Phân tích CFD của hỗn hợp dòng nước bên trong ống khuỷu nối mông: So sánh thiết kế có cạnh sắc và cạnh bình thường

Giới thiệu

Ống khuỷu là thành phần quan trọng trong hệ thống đường ống, cho phép thay đổi hướng trong dòng chất lỏng. Tuy nhiên, thiết kế của chúng ảnh hưởng đáng kể đến động lực dòng chảy, tiêu thụ năng lượng, và tính toàn vẹn cấu trúc của hệ thống. Nghiên cứu này tập trung vào Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) Phân tích dòng nước chảy bên trong hai loại ống khuỷu tay: một với cạnh sắc nét và cái kia với cạnh bình thường. Mục đích là để so sánh hành vi dòng chảy, phân phối áp lực, độ lớn vận tốc, và đặc tính nhiễu loạn trong cả hai thiết kế để xác định ống khuỷu hoạt động tốt hơn.

Việc phân tích được thực hiện bằng cách sử dụng một 2mô hình D được tạo ra ở SolidWorks, nối với GAMBIT, và mô phỏng trong ANSYS thông thạo. Bằng cách giữ tất cả các điều kiện giống hệt nhau cho cả hai trường hợp, nghiên cứu này cung cấp sự so sánh công bằng giữa hai thiết kế. Kết quả cho thấy sự khác biệt đáng kể về đặc tính dòng chảy, hiệu quả năng lượng, và rủi ro thất bại tiềm ẩn, ưu tiên ống khuỷu có cạnh bình thường là thiết kế ưu việt.

Phương pháp luận

1. Mô hình hóa và hình học

• Sáng tạo hình học:
  • Hai thiết kế ống khuỷu đã được tạo ra trong SolidWorks:
    • Ống khuỷu tay sắc nét: Tính năng chuyển tiếp đột ngột ở các góc.
    • Ống khuỷu tay bình thường: Tính năng mượt mà, chuyển tiếp làm tròn.
  • Các mô hình đã được xuất khẩu dưới dạng tập tin IGES để xử lý tiếp.
• Kích thước:
  • Đường kính ống: 100 mm.
  • Góc khuỷu tay: 90°.
  • Độ dày của tường: 5 mm.

2. Tạo lưới

• Công cụ chia lưới: GAMBIT được sử dụng để tạo ra lưới tính toán.
• Loại lưới:
  • Lưới có cấu trúc với các phần tử tứ giác để có độ chính xác cao hơn.
  • Lưới mịn hơn gần các bức tường để nắm bắt các hiệu ứng lớp ranh giới.
• Chất lượng lưới:
  • Tỷ lệ khung hình và độ lệch đã được tối ưu hóa để đảm bảo độ ổn định về số.
  • Tổng số phần tử: ~50.000 cho mỗi mẫu.

3. Thiết lập mô phỏng

• Bộ giải: ANSYS thông thạo đã được sử dụng để mô phỏng CFD.
• Điều kiện dòng chảy:
  • Dịch: Nước.
  • Loại dòng chảy: Trạng thái ổn định, không thể nén được.
  • Vận tốc đầu vào: 2 bệnh đa xơ cứng.
  • Chỗ thoát: Ổ cắm áp suất (0 Áp suất đo Pa).
  • Tường: Điều kiện biên không trượt.
• Mô hình nhiễu loạn:
  • mô hình nhiễu loạn k-ε được chọn vì tính mạnh mẽ của nó trong việc mô phỏng dòng chảy rối.
• Tiêu chí hội tụ:
  • Phần dư cho tính liên tục, đà, và phương trình nhiễu loạn được đặt thành 10^-6.

Kết quả và thảo luận

Kết quả phân tích CFD được trình bày dưới đây, so sánh ống khuỷu tay sắc nét và ống khuỷu tay bình thường về mặt tổng áp lực, độ lớn vận tốc, Và động năng nhiễu loạn. Các phát hiện được tóm tắt trong bảng và thảo luận chi tiết.

1. Phân phối áp suất tổng

Quan sát:

• Ống khuỷu tay sắc nét:
  • Có ý nghĩa vùng áp thấp (thức dậy) được quan sát gần các cạnh sắc nét.
  • Sự tách dòng xảy ra do sự thay đổi đột ngột về hình dạng, dẫn đến tổn thất năng lượng.
  • Cần có công suất bơm cao hơn để khắc phục những tổn thất này.
• Ống khuỷu tay bình thường:
  • Phân phối áp suất mượt mà không có sự đánh thức đáng kể.
  • Dòng chảy vẫn gắn liền với các bức tường, giảm tiêu thụ năng lượng.

Ý nghĩa:

• Thiết kế sắc bén làm tăng chi phí năng lượng và giảm hiệu quả hệ thống.
• Thiết kế có cạnh bình thường tiết kiệm năng lượng hơn và ít xảy ra hỏng hóc do dòng chảy hơn.

