การวิเคราะห์ CFD ของส่วนผสมการไหลของน้ำภายในท่อข้อศอกแบบ Buttweld: การเปรียบเทียบการออกแบบขอบคมและขอบปกติ

การแนะนำ

ท่อข้อศอกเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในระบบท่อ, ทำให้สามารถเปลี่ยนแปลงทิศทางการไหลของของไหลได้. อย่างไรก็ตาม, การออกแบบส่งผลกระทบอย่างมากต่อไดนามิกของการไหล, การใช้พลังงาน, และความสมบูรณ์ของโครงสร้างของระบบ. การศึกษาครั้งนี้มุ่งเน้นไปที่ พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) การวิเคราะห์ การไหลของน้ำภายในท่อข้อศอกแบบเชื่อมชนสองประเภท: หนึ่งด้วย ขอบคม และอีกอันด้วย ขอบปกติ. เป้าหมายคือการเปรียบเทียบพฤติกรรมโฟลว์, การกระจายแรงดัน, ขนาดความเร็ว, และลักษณะความปั่นป่วนในการออกแบบทั้งสองเพื่อกำหนดท่อข้อศอกที่มีประสิทธิภาพดีกว่า.

การวิเคราะห์ดำเนินการโดยใช้ 2รุ่น D สร้างขึ้นใน โซลิดเวิร์คส์, ตาข่ายด้วย กลเม็ด, และจำลองใน ANSYS ได้อย่างคล่องแคล่ว. โดยคงเงื่อนไขให้เหมือนกันทั้งสองกรณี, การศึกษานี้ให้การเปรียบเทียบอย่างยุติธรรมของทั้งสองการออกแบบ. ผลลัพธ์เผยให้เห็นความแตกต่างที่มีนัยสำคัญในลักษณะการไหล, ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน, และความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นจากความล้มเหลว, นิยมใช้ท่อข้อศอกแบบขอบปกติซึ่งมีดีไซน์ที่เหนือกว่า.

ระเบียบวิธี

1. การสร้างแบบจำลองและเรขาคณิต

• การสร้างเรขาคณิต:
  • มีการออกแบบท่อข้อศอกสองแบบ โซลิดเวิร์คส์:
    • ท่อข้อศอกขอบแหลม: มีการเปลี่ยนอย่างกะทันหันที่มุม.
    • ท่อข้อศอกขอบปกติ: คุณสมบัติเรียบเนียน, การเปลี่ยนแบบโค้งมน.
  • โมเดลถูกส่งออกไปเป็น ไฟล์ IGES เพื่อนำไปแปรรูปต่อไป.
• ขนาด:
  • เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ: 100 มม.
  • มุมข้อศอก: 90°.
  • ความหนาของผนัง: 5 มม.

2. การสร้างตาข่าย

• เครื่องมือตาข่าย: กลเม็ด ถูกใช้เพื่อสร้างตาข่ายการคำนวณ.
• ประเภทตาข่าย:
  • โครงสร้างตาข่ายพร้อมองค์ประกอบรูปสี่เหลี่ยมเพื่อความแม่นยำยิ่งขึ้น.
  • ตาข่ายที่ละเอียดกว่าใกล้กับผนังเพื่อจับภาพเอฟเฟกต์ของเลเยอร์ขอบเขต.
• คุณภาพตาข่าย:
  • อัตราส่วนภาพและความเบ้ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจถึงความเสถียรของตัวเลข.
  • จำนวนองค์ประกอบทั้งหมด: ~50,000 สำหรับแต่ละรุ่น.

3. การตั้งค่าการจำลอง

• ตัวแก้ปัญหา: ANSYS ได้อย่างคล่องแคล่ว ใช้สำหรับการจำลอง CFD.
• สภาพการไหล:
  • ของไหล: น้ำ.
  • ประเภทการไหล: สภาวะคงตัว, บีบอัดไม่ได้.
  • ความเร็วขาเข้า: 2 เมตร/วินาที.
  • ทางออก: ทางออกแรงดัน (0 แรงดันเกจ Pa).
  • กำแพง: สภาพขอบกันลื่น.
• แบบจำลองความปั่นป่วน:
  • แบบจำลองความปั่นป่วน k-ε ได้รับเลือกจากความแข็งแกร่งในการจำลองกระแสน้ำเชี่ยวกราก.
• เกณฑ์การบรรจบกัน:
  • ที่เหลือเพื่อความต่อเนื่อง, โมเมนตัม, และสมการความปั่นป่วนตั้งไว้ที่ 10^-6.

