МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ ВО ВРАЩАЮЩЕМСЯ ЦИЛИНДРЕ В CFD ANSYS CXF

АННОТАЦИЯ

В данной работе используется вычислительный комплекс гидрогазодинамики Ansys CFX. Моделируется истечение жидкости из отверстия во вращающемся цилиндре при давлении 1 атм, трех различных скоростях оборотов стенки с отверстиями 600 об/мин, 900 об/мин, 1200 об/мин и массовых расходах жидкости 0,0785 /с и 0,1178 /с что в дальнейшем может быть использовано для исследования гидродинамики центробежных аппаратов. Установлен характер влияния скорости вращения цилиндра с отверстиями и расхода поступающей жидкости на скорость истечения из отверстия. Выясняется зависимость результата от начальных условий, которая анализируется для выявления наиболее точных и выгодных условий проведения исследования.

Ключевые слова: Ansys Workbench, CFX, моделирование, МКЭ.

Введение

В настоящее время высокие темпы развития промышленности определяют потребность в оптимизации энерго- и ресурсоемких процессов в области нефтегазопереработки, химической, медицинской и оборонной промышленности. Решение указанной задачи нередко проводится опытным путем - варьируя параметры системы (температура, давление, состав взаимодействующих компонентов), или внося изменения в конструкцию оборудования, в т. ч. с заменой конструкционных материалов, исследователи добиваются повышения эффективности процесса или качества производимой продукции. Натурный эксперимент, который проводится в производственных условиях на действующем технологическом оборудовании, может дать наиболее объективную оценку свойств исследуемых объектов, процессов, явлений, правильности выдвинутых гипотез, проверки адекватности теории реальным условиям протекания процесса взаимодействия элементов технической системы. Однако, натурное моделирование требует остановки производства, представляется дорогостоящим и поэтому не всегда является целесообразным способом оптимизации аппаратуры. Поэтому актуальной представляется задача перехода от натурного и физического моделирования к математическому, так как использование современных компьютерных технологий позволяет без применения дорогостоящего оборудования, расходных материалов и за максимально короткий промежуток времени решить задачу оптимизации условий проведения процессов и совершенствования аппаратуры.

Для моделирования истечения жидкости из отверстий во вращающемся цилиндре был использован программный комплекс Ansys CFX, который представляет собой высокопроизводительный инструмент для решения задач вычислительной гидрогазодинамики, и позволяет проводить численный анализ задач механики сплошной среды, предоставляя широкие возможности для подготовки расчетных геометрических и конечно-элементных моделей и последующей обработки результатов расчета.

Моделирование и расчет истечения жидкости из отверстий вращающегося цилиндра.

Используется 3D модель цилиндра с входным патрубком в основании и 4 отверстиями на поверхности. Высота цилиндра 100мм, диаметр 500мм. Высота входного патрубка 100мм, диаметр 100мм. Выходные отверстия диаметром 25мм расположены через каждые 90°.  В качестве жидкости используется вода. Работа проводится при давлении 1 атм и трех различных скоростях оборотов стенки с отверстиями 600 об/мин, 900 об/мин, 1200 об/мин. Сравниваются результаты при массовых расходах воды 0,0785 /с и 0,1178 /с. Используется k-ɛ модель турбулентности.

Рисунок 1. Геометрическая область, покрытая сеткой конечных элементов

Рисунок 2. Задание вращения, а также граничных условий на входе и выходах

а)                                                                          б)

Рисунок 3. Скорость вращения 600 об/мин, расход жидкости 0,0785 /с. а) – изображение потоков жидкости; б) - изображение векторов скорости истекающей жидкости

а)                                                                          б)

Рисунок 4. Скорость вращения 900 об/мин, расход жидкости 0,0785 /с. а) – изображение потоков жидкости; б) - изображение векторов скорости истекающей жидкости

а)                                                                       б)

Рисунок 5. Скорость вращения 1200 об/мин, расход жидкости 0,0785 /с. а) – изображение потоков жидкости; б) - изображение векторов скорости истекающей жидкости

а)                                                                                б)

Рисунок 6. Скорость вращения 600 об/мин, расход жидкости 0,1178 /с. а) – изображение потоков жидкости; б) - изображение векторов скорости истекающей жидкости

а)                                                                                  б)

Рисунок 7. Скорость вращения 900 об/мин, расход жидкости 0,1178 /с. а) – изображение потоков жидкости; б) - изображение векторов скорости истекающей жидкости

а)                                                                               б)

Рисунок 7. Скорость вращения 600 об/мин, расход жидкости 0,1178 /с. а) – изображение потоков жидкости; б) - изображение векторов скорости истекающей жидкости

Таблица 1

Заключение

В данной работе моделировалось истечение жидкости в центробежном поле с помощью программного комплекса вычислительной гидрогазодинамики Ansys CFD. Благодаря полученным результатам мы смогли увидеть зависимость скорости потоков жидкости на выходах от заданного числа оборотов цилиндра, а также сравнить изменение скорости истечения жидкости при увеличении массового расхода на входе. Результаты приведены в таблице 1. Скорость истечения жидкости увеличивается как при увеличении оборотов стенки, так и при увеличении массового расхода. Однако при одной и той же скорости оборотов незначительное увеличение массового расхода оказывает большее влияние на скорость истечения жидкости.

Список литературы:

1. Знакомство с CAE-системой для анализа течений жидкости и газа ANSYS Fluent: электрон. метод. указания к лаб. работам / М-во образования и науки РФ, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т); сост. А.В. Кривцов, Л.С. Шаблий. – Электрон. текстовые и граф. дан. (1,7 Мбайт). – Самара, 2013.
2. Единый центр поддержки продуктов ANSYS в России и странах СНГ. Режим доступа: https://cae-expert.ru/
3. А.А. Салин, Н.С. Гришин, С.И. Поникаров, "Особенности движения радиальных потоков в центробежных экстракторах безнапорного типа" Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. С. 231-234.
4. AnsysCFXtutorial, 2010.
5. Пакет программ Autodesk, 2018.