CN106339522A - 用于构造被流体穿流的构件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于构造被流体穿流的构件的方法，尤其是用于借助CAE，尤其在使用流体流动仿真模型、固体仿真模型和CAD的情况下构造被流体穿流的构件的方法，构件带有流体空间和包围流体空间的固体结构。本发明的任务是通过更高效的设计和制造方式克服常规设计和制造的局限，且因此不仅满足构件制造技术要求，而且还满足与过程相关的对最佳介质输送的要求。在提出的用于构造被流体穿流的构件的方法中，从结构空间和构件边界处的边界条件出发，借助流体流动仿真优化流体空间的拓扑结构，并基于此，构件的固体结构为了实现流体空间借助固体仿真模型且在考虑到与应用相关的要求、制造方法的设计规定和构造规定的情况下根据逆向工程原理来构造。

Description

用于构造被流体穿流的构件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助计算机辅助的技术工作过程(随后被称为电脑辅助工程CAE)构造被流体穿流的构件的方法，构件带有流体空间和包围流体空间的固体结构，其中，CAE方法用于构造构件拓扑结构。本发明尤其是涉及如下方法，该方法为此结合流体流动仿真模型，例如计算机辅助的流体动力学仿真(CFD)、固体仿真模型，例如有限元法(FEM)和计算机辅助的设计(计算机辅助设计CAD)。

背景技术

在被流体穿流的构件中，构件和构件部件在机械制造和设施制造中得到概括，其尤其是用于运动的流体(液体、气体)和多相流例如固体气体流的运输、分布、汇聚、混合等。

在机械制造和设施制造中，构件承受其力学、热学或流体动力学的性质方面的最不同的要求。基于该原因，构件性质，即，其结构(拓扑结构)和材料性质必须以不同的方式与安装位置处的要求相协调。

这种构件的常规的构造(设计)在此在如下情况下很快地受到局限，在这些情况下，例如除了构件的力学和/或热应力以外同时也考虑到流体力学最佳的流体引导，该构造从传统的制造技术方法，例如分离、铣削、滚压、钻孔或焊接和结合可简单制造的用于各个构件部件的几何基本形状出发(“力学设计”)。在这些情况下，对最佳的构件构造的要求是特别复杂的。

对于在构件设计中常规的处理方法来说具有特点的是，每个构件部件的几何结构与制造相关地并且单独地确定，并且为了将其装配成构件而调整各个部件。这种方法本身具有导致流体动力学缺点(例如流动变形、湍流、振动或压力损失)的危险。

带有高的力学和热应力的被流体穿流的构件的示例是用于自热地气流床煤气化高分散性的固体燃料(例如煤粉)的粉尘燃烧器，用以制造合成气体。

在粉尘燃烧器中，煤粉、氧气和必要时水蒸气至少在通常同中心的环形通道中输送给反应空间，以便在离开燃烧器嘴时强烈混合，并且在火焰区域和随后反应区域中的条件减弱的情况下反应为富含氢气和二氧化碳的合成气体。煤粉气动地作为煤粉运输气密相或液压地在悬浮液(“Slurry”)中输送给煤气化燃烧器。DE 4109231C2例如示出了这种煤气化反应器。

在煤粉煤气化时，煤气化温度在1400℃至1700℃之间，煤气化压力在40bar至80bar之间。燃烧器嘴的区域中的高的温度、煤粉的磨蚀作用和无干扰地运行粉尘燃烧器的需求是对燃烧器设计的最高要求。

冷却通道经常设置用于冷却燃烧器嘴上的特别受热应力的燃烧器构件，冷却通道需要附加的结构空间，更复杂地构造燃烧器结构，并且导致附加的热应力。

至燃烧器嘴的介质输送部和介质通道由于多个待输送的介质和极端的环境条件而特别复杂地构造，并且因此在流体力学和热动力学上不能够以常规的方式最佳地构造。

为了得到设计概念的改进，计算机辅助的CAE开发方法逐渐成功地列入考虑范围之内。CAE包括技术领域中的工作过程的计算机辅助的所有变型方案，例如离散化软件、FEM、CFD或CAD。

