基于CFX的气路通道对气体扩散混合效果的影响研究.pdf
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1、自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications基于CFX的气路通道对气体扩散混合效果的影响研究李 勇,梁钊铭(江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061)摘要:以标准k-湍流流动模型和理论计算为基础,利用CFX软件模拟两个容器间气路通道在设计工况下的内部流场分布以及流量特性参数,并通过分析气流流场和流速状况来研究不同气路通道对容器间气体扩散混合效果的影响,最后通过实验验证数值模拟分析的结果。结果表明通道内密封分岔通道和直角弯内侧位置会形成紊流
2、,影响整个通道内流体流速;通道截面积相同时,流速越快,混合均匀时间越短。关键词:气路通道;理想气体状态方程;ANSYS CFX;容器体积测量中图分类号:TP15文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)08-0017-04The Design and Research of Effect of Gas Pathto Gas Diffusion Mixing Based on CFXLI Yong,LIANG Zhao-ming(JiangsuAutomation Research Institute,Lianyungang 222061 China)Abstract:Based o
3、n the standard k-turbulent flow model and theoretical calculations,the CFX software is used to simulate the internalflow field distribution and flow characteristic parameters of the gas path between the two vessels under the design conditions,andanalyze the air flow field and velocity conditions.The
4、 effects of different gas paths on the gas diffusion and mixing effects be-tween containers are studied,and the results of numerical simulation analysis are finally verified through experiments.The resultsshow that:turbulent flow will be formed in the inner part of the sealed bifurcation channel and
5、 right-angle bend in the channel,which affects the fluid flow rate in the entire channel;when the channel area is the same,the faster the flow rate,the shorter theuniform mixing time.Keywords:gas path;ideal gas state equation;ANSYS CFX;vessel volume measurement收稿日期:2021-09-16DOI:10.20033/j.1003-7241
6、.(2023)08-0017-04.1引言在医疗输液领域,常利用理想气体状态方程来获取药液注入剂量避免直接和药液接触造成污染。文献1论述理想气体状态方程在工业测量中的应用,通过引入一个已知体积的标准容器与待测容器进行串联,让不同压强的气体通过气体通道混合均匀,根据理想气体状态方程间接测量出异形容器容积。气体在混合过程中,采用不同气路通道进行均匀混合所需的时间并不相同。对于气路原理复杂的产品,流体通道常常相互交错,无法直接用一个简单通道将两个容器连接。如何提高气体混合速度,降低产品数据获取所需时间成为设计者必须要考虑的问题。本文以流体力学标准k-湍流模型理论为基础,采用CFX数值模拟和实验测试相
7、结合的手段,研究不同气路通道结构对两个容器之间气体扩散混合的影响,并将测试结果作为气路系统设计的重要参考。2气路系统模型和容器体积测量技术2.1气路系统模型气路分配模块为气路控制系统的核心部件,通过控制阀门来调整模块内气压大小和气体流向,实现药液注入和引流,并通过传感器反馈的压力数据计算药液剂量。现有两种不同的气路分配模块设计加工方式。(1)如图1,在金属底板平面上加工整个纵横交错的气路通路,并用密封垫密封。图1平面气路通道模块(2)如图2,在长方体六个面进行交错打孔建立内部复杂三维立体的气路通道。气路分配模块内部通道布局依据设备气路原理图,从结构上,它由纵横交错的细长气体通道组构成,设计过1
8、7控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications程既要考虑实现压力分流功能,还要考虑气路结构和阀门孔径的影响2-3。图2立体气路通道模块2.2容器体积测量技术根据PV=nRT,气体的质量、性质及绝对温度不变的情况下,气体的压强与体积成反比。利用该结论可以精确地测量某个异形容器容积。测量方法如下:测试流程如图3所示,关闭阀门1、阀门2,将阀门3接通大气,压力传感器2数值稳定为P0时关闭阀门3。打开阀门1向体积为V1的待测容器内注入气体,关闭阀门1
9、后待测容器内压力值P1。打开阀门2让空气相互混合直至两个压力传感器数值稳定为P2。关闭阀门2,打开阀门3,压力传感器2数值稳定为P0时进行下一次测量3。图3容器体积测试流程测试过程气体的质量、性质及绝对温度不变。容器与阀门之间连接通道的容积暂忽略为0,根据PV=nRT可以得出:(1)(2)求解式(1)、(2)可得:(3)3数学模型和理论计算本文在计算过程中采用标准k-湍流模型,气体在扩散过程中应当遵循动量守恒、质量守恒和能量守恒定律4-5。3.1标准k-湍流流动模型湍流动能方程k:(4)扩散方程:(5)式中,k为湍流动能,为湍流动能耗散率,是指在分子粘性作用下由湍流动能转化为分子热运动动能的速
10、率。Gk为由于平均速度梯度引起的湍流动能产生,Gb为由于浮力影响引起的湍流动能产生,YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的湍流耗散率的影响。湍流粘性系数t=C。在数值模拟计算过程中,作为默认值常数,C1s=1.44,C2s=1.92,C3s=0.99,湍流动能k与湍流耗散率的湍流普朗特数k=1.0,=1.3。3.2雷诺数(6)式中、为密度和动力粘性系数,L为特征长度。实验表明流体通过圆形管道时临界雷诺数在2 0002 600。假定气体在通道内已发展为紊流状态,设定Re=2 600。3.3气路通道两端伯努利方程(7)式中,L为管段长度、D为管内直径、沿程阻力系数,表示流动过程的沿程损耗,通道两端压强为p
11、1、p2。v为管道内气流的平均流速。求解可得气流平均流速(8)由公式可知,气流平均流速受沿程阻力系数的影响,而沿程阻力系数与流体流动状态有关,流动状态可用雷诺数量化。3.4管中流动沿程阻力系数与雷诺数的关系层流区:(9)临界区域:(10)根据预设定的雷诺数可计算气路通道内=0.00252600=2.17。3.5湍流强度(11)式中,I为湍流强度,Re为雷诺数。代入Re=2 600,可得I=0.06。4数值模拟分析4.1计算流域建模为研究不同气路通道结构对气体扩散混合的影响,建立两种结构下对应气路通道三维模型,该模型包含气路内部的所有特征,并表征气路与阀门的联通关系。阀门内部空间小且结构复杂,不
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