Analyse CFD du mélange d'écoulement d'eau à l'intérieur de tuyaux coudés soudés bout à bout: Une comparaison des conceptions à bords nets et à bords normaux

Introduction

Les tuyaux coudés sont des composants essentiels des systèmes de tuyauterie, permettant des changements de direction dans l'écoulement du fluide. Cependant, leur conception affecte de manière significative la dynamique de l'écoulement, consommation d'énergie, et l'intégrité structurelle du système. Cette étude se concentre sur le Dynamique des fluides computationnelle (CFD) analyse du débit d'eau à l'intérieur de deux types de tuyaux coudés soudés bout à bout: un avec arêtes vives et l'autre avec bords normaux. L'objectif est de comparer le comportement de l'écoulement, répartition de la pression, amplitude de la vitesse, et caractéristiques de turbulence dans les deux conceptions pour déterminer le tuyau coudé le plus performant.

L'analyse a été réalisée à l'aide d'un 2Modèle D créé dans SolidWorks, engrené avec GAMBIT, et simulé dans ANSYS Courant. En gardant toutes les conditions identiques dans les deux cas, l'étude fournit une comparaison équitable des deux modèles. Les résultats révèlent des différences significatives dans les caractéristiques d'écoulement, efficacité énergétique, et les risques d'échec potentiels, privilégier le tuyau coudé à bord normal comme conception supérieure.

Méthodologie

1. Modélisation et géométrie

• Création de géométrie:
  • Deux modèles de tuyaux coudés ont été créés en SolidWorks:
    • Tuyau coudé à bords tranchants: Présente des transitions abruptes dans les coins.
    • Tuyau coudé à bords normaux: Caractéristiques lisses, transitions arrondies.
  • Les modèles ont été exportés sous forme Fichiers IGES pour un traitement ultérieur.
• Dimensions:
  • Diamètre du tuyau: 100 mm.
  • Angle du coude: 90°.
  • Épaisseur de paroi: 5 mm.

2. Génération de maillage

• Outil de maillage: GAMBIT a été utilisé pour générer le maillage informatique.
• Type de maillage:
  • Maillage structuré avec des éléments quadrilatéraux pour une meilleure précision.
  • Maillage plus fin près des murs pour capturer les effets de couche limite.
• Qualité du maillage:
  • Le rapport hauteur/largeur et l'asymétrie ont été optimisés pour garantir la stabilité numérique.
  • Nombre total d'éléments: ~50 000 pour chaque modèle.

3. Configuration des simulations

• Solveur: ANSYS Courant a été utilisé pour les simulations CFD.
• Conditions d'écoulement:
  • Fluide: Eau.
  • Type de flux: État stable, incompressible.
  • Vitesse d'entrée: 2 MS.
  • Sortie: Sortie de pression (0 Pression manométrique Pa).
  • Mur: Condition aux limites sans glissement.
• Modèle de turbulence:
  • modèle de turbulence k-ε a été choisi pour sa robustesse dans la simulation d'écoulements turbulents.
• Critères de convergence:
  • Résidus pour la continuité, élan, et les équations de turbulence ont été fixées à 10^-6.

Résultats et discussion

Les résultats de l'analyse CFD sont présentés ci-dessous, en comparant les tuyau coudé à arêtes vives et le tuyau coudé à bord normal en termes de pression totale, amplitude de la vitesse, et énergie cinétique des turbulences. Les résultats sont résumés dans des tableaux et discutés en détail.

1. Répartition totale de la pression

Observations:

• Tuyau coudé à bords tranchants:
  • Significatif zones de basse pression (se réveille) ont été observés près des arêtes vives.
  • La séparation des flux s'est produite en raison de changements brusques de géométrie, entraînant des pertes d’énergie.
  • Une puissance de pompage plus élevée est nécessaire pour surmonter ces pertes.
• Tuyau coudé à bords normaux:
  • Répartition fluide de la pression sans sillage significatif.
  • Le flux est resté attaché aux murs, réduire la consommation d'énergie.

Conséquences:

• La conception aux arêtes vives augmente les coûts énergétiques et réduit l'efficacité du système.
• La conception à bords normaux est plus économe en énergie et moins sujette aux pannes induites par le flux..

2. Vitesse Magnitude

Observations:

• Tuyau coudé à bords tranchants:
  • Des variations de vitesse élevées ont été observées, surtout près des arêtes vives.
  • La séparation des flux a provoqué une répartition inégale de la vitesse, augmentant le risque de vibrations et bruit.
  • Les régions à grande vitesse conduisent à une concentration de contraintes, ce qui pourrait entraîner fissures au fil du temps.
• Tuyau coudé à bords normaux:
  • La distribution de la vitesse était plus uniforme.
  • Une petite région à haute vitesse a été observée à l'entrée en raison de légères irrégularités géométriques., mais ça s'est vite stabilisé.
  • Les variations de vitesse réduites minimisent la concentration de contraintes et le bruit.

