CC BY
5
УДК 001.891:004.94
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-206-209
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ
А.М. Исайкина
Потери в различных гидродинамических и аэродинамических системах является серьезной проблемой, которая может привести к поломкам оборудования, большим износом деталей систем, и ко многим другим последствиям. Поэтому актуальной задачей является определения того, как влияет какой-либо дефект на истечение жидкости или на потери по давлению или скорости в системе. Такие исследования важны для своевременного определения вероятностных последствий, а также для выявления численных и определяющих характер потерь данных. Такое исследование возможно прости аналитическим способом с применением передовых программных систем, служащих для моделирования определенных процессов и определения требуемой в последствие информации исходя из результатов моделирования. Поэтому в данной работе анализируется при помощи математической модели, построенной в программе конечно-элементного анализа, потери и истечение жидкости в трубопроводе, имеющем запорную конструкцию с дефектом. В работе приведены характер и численные значения скорости и потерь в скорости движения жидкости, а также анализируются полученные данные и даются рекомендации по отладке систем водоснабжения с подобной конструкцией.
Ключевые слова: водоснабжение, программное обеспечение, математическое моделирование, гидродинамика, потери, гидродинамические потери, трубопровод.
В качестве альтернативы экспериментальным работам в настоящее время активно применяется математическое моделирование, которое полностью не заметит реальное изучение процесса ввиду всевозможных погрешностей измерения, приближенности расчета, ошибок в процессе построения и создания модели. Математическая модель желательно должна быть подтвержденной настоящим экспериментом. Однако эксперимент имеет ряд существенных недостатков, которые могут включать необходимость в сложном и дорогом контрольно-измерительном оборудовании, создании порой сложных и дорогостоящих объектов исследования, к тому же эксперимент требует большого количества времени и средств на его отладку, оптимизацию, подготовку. В то время как математическое моделирование в компьютерной среде позволяет существенно упростить и ускорить выполнение задач, к тому же моделирование может быть первым этом построения эксперимента, так как может предварительно оценить гипотезу и в какой-то мере ее подтвердить, если моделирование пройдет успешно.
Математические моделирования используются повсеместно и при правильной обработке информации способны решить большое число задач, которые могут быть поставлены. Так в этой работе оцениваются потери, которые связаны с износом или неисправностью оборудования. Потери могут быть выражены в скоростных величинах и непосредственной в этой работе были они и определены (рисунок).
Такие исследования и моделирования важны, так как отсутствие данных о потерях в системах перекачки жидкостей является серьезной проблемой. Данное обстоятельство может привести к выходу из строя оборудования, повышению издержек, а также к снижению комфорта людей. Конечно же все это является проблемой и поэтому необходимо изучать то, как какие-либо проблемы в оборудовании могут оказывать влияние и создавать проблемы в скорости, давлении и массовому расходу жидкости в водопроводной системе. По существу, такое исследование возможно провести в реальном эксперименте, создать водопроводную систему, в которой вода (или любая другая жидкость) движется по определенной системе с определенной скоростью и имеет какой-либо дефект. В настоящей работе рассматривается неполное закрытие крана, что приводит к частичному истечению воды в ненужном направлении. В таком случае возможно использование секундомера и мерного стакана для изменения массового расхода жидкости в одном и во втором направлении, однако скорость и давление определить значительно сложнее. Поэтому для выявления этих характеристик необходимо провести математическое моделирование. Так и было сделано, проведено моделирование в программе Ansys [1-10] и определены скорости движения воды в сечениях (см. рис.) при разной величине закрытия кра-
206
Системный анализ, управление и обработка информации
на, которая составляла соответственно 0, 2 мм, 4 мм и 6 мм. Скорости на выходе из основной трубы составили соответственно, 1,99, 1,89, 1,78, 1,64 м/с соответственно каждому из рассмотренных вариантов зазором.
