專利名稱：：一種輸液管道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于機械設(shè)計、制造領(lǐng)域，特別涉及一種輸液管道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭的設(shè)計優(yōu)化方法，用于石油、化工、建筑及船舶等設(shè)備。
背景技術(shù)：
：在輸液管道系統(tǒng)中，由于流體在彎頭，特別是直角彎頭處強迫改向，因此產(chǎn)生紊流、湍流和渦流導(dǎo)致振動和噪聲。針對管道彎頭設(shè)計并優(yōu)化一種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)形式，改善流體在彎頭處的流動特性，從而減低管道系統(tǒng)和環(huán)境的振動與噪聲，提高裝備系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、靜音效果、人機環(huán)境的舒適性以及降低設(shè)備的故障率等。其效果對于諸多裝備系統(tǒng)是十分重要的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是將導(dǎo)流結(jié)構(gòu)引入輸液管道彎頭結(jié)構(gòu)，并對導(dǎo)流片數(shù)和排列方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而創(chuàng)立一種用于輸液管道系統(tǒng)彎頭導(dǎo)流結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計及優(yōu)化方法，有效改善流體在彎頭處的流動特性。降低管道系統(tǒng)和環(huán)境的振動與噪聲，改進(jìn)裝備系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、靜音效果、人機環(huán)境的舒適性以及降低設(shè)備的故障率等。一種用于輸液管道系統(tǒng)彎頭導(dǎo)流結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計及優(yōu)化方法，實施過程分為確定系統(tǒng)及工況參數(shù)；設(shè)計不同導(dǎo)流片數(shù)量和排列方式；建立流體力學(xué)模型，其中包括:選定流體的域和截面、橫截面網(wǎng)格劃分、確定邊界條件和載荷條件等;用FLUENT軟件計算流體場壓分布，比較不同結(jié)構(gòu)形式的最大壓差，最后得到最佳結(jié)構(gòu)形式等步驟。其特征在于考慮彎頭內(nèi)加裝導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，對導(dǎo)流器的片數(shù)和排列方式進(jìn)行設(shè)計，應(yīng)用FLUENT軟件計算不同結(jié)構(gòu)形式流場截面的最大壓差，比較得出最佳導(dǎo)流結(jié)構(gòu)形式。輸液管道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭的設(shè)計優(yōu)化方法按照下列步驟進(jìn)行(1)、確定系統(tǒng)及工況參數(shù)，包括彎頭的材料牌號、管徑、壁厚、中心半徑、流量、壓力等。(2)、設(shè)計導(dǎo)流片的數(shù)量。(3)、設(shè)計導(dǎo)流片的排列方式。(4)、基于FLUENT軟件的計算，建立流體力學(xué)模型。(5)、用FLUENT軟件計算流體場壓分布，比較不同結(jié)構(gòu)形式的最大壓差數(shù)據(jù)，最后綜合考慮制備難度和最大壓差數(shù)據(jù)的差值幅度，得到最佳導(dǎo)流片數(shù)量和最佳排列方式的輸液管道減振彎頭結(jié)構(gòu)形式(6)、導(dǎo)流片出口處延長設(shè)計為了有效地減少流體在出口處的渦流，需要延長出口處的導(dǎo)流片長度，具體長度需要根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，比較計算，視渦流改善情況確定(7)、導(dǎo)流片弧度設(shè)計對導(dǎo)流片進(jìn)行弧度設(shè)計可獲得更好的流體流動性。具體弧度半徑需要根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，比較計算，視流體流動性改善情況確定，優(yōu)點或積極效果按照本設(shè)計優(yōu)化方法，可獲得各種管徑輸液管道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭，提高了裝備系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、靜音效果、人機環(huán)境的舒適性以及降低設(shè)備的故障率等，可用于石油、化工、建筑及船舶等諸多領(lǐng)域。圖1管道彎頭系統(tǒng)數(shù)值計算總體網(wǎng)格模型；圖2管道彎頭系統(tǒng)數(shù)值計算橫截面網(wǎng)格模型；圖3典型參數(shù)的最佳導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭零件對稱面圖；圖4典型參數(shù)的最佳導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭零件截面具體實施例方式確定系統(tǒng)及工況參數(shù)包括彎頭的材料牌號、管徑、壁厚、中心半徑、流量、壓力等.