CC BY
16
УДК 62-94 Федяев Александр Артурович,
д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «БрГУ»,
тел. 8(3953)332008, 89148981515, e-mail: [email protected] Наговицын Дмитрий Александрович, аспирант, кафедры «Промышленная теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «БрГУ», тел. 8(39567)22079, 89501383631, e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ AN SYS
А.А. Fedyaev, D.A. Nagovitsyn
INVESTIGATION OF THE EFFICIENCY OF RAIL DEVICES PROCESS EQUIPMENT BY MEANS OF ANSYS
Аннотация. Проведение вычислительного эксперимента с применением системы ANSYS и модуля FLOTRAN CFD является одним из нескольких вариантов исследования и подбора рациональных конструкций направляющих устройств с целью совершенствования аэродинамики конвективных камер для сушки древесины. С помощью программного продукта ANSYS можно получить распределение полей скорости рабочего агента с целью оптимизации аэродинамики камеры и соответственно процесса сушки пиломатериалов.
Ключевые слова: аэродинамика сушильной камеры, система ANSYS, поля скорости рабочего агента, влагосодержание древесины.
Abstract. Conducting computational experiments with the use of ANSYS and FLOTRAN CFD module is one of several options for the study of rational design and selection of guiding devices to improve the aerodynamics of the convective wood drying chambers. Using ANSYS software can obtain the distribution of velocity fields of the working agent in order to optimize the aerodynamics of the camera and thus the process of drying lumber.
Keywords: aerodynamics of the drying chamber, the system ANSYS, the velocity field of the working agent, a moisture content of wood.
В последнее время при проектировании и модернизации теплотехнологического оборудования значительно вырос интерес к численным методикам, позволяющим напрямую получать решения общих уравнений динамики вязкой жидкости и газа канальных течений, в том числе с учетом сжимаемости и турбулентного характера движения потока. Реализация таких методик граничит с проведением вычислительного эксперимента.
По сравнению с физическим вычислительный эксперимент, как правило, экономически существенно дешевле, а в ряде случаев является единственным инструментом исследования. Достаточно широкие возможности среди других программных продуктов предлагает система ANSYS.
Для изучения аэродинамического совершенства сушильной камеры ЦНИИМОД-49 производства фирмы «Уралдрев-ИНТО», расположенной на предприятии ОАО «Чунский лесопромышленный комбинат», в работе применялась система ANSYS, модуль FLOTRAN CFD (расчетная гидрогазодинамика), который предлагает всесторонние инструментальные средства для анализа двумерных и трехмерных полей потока жидкости или газа.
Используя модуль FLOTRAN CFD, можно решить следующие задачи:
а) расчет аэродинамических поверхностей;
б) течение в сверхзвуковых соплах;
в) комплексные трехмерные течения в колене трубы;
г) изучение температурной стратификации и разрывов в трубопроводных системах;
д) определение возможности теплового удара;
е) расчет теплообменников и другие [1]. Более подробно остановимся на описании
этапов решения поставленной задачи, реализованной в системе ANSYS/FLOTRAN. Этап 1. Постановка задачи. Перед началом работы по изучению аэродинамики камеры необходимо поставить основную задачу: определить поля скорости рабочего агента в сушильной камере.
Задача исследования ставится в рамках модели вязкого несжимаемого газа без учета эффектов конвективного теплопереноса и теплопроводности. Массовыми силами пренебрегают. Течение
газа турбулентное, для замыкания уравнения движения используется модель турбулентности New k-s Shih, которая используется для вихревых течений и течений с поворотом 180°.
Ф , d(pVx) | д(РУу) = q dt dx dy
д д д - (pVx)+ —(pVxVx)+- (pVxVy) = dt dx dy
-Р - -V d dV = -dP +—(м^) +—(я —),
dx dx dx dy dy
8 8 8 Л Р)(PVyVy)+S (pVV) -
y x x y y
Р
абс
Р
д_ dt
8
-(РС/о) (pVxCpT0) +— (pVyOpT0) :
- (ср - cv )Т,
8
d dT d dT dx dx dy dy
+W, + E, + Ф + °p,
(1)
dt
T - To -
V_
2c.
(2)
д д д -(ps) + ~(p¥xk) + —(pVyk) -dt dx dy
d . dk. d . 5k. _
= + — (M^) + ЯФ - Ps,
x x y y
8 8 8 -(ps) + — (pVss) +—(pVyS) -
dt dx dy
d я ds . d я ds . s s2
-^T (*) + V (*) + csHt ф - ,
dx as 8x dy as dy k k
где p - плотность воздуха; Vx ,Vy - проекции вектора скорости воздуха; Рабс - абсолютное давление воздуха; р - избыточное давление; Т - температура; Т0 - температура торможения; cp , cv - удельные теплоемкости воздуха соответственно при постоянном давлении и объеме; / - физическая (ламинарная) вязкость; /t - турбулентная (вихревая) вязкость;
- эффективная вязкость; к - коэффициент теплопроводности;
kt - турбулентная теплопроводность; ks - эффективная теплопроводность; Ek - кинетическая энергия;
£ - скорость диссипации кинетической энергии турбулентности;
c^, cl£, c2£ ,о£ - эмпирические константы New k-s модели;
Prt - турбулентное число Прандтля.
