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 摘 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
2、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。证明高逼真度仿真测试方法的可行性。 关键词： 仿真测试 ，袋式除尘器，高逼真度， Fluent，流场模拟 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 RESEARCH ON HIGH FIDELITY CFD SIMULATION TEST FO
3、R 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 will directly affect the product design cycle, development costs, product quality and other issues. According to the rapid develop
4、ment 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 simulation technology has become much mature than before, along with the computer hardware develop, and became much more important
5、 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 rarely mentioned during the simulation process. In view of computer simulation technology, it will play a positive role to combine comp
6、uter 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 for product design optimize has been raised. The whole simulation and test process has shown with the example of bag filter optimiz
7、ation. 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, optimization advice was given to the design work. This example demonstrated the feasibility of simulation testing method. And a pla
8、tform was established while affirming the basic functions and modules. KEY WORDS: simulation and test, bag filter, high fidelity, fluent, flow-field simulation II 河北工业大学硕士学位论文 目 录 第一章 绪论 . 1 1 -1 课题背景及研究意义 . 1 1-1-1 产品性能测试的重要性 . 1 1-1-2 仿真技术的发展 . 2 1-1-3 课题的提出与研究的意义 . 2 1 -2 国内外测试、仿真技术研究现状 . 3 1-2-1
9、 传统流场测试方法 . 3 1-2-2 仿真技术的发展以及在装备设计上的应用 . 4 1-2-3 CFD 高逼真度仿真测试方法的提出 . 4 1 -3 本文的主要研究内容 . 5 第二章 基于 CFD 的流场仿真测试方法 . 6 2 -1 计算流体动力学概念 . 6 2-1-1 CFD 理论方法 . 6 2-1-2 CFD 常用数值解法 . 7 2-1-3 三维湍流数值模拟理论基础 . 9 2-1-4 数值模拟的相关说明 . 11 2 -2 CFD 仿真测试内容 . 11 2-2-1 仿真测试需求分析 . 11 2-2-2 仿真过程与测试的结合 . 13 2-2-3 CFD 仿真测试方法流程
