Gekoppelde CFD-FEA vortex shedding analyse van een ozonkanaal

De uitdaging

Een ozoninjectiekanaal bij een grote staalproductiefaciliteit in Nederland ondervond zorgen over vortex shedding. Het kanaal, met een variabele diameter van 6 tot 8 meter en een totale lengte van 23,7 meter, transporteert een heet gasmengsel bij 130 °C met een totaal massadebiet van ongeveer 482 kg/s. Binnenin het kanaal zijn een reeks geleidingsplaten (baffles) en ozoninjectiebuizen rechtstreeks blootgesteld aan de gasstroom.

De exploitant moest verifiëren of fluctuerende drukbelastingen veroorzaakt door vortex shedding in de stroming de eigenfrequenties van de interne componenten konden exciteren, wat mogelijk resonantie, overmatige trillingen en uiteindelijk structureel falen zou veroorzaken. Vier verschillende inlaatmassadebietverdelingen moesten worden beoordeeld om het volledige operationele bereik van de installatie te dekken.

Onze aanpak

We voerden een volledig gekoppelde CFD–FEA-analyse uit: het tijdsafhankelijke drukveld berekend door de stromingssimulatie werd rechtstreeks als belasting op het structurele eindige-elementenmodel toegepast. Deze tweezijdige koppeling legt de werkelijke dynamische interactie tussen de gasstroom en de kanaalinterne delen vast, wat niet bereikt kan worden met vereenvoudigde handberekeningen of ontkoppelde analyses.

Transiënte CFD-analyse

Het interne stromingsdomein werd vernetzt met polyedrische elementen en opgelost als een transiënte simulatie met het k-ω SST-turbulentiemodel in Ansys Fluent. Vier inlaatscenario's werden gedefinieerd, waarbij het totale massadebiet van 482 kg/s over de drie inlaten in verschillende verhoudingen werd verdeeld, variërend van 0% tot 55%. Snelheidstijdreeksen werden geregistreerd op vier monitoringpunten nabij de baffles en injectiebuizen, en een Fast Fourier Transform (FFT) werd toegepast om de dominante excitatiefrequenties in de stroming te identificeren. De FFT-resultaten toonden aan dat de grootste frequentiebijdragen tussen 0,5 en 3 Hz lagen.

Modale analyse

Aan de structurele zijde voerden we een modale analyse uit van de geleidingsplaten en injectiebuizen. Het FEA-mesh maakte gebruik van 2D-schaalelementen, zeer geschikt voor de dunwandige plaat- en buisgeometrie. De eerste eigenfrequentie van de baffles werd gevonden op 4,1 Hz, dicht bij maar boven de dominante stromingsfrequenties. De eigenfrequenties van de buizen begonnen bij 8,8 Hz en 9,5 Hz, ruimschoots gescheiden van de vortex-sheddingfrequenties. Deze voorlopige resultaten suggereerden een laag risico op resonantie, maar bevestiging via de volledig gekoppelde analyse was essentieel.

Gekoppelde transiënte CFD-FEA-simulatie

Op basis van de FFT-resultaten werd een tijdstap van 0,001 s geselecteerd voor de gekoppelde simulatie, waardoor alle frequenties tot 10 Hz nauwkeurig werden geresolveerd met ten minste 60 stappen per cyclus. Het transiënte drukveld uit Ansys Fluent werd op elke tijdstap rechtstreeks op het structurele model in Ansys Mechanical afgebeeld. Zwaartekrachtbelastingen en het gewicht van de externe isolatie (100 mm minerale wol plus 1 mm aluminium bekleding, met een toevoeging van 10,7 kg/m³) werden eveneens opgenomen in het structurele model. Twee verschillende legeringen werden toegewezen aan de kanaalcomponenten: duplex roestvast staal S32205 en nikkellegering C276, met mechanische eigenschappen beoordeeld bij de bedrijfstemperatuur van 130 °C.

Resultaten

De gekoppelde CFD-FEA-resultaten bevestigden dat de interne delen van het ozonkanaal structureel veilig zijn onder alle vier de bedrijfsscenario's. De maximale vervorming over alle gevallen was 3,8 mm, optredend in de geleidingsplaten onder inlaatscenario 2 (55% via inlaat 1, 45% via inlaat 3, inlaat 2 gesloten). De vervormingen in de injectiebuizen bleven in alle gevallen ruim onder 1 mm.

De maximale Von Mises-spanning bereikte 84 MPa, wederom in de baffles onder scenario 2. Dit ligt ver onder de vloeigrens van beide materialen: 345 MPa voor S32205 en 246 MPa voor C276 bij de bedrijfstemperatuur. De veiligheidsmarge is daarmee aanzienlijk, met een piekspanning die minder dan 25% van de laagste vloeigrens vertegenwoordigt.

Cruciaal is dat de tijdverloopgrafieken van zowel de vervormingen als de spanningen geen dynamische versterking over opeenvolgende cycli vertoonden. Hoewel de geleidingsplaten een periodieke respons vertoonden, aangedreven door de laagfrequente vortex shedding, bleef de amplitude stabiel en groeide niet in de tijd. Dit bevestigde de afwezigheid van resonantie en vermoeiingsrisico. Voor de injectiebuizen was de respons nog gunstiger: de vortex-sheddingfrequenties (0,5–3 Hz) lagen ver van de eigenfrequenties van de buizen (8,8–9,5 Hz), wat resulteerde in verwaarloosbare dynamische effecten.

Geleverde meerwaarde

De volledig gekoppelde CFD–FEA-aanpak leverde een inzichtsniveau dat afzonderlijke, ontkoppelde analyses niet kunnen bereiken. Door het transiënte drukveld op elke tijdstap rechtstreeks van de stromingssolver naar de structurele solver over te dragen, legden we de werkelijke dynamische belasting op de kanaalinterne delen vast, inclusief de complexe, niet-uniforme en tijdsvariërende drukverdeling veroorzaakt door de samenvloeiing van drie inlaatstromen.

De analyse toonde overtuigend aan dat vortex shedding geen structureel risico vormt voor de geleidingsplaten of injectiebuizen onder elk van de vier bedrijfsscenario's. Vervormingen en spanningen blijven ruim binnen aanvaardbare grenzen, en er werd geen resonantie of dynamische versterking waargenomen. Dit gaf de exploitant het vertrouwen om door te gaan met de installatie, ondersteund door rigoureus simulatiebewijs in plaats van conservatieve ontwerpaannamen die mogelijk tot onnodige en kostbare versterkingen hadden geleid.