基于ADINA的大型隔膜泵氮气包四通流固耦合分析
摘要：氮气包式蓄能器是通过氮气受压后的体积变化来起到缓冲的作用从而降低脉动率。隔膜泵为往复泵中的一种，受隔膜泵工作原理的影响，矿浆输送过程中会产生流量与压力脉动。由于个别行业对于脉动的要求较高，因此，在隔膜泵设计中利用氮气包来降低流道的脉动率。其中，氮气包四通的流道结构是影响氮气包作用的因素之一。本文利用有限元分析软件ADINA对氮气包四通进行流固耦合分析，对比不同结构的四通对脉动率的影响，确定更优的氮气包四通结构。
关键词 ：四通；氮气包；脉动率；流固耦合；ADINA
中图分类号：TH3 文献标识码：A
1 前言
隔膜泵作为固-液两相介质输送的关键设备，因其具备适用流量、压力范围广、性能稳定等优点在石油、冶金和煤化工等领域得到了日益广泛的应用。受隔膜泵工作原理的影响，矿浆输送过程中会产生流量与压力脉动。由于个别行业对于脉动的要求较高，因此，在隔膜泵设计中利用氮气包来降低流道的脉动率。其中，氮气包四通的流道结构是影响氮气包作用效果的因素之一。为了确保氮气包所发挥的作用最大化，需分析得出结构更优的四通结构。本文利用有限元分析软件ADINA对氮气包四通进行流固耦合分析，对比不同结构的四通对脉动率的影响，确定更优的氮气包四通结构。
2 氮气包四通流固耦合分析
2.1 模型建立与边界条件
通过两种不同结构的氮气包四通分析四通对脉动率的影响，两种四通结构三维图如图1所示，其不同体现于进料口与出料口的轴距，原结构为75mm，这里称之为结构一，改进后轴距为150mm，这里称之为结构二。其中，氮气包容积为80L。首先，取四通内部设置为流体部分，在空气包内部贴近下表面建立结构层，定义为金属板，使空气包分为两部分，上部充入氮气，底部与四通流体相连。然后，对两种结构的氮气包的几何模型进行简化并进行网格划分，网格均为四面体单元，结构层以下划分4层流体层，以便于网格拉伸。两种结构空气包的流体与结构部分网格如图2所示。
用于分析的氮气包四通的分析模型如图3所示。
流体部分边界条件与载荷如下：氮气包顶面、下表面、四通整个外壁设置为固定墙，氮气包侧壁设置为滑移墙，氮气包与结构部分相接面设置为流固耦合边界，出料管口设置为固定墙，但需留出一个单元作为流体出口，两个进料口给定进口速度，速度按照一定函数给定。氮气包上部定义为氮气，并冲入初始压力，下部与四通流场定义为水。
结构部分边界条件如下：结构部分的流固耦合边界与流体部分对应。整个结构部分限定在竖直方向运动。
2.2 两种结构的结果分析
通过ADINA分析软件对两种不同结构进行计算分析，得到以下两种计算结果，如图3所示。
图3为结构一在加载时间到达0.34s时，即最终时刻，整个计算域的压力云图，从图中可以看出，计算域内的最大压强达到1.201MPa。图4为結构一在加载时刻到达0.34s时，整体位移云图，可以得出，氮气包内结构部分上升的最大位移为92.63mm。
图5为结构二在加载时间到达0.34s时，即最终时刻，整个计算域的压力云图，从图中可以看出，计算域内的最大压强达到1.205MPa。图6为结构二在加载时刻到达0.34s时，整体位移云图，可以得出，氮气包内结构部分上升的最大位移为94.75mm。
对比两种结构的结果，可以得出，在相同加载情况下，两种结构在最终时刻所达到的压强相同，但结构二的结构部分上升的最大位移比结构一更大，证明结构二氮气包的缓冲流体脉动的能力更强，有利于降低隔膜泵运行过程中所产生的脉动率。
结语
综上分析结果可以看出，在相同加载情况下，结构二的氮气包内的结构部分上升的位移更大，证明结构二的四通更有利于降低脉动率。因此，适当修改四通结构，提高进料口与出料口的轴距，有利于降低隔膜泵运行过程中所产生的脉动率。
参考文献
[1] 马野，袁志丹，曹金凤. ADINA有限元经典实例分析[M].北京：机械工业出版社， 2011.
[2] Teory and Modeling Guide Volume III：ADINA CFD & FSI[M]. ADINA R&D， 2010.
[3] 成大先.机械设计手册[D].北京：化学工业出版社， 2007.
作者简介：付鹏，男，1978年生，硕士研究生，中国有色（沈阳）泵业有限公司设计研究所所长，高级工程师。电话： 13889325821， Email：fpemail@163.com.