10、. 14 2 -3 本章小结 . 14 第三章 高逼真度仿真测试过程 . 15 3 -1 逼真度的定义 . 15 3-1-1 高逼 真度在仿真领域应用的发展 . 16 3-1-2 CFD 仿真测试的逼真度 . 17 3 -2 面向仿真测试过程的逼真度评估 . 18 3-2-1 逼真度与 VV&A . 18 3-2-2 仿真测试过程逼真度的影响因素 . 18 3-2-3 模型确认中的逼真度评价方法 . 19 III 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 3-2-4 仿真测试过程逼真度的保障 . 20 3 -3 小结 . 21 第四章 CFD 仿真测试技术的内容 . 22 4
11、 -1 CFD 仿真测试参数化建模技术 . 22 4-1-1 Pro/E 软件中的参数化建模技术 . 22 4-1-2 除尘器进风管的参数化模型创建 . 23 4 -2 网格生成技术 . 26 4-2-1 网格的类型 . 27 4-2-2 非结构化网格生成技术 . 27 4-2-3 袋式除尘器模型的网格划分 . 28 4 -3 蒙特卡洛抽样法在仿真测试中的应用 . 29 4-3-1 蒙特卡洛仿真方法的主要步骤 . 30 4-3-2 常用随机分布的 MC 仿真实现 . 30 4 -4 CFD 软件参数设置及数学算法的确定 . 32 4-4-1 CFD 软件进行计算前需要确定内容 . 32 4 -
12、5 本章小节 . 33 第五章 CFD 仿真测试技术在袋式除尘器优化设计上的应用 . 34 5 -1 仿真测试指标与仿真平台的选择 . 34 5-1-1 水泥行业及袋式除尘器国家标 准 . 34 5-1-2 除尘器性能表示 . 34 5 -2 分风管的仿真测试 . 39 5-2-1 模型简化 . 39 5-2-2 分风管的测试方案 . 39 5-2-3 顶板角度改变时分风管的仿真测试 . 41 5 -3 过滤室的仿真测试 . 43 5-3-1 流量分 配系数与综合流量不均幅值 . 43 5-3-2 过滤室的测试方案 . 44 5-3-3 过滤室的仿真测试 . 45 5-3-4 仿真测试数据的提
13、取与分析 . 47 5 -4 仿真测试平台的建立 . 51 5-4-1 测试平台内容 . 51 5-4-2 仿真测试平台功能的实现 . 51 5.5 本章小结 . 55 第六章 结论与展望 . 56 参考文献 . 57 致 谢 . 59 攻读学位期间所取得的相关科研成果 . 60 IV 河北工业大学硕士学位论文 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
14、 M&S 建模与仿真， Modeling and Simulation N-S 纳维 -斯托克斯方程， Navier-Stokes VV&A 校核、确认与验证， Verifica tion,Va lida tion and Accreditation V 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 -1 课题背景及研究意义 产品设计优化的过程是一个不断发现问题与解决问题的过程。也就是在利用已有知识、资源和现有 技术创造新产品的同时对产品进行加工改良的过程。整个过程要考虑到技术水平、生产成本、功能结构、 生产周期等，是一个涉及到多学科知识领域的活动。在设计优化的同时，还要遵守行业和国家相关技术、
15、 检验规范，这就要求对产品的性能进行全方位的了解和把握。而对于一个产品应该去获得哪些指标，如 何去获取这些性能指标就成为了产品优化设计过程中非常重要的问题。 对产品性能 了解的过程也就是对产品进行性能测试的过程。随着科学技术的发展，测试的方法、工 具也跟随着设计过程的改变而进行着更新换代。一个产品设计过程通常如图 1.1 所示： 图 1.1 产品设计过程示意 Fig. 1.1 Sketch map of product design 本研究以袋式除尘器优化设计过程为例，分析一种高逼真度的计算流体力学仿真测试方法。袋式除 尘器是一种稳定、高效已经广泛应用于工业生产的环保装备；在某些行业（如水泥工
16、业）中，由于成品 回收能力较强，还可归属于 生产装备，袋式除尘器产品结构庞大且复杂；零部件有很强的相似性；一般 产品均为用户定制，这就导致了设计内容重复繁杂、生产设计周期长。而袋式除尘器产品的工作性能和 效率，结构空间和含尘气流共同形成的内部流场的优劣是其关键影响因素之一，即结构空间直接影响流 场参数分布和气流形态，也就直接影响到产品性能和效率。 传统的袋式除尘器设计中，通常是以结构满足强度、刚度、稳定性为主要设计原则，以经验结构为 设计计算基础，以简化的样机进行流体分配测试为参考来兼顾流场参数和流态的合理性。目前，国内开 始有企业在设计 过程中加入一部分结构和流场仿真的分析设计内容。即便如此