例如鎳銅BTIO，外徑140mm，壁厚8mm，中心半徑125mm，流量5米/秒，壓力3Mpa，直角彎頭。設(shè)計導(dǎo)流片的數(shù)量導(dǎo)流片的數(shù)量設(shè)計主要考慮以下因素①密集的片數(shù)設(shè)置會導(dǎo)致彎頭的f截面積減小，根據(jù)伯努利原理，可知速度與橫截面積成反比，橫截面積減小會使通過的流速增大，而速度過大就會造成局部流體分離，誘發(fā)湍流的形成。②制備工藝的難度。因此，先考慮導(dǎo)流片片數(shù)在3片以內(nèi)，即單片、雙片、三片，視流動性計算結(jié)果考慮后續(xù)方案。設(shè)計導(dǎo)流片的排列方式基于幾何關(guān)系簡單、均勻的考慮，本方法釆取等距排列和黃金分割排列的方法,這樣的方法具有代表性，然后對上述方法不同片數(shù)導(dǎo)流器的流動性進(jìn)行計算、比較,根據(jù)結(jié)果給出最佳方案，并考慮提出進(jìn)一步優(yōu)化排列方式的必要。根據(jù)彎頭處流體流動特性和振動噪聲形成的機理可知，彎頭內(nèi)側(cè)應(yīng)優(yōu)先布置導(dǎo)流片或是應(yīng)該多布置導(dǎo)流片。在排列的時候無論導(dǎo)流片數(shù)量的多少，都應(yīng)該以減少內(nèi)側(cè)水流沖擊外側(cè)管壁為原則。因此在按黃金比例方案(如三片情況，各段距離比為l:1.618:2.618:3.618)設(shè)置導(dǎo)流片時，彎頭內(nèi)側(cè)應(yīng)較為密集的設(shè)置導(dǎo)流片?；贔LUENT軟件的計算，建立流體力學(xué)模型根據(jù)實際中管道的幾何尺寸進(jìn)行三位數(shù)值建模，在gambit提供的可視化界面中，利用Fluent當(dāng)中的前處理關(guān)鍵gambit來簡化數(shù)值模型，采用非結(jié)構(gòu)的六面體網(wǎng)格來劃分網(wǎng)格，總體網(wǎng)格模型與橫截面網(wǎng)格見說明書附圖1、2，總體網(wǎng)格數(shù)大約在30萬。為保證水流變向后湍流發(fā)展充分，在建模中適當(dāng)延長出口段直管、設(shè)為600cm;而入口段不需要過長，只設(shè)為300cm。管道入口設(shè)為速度入口、其值為5m/s，出口設(shè)為壓力出口、其值為OPa。流體模型為三位非定常不可壓粘性流動，湍流模型取工程中常用的RNG^-s方程，控制方程為動量方程(三維Navier-Stokes方程)、連續(xù)性方程、湍流動能防側(cè)滑能夠與湍流耗散率方程聯(lián)立。采用非耦合算法進(jìn)行求解，使用SIMPLE算法，時間步長為0.05s，時間步取100，每時間步最大數(shù)取為40。計算首先使用1階離散格式，以保證解的穩(wěn)定性，在進(jìn)行幾百步后，改為2階離散格式已得到更精確的解，各控制方程殘差均在1X10-3以下，在保證數(shù)值收斂和物理收斂后，停止迭代。在雙核Pentium3.2GHzCPU的計算機上完成，一種情況的計算時間大約為3h。計算比較數(shù)據(jù)，獲取最佳減振彎頭結(jié)構(gòu)形式對前述設(shè)計中的各種方案進(jìn)行建模前處理，使用FLUENT軟件對各種模型進(jìn)行流體流動性計算，對同片數(shù)、不同排列方式導(dǎo)流器的最大壓差進(jìn)行比較，得到相同片數(shù)的最佳排列方式，最后對不同片數(shù)最佳結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)流器的最大壓差數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到最佳彎頭導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)。首先比較未加裝導(dǎo)流片的原始彎頭與加裝1片導(dǎo)流片(黃金比例由內(nèi)向外距離比為l:1.618)彎頭的壓差，如表1所示?？梢钥闯?，加入一片導(dǎo)流片后彎頭最大壓差大幅減小。表1:原始彎頭與導(dǎo)流片數(shù)為1的彎頭最大壓差比較(Pa)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>5其次，增加導(dǎo)流器片數(shù)為兩片，比較等距與黃金比例排列形式(黃金比例由內(nèi)向外各段距離比為l:1.618:2.618)彎頭流動性(最大壓差)的改善情況，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，兩片比一片的最大壓差進(jìn)一步減小，此外，與表1相同，兩片黃金比例排列方式比等距排列方式的總壓差減幅為大。表2:片數(shù)為2的導(dǎo)流器壓差比較(Pa)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>當(dāng)導(dǎo)流片數(shù)增至3片，其中黃金分割的比例為1:1.618:2.618:3.618.計算結(jié)果如表3所示，結(jié)果可見，三片導(dǎo)流器彎頭的最大壓差值進(jìn)一步減小，但三片與兩片黃金比例的最大壓差值已大幅減少，相差不多(僅約700Pa)。表3:片數(shù)為3的導(dǎo)流器壓差比較(Pa)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>計算結(jié)果可以看出，在直角彎頭處加裝片狀形式的導(dǎo)流器確實可以起到改善流場中流體流動性、從而降低管道振動和噪聲的作用。