CN110132521B - 一种塔设备在内外流场作用下系统振动特性的获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种塔设备在内外流场作用下系统振动特性的获取方法，包括以下步骤：S1、构造流动计算域模型和固体计算域模型；S2、读取三维实体文件，内外计算域进行网格划分；S3、读取网格文件，设置塔设备流动计算域的介质物性和边界条件；对内流场的两相流进行计算，用ANSYS‑FLUENT对外流场计算。S4、将步骤S3的计算结果作为载荷导入到固体计算域模型中，进行有限元计算和模态分析。本发明紧密贴合工业生产实际，计算精度和计算效率较高，为塔设备的安全运行提供坚实的技术支持，并为实际工业生产提供良好的指导。

Description

一种塔设备在内外流场作用下系统振动特性的获取方法
技术领域
本发明涉及化工设备技术领域，特别涉及一种塔设备在内外流场作用下系统振动特性的获取方法。
背景技术
塔设备是石油化工行业最显著的设备，在塔设备内可进行气液或液液两相间的充分接触，实施相间传质，因此在生产过程中常用塔设备进行精馏、吸收、解吸、气体的增湿及冷却等单元操作过程。石化企业中高塔多以群体形式存在，且塔设备的体型普遍较高、长宽比大。这些塔群设备在户外容易受到风的影响，相互之间存在干扰且流场复杂，而塔设备的内部流动载荷也会因风致振动而对塔的运行可靠性产生影响。
随着高塔设备应用领域的拓展，如何优化设计提升塔设备的工作效率和运行可靠性已成为国内外研究的热点和前沿课题之一，目前国内外大多数研究者们研究的内容主要集中在单独针对外部风载荷或内部流动载荷对独立高塔设备运行可靠性能的影响方面，并未考虑多塔设备和内外流动载荷的共同作用。
所以现行的研究方法比较脱离实际，并且存在较大误差，没有考虑到塔群间流场的相互干扰和内部流场的作用，故计算所得到的塔设备的应力应变、位移、振幅、周期、固有频率等不能准确有效地反映实际工业生产过程中塔设备的振动特性。为使工程技术人员能通过调整各种设计参数和操作参数，达到优化多座高塔设备振动特性的目的，迫切需要一种实用准确的塔群系统振动特性的获取方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种塔设备在内外流场作用下系统振动特性的获取方法。与常规的塔设备振动特性获取方法相比，能够改善计算精度、提高计算效率。
本发明的目的通过以下的技术方案实现。
一种塔设备在内外流场作用下系统振动特性的获取方法，包括以下步骤：
S1、使用软件分别构造三维塔设备的流动计算域模型和固体计算域模型；
S2、使用ANSYS-ICEM读取流动计算域模型中塔内部的流动计算域即内流场计算域和塔外部的流动计算域即外流场计算域，利用ANSYS-ICEM分别对内外流场计算域进行网格划分，形成网格文件；
S3、使用ANSYS读取网格文件，按实际生产工况分别设置塔设备内外流场计算域介质的物质特性和边界条件；使用ANSYS-CFX软件对内流场的气液两相流或液液两相流进行计算，使用ANSYS-FLUENT软件对外流场的风载荷进行计算，直至数值收敛为止；
S4、利用ANSYS-WORKBENCH并通过流固耦合分析即分析变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这两者的相互作用，将步骤S3得到的塔设备内外流场模拟计算结果作为载荷导入到三维塔设备的固体计算域模型中，并进行有限元计算和模态分析，得到塔设备的应力、应变、位移、振幅、周期、固有频率和各阶振型，为实际工业生产提供指导。
进一步的，步骤S1所述的软件为SOLIDWORKS。
进一步的，所述内流场计算域是指塔内单/多相介质的流速、压力及温度的分布区域；
所述外流场计算域是指塔外风速、气压及气温的分布区域。
进一步的，判断步骤S3中的数值是否收敛的判断有以下两种方式：
方式1、以残差值的变化判断，即默认当残差值都降到低于标准值的10-3时，则认为收敛；
方式2、监测并判断性能参数，即当整个系统的质量、动能和能量等都守恒时，则认为收敛。
进一步的，步骤S3中所述物质特性包括水、空气、操作压力和温度。
进一步的，所述边界条件包括进出口速度、温度、质量、初始压力和初始温度。
进一步的，步骤S4中所述的流固耦合分析是分析变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这两者的相互作用。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明方法考虑了内外载荷复合作用下单(多)塔设备的振动特性，运用ANSYS软件计算得到内外载荷共同作用下单(多)塔设备的应力、应变、位移、振幅、周期、固有频率等，分析了单(多)塔设备在内外流场作用下系统振动特性。解决了现有的研究方法比较脱离实际，存在较大误差，没有考虑到内外载荷共同作用的缺点，为塔设备的安全运行提供坚实的技术支持，并为实际工业生产提供良好的指导。
附图说明
图1是实施例的典型板式塔工作原理图；
图2是实施例塔设备在内外流场共同作用下系统振动特性的获取方法的流程图；
图3是实施例的塔设备外流场的三维实体图；
图4是实施例塔设备内流场的三维实体图；
图5是实施例塔设备外流场的计算结果示意图；
图6是实施例中塔内流场的计算结果示意图；
图7是ANSYS-WORKBENCH得到的多塔设备有限元计算结果中的应力云图；
