CC BY
38ИССЛЕДОВАНИЕ КАВИТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ В ВИХРЕВОМ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРЕ АКТИВНОГО ТИПА В ПАКЕТЕ ANSYS CFX Султангильдин Д.Г.
Султангильдин Денис Германович - магистрант, направление: теплоэнергетика и теплотехника, кафедра авиационной теплотехники и теплоэнергетики, факультет авиационных двигателей, энергетики и транспорта, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа
Вихревые теплогенераторы - это установки, которые позволяют получать тепловую энергию в специальных устройствах путем преобразования электрической энергии.
Различные виды вихревых теплогенераторов отличаются между собой способами формирования закрутки потока рабочей жидкости.
При рассмотрении вихревых теплогенераторов можно выделить два вида теплогенераторов:
- пассивные;
- активные.
К пассивным относятся теплогенераторы статического типа, которые
не содержат активных подвижных частей в устройствах формирования потока жидкости.
К активным относятся теплогенераторы динамического типа, в которых механическая активация рабочей жидкости осуществляется за счет воздействия на жидкость подвижных активирующих элементов генератора - вращающихся, колеблющихся или совершающих сложное движение [1].
Процесс нагрева жидкости в вихревых теплогенераторах происходит за счет процесса кавитации.
Кавитация (от лат. cavita — пустота) — процесс парообразования и последующего схлопывания пузырьков пара с одновременным конденсированием пара в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром самой жидкости. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация) [2].
Для исследования гидродинамических и кавитационных процессов используется программный комплекс для трехмерного численного термогазодинамического моделирования АШУ8 С¥Х.
Для построения геометрической модели выбран активный вихревой теплогенератор, состоящий из корпуса 1, рабочего колеса 2 и крышки 3 (рисунок 1).
Рис. 1. Состав активного вихревого теплогенератора
Рис. 2. Схема геометрической модели корпуса
Рис. 3. Схема геометрической модели крышки 41
126,00
Рис. 4. Схема геометрической модели рабочего колеса
Далее, на расчетных моделях была построена тетраэдрическая неструктурированная конечно-объёмная сетка со структурированным призматическим слоем (рисунок 5).
Рис. 5. Конечно-объемная сетка
Общее количество элементов сетки 2953907 (корпус - 1153712, рабочее колесо -934715, крышка - 865480).
После построения конечно-объемной сетки назначаем граничные условия и законы расчета в CFX-Pre. В системе CFX-Pre создаем три независимых домена (расчетные области). Первая область - Krishka.
Настройки в домене Krishka:
модель рабочего тела: Voda (Water) и Par (Water Vapour at 25 C); модель переноса тепла: Total Energy; модель турбулентности: k-Epsilon; значение избыточного статического давления на выходе из области: Peb¡x = 101325 Па.
Задаем граничные условия для домена Krishka:
1) Граничное условие Inlet1 (вход):
тип граничного условия - Inlet; параметры: массовый расход (Mass Flow Rate) G = 0,5 кг/с; полная температура (Total Temperature) tx = 25 C; объемная доля: Par - 0, Voda - 1.
В домене Rotor задаем следующие настройки:
модель рабочего тела: Voda (Water) и Par (Water Vapour at 25 C); модель переноса тепла: Total Energy; модель турбулентности: k-Epsilon; движение области: Rotating; угловая скорость: 25 об/с (1500 об/мин)
Настройки в домене Korpus:
модель рабочего тела: Voda (Water) и Par (Water Vapour at 25 C) ; модель переноса тепла: Total Energy; модель турбулентности: k-Epsilon.
Задаем граничные условия для домена Korpus:
2) Граничное условие Outlet3 (выход):
тип граничного условия - Outlet; Параметры: статическое давление (Average Static Pressure) PEHx = 253313 Па.
Для передачи информации между доменами установлены взаимосвязи между доменами при помощи опции Domain Interface.
Задаем модель смешивания: Frozen Rotor.
Для решения нестационарной задачи в модели смешивания задаем: Transient Rotor Stator.
После того как задали все граничные условия, производим расчет модели в CFX-Solver. В ходе выполнения расчета необходимо контролировать сходимость основных уравнений и их дисбаланс [3].
