Анализ программного комплекса для расчёта гидродинамических процессов в водоснабжении Текст научной статьи по специальности «Физика»

Key words: relay feedback control system, self-oscillations, parameter sensitivity, parameter instability, analysis.

MorzhovAleksandr Vladimirovich, candidate of technical sciences, mo-rzhov@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

Morzhova Svetlana Vladimirovna, candidate of technical sciences, svetlana-morzhova@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 004.94; 532.5

АНАЛИЗ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РАСЧЁТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОСНАБЖЕНИИ

А.А. Вайцель, Е.Р. Сиренко, А.В. Гаврюхина

Рассмотрена программа для компьютерного моделирования гидродинамических процессов ANSYS и ее модуль CFX. Приведены этапы создания модели, ее расчета и получаемые данные на примере моделирования задачи, основанной на совмещении перпендикулярно направленных потоков жидкости разной температуры и движущихся с разной скоростью.

Ключевые слова: пакет прикладных программ, гидродинамика, водоснабжение, ANSYS, программа.

С каждым годом перед инженерами, конструкторами и учеными встают все более сложные задачи инженерно-технического характера и с учетом бурно развивающихся информационных технологий, многие задачи решаются с помощью пакетов прикладных программ (ППП) или программных комплексов.

Существует огромное количество ППП для расчета узких и мультифизических задач, например, для расчета процессов магнитных полей, температурного нагрева, расчета микроструктуры материала, проверки жесткости конструкций, операций обработки металлов, гидродинамических задач и т.д.

В частности, для расчета гидродинамических процессов используются такие программы, как ANSYS, SolidWorks, FlowVision, ABAQUS, COMSOL Multyphysics и др. Программные комплексы позволяют проводить виртуальные эксперименты в короткие сроки и без необходимости использования и производства физических моделей и без проведения натурных испытаний, что позволяет добиться значительного сокращения бюджета иуменьшения времени разработки или анализа различных процессов [1]. Помимо вышеперечисленных достоинств ППП можно выделить еще и отсутствие необходимости в материально-техническом обеспечении и специально оборудованных помещений для проведения экспериментов. Среди недостатков подобного рода программ выделяются сложность в освоении оператором функционала, высокую стоимость копии лицензии и необходимость в производительном и дорогом аппаратном обеспечении (компьютерах) для проведения расчетов. Поэтому для решения задач в ППП необходимо иметь представление и понимание работы в таких программах.

В этой работе будет рассмотрен программный комплексANSYS [2], модуль для решения задач механики жидкости и газа ANSYSCFX и пример расчета движения жидкости в тройнике. Как и многие другие программы, ANSYS использует метод конечных

102

элементов для проведения расчетов, основанный на численных способах решения дифференциальных и интегральных уравнений, появляющихся при решении задач прикладной физики, в частности при поиске решения задач теплообмена, механики деформируемого твердого тела и гидрогазодинамики.

Рассмотрим процесс моделирования задачи, основанной на совмещении перпендикулярно направленных потоков жидкости разной температуры и движущихся с разной скоростью. Схематичное изображение и размеры внутренней полости фасонного элемента трубопровода представлены на рис. 1.

>30

Вход 1 I Вход 2

8 Выход

300

Рис. 1. Схема процесса, где стрелками показаны направления движения воды

Процесс моделирования заключается в следующих этапах:

1. Создание твердотельной модели потока;

2. Генерирование сетки конечных элементов;

3. Задание граничных условий;

4. Непосредственные вычисления;

5. Анализ результатов.

На первом этапе необходимо создать твердотельную модель потока в системах автоматизированного проектирования или с использованием встроенных средств построения геометрии ANSYS SpaceClaim.

На втором этапе необходимо задать сетку конечных элементов в ANSYSMesh-ing. Размер элементов можно изменять, в зависимости от необходимой точности расчетов, уменьшая его вблизи интересующей области, или увеличивая по всему объему [3], чтобы снизить затраты процессорного времени. Поток, разбитый на элементы представлен на рис. 2, а, а параметры сетки приведены на рис. 2, б.

