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利用ANSYS多物理场仿真进行热量扩散器的设计

2015/12/29    来源:ANSYS    作者:Jean-Philippe Guillemin  Stéphane Leconte      
关键字:ANSYS  多物理场  仿真  
本文介绍了Davey Bickford工程团队利用多物理场仿真设计热量扩散器,将爆炸能转化为持续热能。

    引爆技术不仅仅应用于烟花,还被广泛应用于国防与航空、安全系统、采矿、地震探查、露天采石场以及建筑领域中。对于使用受控爆炸技术的引爆应用来说,其工程设计的难度相当大。近期安全领域的一项最新应用要求使用引爆装置产生几毫秒的爆炸效果并将温度快速提升至900摄氏度以上,从而在30分钟之内将一定量的液体加热至100摄氏度。Davey Bickford工程团队面临的挑战是以较低的成本设计一款热交换设备。这需要跟踪由引爆装置产生的热流量经固体热量扩散器传递至待加热液体中的过程。

 Davey Bickford利用ANSYS Mechanical热瞬态模型来确定热量扩散器中引爆装置燃烧所产生的热流量。然后,该团队采用ANSYS Fluent计算流体动力学(CFD)模型来评估热量扩散器可以加热的液体体积。仿真技术帮助工程师快速证明应用的可行性,评估备选设计方案的相对性能。这种方法可以显著加快产品的上市进程。

独特的引爆应用

 Davey Bickford公司开发的具有代表性的应用包括飞机作动器和灭火系统、矿山应用中的电子雷管、地震探测中使用的雷管、增压泵、隧道挖掘使用的爆炸物。Davey Bickford的客户对产品提出了越来越苛刻的要求,希望以更低的价格获得更高的性能和可靠性。

 这个应用有一点看起来不合常理,长期以来,工程师一般很少利用引爆技术来产生较低的温度。但在这类应用中,引爆的使用频率还是很高的,因为仅需输入很低的电能或机械能即可产生较高的温度和压力。Davey Bickford工程师面临的挑战是需要控制燃烧反应与液体之间的热传递,在短时间内对多个设计方案进行评估,并在实施详细设计方案和生产工具安装之前确认应用的可行性,以保证投资安全。

 由于ANSYS的仿真工具覆盖了研究高级引爆装置所需的全部物理功能,因此Davey Bickford选择了ANSYS解决方案来设计这款热交换设备。引爆装置工程团队与法国高级机械学院(IFMA)紧密合作,共同开展针对这种特殊应用的研发工作。该学院不仅为工程师提供高级力学与工业工程方面的培训,还广泛采用了ANSYS解决方案。

图1 引爆一个小型的烟火装置

图1 引爆一个小型的烟火装置

选择合适的材料

 项目的第一步是选择引爆材料。由于需要通过运动燃烧反应产生高温和低压,所以设计团队决定采用氧化还原材料。选取少量这种材料,点燃后几毫秒内即可形成高温。下一步是设计引爆引信。在这个装置中,引信头的电子点火器负责引爆压缩的氧化还原反应粉末。只需1-2安培的输入电流就可以产生超过1000°C。

 工程师将引爆装置封闭在热量扩散器中,用以控制释放出的巨大能量和高温,该热量扩散器还负责控制设备与液体之间的热传递。开发团队将K类热电偶连接至与Labview站相连的万用表,用来测量周围介质温度随时间的增幅。

图2 引信头接收到电信号之后,引燃高能氧化还原材料

图2 引信头接收到电信号之后,引燃高能氧化还原材料

图3 引爆装置封闭在热量扩散器中

图3 引爆装置封闭在热量扩散器中

责任编辑:吴星星
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