После расчета моделей проводим обработку результатов в CFX-Post. Для визуализации результатов расчета были построены: векторное поле скоростей во всей расчетной области (Рисунок 6) и поле температур и давлений на сечении в межлопаточном пространстве (Рисунки 7 - 8), а также соответствующие области образования пара в результате кавитации (Рисунки 9 - 10).
О 0.100 0.200 (m)
0.050 0.150
Рис. 6. Векторное поле скоростей
Рис. 9. Образование пара в результате кавитации в межлопаточном пространстве
Рис. 10. Соотношение областей понижения давления с областями образования пара
в результате кавитации
При визуализации результатов расчета были получены поля скоростей, температуры и давления, а также области образования пара в результате кавитации. Как видно из полученных результатов, кавитация возникает в местах понижения давления, вызванного активацией рабочей жидкости активным вихревым теплогенератором. Наибольшее повышение температуры зафиксировано в межлопаточном пространстве на стыке ротора и статора на t=0,69°C.
Список литературы
1. Потапов Ю.С., Фоминский Л.П. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиций теории движения. Кишинев. Черкассы: «ОКО-Плюс», 2000. 387 с.
2. Кавитация. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Кавитация/ (дата обращения: 15.10.2017).
3. Кишалов А.Е., Ахмедзянов Д.А. Термогазодинамическое моделирование авиационных двигателей и их элементов: Лабораторный практикум по дисциплине «Математическое моделирование авиационных двигателей и энергетических установок» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 2012. 90 с.
СНИЖЕНИЕ ПРИХВАТООПАСНОСТИ ПУТЕМ ВВОДА В ПРОМЫВОЧНУЮ ЖИДКОСТЬ СМАЗЫВАЮЩИХ ДОБАВОК Ахметов Д.С.1, Ахраров И.М.2, Ахраров И.М.3, Мухамадиев И.С.4
1Ахметов Дмитрий Сергеевич - студент;
2Ахраров Ильдар Муслимович - студент;
3Ахраров Ильгиз Муслимович - студент;
4Мухамадиев Ильдар Салимянович - студент, кафедра бурения нефтяных и газовых скважин, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
г. Уфа
Прихваты бурового снаряда весьма различны. В 1937 г. Хейворд опубликовал первую статью, в которой обсуждались причины этого вида осложнений. В 1940 г. Уоррен сделал попытку объяснить причины прихватов более детально. Оба автора пришли к выводу, что прихваты бурового снаряда вызывались желобообразованием в скважине, скоплением шлама вокруг бурильных труб и забивкой долота разбуренной породой с прекращением циркуляции.
Рассмотрим механизм прихвата бурового инструмента, вызванного перепадом давления, поскольку остальные виды прихвата изложены в других разделах книги или механизм формирования их настолько прост, что не требует специального разбора.
Механизм прихвата, вызванного репрессией на пласт, проявляется в быстром и сильном прижатии бурового инструмента к стенке скважины. При этом вращение и осевые перемещения его в скважине прекращаются. Как правило, прихват развивается при прекращении движения бурового инструмента в скважине на некоторое время, часто исчисляемое минутами, и при наличии на проницаемых породах фильтрационной корки [1].
Известно, что снижение прихватоопасности обеспечивается вводом в промывочную жидкость смазывающих добавок, в качестве которых наиболее часто применяются следующие препараты: кожевенная паста до 3%, смыленная смесь гудронов до 2,5—3%, и серийно выпускаемые специальные концентраты: эмульсол лесохимический ЭЛ-4, эмульсол нефтехимический ЭН-4, ленол 10, ленол 32, морозол 2. Вводить эти добавки в раствор следует в полном соответствии с рекомендациями по их использованию [2].
В отдельных организациях в качестве таких добавок употребляют СМАД-1, реагенты Т-66, Т-80, графит, ГКЖ-Ю + нефть и др.
Для предупреждения затяжек, прихватов бурового инструмента фирма «Добб интернэйшнл» предложила вместо ранее применявшихся пластмассовых шариков вводить в промывочную жидкость стеклянные. Их действие подобно шариковому подшипнику. Стеклянные шарики прочнее пластмассовых в 3 раза. Они выдерживают температуру до 760°С против 185°С для пластмассовых. Фирма выпускает две их разновидности: Стик-лесс-20 для предупреждения развития прихватов и облегчения освобождения прихваченного бурового инструмента и Торк-лесс ДИ-170 для
