一种输液管道导流结构减振弯头优化设计方法

日期:2019-04-10 00:37:50


专利名称::一种输液管道导流结构减振弯头优化设计方法
技术领域
:本发明属于机械设计、制造领域,特别涉及一种输液管道导流结构减振弯头的设计优化方法,用于石油、化工、建筑及船舶等设备。
背景技术
:在输液管道系统中,由于流体在弯头,特别是直角弯头处强迫改向,因此产生紊流、湍流和涡流导致振动和噪声。针对管道弯头设计并优化一种导流结构形式,改善流体在弯头处的流动特性,从而减低管道系统和环境的振动与噪声,提高装备系统的可靠性、稳定性、静音效果、人机环境的舒适性以及降低设备的故障率等。其效果对于诸多装备系统是十分重要的。
发明内容本发明目的是将导流结构引入输液管道弯头结构,并对导流片数和排列方式进行优化设计,从而创立一种用于输液管道系统弯头导流结构形式的设计及优化方法,有效改善流体在弯头处的流动特性。降低管道系统和环境的振动与噪声,改进装备系统的可靠性、稳定性、静音效果、人机环境的舒适性以及降低设备的故障率等。一种用于输液管道系统弯头导流结构形式的设计及优化方法,实施过程分为确定系统及工况参数;设计不同导流片数量和排列方式;建立流体力学模型,其中包括:选定流体的域和截面、横截面网格划分、确定边界条件和载荷条件等;用FLUENT软件计算流体场压分布,比较不同结构形式的最大压差,最后得到最佳结构形式等步骤。其特征在于考虑弯头内加装导流结构,对导流器的片数和排列方式进行设计,应用FLUENT软件计算不同结构形式流场截面的最大压差,比较得出最佳导流结构形式。输液管道导流结构减振弯头的设计优化方法按照下列步骤进行(1)、确定系统及工况参数,包括弯头的材料牌号、管径、壁厚、中心半径、流量、压力等。(2)、设计导流片的数量。(3)、设计导流片的排列方式。(4)、基于FLUENT软件的计算,建立流体力学模型。(5)、用FLUENT软件计算流体场压分布,比较不同结构形式的最大压差数据,最后综合考虑制备难度和最大压差数据的差值幅度,得到最佳导流片数量和最佳排列方式的输液管道减振弯头结构形式(6)、导流片出口处延长设计为了有效地减少流体在出口处的涡流,需要延长出口处的导流片长度,具体长度需要根据系统参数,比较计算,视涡流改善情况确定(7)、导流片弧度设计对导流片进行弧度设计可获得更好的流体流动性。具体弧度半径需要根据系统参数,比较计算,视流体流动性改善情况确定,优点或积极效果按照本设计优化方法,可获得各种管径输液管道导流结构减振弯头,提高了装备系统的可靠性、稳定性、静音效果、人机环境的舒适性以及降低设备的故障率等,可用于石油、化工、建筑及船舶等诸多领域。图1管道弯头系统数值计算总体网格模型;图2管道弯头系统数值计算横截面网格模型;图3典型参数的最佳导流结构减振弯头零件对称面图;图4典型参数的最佳导流结构减振弯头零件截面具体实施例方式确定系统及工况参数包括弯头的材料牌号、管径、壁厚、中心半径、流量、压力等.例如镍铜BTIO,外径140mm,壁厚8mm,中心半径125mm,流量5米/秒,压力3Mpa,直角弯头。设计导流片的数量导流片的数量设计主要考虑以下因素①密集的片数设置会导致弯头的f截面积减小,根据伯努利原理,可知速度与横截面积成反比,横截面积减小会使通过的流速增大,而速度过大就会造成局部流体分离,诱发湍流的形成。②制备工艺的难度。因此,先考虑导流片片数在3片以内,即单片、双片、三片,视流动性计算结果考虑后续方案。设计导流片的排列方式基于几何关系简单、均匀的考虑,本方法釆取等距排列和黄金分割排列的方法,这样的方法具有代表性,然后对上述方法不同片数导流器的流动性进行计算、比较,根据结果给出最佳方案,并考虑提出进一步优化排列方式的必要。根据弯头处流体流动特性和振动噪声形成的机理可知,弯头内侧应优先布置导流片或是应该多布置导流片。在排列的时候无论导流片数量的多少,都应该以减少内侧水流冲击外侧管壁为原则。因此在按黄金比例方案(如三片情况,各段距离比为l:1.618:2.618:3.618)设置导流片时,弯头内侧应较为密集的设置导流片。基于FLUENT软件的计算,建立流体力学模型根据实际中管道的几何尺寸进行三位数值建模,在gambit提供的可视化界面中,利用Fluent当中的前处理关键gambit来简化数值模型,采用非结构的六面体网格来划分网格,总体网格模型与横截面网格见说明书附图1、2,总体网格数大约在30万。为保证水流变向后湍流发展充分,在建模中适当延长出口段直管、设为600cm;而入口段不需要过长,只设为300cm。管道入口设为速度入口、其值为5m/s,出口设为压力出口、其值为OPa。流体模型为三位非定常不可压粘性流动,湍流模型取工程中常用的RNG^-s方程,控制方程为动量方程(三维Navier-Stokes方程)、连续性方程、湍流动能防侧滑能够与湍流耗散率方程联立。采用非耦合算法进行求解,使用SIMPLE算法,时间步长为0.05s,时间步取100,每时间步最大数取为40。计算首先使用1阶离散格式,以保证解的稳定性,在进行几百步后,改为2阶离散格式已得到更精确的解,各控制方程残差均在1X10-3以下,在保证数值收敛和物理收敛后,停止迭代。