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1、河北工业大学 硕士学位论文 用于袋式除尘器设计优化的CFD高逼真度仿真测试方法研究 姓名：唐猛 申请学位级别：硕士 专业：仪器科学与技术 指导教师：刘丽冰 2010-12 河北工业大学硕士学位论文 I 用于袋式除尘器设计优化的 CFD 高逼真度仿真测试方法研究 摘 用于袋式除尘器设计优化的 CFD 高逼真度仿真测试方法研究 摘 要要 测试是对产品性能进行验证的步骤，在产品优化设计工作中占有重要地位，测试工作 的好坏会直接影响到产品设计周期、研发费用以及产品质量等问题。由于科学技术发展的 日新月异，新的理论新的技术更多的投入到了产品优化设计过程当中，这也对测试的方法 提出了新的要求与挑战。 计算
2、机仿真技术随着计算机硬件技术的发展越来越成熟，并且在设计中起到越来越重 要的作用，但是一直是作为一种新的元素在设计中处于辅助、对比的地位，并且仿真的精 度、逼真度以及可信度很少在仿真过程中提出。鉴于计算机仿真技术的优点，如果将仿真 技术与测试相结合必将对设计优化工作起到积极的作用。 本文在分析了仿真技术以及测试理论的基础上，提出了一种高逼真度仿真测试的方 法，并以袋式除尘器的优化设计工作为例将整个过程加以展示。研究针对袋式除尘器流场 优化的问题，采用 CFD 软件通过对分风管、过滤室的建模仿真并加入测试技术，对优化工 作提出了建议。建立了仿真测试平台并对平台应有的功能做出了初步确定。证明高逼真
3、度 仿真测试方法的可行性。 关键词：关键词：仿真测试，袋式除尘器，高逼真度，Fluent，流场模拟 用于袋式除尘器设计优化的 CFD 高逼真度仿真测试方法研究 II RESEARCH ON HIGH FIDELITY CFD SIMULATION TEST FOR BAG FILTERS DESIGN AND OPTIMIZATION ABSTRACT Test is a validation step in product design work. Playing an important role in the product design and optimizes, test work
4、 will directly affect the product design cycle, development costs, product quality and other issues. According to the rapid development of the science and technology, new theory and technology are adding to the product optimization, this also proposed new demands and challenges to the test. Computer
5、 simulation technology has become much mature than before, along with the computer hardware develop, and became much more important in product design. But it always appears as an assistant method to compare with the traditional test method. The simulation accuracy, fidelity and reliability were rare
6、ly mentioned during the simulation process. In view of computer simulation technology, it will play a positive role to combine computer simulation and the test work in product design and optimization. Based on the analysis of the simulation and test theory, a method of high fidelity simulation test
7、for product design optimize has been raised. The whole simulation and test process has shown with the example of bag filter optimization. The research aimed at flow field optimize, using CFD software to model, simulate filter sub-duct pipe and filter room while considering test technology. At last,
8、optimization advice was given to the design work. This example demonstrated the feasibility of simulation testing method. And a platform was established while affirming the basic functions and modules. KEY WORDS: simulation and test, bag filter, high fidelity, fluent, flow-field simulation 河北工业大学硕士学