2. Độ lớn vận tốc

Quan sát:

• Ống khuỷu tay sắc nét:
  • Sự thay đổi tốc độ cao đã được quan sát, đặc biệt là gần các cạnh sắc nét.
  • Sự phân tách dòng chảy gây ra sự phân bố vận tốc không đồng đều, tăng nguy cơ rung động Và tiếng ồn.
  • Vùng vận tốc cao dẫn đến sự tập trung ứng suất, điều đó có thể dẫn đến vết nứt theo thời gian.
• Ống khuỷu tay bình thường:
  • Phân bố vận tốc đồng đều hơn.
  • Một vùng vận tốc cao nhỏ được quan sát thấy ở cửa vào do có sự bất thường nhỏ về hình học, nhưng nó nhanh chóng ổn định.
  • Giảm sự thay đổi vận tốc giảm thiểu sự tập trung ứng suất và tiếng ồn.

Ý nghĩa:

• Thiết kế sắc bén dễ bị hư hỏng về cấu trúc và hoạt động kém hiệu quả.
• Thiết kế có cạnh bình thường đảm bảo dòng chảy mượt mà hơn và độ bền tốt hơn.

3. Động năng nhiễu loạn (TKE)

Quan sát:

• Ống khuỷu tay sắc nét:
  • Mức độ nhiễu loạn cao đã được quan sát gần các cạnh sắc nét.
  • Sự nhiễu loạn gây ra dòng chảy không đều, tăng khả năng xảy ra xói mòn Và hao mòn vật chất.
• Ống khuỷu tay bình thường:
  • Mức độ hỗn loạn đã thấp hơn đáng kể.
  • Chuyển tiếp mượt mà làm giảm sự tạo ra nhiễu loạn, tăng cường sự ổn định dòng chảy.

Ý nghĩa:

• Thiết kế sắc bén làm tăng tốc độ mài mòn, giảm tuổi thọ của đường ống.
• Thiết kế có cạnh bình thường giúp giảm thiểu sự nhiễu loạn, đảm bảo độ tin cậy lâu dài.

4. Tách dòng và đánh thức

Quan sát:

• Ống khuỷu tay sắc nét:
  • Sự phân tách dòng chảy xảy ra ở các cạnh sắc nét, tạo ra vùng tuần hoàn.
  • Những vùng này làm tăng tổn thất năng lượng và yêu cầu công suất bơm cao hơn.
• Ống khuỷu tay bình thường:
  • Dòng chảy vẫn bám vào các bức tường trong suốt khuỷu tay.
  • Không quan sát thấy vùng tuần hoàn đáng kể.

Ý nghĩa:

• Thiết kế sắc nét làm ảnh hưởng đến hiệu quả dòng chảy và tăng chi phí vận hành.
• Thiết kế có cạnh bình thường đảm bảo dòng chảy trơn tru, giảm tiêu thụ năng lượng.

So sánh hiệu quả năng lượng

Ống khuỷu có cạnh sắc đòi hỏi nhiều công suất bơm hơn do tổn thất năng lượng cao hơn do sự phân tách dòng chảy và nhiễu loạn. Ống khuỷu có cạnh bình thường, với đặc tính dòng chảy mượt mà hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.

Tính toàn vẹn về cấu trúc và ý nghĩa thiết kế

1. Nồng độ căng thẳng

• Thiết kế sắc bén tạo ra các vùng ứng suất cao do sự thay đổi vận tốc và nhiễu loạn, tăng nguy cơ nứt và hư hỏng vật liệu.
• Thiết kế có cạnh bình thường làm giảm sự tập trung ứng suất, tăng cường độ bền.

2. Tiếng ồn và rung động

• Thiết kế sắc nét tạo ra mô hình dòng chảy không đồng đều, dẫn đến tiếng ồn và rung động có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống.
• Thiết kế có cạnh bình thường đảm bảo hoạt động êm ái và mượt mà hơn.

Phần kết luận

các phân tích CFD dòng nước chảy bên trong ống khuỷu nối mông cho thấy rằng ống khuỷu tay bình thường vượt trội hơn ống khuỷu tay sắc nét về hiệu suất dòng chảy, tiêu thụ năng lượng, và tính toàn vẹn của cấu trúc. Những phát hiện chính bao gồm:

1. Tổng áp suất:
   • Thiết kế sắc bén tạo vùng áp suất thấp và đánh thức, tăng tổn thất năng lượng.
   • Thiết kế có cạnh bình thường duy trì sự phân bổ áp suất trơn tru.
2. Độ lớn vận tốc:
   • Thiết kế sắc nét thể hiện sự thay đổi tốc độ cao, dẫn tới sự tập trung ứng suất và khả năng hư hỏng.
   • Thiết kế có cạnh bình thường đảm bảo phân bổ vận tốc đồng đều.
3. Động năng nhiễu loạn:
   • Thiết kế sắc nét tạo ra nhiễu loạn cao, tăng tốc độ hao mòn.
   • Thiết kế có cạnh bình thường giảm thiểu nhiễu loạn, nâng cao độ tin cậy.
4. Hiệu quả năng lượng:
   • Thiết kế có cạnh bình thường đòi hỏi ít công suất bơm hơn, giảm chi phí hoạt động.
5. Tính toàn vẹn về cấu trúc:
   • Thiết kế có cạnh bình thường làm giảm sự tập trung ứng suất, tiếng ồn, và rung động, đảm bảo tuổi thọ dài hơn.