17、，设计流程和方法仍需要 经过许多次循环协调才有可能在设计阶段保证产品设计的功能效率得到较为满意的评估，总体上还难以 改变设计效率低下，设计周期冗长的现状。 1-1-1 产品性能测试的重要性 测试是用测试用例执行系统，以检查运行结果是否和预期结果一致的过程。 在产品研制中，测试工作提供了精确可靠的测试数据，通过对样机进行测试来检验设计中存在的问 题，保证了部件性能的可靠性，验证产品设计是不是达到最佳程度以及达设计技术指标的基本要求。并 1 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 通过分析测试过程探索修改的方法。测试工作的进展程度会影响到产品的研发周期、成本预算及经济投 入与产
18、出比。在产品生产中，测试工作会分布在产品制造的全过程，从原材料开始，到半成品再到成品 质量都需要经过质量检测。用具体的科学技术指标对产品质量进行衡量，也就是按规定的测试方法进行 定量或定性的分析，进行产品性能测试以确定产品质量是否达到要求。在产品改良阶段，测试可以发现 在应用过程中突显出来的问题，或者发现为了适应新的应用场合需要添加的设 备功能因此，测试技术与 产品质量有着密切的关系，它是监督与检验产品质量的重要手段。测试的作用可归纳如下： （ 1）在产品设计阶段，测试可提供准确可靠的数据，来判断设计方案的合理性、正确性和最佳化；（ 2）在产品试制阶段，样机水平也要通过测试才能得出结论，是样机
19、试制中的必经之途，为产品 的鉴定提供了准确可靠的数据； （ 3）在产品生产中，测试工作可以判别零部件的质量，确定产品的技术性能与可靠性，从而为优 质产品铺平道路，提高经济效益 1。 1-1-2 仿真技术的发展 仿真 是英语单词 simulation的译文，也译成 模拟 ，是 模仿真实世界 的意思。属于 计算机仿真，与计算机的发展紧密相关。在研究系统过程中，根据相似原理以计算机为主要工具，通过 运行真实系统或假想系统的仿真模型以及对计算机输出信息的分析研究，实现对实际系统运行情况和演化规律的综合评估与预测 2。 仿真技术源于自动控制系统在设计过程中对系参数变化或受外界干扰时必须验证系统性能是否能
20、满足设计要求而进行的一项工作。它是分析评估现有系统运行状态设计优化系统性能的一种技术手段，在机械系统工程设计、航空航天、环境安全、交通运输、计 算机集成等领域中有广泛的应用。并且由于计算机性能的提高以及算法的改进，仿真结果的可信度与逼真程度也逐渐提高，已经成为优化设计时的一种常用可靠手段和验证方式。 建模 实际系统 分析 计算仿真 计算模型 仿真软件 编程、软件 软件验证 图 1.2 模型确认与计算仿真的关系 Fig. 1.2 The relationship between model check and simulation 1-1-3 课题的提出与研究的意义 测试最初是针成品在实际应用中
21、进行工作情况分析 ，以确定产品性能。实物开发测试虽然可以提供 真实的运行环境但成本高，适应性差，同时测试和调节难度大。而仿真技术通过对产品的建模可以避免 2 河北工业大学硕士学位论文 成本高，适应调节方面的问题，具有良好的可控性及无破坏性，不受气象条件和空域场地的限制，可多 次重复。从这些方面来看，如果将仿真过程与测试结合，得到一种仿真测试方法，与传统单纯实物开发 相比可以提高测试效率，缩短产品研发周期并节约经费。 袋式除尘器是一种常用的工业装备，袋式除尘器的流场设计存在很大一部分以主观经验为依据的主 观因素，受设计人员水平限制明显，故流场设计效果一般差强人意。这也是反映出在以往的除尘器设计
22、中存在的一引起盲目性。这就会造成资源浪费的后果。除尘器的除尘效率比其它方式较高，但一个不可 避免的缺点就是需要更换滤袋，这就在一定程度上增加了运行、维护的工作量及经费投入。如何更快、更准确的找到一种可以延长滤袋寿命，提高过滤效率的措施成为了一个关键的问题 3。 CFD（ Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）是力学研究上的一个重要研究领域，主要包括了热量传递、动量传递和燃烧模 型、多相流模型、化学反应研究等方面的核心要技术。它有一整套的流场分析模型、公式，通过 CFD 软件可以将实际流场情况进行建模仿真，在计算机上直观的显示出来。采用 CFD 软件对袋式除尘
23、器流场情况进行仿真，并结合测试方法得到一种逼真度高的仿真测试技术不仅对袋式除尘器的优化设计起到至关重要的作用，同时这种仿真测试的概念也可以用于其它适合的领域。 1 -2 国内外测试、仿真技术研究现状 1-2-1 传统流场测试方法 流场是流体在流动过程所占据的空间，由于流体运动在生活中普遍存在，如何描述及定量的分析流 场变的尤为重要。研究流场主要是确定流场中流体的分布、速度、温度等参数。传统流场测试方法主要 有： （ 1）皮托管法 皮托管（又称空速管、风速管。英文： Pitot tube）法是一种间接式测量方法，先测得管内测量点 处动压，通过公式算出该点的流速，再计算平均流速。此法虽然比较繁琐，