ผลลัพธ์และการอภิปราย

ผลลัพธ์จากการวิเคราะห์ CFD มีดังต่อไปนี้, เปรียบเทียบ ท่อข้อศอกขอบแหลม และ ท่อข้อศอกขอบปกติ ในแง่ของ ความดันรวม, ขนาดความเร็ว, และ พลังงานจลน์ของความปั่นป่วน. ผลการวิจัยสรุปเป็นตารางและอภิปรายโดยละเอียด.

1. การกระจายแรงดันรวม

ข้อสังเกต:

• ท่อข้อศอกขอบแหลม:
  • สำคัญ โซนความกดอากาศต่ำ (ตื่น) สังเกตได้ใกล้ขอบแหลมคม.
  • การแยกการไหลเกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทางเรขาคณิตอย่างกะทันหัน, นำไปสู่การสูญเสียพลังงาน.
  • จำเป็นต้องใช้กำลังสูบที่สูงขึ้นเพื่อเอาชนะการสูญเสียเหล่านี้.
• ท่อข้อศอกขอบปกติ:
  • การกระจายแรงกดที่ราบรื่นโดยไม่มีการตื่นที่สำคัญ.
  • กระแสยังคงติดอยู่กับผนัง, ลดการใช้พลังงาน.

ผลกระทบ:

• การออกแบบที่เฉียบคมช่วยเพิ่มต้นทุนด้านพลังงานและลดประสิทธิภาพของระบบ.
• การออกแบบขอบปกตินั้นประหยัดพลังงานมากกว่าและมีแนวโน้มที่จะเกิดความล้มเหลวจากการไหลน้อยลง.

2. ขนาดความเร็ว

ข้อสังเกต:

• ท่อข้อศอกขอบแหลม:
  • สังเกตความแปรผันของความเร็วสูง, โดยเฉพาะบริเวณใกล้ขอบแหลมคม.
  • การแยกกระแสทำให้การกระจายความเร็วไม่สม่ำเสมอ, เพิ่มความเสี่ยงของ การสั่นสะเทือน และ เสียงรบกวน.
  • บริเวณที่มีความเร็วสูงทำให้เกิดความเข้มข้นของความเครียด, ซึ่งอาจส่งผลให้ รอยแตก เมื่อเวลาผ่านไป.
• ท่อข้อศอกขอบปกติ:
  • การกระจายความเร็วมีความสม่ำเสมอมากขึ้น.
  • มีการสังเกตบริเวณความเร็วสูงขนาดเล็กที่ทางเข้าเนื่องจากความผิดปกติทางเรขาคณิตเล็กน้อย, แต่มันก็เสถียรอย่างรวดเร็ว.
  • ความแปรผันของความเร็วที่ลดลงจะช่วยลดความเข้มข้นของความเครียดและเสียงรบกวนให้เหลือน้อยที่สุด.

ผลกระทบ:

• การออกแบบที่มีขอบแหลมคมมีแนวโน้มที่จะเกิดความล้มเหลวของโครงสร้างและความไร้ประสิทธิภาพในการปฏิบัติงานมากกว่า.
• การออกแบบขอบปกติช่วยให้มั่นใจได้ถึงการไหลที่นุ่มนวลและความทนทานที่ดีขึ้น.

3. ความปั่นป่วน พลังงานจลน์ (ทีเคอี)

ข้อสังเกต:

• ท่อข้อศอกขอบแหลม:
  • มีการสังเกตระดับความปั่นป่วนสูงใกล้กับขอบแหลมคม.
  • ความปั่นป่วนทำให้เกิดรูปแบบการไหลไม่สม่ำเสมอ, เพิ่มความเป็นไปได้ของ การกัดเซาะ และ การสึกหรอของวัสดุ.
• ท่อข้อศอกขอบปกติ:
  • ระดับความปั่นป่วนลดลงอย่างมีนัยสำคัญ.
  • การเปลี่ยนภาพที่ราบรื่นช่วยลดการเกิดความปั่นป่วน, เพิ่มเสถียรภาพการไหล.

ผลกระทบ:

• การออกแบบที่มีขอบคมช่วยเร่งการสึกหรอ, ลดอายุการใช้งานของท่อ.
• การออกแบบขอบปกติช่วยลดความปั่นป่วนให้เหลือน้อยที่สุด, สร้างความมั่นใจในระยะยาว.

4. การแยกกระแสและการตื่น

ข้อสังเกต:

• ท่อข้อศอกขอบแหลม:
  • การแยกการไหลเกิดขึ้นที่ขอบคม, การสร้าง โซนหมุนเวียน.
  • โซนเหล่านี้เพิ่มการสูญเสียพลังงานและต้องการกำลังสูบที่สูงขึ้น.
• ท่อข้อศอกขอบปกติ:
  • กระแสน้ำยังคงติดอยู่กับผนังตลอดข้อศอก.
  • ไม่พบโซนหมุนเวียนที่มีนัยสำคัญ.