Khuyến nghị cuối cùng:

Đối với các ứng dụng liên quan đến dòng chất lỏng, ống khuỷu tay bình thường là sự lựa chọn ưu việt do hiệu suất nâng cao của chúng, hiệu quả năng lượng, và độ bền. Nên tránh các thiết kế sắc cạnh để giảm thiểu sự thiếu hiệu quả trong vận hành và chi phí bảo trì.

Công việc tương lai

1. 3D Mô phỏng:
   • Mở rộng phân tích sang mô hình 3D để có dự đoán chính xác hơn.
2. Dòng chảy nhiều pha:
   • Điều tra hành vi của dòng chất lỏng-rắn hoặc khí-lỏng.
3. Phân tích vật liệu:
   • Nghiên cứu tác động của các vật liệu khác nhau đến xói mòn và mài mòn.
4. Xác thực thử nghiệm:
   • Tiến hành các thí nghiệm vật lý để xác nhận kết quả CFD.

Bằng cách giải quyết các lĩnh vực này, những hiểu biết sâu sắc hơn có thể đạt được trong việc tối ưu hóa thiết kế ống khuỷu cho các ứng dụng công nghiệp khác nhau.

bài viết liên quan

Ống tròn màu đen đa chức năng ms erw

Ống MÌN ĐEN. Điện trở hàn (Acre) Ống được sản xuất từ ​​cuộn cán nóng / Khe. Tất cả các cuộn dây đến đều được xác minh dựa trên chứng chỉ kiểm tra nhận được từ nhà máy thép về các đặc tính cơ học và hóa học của chúng. Ống ERW được tạo hình nguội thành dạng hình trụ, không được tạo hình nóng.

Ống thép tròn màu đen ERW

Ống liền mạch được sản xuất bằng cách ép đùn kim loại đến chiều dài mong muốn; do đó ống ERW có mối hàn ở mặt cắt ngang của nó, trong khi ống liền mạch không có bất kỳ mối nối nào trong mặt cắt ngang của nó trong suốt chiều dài của nó. Trong ống liền mạch, không có mối hàn hoặc mối nối và được sản xuất từ ​​phôi tròn rắn.

Kích thước và trọng lượng ống liền theo tiêu chuẩn

các 3 các yếu tố kích thước ống Kích thước Tiêu chuẩn của ống carbon và thép không gỉ (ASME B36.10M & B36.19M) Lịch trình kích thước ống (Lịch trình 40 & 80 phương tiện ống thép) Phương tiện kích thước ống danh nghĩa (NPS) và đường kính danh nghĩa (DN) Biểu đồ kích thước ống thép (biểu đồ kích thước) Bảng phân loại trọng lượng ống (WGT)

Ống thép và quy trình sản xuất

Ống liền mạch được sản xuất bằng quy trình xuyên thấu, nơi phôi rắn được nung nóng và xuyên qua để tạo thành một ống rỗng. Ống hàn, mặt khác, được hình thành bằng cách nối hai cạnh của tấm thép hoặc cuộn dây bằng các kỹ thuật hàn khác nhau.

Danh sách ống thép UL

Ống thép carbon có khả năng chống sốc và rung cao nên rất lý tưởng để vận chuyển nước, dầu & khí và chất lỏng khác dưới đường. Kích thước Kích thước: 1/8"đến 48" / Độ dày DN6 đến DN1200: Sch 20, bệnh lây truyền qua đường tình dục, 40, XS, 80, 120, 160, Loại XXS: Bề mặt ống liền mạch hoặc hàn: Sơn lót, Dầu chống gỉ, FBE, 2Thể dục, 3Vật liệu tráng LPE: ASTM A106B, A53, API 5L B, X42, X46, X52, X56, X60, X65, Dịch vụ X70: Cắt, vát mép, Luồng, Rãnh, Lớp phủ, mạ kẽm

Tiêu chuẩn quốc tế ASTM cho ống thép, Ống và phụ kiện

Thông số kỹ thuật quốc tế của ASTM dành cho ống thép liệt kê các yêu cầu tiêu chuẩn đối với ống nồi hơi và ống siêu nhiệt, ống dịch vụ chung, ống thép phục vụ nhà máy lọc dầu, ống trao đổi nhiệt và bình ngưng, ống cơ khí và kết cấu.