借助FEM仿真例如可以获知用于强度分析的应力曲线、变形曲线和膨胀曲线。有限元法(Finite-Elemente-Methode FEM)是用于解决偏微分方程的数字方法。除了在不同的力作用的情况下的经典的强度计算以外，固体中的温度曲线和应力曲线或动力学过程也可以借助FEM仿真列入构件优化的考虑范围之内。在此，构件借助网络结构拆解为最终多个(有限的)单个子区域(单元)。为了离散化三维区域，四面体面地、方形面地或者曲面地限制的单元匹配于物体。利用CFD模型(Computational Fluid Dynamics计算流体动力学)，可以基于流体力学的法则执行计算机辅助的流体动力学仿真，以便获知流体的流动特性(流动轮廓、压力损失、速度等)并且获知在固体与流体之间传递的热流。

当纸钱描述的方法在力学设计方法的范围内使用时，在构造拓扑结构并且在预定的构件结构内优化流体流动的情况下的原则上的困难还是存在。

在FE分析时的问题：

-首先创建用于构件部件的子模型，并且随后结合为用于构件的整个模型的设计方法通常生产模型面的重叠和数据冗余。该问题可以导致成功产生用于另外分析的有限元网络变得困难，并且导致确保流场的连续性变得困难。

-生成FE网络不能够自动承担来自于设计过程的光滑的表面几何结构，从而在力学和流体动力学建模时的误差可能影响所开发的模型的工作效率。

-在分析流体动力学的条件之前，用于力学结构模型的基于构件部件内的流体流动的边界条件不能够被清楚限定。

-基于所提到的错误源，分析结果不可能反映出构件设计的真实性质。

在CFD分析时的问题：

-构件部件内的流体空间的拓扑结构不能够在常规的制造可能性的局限的情况下优化，从而对设计的随后的、麻烦的修改和调整对于装配来说是必需的。

-固体结构的常规设计的几何结构通常没有提供流动空间的连续性，由此，在生成用于CFD分析的表面网络时出现错误。

-通过常规确定的固体结构导致的局限可以产生用于CFD分析的非适宜的边界值，其可能导致计算的不收敛性。

综上所述，在设计粉尘燃烧器时公知的行动通常还基于常规的方法，其中，燃烧器部件(例如介质输送部、燃烧器管、燃烧器嘴、混合腔或冷却通道)的几何结构单独地并且在考虑到常规的制造方法的可能性的情况下开发，并且不同的部件彼此连接。这种方式促进在构造流体流动路径时的不可预见的并且也不可避免的缺点。因此，FEM和/或CFD分析正逐渐与常规的设计方法相结合。然而，上面提到的常规的处理方法因此也不能够满意地解决在构造燃烧器部件的固体结构与优化固体结构内的流体流动之间的所有冲突。

发明内容

因此，本发明的任务是通过更高效的设计和制造方式克服常规设计和制造的局限，并且因此不仅满足构件的制造技术要求，而且还满足最佳的介质输送，尤其是损失少的传输过程、混合过程和热交换过程的与过程相关的要求。

根据本发明，该任务通过带有权利要求1的特征的方法解决。适宜的方法步骤和为此特别适当的制造方法是从属权利要求的主题。

在用于构造被流体穿流的构件的所提出的方法中，从可供构件使用的结构空间出发并且从构件边界的边界条件，例如几何的、力学的、热学的和流体动力学的边界条件出发，借助流体流动仿真优化流体空间的拓扑结构，并且基于此，构件的固体结构为了实现流体空间借助固体仿真模型并且在考虑到与应用相关的要求、制造方法的设计规定和构造规定的情况下根据逆向工程原理构造。如下设计原理通常被称为逆向工程，其中，从完成的构件的三维点云出发，借助面反馈实现用于CAD建模的数据准备和制造过程。在根据本发明的方法中，代替从通常常见的构件扫描中获得，三维点云从流体空间的拓扑结构优化的结果中的面支点获得。

