CC BY
13
УДК 621.646
Л. В. Котельников
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКА ПРОВОДИМОЙ СРЕДЫ В РЕГУЛИРУЮЩЕМ УСТРОЙСТВЕ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т. С. МАЛЬЦЕВА», КУРГАН, РОССИЯ
L. V. Kotelnikov
MODELING OF THE FLUID FLOW IN THE REGULATING DEVICE FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION "KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BY T.S. MALTSEV", KURGAN, RUSSIA
Леонид Владимирович Котельников
Leonid Vladimirovich Kotelnikov krg.kotelnikov@mail.ru
Аннотация. При изучении повреждений трубопроводов на местах аварий становится очевидным, что ущерб, причиненный гидроударом, значительно превышает затраты на превентивный анализ и меры по защите от скачков давления.
Для решения этой проблемы было разработано новое дроссельное регулирующее устройство (патент на изобретение RU 2599691). Благодаря своей оригинальной конструкции, устройство, посредством сменных штуцеров с разными диаметрами проходного сечения, осуществляет ступенчатое регулирование перепада давления в трубопроводе без остановки потока проводимой среды, что позволяет исключить явление гидроудара, снизить энергопотери от пуска и остановки насосного оборудования, повысить эффективность и ремонтопригодность систем.
С использованием программного комплекса системы автоматизированного проектирования SolidWorks и дополнительного модуля по газо/гидродинамическим расчетам Flow Simulation было смоделировано движение проводимой среды в устройстве через сменные штуцеры с различными диаметрами проходного сечения при перепаде давления в 0,1 МПа. Построена специализированная 3Э-модель устройства, по заданным входным данным произведен расчет и получены эпюры изменения контролируемых величин. Также построена зависимость расхода
дроссельного регулирующего устройства от диаметра проходного сечения штуцера при перепаде давления в 0,1 МПа.
Моделирование в Flow Simulation позволяет с большой степенью точности оценить работу устройства, наглядно продемонстрировать траектории движения потока, показатели изменения давления, скорости и температуры. В дальнейшем эти данные планируется использовать для сравнительного анализа с показателями, полученными в процессе работы устройства в лабораторных и реальных условиях.
Ключевые слова: регулирующее устройство, гидроудар, моделирование течения жидкости, расход, штуцер, перепад давления, скорость потока, температура среды.
АЬз^эЛ When studying the damage to pipelines at the accident sites, it becomes obvious that the damage caused by the hydrotrack significantly exceeds the costs of preventive analysis and measures to protect against pressure surges.
To solve this problem, a new throttle control device (patent for invention RU 2599691) has been developed which, thanks to its original design, by means of replaceable fittings with different diameters of the flow cross-section, performs step-by-step control of the pressure drop in the pipeline without stopping the flow of the medium, thereby eliminating the phenomenon of hydraulic shock, reduce energy losses from starting and stopping pumping equipment, improve the efficiency and maintainability of systems.
Using the program complex of the CAD system SolidWorks and the additional module for gas / hydrodynamic calculations, Flow Simulation, the motion of the medium in the device was simulated through interchangeable fittings with different diameters of the cross-section at a differential pressure of 0.1 MPa. A specialized 3-D model of the device was constructed, the calculated input data were calculated and the diagrams of the change in the controlled quantities were obtained. Also, the dependence of the flow rate of the throttle control device on the diameter of the flow-through section of the nozzle is constructed at a pressure difference of 0.1 MPa.
Simulation in Flow Simulation allows you to estimate the operation of the device with a high degree of accuracy, visually demonstrate the flow trajectories, pressure, velocity and temperature changes. In the future, these data will be used for comparative analysis with indicators obtained during operation of the device in laboratory and real conditions.
Key words: regulating device, hydraulic shock, fluid flow simulation, flow rate, nozzle, pressure drop, flow rate, medium temperature.
Введение. В сельскохозяйственном производстве особенно важную роль играют системы водоснабжения, мелиорации, приготовления и раздачи жидких кормов, транспортирования навоза внутри зданий и к местам хранения или переработки, внесения жидких удобрений и другие гидравлические системы. При изучении повреждений трубопроводов на местах аварий становится очевидным, что ущерб, причиненный гидроударом, значительно превышает затраты на превентивный анализ и меры по защите от скачков давления [1, 2]. Снижение гидравлических ударов и повышение эффективности работы гидравлических систем в процессе регулирования режима их работы является актуальной задачей [3, 4].