图8是ANSYS-WORKBENCH得到的多塔设备有限元计算结果中的位移云图；
其中：1-塔壳体，2-塔板，3-溢流堰，4-受液盘，5-降液管，6-出料口，7-进气口，8-回流口，9-出气口。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例采用典型的板式塔设备，该板式塔设备包括塔壳体1、为塔板2、为溢流堰3、受液盘4、降液管5、出料口6、进气口7、回流口8和出气口9。
外流场实施例选取三座不同直径分别为3.3m、2.8m、2.5m，对应高度分别为50m、42m、38m的板式塔作为研究对象，参数设置为：进口风速为6m/s，出口压力设置为一个大气压(绝对压力)；内流场实施例选取一座直径为1.5m，高度为28m的板式塔，工作介质气相为空气，液相为水，其中水的进口质量流量为4.68565kg/s，气体的进口质量流量为5.47776kg/s，出口为一个大气压(绝对压力)。
塔设备在内外流场共同作用下系统振动特性的获取方法如图2所示，包括如下步骤：
S1、使用SOLIDWORKS分别构造如图3所示的三座三维板式塔设备外流场计算域模型和图4所示的单座三维板式塔设备内流场计算域模型；
S2、使用ANSYS-ICEM读取流动计算域模型中塔内部的流动计算域即内流场计算域和塔外部的流动计算域即外流场计算域，利用ANSYS-ICEM分别对内外流场计算域进行网格划分，形成网格文件；
其中，得到整个外流场计算域的网格单元总数为494347个，整个内流场计算域的网格单元总数为309616个。
S3、使用ANSYS读取网格文件，按实际生产工况分别设置塔设备内外流场计算域介质的物质特性和边界条件；所述物质特性包括水、空气、操作压力和温度；所述边界条件包括进出口速度、温度、质量、初始压力和初始温度。
使用ANSYS-CFX软件对内流场的气液两相流或液液两相流进行计算，使用ANSYS-FLUENT软件对外流场的风载荷进行计算，外流场的计算根据时间和风速设置时间步长为0.5s，直至数值收敛为止，最终得到内外流场的相分布、流速、压力和温度分布，具体的流场计算结果如图4和图5所示。
判断数值是否收敛的判断有以下两种方式：
方式1、以残差值的变化判断，即默认当残差值都降到低于标准值的10-3时，则认为收敛；
方式2、监测并判断性能参数，即当整个系统的质量、动能和能量等都守恒时，则认为收敛。
第四步，利用ANSYS-WORKBENCH并运用流固耦合分析(即分析变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这两者的相互作用)，将步骤S3得到的塔设备内外流场模拟计算结果作为载荷导入到三维塔设备的固体计算域模型中，进行有限元计算和模态分析，得到塔设备的应力、应变、位移、振幅、周期、固有频率和各阶振型，有限元的计算结果如图7和图8所示，计算结果为实际工业生产提供指导。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合等均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种塔设备在内外流场作用下系统振动特性的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用软件分别构造三维塔设备的流动计算域模型和固体计算域模型；
S2、使用ANSYS-ICEM读取流动计算域模型中塔内部的流动计算域称为内流场计算域即内流场和读取塔外部的流动计算域称为外流场计算域即外流场，利用ANSYS-ICEM分别对内外流场计算域进行网格划分，形成网格文件；
S3、使用ANSYS读取网格文件，按实际生产工况分别设置塔设备内外流场计算域介质的物质特性和边界条件；使用ANSYS-CFX软件对内流场的气液两相流或液液两相流进行计算，使用ANSYS-FLUENT软件对外流场的风载荷进行计算，直至数值收敛为止；
所述物质特性包括水、空气、操作压力和温度；
所述边界条件包括进出口速度、温度、质量、初始压力和初始温度；
判断步骤S3中的数值是否收敛的判断有以下两种方式：方式1、以残差值的变化判断，即默认当残差值都降到低于标准值的10-3时，则认为收敛；方式2、监测并判断性能参数，即当整个系统的质量、动能和能量都守恒时，则认为收敛；
S4、利用ANSYS-WORKBENCH并通过流固耦合分析，将步骤S3得到的塔设备内外流场模拟计算结果作为载荷导入到三维塔设备的固体计算域模型中，并进行有限元计算和模态分析，得到塔设备的应力、应变、位移、振幅、周期、固有频率和各阶振型，为实际工业生产提供指导。
2.根据权利要求1所述的一种塔设备在内外流场作用下系统振动特性的获取方法，其特征在于，步骤S1所述的软件为SOLIDWORKS。
3.根据权利要求1所述的一种塔设备在内外流场作用下系统振动特性的获取方法，其特征在于，所述内流场计算域是指塔内单/多相介质的流速、压力及温度的分布区域；
所述外流场计算域是指塔外风速、气压及气温的分布区域。
4.根据权利要求1所述的一种塔设备在内外流场作用下系统振动特性的获取方法，其特征在于，步骤S4中所述的流固耦合分析是分析变形固体在流场作用下的各种行为以及固体形变对流场流动的影响。
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