因此，与常规的处理方法不同，利用所介绍的设计方法，没有首先优化固体拓扑结构，而是首先优化流体空间拓扑结构，并且由此出发构造出构件的包绕的固体结构。

在此，以有利的方式，优化拓扑结构的方法也用于构件的流体动力学优化。

所提出的设计方法具有多个优点：

设计方法提供快速的设计方式和高效的加工路径，其可以确保流体流动路径的优化的拓扑结构。

利用使用公职的更高阶的表面离散化方法(利用表面离散化方法，在空间上连续改变的表面划分为离散的、通过适用于相应的连续性的点图案限定的部分)确保对流体空间的表面描述的对于所提出的设计方法来说必需的精确度。由于生成用于描述构件结构的三维点云，所以利用现代的生成性(generativ)的制造方法(例如激光焊接、激光烧结、电子射束焊接或3D打印)经济地制造构件是可能的，制造方法直接处理借助三维点云生成的构件结构。这种制造方法已经用于实现复杂地成形的燃烧器构件(WO2014/090481 A2、WO2014/090476 A1)。

附图说明

随后，本发明的原理应该以针对煤粉的煤气化燃烧器的示例来阐述。在此：

图1示出设计方法的框图。

具体实施方式

以最佳地构造构件拓扑结构为目标，用于构造带有流体空间和包围流体空间的固体结构的被流体穿流的构件的方法原则上结合公知的CAE单元，尤其是流体流动仿真模型、固体仿真模型和CAD。然而其与之前公知的方法的不同之处在于，首先从可供构件使用的结构空间和构件边界的预定的边界条件出发优化流体空间的拓扑结构，并且基于此，构件的固体结构为了实现流体空间借助固体仿真模型并且在考虑到与应用相关的要求、制造方法的设计规定和构造规定的情况下根据逆向工程原理构造。

像从图1看到的那样，在所提出的方法开始时，从结构空间和构件边界的力学和流体动力学的边界条件出发生成用于在构件内构造流体空间的初始设计1。

每个构件在机器或设施内位于为此设置的位置上，并且实现特定的功能。在该情况下，其是煤粉燃烧器，煤粉燃烧器具有柱体形的形状，并且布置在煤气化反应器的外壁中，具有不同的轴向和径向的、用于将反应物输入到燃烧器嘴上的火焰区域中的介质接口，并且由气体和多相流沿煤粉燃烧器的纵向方向穿流，并且在此将气体和多相流进一步引导、转向、加速或汇聚。

用于煤粉燃烧器的输入的介质至少是包含氧气的气体、水蒸气和煤粉载气密相燃烧器内的对于介质来说需要的流体空间例如包括联接凸缘、环形通道、混合腔、冷却剂通道和燃烧气嘴上的圆形或环形间隙喷嘴。

从可供构件使用的结构空间和通向相邻的构件的流体接口的位置和特性和所设置的对流体的影响出发，现在开发针对在构件内构造流体空间，即，用于流体的流动空间的第一初始方案。在此，将边界条件，例如接口横截面或入口横截面、出口横截面、压力、温度、流体的体积流或质量流和流体的物理和化学性质列入初始设计的考虑范围之内。

在设计上考虑到所有需求的情况下，多个介质和其不同的功能导致多功能的、整合的、带有复杂地构造的通道的燃烧器构件。

但是，针对流动通道的初始设计在最简单的情况下首先是直线路径的入口横截面和出口横截面并且与恒定的横截面轮廓相关。在考虑到结构空间和其他介质的情况下，还尽可能设置有方向改变。

从初始设计出发，现在根据本发明基于流体力学的目标函数优化流体空间的拓扑结构2，其中，流体空间中的压力梯度或流动速度分布根据流体空间限界面的支点坐标尤其是优化模型的主题。

作为优化的边界条件考虑到针对参与的经过构件边界的流体流(例如体积流或质量流)的预定的入口参数和出口参数、流体流的温度和压力或横截面、形状和流体通道在结构空间边界上的要求。

在设计过程中使用优化拓扑结构的方法，以便进一步开发构件的第一初始方案。拓扑结构优化是公知的基于电脑的计算方法，利用该计算方法可以优化初始设计的预定的几何结构，以便在特定的边界条件或局限的情况下达到设计变型方案的预先限定的目标值。通过使用拓扑结构优化，最适当的设计概念可以在预定的设计要求的情况下获知。