а

б

Рис. 2. ANSYSMeshing: а — конечно-элементная структура потока;

б — параметра сетки

На третьем этапе происходит задание гидродинамических и температурных свойств жидкость. В рассматриваемой задаче, по тройнику течет вода, на входе 1 ее скорость составляет 20м/с, а температура 40 градусов по Цельсию, на входе 2: скорость - 25 м/с, температура - 60 градусов по Цельсию. Поток считался ламинарным.

На этапе непосредственного расчета можно выбрать хост, на котором будут производиться вычисления, выбрать двойную точность, приоритеты и другие параметры.

После того, как расчеты были проведены, можно приступать к анализу полученных данных [4].

Основные данные, которые представляют интерес:

- Распределение температур по объему потока (рис. 3, а);

- Распределение скоростей (рис. 3, б);

- Средняя температура на выходе;

- Средняя скорость на выходе;

- Среднее давление на выходе;

И [m sA-1]

а б

Рис. 3. Распределение: а — температуры; б — скорости

Такие параметры, как среднее давление, скорость и температура на выходе рассчитывается в калькуляторе функций. В данном случае средняя температура по площади на выходе составила 600 К (326,85°C), давление - 702 кПа, скорость - 36,2 м/с.

Программный комплекс ANSYS иметь огромный функционал, способный решить большое количество задач, различной направленности, что позволит инженерам быстро и с достаточной точностью получить необходимый результат.

Список литературы

1. Добрынин А.П., Черных К.Ю., Куприяновский В.П., Куприяновский П.В., Синягов С. А. Цифровая экономика - различные пути к эффективному применению технологий (BIM, PLM, CAD, IOT, SMART CITY, BIG DATA и другие) // International Journal of Open Information Technologies. 2016. №1. С. 4-10.

2. W. Finnegana, J. Goggins Numerical simulation of linear water waves and wave-structure interaction // Ocean Engineering. 2012. №43. С. 23-31.

3. Reddy J. N. An Introduction to the Finite Element Method. 3 изд. McGraw Hill Series, 2006. 896 с.

4. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М.: Наука, 1973. 416 с.

Вайцель Ангелина Александровна, студент, angel12vat@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Сиренко Елизавета Романовна, студент, angel12vat@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Гаврюхина Анна Владиславовна, студент, angel12vat@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF PROGRAM COMPLEXES FOR CALCULA TION OF HYDRODYNAMIC

PROCESSES IN WATER SUPPLY

A.A. Vaitsel, E.R. Sirenko, A. V. Gavryukhina

The program for computer simulation of hydrodynamic processes ANSYS and its module CFX are considered. The stages of creating a model, its calculation and the obtained data are given on the example of modeling a task based on combining perpendicularly di-rectedfluidflows of different temperatures and moving at different speeds.

Key words: application package, hydrodynamics, water supply, ANSYS, program.

Vaitsel Angelina Alexandrovna, student, angel12vat@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,

Sirenko Elizaveta Romanovna, student, angel12vat@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,

Gavryukhina Anna Vladislavovna, student, angel12vat@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University

УДК 528

ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДЕЛИ АНОМАЛЬНОГО ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

М.Г. Белоножко

Рассмотрена автономная наземная навигационная система с коррекцией по аномальному гравитационному полю Земли, проведено обоснование выбора модели, а также эффективность ее использования для решения задач навигации; дана оценка точности определения координат по гравитационному полю Земли при различной информативности аномального гравитационного поля.

Ключевые слова: гравитационное поле, система навигации, оценка информативности, геопотенциал, сферические функции, трансформант.

Интерес к навигации по гравитационным полям растет в связи с тем, что данные поля являются глобальными. Навигация по АГПЗ в настоящее время является развивающимся направлением в автономной навигации.

В настоящее время требования к точности навигационных систем (СН) значительно выросли. Одно из условий точности СН - требование к автономности решения навигационной задачи, что предопределило построение наземных навигационных систем (ННС) по принципу счисления пути. Одно из главных преимуществ данных систем - это их автономность. Он не предполагает использование внешней по отношению к ННС информации и тем самым обеспечивает определение координат в любых условиях обстановки. Отрицательным свойством ННС, реализующих принцип счисления пути, является возрастание погрешностей во времени [1]. Возникает необходимость

105