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)三片黃金比例導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)的改善效果最好，但最大壓差僅較兩片黃金比例的導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)減少大約700Pa，因此，不必再進(jìn)一步考慮增加導(dǎo)流片數(shù)目。綜合考慮制備工藝的可行性及難度，可確定加裝兩片導(dǎo)流片，且按黃金分割比例排列的彎頭導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)為最佳結(jié)構(gòu)形式。導(dǎo)流片出口處延長設(shè)計為了有效地減少流體在出口處的渦流，需要延長出口處的導(dǎo)流片長度，具體長度需要用FLUENT軟件比較計算，視渦流改善情況來定，在上述參數(shù)條件下經(jīng)計算比較取延長度為40mm。導(dǎo)流片弧度設(shè)計對導(dǎo)流片進(jìn)行弧度設(shè)計可獲得更好的流體流動性。在上述參數(shù)條件下經(jīng)FLUENT軟件計算比較取弧度半徑為200mm。上述典型參數(shù)條件下，經(jīng)計算比較所得最佳導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭零件圖見說明書附圖3、4。權(quán)利要求1、一種輸液管道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于在彎頭內(nèi)加裝導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，對導(dǎo)流器的片數(shù)和排列方式進(jìn)行設(shè)計，應(yīng)用FLUENT軟件計算不同結(jié)構(gòu)形式流場截面的最大壓差，比較、優(yōu)化得出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)形式；按照下列步驟進(jìn)行，可獲得不同材料的各種管徑輸液管道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭(1)確定系統(tǒng)及工況參數(shù)，包括彎頭的材料牌號、管徑、壁厚、中心半徑、流量、壓力；(2)根據(jù)管徑、流量等參數(shù)設(shè)計導(dǎo)流片的數(shù)量；(3)設(shè)計導(dǎo)流片的排列方式；(4)基于FLUENT軟件的計算，建立流體力學(xué)模型；(5)用FLUENT軟件計算選定橫截面的流體場壓分布，比較不同結(jié)構(gòu)形式的最大壓差數(shù)據(jù)，最后綜合考慮制備難度和最大壓差數(shù)據(jù)的差值幅度，優(yōu)化得到導(dǎo)流片數(shù)量和排列方式；(6)基于FLUENT軟件的計算，在有效地減少流體在出口處的渦流條件下，需要的延長到出口處的導(dǎo)流片長度；(7)基于FLUENT軟件的計算，導(dǎo)流片弧度設(shè)計，對導(dǎo)流片進(jìn)行弧度設(shè)計能獲得更好的流體流動性。2、如權(quán)利要求1所述的一種輸液管道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于導(dǎo)流片的數(shù)量為l片以上。3、如權(quán)利要求1所述的一種輸液管道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于導(dǎo)流片的排列方式為均勻分布的排列方式。4、如權(quán)利要求1所述的一種輸液管道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于導(dǎo)流片的排列方式為黃金分割的排列方式。全文摘要一種輸液管道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)減振彎頭的優(yōu)化設(shè)計方法，屬于機械設(shè)計、制造領(lǐng)域，可用于石油、化工、建筑及船舶等設(shè)備的輸液管道系統(tǒng)。實施過程分為確定系統(tǒng)及工況參數(shù)；設(shè)計不同導(dǎo)流片數(shù)量和排列方式；建立流體力學(xué)模型，其中包括選定流體的域和截面、橫截面網(wǎng)格劃分、確定邊界條件和載荷條件；用FLUENT軟件計算選定橫截面的流體場壓分布，比較不同結(jié)構(gòu)形式的最大壓差，最后優(yōu)化得到最佳結(jié)構(gòu)形式等步驟。其特征在于考慮彎頭內(nèi)加裝導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，對導(dǎo)流器的片數(shù)和排列方式進(jìn)行設(shè)計，應(yīng)用FLUENT軟件計算不同結(jié)構(gòu)形式流場截面的最大壓差，比較優(yōu)化得出最佳導(dǎo)流結(jié)構(gòu)形式。文檔編號G06F17/50GK101567026SQ20091008596公開日2009年10月28日申請日期2009年6月5日優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日發(fā)明者吳蘭鷹,勇魏申請人:北京科技大學(xué)