迄今为止使用该方法来在起作用的力学应力方面优化固体几何结构。为此，可供使用的质量以如下方式分布在可供使用的结构空间内，即，目标函数(设计变型方案)、例如抗弯刚度达到其极值。

在在此所提出的设计方法内的拓扑结构优化的目的相反地最初针对实现由构件包围的用于容纳流体流的空心空间的最佳的流体动力学性质，尤其是在流动特性(流动形态、稳定性和速度)或压力梯度方面。

因此，固体体积坐标没有形成，而是流体空间限界面的位置坐标形成了用于拓扑结构优化的主题。因为在优化方法中，基于效率原因，离散的面点的仅一个选择在位置上被优化，所以这些点被称为用于相应的流体空间限界面的面支点。

对用于介质的流动通道的数学描述例如可以利用流体流在构件边界上的入口面轮廓和出口面轮廓和至少三个连接入口和出口上的轮廓的用于流体空间限界面的引导线实现，其中，离散的引导线点在其位置坐标的优化之后形成流体空间限界面的面支点。

最佳的引导线走向和进而用于流动通道的最佳的通道横截面轮廓借助拓扑结构优化获知。

在待优化的构件内的流动过程的流体动力学的仿真借助公知的流体流动法则实现。纳维-斯托克斯方程或能量和质量平衡尤其是适用于此。

像在如下示例中示出的那样，优化函数可以用公式表示为：

$\min (T,F):J(v,p;T,F)={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{w}_1{C}_1(v,\▿v,p;\tilde{T},\tilde{F})d\mathrm{\Ω}+{\∫}_{\mathrm{\Γ}}{w}_2{C}_2(v,p;\tilde{T},\tilde{F})d\mathrm{\Γ}$

边界条件：

e1＝D(v,vd,p,ρ,η)

e2＝B(v,p)≥0

e3＝V(v,p)≥0

其中：

T 目标参量

F 控制参量

v 速度

p 压力

Ω 流体空间

Г 流体空间的边界

w1、w2 质量函数(Massefunktion)

C1、C2 用于流体空间或边界区域的积分常数

项目设计变型方案

项目控制参量

e1、e2、e3 通过构造需求的约束条件

D 纳维-斯托克斯方程

v_d 构件边界上的预定的流动速度

ρ 流体密度

η 流体的粘性

B 构件边界处的边界条件

V 针对体积的边界条件

在整体热量上考虑到针对目标值搜索的入口和出口、流体空间的拓扑结构以及热传递效果。

基于优化拓扑结构来实现最佳的流动分布和在流体空间中的流体流动的连续性，在下一步骤中基于由拓扑结构优化获知的面支点的三维点云，借助更高阶的数学面描述，例如B样条曲线、NURBS或T样条曲线，针对下面的CFD、FEM和CAD建模来为流体空间限界面，即，流体空间结构的流体润湿的表面建模。

流体空间结构的表面建模3在使用更高阶的表面离散方式，例如B样条曲线、非均匀有理B样条曲线(NURBS)、T样条曲线、细分曲面的情况下实现，以便改进针对CFD和FEM仿真的表面描述的精确性，并且得到精确的面边界和精确限定的至相邻的面的过渡部。

数字模拟的流体空间结构现在形成用于流体流的CFD仿真4的基础。

利用CFD分析，被介质穿流的构件的后面的流动特性可以得到仿真。由此可以在构件制成之前推导出流体流中的压力和速度情况的指示，其对于设计转换来说是重要的。基于CFD分析实现如下判定，即，流体空间结构的利用仿真模型计算出的性质是否满足与过程相关的需求。

利用CFD分析具体可以获知稳态的和非稳态的流的流动轮廓，计算出层流或湍流，确定涡流和死水区域，考虑到具有关联的热传递的流或者给多相流(混合过程、冷凝或蒸发过程)建模。

数字建模的流体空间结构现在可以以如下方式检验，即，是否充分考虑到用于所设置的制造方法的几何构造规定。每个制造方法都受到特定的局限，例如在可因此实现的表面形状、壁厚、表面粗糙度或材料性质方面。必要时，制造方法必须被改变，或者构件由多个以不同的方式制成的构件部件的组合装配成。