9、位论文 V 符号说明符号说明 ANSYS 综合有限元软件包，ANSYS CFD 计算流体力学，Computer Fluid Dynami Pro/E 参数化建模软件,Pro/Engineer MATLAB 矩阵实验室 Matrix Laboratory MC 蒙特卡洛抽样法，Mento-Carlo M 3. 特征截面的草绘器参照; 河北工业大学硕士学位论文 23 4. 所有尺寸值。 在程序中对每个元素树的全部变量赋值一次，就产生一个特征，多个特征积累就成产品模型。目前 特征描述这种方法还不成熟， 主要是因为这种方法要由程序产生模型， 程序在包含产品模型的所有信息 的情况下，再由底向上的由程序构
10、建模型，需要的编程量会非常庞大。 2.簇表 簇表是 Pro/E 软件中的一个以表格形式储存数据，调用不同项来驱动模型的工具，将事先定义好的 模型中可提供驱动的尺寸参数、特征、模型参数按一定顺序放入表格中，创建新零件时只需要在表格中 输入新的参数值。簇表方法过程是： a, 建立一个具有代表性的零件，这个零件被称为通用零件(Generic Part)。 b, 根据变化规律编辑族表中的项目，可变项目包括尺寸、参数、特征与组件等。 c, 完成族表内容后，需要对其进行校验，再由系统自动一一再生，进而生成子零件(Instance)。子 零件之间的产生是独立存在的，不需为它定义参考基础。 采用这种方法可以方
11、便地生成标准零件库， 但存在交互性的缺陷， 同时复杂的操作不便于用户使用， 同时存在装配时不能直接调用、占有的内存空间大等缺点。 3.用户定义特征 在 Pro/E 软件建模过程中，新建立的模型会有一个宏文件记录这个模型的产生过程，通过对宏文件 进行修改就可以控制模型的建立过程，进而控制所生成的模型。Pro/E 中提供了一个名为 Program 的工 具，通过他就可以编制并修改这种宏文件。运行 Program 可以修改所有模型建立过程中用到的参数(比 如尺寸参数、特征或零件之间的关系参数以及质量参数等)，进而控制需要生成的零件以及组件。修改 Program 文件后，输入相应的各参数变量，便可自动
12、生成不同的模型，也就可以将这些模型单独保存为 独立的模型。 4-1-2 除尘器进风管的参数化模型创建除尘器进风管的参数化模型创建 比较以上的几种方法， 考虑到袋式除尘器造型复杂， 采用特征描述法进行建模工作量是非常可观的； 而通过基于特征的关系式约束方法来实现袋式除尘器的三维自动造型更为可行， 参数约束是 Pro/E 软件 的基本功能。它是在建模方法可行的基础上，从整体考虑预先建立起全局变量，然后在建立特征时应用 全局变量和关系式来控制每一个特征。 这样当全局变量发生变化时每个特征也就能随之改变了， 从而达 到控制模型的目的。 以进风管模型为例：双列 16 室进风管模型如图 4.1 所示，由三
13、块侧板、一个顶板、一个中层导流 板以及下方灰斗阵列而成，根据测试要求，需要在室数上进行改变，同时中层导流板及顶板的角度应达 到可变以适应不同测试需要。 用于袋式除尘器设计优化的 CFD 高逼真度仿真测试方法研究 图 4.1 16 室进风管模型 Fig. 4.1 Air-inlet pipe model of 16 rooms 建模过程为从底向上， 对侧板、 顶板等严格按实际尺寸进行创建再进行组装。 创建时采用统一变量： 室数：n，与灰斗阵列数相同，顶板仰角：a，通过室数和顶板仰角的设定对零件再生可以快速得到新的 进风管模型。图 4.2 至图 4.5 为上箱体各面板参数设置示意。 图 4.2 分
14、风管侧面板参数化创建 Fig. 4.2 Parametric creation of sub-duct side panel 24 河北工业大学硕士学位论文 图 4.3 中层导流板的参数化创建 Fig. 4.3 Parametric creation of middle deflector 图 4.4 顶板的参数化创建 Fig. 4.4 Paramatric creation of roof panel 25 用于袋式除尘器设计优化的 CFD 高逼真度仿真测试方法研究 图 4.5 后面板参数化创建 Fig. 4.5 Parametric creation of rear panel n 的取值
15、决定分风管的室数，比如 n=3 再生后得到双列六室机型进风管如图 4.6 所示： 图 4.6 n 取 3 时得到的双列六室分风管模型 Fig. 4.6 Two-column, six-room sub-duct model by n taking 3 4-2 网格生成技术 4-2 网格生成技术 流体力学的本质就是对控制方程在所规定的区域上进行点离散或区域离散， 从而转变为在各网格节 点或子区域上定义的代数放缓，最后用线性代数的方法迭代求解。在计算流体动力学中，按照一定规律 分布于流场中的离散点的集合叫网格（Grid） ，分布这些网格节点的过程叫网格生成（Grid Generation） 。 网
16、格生成对 CFD 至关重要，直接关系到 CFD 计算问题的成败。 网格生成技术 是离散技术中的一个关键步骤， 网格质量对 FLUENT 计算精度和计算效率有直接的 26 河北工业大学硕士学位论文 影响。对于复杂问题的 FLUENT 计算，划分网格是一个极为耗时且容易出错的步骤，有时要占到整个 软件使用的 80%以上的时间。因此网格生成技术应该作为 CFD 仿真测试过程中重要的一项。 4-2-1 网格的类型网格的类型 构成网格的基本元素是单元，二维空间中可以使用三角形和四边形单元，在三维空间中，可以使用 的单元包括四面体、六面体、棱锥和楔形单元。如图 4.7 所示。 图 4.7 三维空间可以使用的网格单元 Fig. 4.7 Grid element in 3D space 划分的网格按邻近网格点之间的关系分为结构网格、非结构网格和