Conséquences:

• La conception aux arêtes vives est plus sujette aux défaillances structurelles et aux inefficacités opérationnelles.
• La conception à bords normaux assure un flux plus fluide et une meilleure durabilité.

3. Énergie cinétique des turbulences (TKE)

Observations:

• Tuyau coudé à bords tranchants:
  • Des niveaux de turbulence élevés ont été observés près des arêtes vives.
  • Les turbulences ont provoqué des schémas d'écoulement inégaux, augmentant la probabilité de érosion et usure des matériaux.
• Tuyau coudé à bords normaux:
  • Les niveaux de turbulence étaient nettement inférieurs.
  • Des transitions fluides réduisent la génération de turbulences, amélioration de la stabilité du flux.

Conséquences:

• La conception aux arêtes vives accélère l’usure, réduire la durée de vie du tuyau.
• La conception à bords normaux minimise les turbulences, assurer une fiabilité à long terme.

4. Séparation des flux et réveils

Observations:

• Tuyau coudé à bords tranchants:
  • La séparation des flux s'est produite au niveau des arêtes vives, créer zones de recirculation.
  • Ces zones augmentaient les pertes d'énergie et nécessitaient une puissance de pompage plus élevée.
• Tuyau coudé à bords normaux:
  • Le flux est resté attaché aux murs tout au long du coude.
  • Aucune zone de recirculation significative n'a été observée.

Conséquences:

• La conception aux arêtes vives compromet l'efficacité du flux et augmente les coûts d'exploitation.
• La conception à bords normaux assure un flux fluide, réduire la consommation d'énergie.

Comparaison de l'efficacité énergétique

Le tuyau coudé aux arêtes vives nécessite plus de puissance de pompage en raison des pertes d'énergie plus élevées causées par la séparation du flux et les turbulences.. Le tuyau coudé à bord normal, avec ses caractéristiques d'écoulement plus douces, est plus économe en énergie.

Intégrité structurelle et implications en matière de conception

1. Concentration de contraintes

• Les conceptions aux arêtes vives créent des zones à fortes contraintes en raison des variations de vitesse et des turbulences, augmentant le risque de fissures et de défaillance des matériaux.
• Les conceptions à bords normaux réduisent la concentration des contraintes, amélioration de la durabilité.

2. Bruit et vibrations

• Les conceptions aux arêtes vives génèrent des modèles de flux inégaux, entraînant du bruit et des vibrations pouvant affecter les performances du système.
• Les conceptions à bords normaux assurent un fonctionnement plus silencieux et plus fluide.

Conclusion

Le Analyse CFD du débit d'eau à l'intérieur des tuyaux coudés soudés bout à bout révèle que le tuyau coudé à bord normal surpasse le tuyau coudé à arêtes vives en termes d'efficacité des flux, consommation d'énergie, et l'intégrité structurelle. Les principales conclusions comprennent:

1. Pression totale:
   • Les conceptions aux arêtes vives créent des zones de basse pression et des sillages, augmentation des pertes d’énergie.
   • Les conceptions à bords normaux maintiennent une répartition fluide de la pression.
2. Vitesse Magnitude:
   • Les conceptions aux arêtes vives présentent des variations de vitesse élevées, conduisant à une concentration de stress et à un échec potentiel.
   • Les conceptions à bords normaux assurent une répartition uniforme de la vitesse.
3. Énergie cinétique des turbulences:
   • Les conceptions aux arêtes vives génèrent des turbulences élevées, accélération de l'usure.
   • Les conceptions à bords normaux minimisent les turbulences, amélioration de la fiabilité.
4. Efficacité énergétique:
   • Les conceptions à bords normaux nécessitent moins de puissance de pompage, réduire les coûts opérationnels.
5. Intégrité structurelle:
   • Les conceptions à bords normaux réduisent la concentration des contraintes, bruit, et vibrations, assurant une durée de vie plus longue.

Recommandation finale:

Pour les applications impliquant un écoulement de liquide, tuyaux coudés à bords normaux sont le choix supérieur en raison de leurs performances améliorées, efficacité énergétique, et durabilité. Les conceptions aux arêtes vives doivent être évitées pour minimiser les inefficacités opérationnelles et les coûts de maintenance..

Travaux futurs

1. 3D Simulations:
   • Étendre l'analyse aux modèles 3D pour des prédictions plus précises.
2. Flux multiphasique:
   • Étudier le comportement des écoulements liquide-solide ou gaz-liquide.
3. Analyse des matériaux:
   • Étudier l’impact de différents matériaux sur l’érosion et l’usure.
4. Validation expérimentale:
   • Mener des expériences physiques pour valider les résultats CFD.

En abordant ces domaines, des informations supplémentaires peuvent être obtenues sur l'optimisation des conceptions de tuyaux coudés pour diverses applications industrielles.

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