从流体空间结构的优化的拓扑结构出发实现对构件的固体结构的初始方案5。构件在此以如下方式构造，即，优化的流体空间由一个或多个固体包围，并且搭接构件的、通向相邻的构件(接口)或反应空间的流体连接根据几何边界条件构造。在更复杂的流体空间结构中可能适宜的是，代替构件地设置有多个在兼容的边界面上彼此连接的构件部件。

为了优化固体拓扑结构，构件三维地拆解为各个(离散)的四面体面地、方形面地或者曲面地限制的单元。固体结构数据的离散化对于FEM和CAD建模来说是需要的。

在考虑到外部和内部边界条件并且在视流体空间而定的由CFD仿真获得的边界值内的情况下利用对构件或构件部件的FEM仿真6可以实现的是，构件几何结构最佳地匹配于所选择的材料的性质。使用位置处的环境条件，例如力作用(负荷、夹紧)或热导致的变形应力现在列入考虑范围之内。

借助固体结构的FEM仿真，除了经典的强度计算以外，在不同的力作用的情况下也可以分析流动空间中的温度应力或动力学过程。与优化流体空间类似地，固体结构也借助拓扑结构优化建模，并且数字优化。然而在此考虑到流体空间结构优化的结果。

在下一步骤中，根据逆向工程原理，从构件的所建模的固体中提取出带有具体的材料性质和表面性质的结构单元，并且CAD模型初始方案检验几何的固体结构和其物理性质是否满足构件应力、构造需求、设计标准和相应的制造方法的要求。在此进行复杂的检验，构件结构在何种程度上满足安装位置处的所有与过程有关的要求、力学和流体动力学的边界条件、技术细则(设计方针、规格、设计标准，例如DIN、ISO、CEN、ASME)等。

“逆向工程”由CFD和FEM支持的流体空间和构件限界面建模导致带有具体的物体和面性质的CAD模型。完成建模的构件首先作为由自由形状面限界的空间形成物存在。在为CAD建模7准备数据的范围内，该物体的特征转移为带有限定的物体和面性质的可重复的输出模型(面和其彼此间的位置)。在返回到向量性的CAD数据中的情况下，NURBS面描述可以有利地使用。

准确描述物体的最终产品是CAD设计图。

制造方法也会对实现所建模的固体结构产生影响。在构件/构件部件的几何构造方面重要的是，是否由基本形状利用去除性的加工过程实现造型，或者是否选择生成性的制造方法，其中，由粉末状的原料通过一种形式的焊接或者通过分层的材料施布形成可自由成形的浇铸体或烧结体。表面质量、强度、耐高温性、精确度或横截面改变的实现等依赖于此。

在借助CAD生成所创建的构件的技术规范和设计文档的最后一个步骤8中提供对于构件制造来说需要的数据。这不是对于该设计方法来说特殊的工作步骤，而是并不依赖于其初始设计的每个设计方法的强制的组成部分。

在不满足与过程相关的、设计的或视制造而定的需求的情况下设置的是，修改循环9、10要么运行用于基于CFD仿真4优化流体空间的拓扑结构，要么运行用于根据逆向工程优化构件的固体结构，并且在此，实现或没有实现对流体空间的改变。

当由于复杂的要求，在构件构造的情况下需要反复接近最佳值时，设计方法的各个部分通常一定必须多次执行。

因此，在流体空间的CFD仿真的结果中可以适宜地表现出的是，相对于第一初始方案改变流体空间的拓扑结构9，以便改进其流体动力学性质，或者在固体结构化时使预料到的困难最小化。

也可能的是，在流体空间的拓扑结构优化以及固体结构的FEM分析之后，出现了来自技术标准或设计规格的各个技术预定参数(例如最小壁厚)或出现了通过制造方法实现几何形状或表面性质(自由形状面、咬边、粗糙度)的可行性问题。在此，首先通过修改固体拓扑结构10来尝试解决与设计的或视制造而定的局限的冲突。然而这如果还不够充分的话，那么附加地还必须一次性地调整流体空间拓扑结构(修改流体空间的拓扑结构9)，以便扩大用于固体建模的回旋余地。

