文件,因此,完成網格質量優化后要將文件轉換保存為多塊網格文件,同時設置求解器為ANSYS Fluent,單位設置為默認。

3.2 水力旋流器非結構化網格劃分方法

非結構化網格劃分的步驟流程如圖5 所示,設置全局網格尺寸及之前的操作與結構化網格劃分方法完全相同,Part 的定義也與結構化網格相同。非結構化網格省去了結構化網格中分塊關聯的步驟。非結構化中網格單元類型默認為四面體(Tetra/Mixed),也可以選擇六面體,本文中選擇默認四面體結構網格單元類型,即三棱錐形體網格。對于四面體網格單元它的生成方式有以下三種。

(1)Rubust:適用于Tetra/Mixed 網格類型,先生成體網格,再生成面網格；

(2)Quick:適用于Tetra/Mixed 網格類型,先生成面網格,再生成體網格；

(3)Smooth:生成方式于Quick 相似,只是近壁面網格尺寸變化平緩,對初始網格質量要求高；

Quick 方式一般用于對精度要就不高,粗略大致的模擬；Smooth 用于精確度較高的的模擬,它消耗的計算時間較長,對計算機的硬件要求也更高。由于受計算機硬件的限制,本文選擇Rubust 生成方式。從表2 和圖5可以看出,非結構化網格中三棱錐形體網格單元對于細節的捕捉明顯要比結構化中六面體網格單元好得多。

圖5 非結構化網格劃分流程

表2 水力旋流器非結構化網格質量參數表表

由于單獨的四面體網格單元不能作為邊界層,因此選擇四面體網格單元作為主要網格單元時,需要單獨生產另外的邊界層,因此,在設置完全局網格尺寸后,在設置Part 尺寸時需要勾選生成邊界層選項(Prism)。全局網格尺寸與結構化網格設置相同。

由表2 和圖6 可知生成的水力旋路器非結構化網格質量基本符合質量評價標準,可直接輸出網格文件,非結構化網格輸出與結構化網格輸出相似,不同的是非結構化直接生產的就是網格文件,沒有網格預覽的步驟,設置求解器同樣設置為ANSYS Fluent, 其余為保持為默認設置。

圖6 水力旋流器非結構化網格

4 結論

對于本文中所示的水力旋流器模型,既可以用結構化的方法也可以非結構化的方法來建立有限元模型。結構化中由于存在分塊關聯的情況,并且分塊關聯水平的高低會直接影響到網格劃分質量的優劣,其操作相對繁瑣,但總體來說結構化所建立的有限元模型網格質量要比非結構化所建立的有限元模型網格質量高。在操作中我們也發現,結構化中六面體網格單元對于模型交界面處細節的捕捉能力要比非結構化中四面體的網格單元的捕捉能力稍差。