在双核Pentium3.2GHzCPU的计算机上完成,一种情况的计算时间大约为3h。计算比较数据,获取最佳减振弯头结构形式对前述设计中的各种方案进行建模前处理,使用FLUENT软件对各种模型进行流体流动性计算,对同片数、不同排列方式导流器的最大压差进行比较,得到相同片数的最佳排列方式,最后对不同片数最佳结构形式导流器的最大压差数据进行比较,得到最佳弯头导流器结构。首先比较未加装导流片的原始弯头与加装1片导流片(黄金比例由内向外距离比为l:1.618)弯头的压差,如表1所示。可以看出,加入一片导流片后弯头最大压差大幅减小。表1:原始弯头与导流片数为1的弯头最大压差比较(Pa)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>5其次,增加导流器片数为两片,比较等距与黄金比例排列形式(黄金比例由内向外各段距离比为l:1.618:2.618)弯头流动性(最大压差)的改善情况,结果如表2所示。可以看出,两片比一片的最大压差进一步减小,此外,与表1相同,两片黄金比例排列方式比等距排列方式的总压差减幅为大。表2:片数为2的导流器压差比较(Pa)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>当导流片数增至3片,其中黄金分割的比例为1:1.618:2.618:3.618.计算结果如表3所示,结果可见,三片导流器弯头的最大压差值进一步减小,但三片与两片黄金比例的最大压差值已大幅减少,相差不多(仅约700Pa)。表3:片数为3的导流器压差比较(Pa)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>计算结果可以看出,在直角弯头处加装片状形式的导流器确实可以起到改善流场中流体流动性、从而降低管道振动和噪声的作用。经过比较发现三片黄金比例导流器结构的改善效果最好,但最大压差仅较两片黄金比例的导流器结构减少大约700Pa,因此,不必再进一步考虑增加导流片数目。综合考虑制备工艺的可行性及难度,可确定加装两片导流片,且按黄金分割比例排列的弯头导流器结构为最佳结构形式。导流片出口处延长设计为了有效地减少流体在出口处的涡流,需要延长出口处的导流片长度,具体长度需要用FLUENT软件比较计算,视涡流改善情况来定,在上述参数条件下经计算比较取延长度为40mm。导流片弧度设计对导流片进行弧度设计可获得更好的流体流动性。在上述参数条件下经FLUENT软件计算比较取弧度半径为200mm。上述典型参数条件下,经计算比较所得最佳导流结构减振弯头零件图见说明书附图3、4。权利要求1、一种输液管道导流结构减振弯头的优化设计方法,其特征在于在弯头内加装导流结构,对导流器的片数和排列方式进行设计,应用FLUENT软件计算不同结构形式流场截面的最大压差,比较、优化得出导流结构形式;按照下列步骤进行,可获得不同材料的各种管径输液管道导流结构减振弯头(1)确定系统及工况参数,包括弯头的材料牌号、管径、壁厚、中心半径、流量、压力;(2)根据管径、流量等参数设计导流片的数量;(3)设计导流片的排列方式;(4)基于FLUENT软件的计算,建立流体力学模型;(5)用FLUENT软件计算选定横截面的流体场压分布,比较不同结构形式的最大压差数据,最后综合考虑制备难度和最大压差数据的差值幅度,优化得到导流片数量和排列方式;(6)基于FLUENT软件的计算,在有效地减少流体在出口处的涡流条件下,需要的延长到出口处的导流片长度;(7)基于FLUENT软件的计算,导流片弧度设计,对导流片进行弧度设计能获得更好的流体流动性。2、如权利要求1所述的一种输液管道导流结构减振弯头的优化设计方法,其特征在于导流片的数量为l片以上。3、如权利要求1所述的一种输液管道导流结构减振弯头的优化设计方法,其特征在于导流片的排列方式为均匀分布的排列方式。4、如权利要求1所述的一种输液管道导流结构减振弯头的优化设计方法,其特征在于导流片的排列方式为黄金分割的排列方式。全文摘要一种输液管道导流结构减振弯头的优化设计方法,属于机械设计、制造领域,可用于石油、化工、建筑及船舶等设备的输液管道系统。实施过程分为确定系统及工况参数;设计不同导流片数量和排列方式;建立流体力学模型,其中包括选定流体的域和截面、横截面网格划分、确定边界条件和载荷条件;用FLUENT软件计算选定横截面的流体场压分布,比较不同结构形式的最大压差,最后优化得到最佳结构形式等步骤。其特征在于考虑弯头内加装导流结构,对导流器的片数和排列方式进行设计,应用FLUENT软件计算不同结构形式流场截面的最大压差,比较优化得出最佳导流结构形式。文档编号G06F17/50GK101567026SQ20091008596公开日2009年10月28日申请日期2009年6月5日优先权日2009年6月5日发明者吴兰鹰,勇魏申请人:北京科技大学

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