ผลกระทบ:

• การออกแบบที่เฉียบคมช่วยลดประสิทธิภาพการไหลและเพิ่มต้นทุนการดำเนินงาน.
• การออกแบบขอบปกติช่วยให้มั่นใจได้ถึงการไหลที่ราบรื่น, ลดการใช้พลังงาน.

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพพลังงาน

ท่อข้องอที่มีขอบแหลมต้องใช้กำลังในการสูบมากขึ้น เนื่องจากการสูญเสียพลังงานที่สูงขึ้นซึ่งเกิดจากการแยกการไหลและความปั่นป่วน. ท่อข้อศอกขอบปกติ, ด้วยคุณสมบัติการไหลที่นุ่มนวลยิ่งขึ้น, ประหยัดพลังงานมากขึ้น.

ความสมบูรณ์ของโครงสร้างและผลกระทบจากการออกแบบ

1. ความเข้มข้นของความเครียด

• การออกแบบที่มีขอบแหลมคมจะสร้างบริเวณที่มีความเครียดสูงเนื่องจากความแปรผันของความเร็วและความปั่นป่วน, เพิ่มความเสี่ยงของการแตกร้าวและความล้มเหลวของวัสดุ.
• การออกแบบที่มีขอบปกติจะช่วยลดความเข้มข้นของความเครียด, ช่วยเพิ่มความทนทาน.

2. เสียงรบกวนและการสั่นสะเทือน

• การออกแบบที่มีขอบแหลมคมทำให้เกิดรูปแบบการไหลที่ไม่สม่ำเสมอ, ทำให้เกิดเสียงรบกวนและแรงสั่นสะเทือนที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบ.
• การออกแบบขอบปกติช่วยให้การทำงานเงียบและราบรื่นยิ่งขึ้น.

บทสรุป

ที่ การวิเคราะห์ CFD ของการไหลของน้ำภายในท่อข้อศอกเชื่อมชนพบว่า ท่อข้อศอกขอบปกติ มีประสิทธิภาพเหนือกว่า ท่อข้อศอกขอบแหลม ในแง่ของประสิทธิภาพการไหล, การใช้พลังงาน, และความสมบูรณ์ของโครงสร้าง. การค้นพบที่สำคัญ ได้แก่:

1. ความดันรวม:
   • ดีไซน์ขอบเฉียบสร้างโซนแรงดันต่ำและการตื่นตัว, เพิ่มการสูญเสียพลังงาน.
   • การออกแบบขอบปกติช่วยรักษาการกระจายแรงกดที่ราบรื่น.
2. ขนาดความเร็ว:
   • การออกแบบที่มีขอบคมแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของความเร็วสูง, นำไปสู่ความเครียดและความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้น.
   • การออกแบบที่มีขอบปกติช่วยให้มั่นใจได้ถึงการกระจายความเร็วที่สม่ำเสมอ.
3. ความปั่นป่วน พลังงานจลน์:
   • การออกแบบที่มีขอบแหลมคมทำให้เกิดความปั่นป่วนสูง, เร่งการสึกหรอ.
   • การออกแบบที่มีขอบปกติจะช่วยลดความปั่นป่วน, เพิ่มความน่าเชื่อถือ.
4. ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน:
   • การออกแบบขอบปกติต้องใช้กำลังปั๊มน้อยกว่า, ลดต้นทุนการดำเนินงาน.
5. ความสมบูรณ์ของโครงสร้าง:
   • การออกแบบที่มีขอบปกติจะช่วยลดความเข้มข้นของความเครียด, เสียงรบกวน, และการสั่นสะเทือน, ทำให้มั่นใจได้ถึงอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น.

คำแนะนำขั้นสุดท้าย:

สำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการไหลของของเหลว, ท่อข้อศอกขอบปกติ เป็นตัวเลือกที่เหนือกว่าเนื่องจากประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น, ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน, และความทนทาน. ควรหลีกเลี่ยงการออกแบบที่มีขอบคมเพื่อลดความไร้ประสิทธิภาพในการปฏิบัติงานและค่าบำรุงรักษา.