Р1ЭП? < ш 2 178е+00
1 О.000е+00 (т
Уе1осКу Р1апе 1
|—| 2.118е+00
I
0.000а+00 (т эп-1]
Р1апе 1
_ 2.1406400
1.605е+00
*
I
б
■ 0.000е+00
[т вЧ]
\Zelocily Р1апе Т
1.545е+00
5.4ЭЗе-01
0.0СГОе+00 [т зЧ)
Рис. Скорости потока в сечении при: а - полностью закрытом кране; б - открытом на 2 мм; в - открытом на 4 мм; г - открытом на 6 мм
В итоге было установлено, что с увеличением зазора скорость основного потока существенно падает. При увеличении зазора с 0 до 6 мм скорость падает примерно на 20%. Так поломка оборудования, а именно неполное закрытие краны существенно влияет на истечение жидкости в трубопроводе. Данная информация важна и для строителей, и для промышленных предприятий, в которых используется гидравлическая система.
а
в
г
Список литературы
1. Исайкина А.М. Исследование характеристик потоков в трубопроводе методом математического моделирования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 4. С. 448-451.
2. Исайкина А.М. Компьютерный анализ гидродинамических характеристик водопроводного потока // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 5. С. 253-255.
3. Сиренко Е.Р. Подход к определению потерь в трубопроводе // Инженерные технологии: традиции, инновации, векторы развития: сборник материалов VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Абакан, 11-13 ноября 2020 г.) / отв. ред. Д. Ю. Карандеев. Абакан: Издательство ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова», 2020. C. 34-35.
4. Вайцель А.А. Анализ потерь в трубопроводе с применением программных продуктов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 11. С. 336-339.
5. Компьютерное моделирование в ANSYS Fluent гидравлического стенда, созданного для проверки эффективности действия завихрителя, снижающего гидравлические потери в трубопроводе / Р. С. Иншаков, И. И. Цыбуля, Е. А. Вязкова [и др.] // Вестник евразийской науки. 2018. Т. 10. № 6. С. 64.
6. Кривошеев И. А., Чечулин А. Ю., Хохлова Ю. А. Выбор модели турбулентности при расчете потерь давления в проточной части ГТД с использованием программного комплекса ANSYS CFX // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2011. Т. 15. № 2(42). С. 68-73.
7. Galerkin Y. B., Drozdov A. A., Voinov I. B. Comparison of CFD-calculations of centrifugal compressor stages by NUMECA Fine Turbo and ANSYS CFX programs // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, London. London: Institute of Physics Publishing, 2017. P.012044.
8. Вайцель А.А., Сиренко Е.Р., Гаврюхина А.В. Анализ совмещения нескольких потоков различной температуры в современных программных комплексах // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 4. С. 95-98.
9. Гаврюхина А.В. Применение современных программных средств для решения гидродинамических задач водоснабжения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 10. С. 269-272.
10. Гаврюхина А.В. Использование современного программного обеспечения для решения задач по водоснабжению // Наука, образование и культура. 2020. №6 (50). С. 9-10.
Исайкина Анастасия Михайловна, магистрант, angel12vat@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет.
ANALYTICAL STUDY OF HYDRODYNAMIC LOSSES USING SOFTWARE TOOLS
A.M. Isaykina
Losses in various hydrodynamic and aerodynamic systems is a serious problem that can lead to equipment breakdowns, high wear of system parts, and many other consequences. Therefore, an urgent task is to determine how any defect affects the outflow of a liquid or pressure or velocity losses in the system. Such studies are important for determining probabilistic consequences in a timely manner, as well as for identifying numerical and character-defining data losses. Such a study can be done analytically using advanced software systems that are used to model certain processes and determine the information required later based on the results of the simulation. Therefore, in this paper, using a mathematical model built in a finite element analysis program, the loss and outflow of fluid in a pipeline with a shut-off structure with a defect is analyzed. The paper presents the nature and numerical values of the velocity and losses in the velocity of the fluid, as well as analyzes the data obtained and gives recommendations for debugging water supply systems with a similar design.
Key words: water supply, software, mathematical modeling, hydrodynamics, losses, hydro-dynamic losses, pipeline.