24、由于精度高，在通风除尘系统中得到广泛应用 4。 （ 2）过滤速度仪法 常用的直读式测速仪是热球式电过滤速度仪和热线式热电过滤速度仪，这种仪器的传感器是测头， 其中为镍铬丝弹簧圈，用低熔点的玻璃将其包成球或不包仍为线状。弹 簧圈内有一对镍铬 -康铜热电偶， 用以测量球体的温升程度。测头用电加热，测头的温升会受到周围空气流速的影响，根据温升的大小， 即可测得气流的速度。仪器的测量部分采用电子放大线路和运算放大器，并用数字显示测量结果。 （ 3）粒子图像测速技术 粒子图像测速技术 PIV(Particle Image Velocity)是在流动显示的基础上，利用计算机图形图像 学的算法，对获得的流场
25、图像进行定量化。基本原理是在流场中撒布合适的示踪粒子，用脉冲激光片光 (light sheet)照射所测流场切面区域，通过成像 记录系统摄取两次或多次曝光的粒子图像，形成 PIV 底片。再用光学杨氏条纹法或粒子图像相关等方法逐点处理 PIV 底片，获取每一判读点小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上多点的二维速度 5。 另外类似还有热线热膜测速仪（ HWFA）法、激光多普勒测速仪 (LDV) 法、激光诱导磷光（ LIP）测 3 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 试技术、激光诱导荧光（ LIE）测试技术、激光散斑全场测速技术（ LSV）、粒子跟踪测速技术 (PT
26、V)等。 以上所述流场测试方法中 ，有的技术为接触式测量，对流场有较大干扰（热线热膜测速仪）。或者 只是一种单点测量技术（激光多普勒测速仪、皮托管法等）。或者需要在流场中放置示踪粒子，需要单 独做出特定物理模型（粒子跟踪测速技术）。在流场测试过程中会存在测试结果片面，测试效率低下， 造价高昴等缺点，在现代的流场分析越来越显出弊端。 1-2-2 仿真技术的发展以及在装备设计上的应用 近年来，针对袋式除尘器流场问题、高逼真度仿真、高精度仿真研究上国内外有很多专家学者进行 过研究分析与优化，比如： 李伟等在文献 6一文中提出精度是 建模仿真可信度评估与逼真度研究的重点。在总结分析仿真精度概念的基础上
27、，提出了仿真中影响精度的因素分类及其数学描述方法 6。 冯霞在仿真技术的发展及未来趋势中对仿真技术进行了详细介绍，分析了汽车多体系统动力学 仿真问题，在计算机上完成对汽车系统动力学的主要性能如动力性、操纵稳定性、制动性和平顺性的精 确仿真分析，使汽车开发设计过程中对整车的性能分析和校核工作尽可能多地转移到虚拟平台上，从而 减少物理样机的试制次数，减少台架试验和经验设计的工作量，其本质和最终目的是要缩短产品开发周 期，降低开发 费用，增强产品的竞争力。 朱汉东等提出仿真模型逼真度的提高有利于提高仿真组件的可重用性，并分析了逼真度的定义及含义，提出了面向实体的仿真组件模型的逼真度框架计论了仿真组件
28、模型逼真度的管理和控制过程 7。 瞿晓燕，沈恒根通过脉冲喷管段两喷口间压头计算分析得出了导致滤袋上被清灰气流直接喷吹的区 域容易损坏的原因，针对袋式除尘器脉冲清灰过程中部分滤袋易破损的情况进行气流组织分析和改进研究。将袋式除尘器脉冲清灰气流不均问题简化为平衡管内静压和合理分布喷口口径的问题 8。 Da-Ren Chen 和 David Y.H.Pui 分析了用一种扇形板作为导流板对流场分布的影响。以一种新型 板材代替原先平板类导流板，起到了很好的效果。 Hidemitsu Hayashi， Shuichi Kubo 以柴油发动机尾气处理为例，采用计算流体力学软件对流场进 行了数值模拟，描述了气
29、体微粒通过除尘器时的情况，并通过不同直径的粒子的动态仿真探究了除尘器 过滤介质的性能。 1-2-3 CFD 高逼真度仿真测试方法的提出 在以前的研究中，对于仿真的机理及分类应用已经有大量人进行了研究，作为设计优化的辅助分析 及验证 方法已经比较成熟，但是在应用时并没有将仿真与测试过程紧密联系，仅仅是对于一种新技术的 试探性及理论性分析。并且对如何根据情况对仿真的可信度、逼真度进行表述并没有提及。本人尝试以 袋式除尘器流场设计优化为例，以 CFD 软件仿真过程为基础，以及基本测试方法参考虚拟仪器测试思 想以期得到一种 CFD 高逼真度仿真测试方法。 个人以为，建立和实际产品高度近似的、可以在关键部分关键尺寸进行修改的模型，并对其进行与 实际情况相同或近似的流场分析将会在袋式除尘器的优化设计中占有重要地位。而如何保证所建模型能 够与实际产品在机理、功能以及存在问题上达到一致，针对不同情况的测试方案选取，及理论验证过程 将会是研究中的一个重点。也就是如何将测试的概念引入 CFD 分析中，实现高逼真度的仿真测试。 4