制造根据所提出的方法设计的构件或其构件部件适宜地利用生成性的制造方法来实现，这是因为借助选择性的激光焊接、选择性的激光烧结、电子射束焊接或3D打印法，流动通道的在流体动力学的优化中产生的连续的横截面改变和倒圆的轮廓因此可以最廉价地制成，并且这是因为在公知的生成性的制造方法中，廉价地转换为机器数据直接可以基于已经存在的数字流体空间和固体模型实现。此外，对构件的初始的流体动力学优化通常导致复杂的形状，不太适用于常规的制造方法。

借助现代的生成性的制造方法，例如激光焊接、激光烧结或电子射束焊接，非常规的或复杂的表面几何结构也可以产生，直到将所有流体空间结构整合在构件或多个可整合的构件部件中，其中，造型在没有成形工具的情况下要么通过粒状的原料的分层地选择的结合要么通过3D打印技术(施布无定型(formneutral)的材料)实现。金属层有利地可以直接结构化。

借助所提出的用于优化流体空间的方法和随后应用可逆的设计图，被流体穿流的构件(例如煤粉燃烧器)首先可以针对极端要求高效地构造。因此实现的是，开发用于燃烧器部件的流体动力学地优化的结构，其方法是，除了作用到燃烧器构件上的力、运行条件(例如温度和压力)、流体的动力学性质以外，在开发阶段中也已经充分考虑到流体空间的符合流动的构造。

这种设计方法辅助在没有制造技术推动的局限的情况下构造整合在燃烧器中的燃烧器部件，从而使其最佳地满足与过程相关的要求，并且可以通过应用新的、生成性的制造方法经济地制成。

附图标记列表

1 用于构造流体空间的初始设计

2 流体空间的拓扑结构优化

3 流体空间结构的表面建模

4 CFD仿真

5 固体结构的初始方案

6 FEM仿真

7 CAD建模

8 生成技术规范和设计文档

9 修改流体空间的拓扑结构

10 修改固体结构

Claims (5)

1.一种用于借助随后被称为CAE的计算机辅助的技术工作过程来构造被流体穿流的构件的方法，所述构件带有流体空间和包围流体空间的固体结构，其中，下列CAE的手段为了构造构件拓扑结构而结合：

-流体流动仿真模型，例如计算机辅助的流体动力学仿真，随后被称为CFD，

-固体仿真模型，例如有限元法，随后被称为FEM，以及

-计算机辅助的设计，随后被称为CAD，

从而从可供构件使用的结构空间并且从构件边界处的几何的、力学的、热学的和流体动力学的边界条件出发，借助流体流动仿真优化所述流体空间的拓扑结构，并且基于此，所述构件的固体结构为了实现流体空间而借助固体仿真模型和CAD，在考虑到与应用相关的要求、制造方法的设计规定和构造规定的情况下来构造。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括下列步骤：

-从所述结构空间和所述构件边界处的几何的、力学的、热学的和流体动力学的边界条件出发生成用于构造构件内部的流体空间的初始设计(1)，

-基于流体力学的目标函数优化所述流体空间的拓扑结构(2)，用以获得位置优化的离散的面支点的选择，

-基于由拓扑结构优化获知的面支点对流体空间限界面建模(3)，

-计算机辅助的流体动力学仿真(4)，用以检验流体空间结构的性质是否满足与过程相关的需求，

-从流体空间结构的拓扑结构出发对所述构件的固体结构建模(5)，

-在考虑到构件的外部和内部的边界条件和视流体空间而定的由CFD仿真获得的边界值的情况下对所述构件的固体结构进行FEM仿真(6)，

-对所述构件进行CAD建模(7)并且检验几何的固体结构及其物理性质是否满足构件应力、构造需求、设计标准和制造方法的要求。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在不满足与过程相关的、设计上的或视制造而定的需求的情况下运行修改循环，

-用以基于CFD仿真(4)优化所述流体空间的拓扑结构(9)，或者

-用以在不改变所述流体空间或者在修改所述流体空间(9)的情况下优化所述构件的固体结构(10)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，利用生成性的制造方法，例如借助选择性激光焊接、选择性激光烧结、电子射束焊接或3D打印法来制造构件或构件部件。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，粉尘燃烧器被构造用于煤粉的气流床煤气化。