การทำงานในอนาคต

1. 3D การจำลอง:
   • ขยายการวิเคราะห์ไปสู่โมเดล 3 มิติเพื่อการคาดการณ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น.
2. การไหลแบบหลายเฟส:
   • ตรวจสอบพฤติกรรมของการไหลของของเหลว-ของแข็งหรือก๊าซ-ของเหลว.
3. การวิเคราะห์วัสดุ:
   • ศึกษาผลกระทบของวัสดุชนิดต่างๆ ต่อการกัดเซาะและการสึกหรอ.
4. การตรวจสอบการทดลอง:
   • ทำการทดลองทางกายภาพเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของผลลัพธ์ CFD.

โดยกล่าวถึงพื้นที่เหล่านี้, สามารถรับข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบท่อข้อศอกสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ.

โพสต์ที่เกี่ยวข้อง

มัลติฟังก์ชั่น ms erw ท่อกลมสีดำ

ท่อ ERW สีดำ. ความต้านทานไฟฟ้าเชื่อม (ERW) ท่อผลิตจากเหล็กแผ่นรีดร้อน / กรีด. คอยล์ที่เข้ามาทั้งหมดได้รับการตรวจสอบตามใบรับรองการทดสอบที่ได้รับจากโรงงานถลุงเหล็กในด้านคุณสมบัติทางเคมีและทางกล. ท่อ ERW ขึ้นรูปเย็นเป็นรูปทรงกระบอก, ไม่เกิดความร้อน.

ERW ท่อเหล็กกลมสีดำ

ท่อไร้รอยต่อผลิตขึ้นโดยการอัดขึ้นรูปโลหะตามความยาวที่ต้องการ; ดังนั้นท่อ ERW จึงมีรอยเชื่อมในหน้าตัด, ในขณะที่ท่อไร้ตะเข็บไม่มีรอยต่อในหน้าตัดตลอดความยาว. ในท่อไร้รอยต่อ, ไม่มีการเชื่อมหรือข้อต่อ และผลิตจากเหล็กแท่งกลมตัน.

ขนาดและน้ำหนักของท่อไร้รอยต่อตามมาตรฐาน

ที่ 3 องค์ประกอบของมิติท่อ ขนาด มาตรฐานของท่อคาร์บอนและท่อสแตนเลส (ASME B36.10M & B36.19ม) ตารางขนาดท่อ (กำหนดการ 40 & 80 ท่อเหล็กหมายถึง) หมายถึงขนาดท่อที่กำหนด (กรมอุทยานฯ) และเส้นผ่านศูนย์กลางที่กำหนด (ดีเอ็น) แผนภูมิขนาดท่อเหล็ก (ตารางขนาด) ตารางคลาสน้ำหนักท่อ (WGT)

ท่อเหล็กและกระบวนการผลิต

ท่อไร้ตะเข็บผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการเจาะ, โดยที่เหล็กแท่งแข็งถูกให้ความร้อนและเจาะจนกลายเป็นท่อกลวง. ท่อเชื่อม, ในทางกลับกัน, เกิดจากการต่อแผ่นเหล็กหรือขดสองขอบเข้าด้วยกันโดยใช้เทคนิคการเชื่อมแบบต่างๆ.

ท่อเหล็กรายการ UL

ท่อเหล็กคาร์บอนมีความทนทานต่อการกระแทกและการสั่นสะเทือนสูง จึงเหมาะสำหรับการลำเลียงน้ำ, น้ำมัน & ก๊าซและของเหลวอื่น ๆ ใต้ถนน. ขนาด: 1/8″ ถึง 48″ / ความหนา DN6 ถึง DN1200: ช 20, โรคติดต่อทางเพศสัมพันธ์, 40, เอ็กซ์เอส, 80, 120, 160, ประเภท XXS: พื้นผิวท่อไร้รอยต่อหรือรอย: ไพรเมอร์, น้ำมันป้องกันสนิม, เอฟบีอี, 2วิชาพลศึกษา, 3วัสดุเคลือบ LPE: มาตรฐาน ASTM A106B, A53, API 5L B, X42, X46, X52, X56, X60, X65, บริการ X70: การตัด, บาก, การทำเกลียว, งานเซาะร่อง, การเคลือบผิว, การชุบสังกะสี

มาตรฐานสากล ASTM สำหรับท่อเหล็ก, ท่อและฟิตติ้ง

ข้อกำหนดมาตรฐานสากลของ ASTM สำหรับท่อเหล็กแสดงรายการข้อกำหนดมาตรฐานสำหรับท่อหม้อไอน้ำและท่อฮีตเตอร์ซุปเปอร์, ท่อบริการทั่วไป, ท่อเหล็กในการให้บริการโรงกลั่น, ท่อแลกเปลี่ยนความร้อนและคอนเดนเซอร์, ท่อกลและโครงสร้าง.