Уравнение энергии (1) записано в форме, принятой в системе ANSYS FLOTRAN в терминах температуры торможения Т0. Связь между Т и Т0 устанавливает уравнение (2). С учетом алгебраического уравнения состояния в системе уравнений в частных производных фигурирует шесть неизвестных функций: Vx,Vy,p, Т0, к, s [2, 3].
Этап 2. Создание расчетной области. При создании геометрии расчетной области задачи использовались чертежи рабочего проекта оригинальных сушильных камер ЦНИИМОД-49.
Расчетная область представляет собой внутренний объем сушильной камеры: верхний и нижний циркуляционный канал, разделенные ложным потолком, и боковые каналы. Аэродинамическим сопротивлением калориферов в верхнем циркуляционном канале пренебрегаем.
Этап 3. Построение конечно-элементной
сетки.
Для проведения расчетных операций в полученной расчетной области необходимо построить конечно-элементную сетку, в узлах которой будет определяться значение скорости рабочего агента. В областях с резким изменением геометрии канала, поворотах, предполагаемых местах завихрения потока следует увеличить детальность сетки. В случае использования слишком грубой сетки, возникает потеря точности решения, поскольку такая сетка не в состоянии зафиксировать значительные эффекты, вызванные крутыми градиентами. С другой стороны, использование максимальной детальности конечно-элементной сетки ограничивается мощностью аппаратных средств ПК.
В результате построения конечно-элементной сетки, расчетная область исследуемой сушильной камеры содержит 27023 узла.
Этап 4. Задание свойств рабочего агента. Рабочим агентом в сушильной камере является влажный воздух. Исходные свойства воздуха для рассматриваемой задачи принимаются для процесса собственно сушки следующие:
1) Модель течения жидкости: стационарное течение; режим течения турбулентный; жидкость несжимаема.
2) Свойства жидкости: температура - 362,2 °К, давление - 760 мм рт. ст., плотность - 0,78
кг/м3, динамическая вязкость - 0,00001193
Н-с/м2, относительная влажность - 51 %.
Этап 5. Задание граничных условий.
Аэродинамическими граничными условиями для рассматриваемой задачи газодинамики являются условия прилипания на всех твердых границах расчетной области (Vx = 0 м/с, Vy = 0 м/с). Начальными условиями являются: скорость на входе в расчетную область равна 4 м/с (Vx = 4 м/с, Vy = 0 м/с), скорость на выходе формируется автоматически, физические параметры газовой среды внутри области принимаются равными началу процесса собственно сушки.
Этап 6. Задание алгоритма решения.
Для поставленной задачи наиболее подходит алгоритм Simplen, который реализует проекционный метод решения уравнений динамики течения жидкости и обладает улучшенными показателями сходимости по сравнению с другими вариантами. Задаем число глобальных итераций = 1000.
Этап 7. Решение.
Для произведения решения запускается модуль FLOTRAN и процесс решения отображается в окне вывода. Каждому расчетному моменту времени соответствует номер шага глобальной итерации, указываемый в окне вывода. Если требуемая точность решения не будет достигнута за указан-
ное число глобальных итерации, то можно продолжить расчет повторным запуском модуля. При этом результаты решения предшествующего задания будут начальными условиями последующего задания.
После проведения процедуры расчета, результат можно представить в табличной или графической форме. Наиболее удобный и наглядный вариант - использование графического окна программы ANSYS, в котором возможно наглядно увидеть векторное поле скоростей, поля скорости (рис. 1), давления, температур, плотностей в скалярном виде, линии тока, анимационную картину движения частиц жидкости по линиям тока.
Полученные поля скорости показывают значительную неравномерность распределения рабочего агента по высоте и длине сушильной камеры. При расчете со штабелем видно, что часть рабочего агента направляется в обход штабелей в пространстве между ложным потолком и штабелями и между полом и вагонетками (рис. 2) и также отмечается существенная неравномерность распределения рабочего агента по высоте сушильной камеры.
Последнее приводит к неравномерности конечного влагосодержания готовой пилопродукции по высоте штабеля, к повышенному технологическому браку, увеличению расхода электроэнергии
Рис. 1. Поля скорости рабочего агента в сушильной камере ЦНИИМОД-49 без штабеля
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Рис. 2. Поля скорости рабочего агента в сушильной камере ЦНИИМОД-49 с заложенным штабелем
и теплоносителя вследствие вынужденного увеличения продолжительности технологического процесса на досушку материалов, что, в свою очередь, негативно сказывается на экономических показателях в целом всего лесопромышленного предприятия.
Полученные результаты могут быть использованы при дальнейших исследованиях по совершенствованию аэродинамических характеристик сушильной камеры, определению количества, конфигурации и месторасположения направляющих устройств.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шабаров В.В. Применение системы ANSYS к решению гидрогазодинамических задач. Нижний Новгород, 2006.
2. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.: Мир, 1991. Т. 1, 2.
3. Пейре Р., Тейлор Т. Вычислительные методы в задачах механики жидкости. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1986.
