建模及分析

本文以典型的空冷系统排汽管道为原型，并对其适当地简化。建立暂态结构分析模块和流体分析模块，如图5-1所示。

图5-1　流固耦合框架

结构分析和流体分析共用Geometry几何模型。在结构分析和流体分析中分别选取相应的部分进行网格划分和设置，如图5-2和图5-3所示。结构分析在Transient Structural中设置，流体分析在FluidFlow中设置，整个流固耦合模型在流体分析的Solution单元求解，ANSYSMulti⁃fieldsolver负责整个耦合求解。

双向流固耦合分析需要设置流固耦合面FSI，在计算过程中通过设定的FSI面传递流固耦合分析数据。选取排汽管道上与流体接触的全部内表面，将其设置为FSI面。

在流体分析设置中，需要设置TransientANSYSMulti⁃field耦合求解属性及求解时间步。ANSYSCFX⁃Pre自动传递并读取ANSYS结构分析的输人文件。在流体的边界设置中，设定流体的人口条件为流速40m/s，出口条件为压力20kPa，并设置流固耦合面边界。通过流固耦合面的设置，在每次的迭代过程中，耦合求解平台把ANSYS计算得到的耦合面的变形量传递给CFX。CFX根据变形后的流场进行计算，把计算得到的耦合面上的力传递回来，给ANSYS。ANSYS再次计算变形量，依次循环迭代，得到最终结果。在每一个时间步，设置CFX流体求解先于固体求解。

图5-2　排汽管道及内部流体几何模型

图5-3　排汽管道及内部流体有限元模型

根据设置好的流体及固体模型、边界及求解器进行求解，得到排汽管道的应力分布云图，如图5-4所示。排汽管道上的最大应力为120.3MPa，位于排汽管道的分叉处。

排汽管道内部流体的流速及压力分布分别如图5-5和图5-6所示。可以看出，排汽管道两个分叉管的流量分布较为均衡。在排汽管道的弯头处，流体的流速降低，同时流体的压力增大。内部流体的最大压力为20.38kPa。

综合以上3个结果可以发现，在急转弯头处，流体截面压力变化剧烈，存在明显的高低压区，导致该处流速分布不均。虽然在导流板的作用下缓解了涡流形成，但依然存在能量损失，也会增加噪声。在Y型分叉处，气体转向幅度小，流过截面压力分布均匀，流速稳定，相对来说，噪声也较小。

图5-4　排汽管道应力分布云图

图5-5　管道内部流体流速分布

图5-6　管道内部流体压力分布云图