CFD用于烟气排气筒设计和优化

为了展示设计师如何使用Simcenter FLOEFD，请允许我带您回顾一下2007年的记忆。……当时，我是一位怀揣梦想的机械工程系学生，暑期实习期间，我第一次接触到了Simcenter FLOEFD（当时称为“EFD”）。我充满热情和渴望，准备着迎接我的毕业设计项目，选择它纯粹是因为它是一个“CFD主题”。它明确要求使用CFD进行烟气排气筒的设计和优化。大多数我们（学生）本可以避开像瘟疫一样可怕的CFD项目，因为当时我们对CFD毫无接触。我们得靠自己摸索出CFD的实际知识。我甚至记得我的导师告诉我，如果我使用“EFD”，他将无法协助我，而且他不相信这些“黑匣子”式的CFD工具……好的，那我接受挑战！

01 项目描述

酒精燃烧器产生的热气能达到950℃，必须通过至少15米高的烟囱排出。项目的目标是使用9米长的钢管代替耐火砖，以节省建筑成本。钢管的允许的最高温度为350°C，因此需要对热气进行足够的冷却。通过在烟囱堆底部的文丘里管中节流热气，使环境空气由于文丘里管引起的低压被抽入，实现对热气的冷却。

02 目标

使用CFD工具对文丘里管几何形状、气隙大小（air slip-gap size）和管径进行设计和优化，使成本和重量降低到最小。

03 约束条件

• 最大温度=350°C。
• 解决方案必须切实可行。

我立即开始着手。我记得当时从未费心简化模型，而是一开始就全力以赴。使用全三维模型（甚至不考虑二维或对称性），在固体中进行热传导（包括耐火材料、绝缘层和钢质外壳），并将烟气定义为各种气体的混合物。即便如此，我仍能立即开始生成结果，效果真是立竿见影！反而是生成CAD模型的时间会比设置和运行首次仿真的时间长。我直接利用的CAD建模和参数化功能，研究文丘里管几何形状和气隙组合里的的几乎所有选项，而无需任何宏命令或编写网格生成的程序来适应我的几何更改。

为了证明我的观点，我仍然保留着当时的组建图，即使过了13年，我打开它，一切都还在，就像我离开时一样……我简单地设置流项目（使用项目报告作为参考）并重新运行仿真。在这里，您可以看到在概念评估阶段中，文丘里管形状与不同烟囱安装选项（即在顶部安装或与底部重叠）的组合。

烟囱优化概念- 概念评估阶段

所有组合的仿真都非常顺利，我能够在项目的早期确定最可行的设计概念。经过两个阶段的概念评估过程，考虑了制造和材料成本，权衡了性能优势，结果表明阶梯状喉部和顶部安装烟囱的组合是最可行的组合。是的，有人可能会说，只要想一想，大多数概念都可以被排除在外。但是，这样做乐趣何在?特别是当它是如此简单和快速探索那些创新性的想法。这并不是毫无意义的设计探索。

接下来是对所选概念进行优化。当时没有像今天这样内置的优化功能，即Simcenter FLOEFD嵌入HEEDS求解器的“Extended Design Exploration Module”（叹气）……如果我能回到过去就好了……唉，我不得不依赖外部优化软件。我使用了设计实验（DOE）与响应曲面。DOE的输入变量包括：

1. 喉部直径
2. 管径
3. 滑动间隙高度
4. 文丘里管中心偏移

与DOE设计点相关联的CAD配置是从Excel电子表格中自动填充的（再次强调，这是标准的CAD功能，不涉及编程）。只要把主要流程项目复制到所有DOE配置中，所有40个设计就准备好立即运行了。然而，在我的双核750MB RAM计算机上解决所有40个设计将需要40天的时间，但我很幸运地在MSC-Africa的培训计算机上运行它们。即使在那个时代，Simcenter FLOEFD（“EFD”）的“批量运行（Batch Run）”功能也使这一切变得轻而易举。大约一周后，我收集了DOE研究结果，并将其再次上传到优化软件中，以生成响应曲面，基于该曲面进行优化。请看下面一些响应曲面的示例。优化目标包括：

1. 使成本最小化
2. 使温度变化最小化（确保均匀分布）
3. 最大温度约束=300°C（由于响应曲面近似精度问题而导致的上限约束）。

响应曲面的图例

根据响应曲面得到的最优设计参数如下。为验证这一结果，我采用了建议的参数快速分析了最优配置，如下所示。实际最高温度为323°C，仅比响应曲面预测值高7.67%，但仍然远低于350°C的限制。温度分布也很均匀，如下图所示。

响应曲面近似的最佳设计

烟囱温度最佳设计

04 结论

回顾这项工作并阅读我的报告，我几乎难以相信我能够取得如此成功，这完全归功于那个领先于时代几十年的革命性的“黑匣子”CFD工具。如果仔细想想，这是在2007年完成的，但在我接触它之前，大部分这些功能已经存在多年了。

当然，现在有更多的功能和其他的物理场的求解功能，但使Simcenter FLOEFD真正独特的核心技术一直都在那里。总的来说，我可以肯定地说，Simcenter FLOEFD确实是一款真正有效的设计工具。设计师可以使用CFD来设计和优化产品，从而使工程师腾出时间进行进一步的研发。最后，我为您呈上一张“漂亮的图片”，请欣赏热设计之美妙。

关于坤道

上海坤道成立于2009年，前身为英国Flomerics公司中国代表处，现为西门子工业软件（原Mentor Graphics公司）在中国大陆的授权金牌|专家（Expert Partner）合作伙伴。一直以来，坤道专注于热仿真和热测试领域，为电子半导体、汽车、航天航空等行业提供Simcenter FloEFD/Flotherm Flexx/Flomaster等流体传热仿真软件解决方案和Simcenter T3STER热阻测试、Simcenter POWERTESTER功率循环测试、SanjSCOPETM 反射率热成像系统等硬件解决方案，具备资深专业、经验丰富的技术团队提供产品销售、项目咨询、夹具定制和技术培训等服务。目前，坤道公司已为400多家企业与机构提供热仿真&热测试解决方案和应用实践落地。如果您对热仿真及热测试解决方案感兴趣，请与我们联系。

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