В данной статье рассмотрено моделирование потока проводимой среды в новом регулирующем устройстве (патент на изобретение RU 2599691) с применением программного комплекса системы автоматизированного проектирования SolidWorks и дополнительного модуля по газо/ гидродинамическим расчетам Flow Simulation.
Благодаря своей оригинальной конструкции устройство, посредством сменных штуцеров с разными диаметрами проходного сечения, осуществляет ступенчатое регулирование перепада давления в трубопроводе без остановки потока проводимой среды, что позволяет исключить явление гидроудара, снизить энергопотери от пуска и остановки насосного оборудования, повысить эффективность и ре-
монтопригодность систем [5, 6].
Методика. Для понимания моделируемых процессов, необходимо рассмотреть принцип работы дроссельного регулирующего устройства.
Устройство работает следующим образом (рисунок 1). Проводимая среда по каналу входного патрубка 12 поступает в шаровую пробку 7 и через канал 10 поступает в штуцер 15, далее по каналу 5 - в обратный клапан 18. Давлением проводимой среды запорный элемент 19 перекрывает канал седла 20, и проводимая среда через выходное отверстие 22 и выходной патрубок 23 поступает далее в технологическую линию.
В это время по контейнеру 13 и штуцеру 14 проводимая среда не идет, т.е. возможна замена контейнера 13 со штуцером 14 на контейнер со штуцером другого диаметра. Замена контейнера 13 со штуцером 14 (как и 15) производится следующим образом: отвинчивают пробку 17, при этом происходит сброс оставшегося давления. Извлекают контейнер 13, а взамен устанавливают другой контейнер.
Переключение работающего регулирующего устройства штуцер 15 на штуцер 14 происходит поворотом шаровой пробки 7 на 180°, на что требуется минимальное количество времени, т. е. практически шаровая пробка не находится в закрытом состоянии, а значит, и эксплуатационные показатели работающих систем не изменяются [7].
Вестник Курганской ГСХА № 4, 2017 Технчческие науки 81
Рисунок 1 - Продольный разрез дроссельного регулирующего устройства
Выполним расчёт для условной системы водоснабжения, где требуется ступенчатое регулирование расхода поступающей воды. Нам необходимо смоделировать движение проводимой среды в дроссельном устройстве через сменные штуцеры с различными диаметрами проходного сечения при перепаде давления в 0,1 МПа согласно требованиям методики ГОСТ Р 55508-2013.
Входные данные и условия для проведения расчетов [9, 10]:
- диаметр входного патрубка: 65 мм;
- диаметр проходного сечения штуцера: 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 18, 20, 25 мм;
- перепад давления, ДР=0,1 МПа;
- рабочая среда - вода;
- плотность воды р=1000 кг/м3;
- температура воды t= 20 °С.
Для расчета была построена 3D-модель дроссель-
ного регулирующего устройства в программе SolidWorks, специально подготовленная для применения в расчетном модуле Flow Simulation (рисунок 2). В данной расчетной программе применяется конечно-элементный анализ, суть которого заключается в том, что любую непрерывную величину, такую, как температура, давление и перемещение, можно представить дискретной моделью, которая состоит из множества кусочно-непрерывных функций. Модель разбивается на элементы построением сетки, и далее программа по заданным параметрам прогнозирует поведение модели при помощи сопоставления информации, полученной от всех элементов, составляющих модель.
Далее мы загрузили 3D-модель устройства в программу, создали шаблон для расчета: ввели требуемые входные данные; определили тип задачи - внутренний гидродинамический расчет; построили сетку конечных элементов; определили рабочую (расчётную) область; задали граничные условия - перепад давления 0,1 МПа, определены цели расчета - определение траектории, изменение давления, скорости, температуры, также заложили контроль показателей расхода проводимой среды в выходном патрубке устройства.
Для каждого типоразмера штуцера программа произвела расчёт, и были получены числовые и графические значения контролируемых параметров, по которым мы можем подобрать регулирующий штуцер для обеспечения требуемого режима работы системы водоснабжения.
Таким образом, нами был разработан шаблон расчётной программы, который в дальнейшем позволит оценивать работоспособность устройства и получать данные о расходе при различных рабочих условиях. Изменяя значения входных переменных, осуществляется подбор штуцера с необходимым диаметром проходного сечения для обеспечения требуемых показателей интересующей нас гидравлической системы.
Анализ результатов. По результатам расчета программы было установлено, что при перепаде давления 0,1 МПа максимальная скорость потока в устройстве возникает в проходном канале штуцера и равна 12 м/с. Анализируя траекторию потока (рисунок 2), мы видим, что регулирующий штуцер создает высокое местное гидродинамическое сопро-
Рисунок 2 - Траектория движения потока
тивление. Можно сделать вывод, что контейнер со сменным штуцером подвергается наибольшему кавитационному и эрозионному износу. Для обеспечения работоспособности устройства штуцер и контейнер необходимо изготавливать из коррозионностойких и высокопрочных материалов. Штуцер предполагается изготовить из прочной износостойкой стали марки 95Х18 (также возможно применение карбида кремния или карбида вольфрама), контейнер - из стали марки 20Х13.
Получена зависимость расхода дроссельного регулирующего устройства от диаметра проходного сечения штуцера при перепаде давления в 0,1 МПа. Значение расхода для каждого типоразмера штуцера отмечено на графике соответствующими точками (рисунок 3). Установка в устройство штуцеров с различными диаметрами проходного сечения позволяет ступенчато регулировать расход проводимой среды.
м3/ч
-
; 11 80
;
; 8, 92 /
; 5,38 b,/Z у
; 3,92
; 1,80 2,71
5 0,35 0,60 0,91
о' 4 5 б 8 10 12 16 18 20 25 Диаметр проходного сечения штуцера, мм
Рисунок 3- Зависимость расхода дроссельного регулирующего устройства от диаметра проходного сечения штуцера
Вывод. Моделирование в программном комплексе Flow Simulation позволило с большой степенью точности оценить работоспособность нового регулирующего устройства, наглядно продемонстрировать траекторию движения потока, изменение давления. Был получена зависимость расхода проводимой среды от диаметра установленного штуцера. Разработан шаблон программы для расчёта расходных характеристик при различных параметрах работы гидравлической системы. В дальнейшем эти данные планируется использовать для сравнительного анализа с показателями, полученными в процессе работы устройства в лабораторных и реальных условиях.
Список литературы
1 Фоминых А.В., Пошивалов Е.А., Сухов С.А. Регулирование расхода на водозаборе в системе первого подъёма воды. Вестник ЧГАА. 2014, С.136-140.
2 Фоминых А.В., Овчинников Д.Н., Чиняев И.Р. Гидравлическая система удаления навоза из животноводческого помещения. Главный зоотехник. 2013, № 6, С. 57-60.
3 Чиняев И.Р., Фоминых А.В, Ильиных Е.А. Трубопроводная арматура как основа систем пассивной защиты. Арматуростроение. 2016, № 4, С. 58-63.
4 Чиняев И.Р., Фоминых А.В., Сухов С.А. Повышение надёжности и эффективности работы шиберной запор-но-регулирующей задвижки. Экспозиция нефть газ. 2013, № 3, С.80-82.
5 Котельников Л.В. Разработка дроссельного регулирующего устройства гидравлического («ДРУГ»). Сборник тезисов докладов Региональной научно-технической кон-
ференции студентов, аспиранов и молодых ученых «Молодежь Зауралья III тысячелетия». 2015 г., С. 39.
6 Котельников Л. В., Фоминых А. В. Штуцерное дрос-сельно-регулирующее устройство. Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной продукции. Материалы 1 Всероссийской научно-практической конференции. Изд-во Курганской ГСХА, 2017. С. 10-13.
7 Котельников Л.В., Лесков А.И., Чиняев И.Р., Шанау-рин А.Л. Дроссельно-регулирующее устройство. Патент России № RU2599691, 10.10.2016. Бюл. №28.
8 Фоминых А.В., Овчинников Д.Н., Чиняев И.Р. Определение гидравлических характеристик запорно-регулирующих задвижек. Аграрный вестник Урала. 2012, № 2, С. 27-30.
9 Чиняев И.Р., Пошивалов Е.А., Фоминых А.В. Опыт использования ГОСТ Р 55508-2013 при определении гидравлических и кавитационных характеристик запорно-регули-рующего клапана клеточного. Территория «Нефтегаз», 2016, № 7-8. С. 96- 100.
10 Фоминых А.В., Чиняев И.Р., Пошивалов Е.А., Ильиных Е.А. Определение гидравлических и кавитационных характеристик клеточного клапана. Вестник Курганской ГСХА. 2016, № 1, С. 71-75.
11 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Sykhov S.A. Energy-Saving Shut-Off and Regulating Device. Procedia Engineering 150. 2016. p. 277-282.
References
1 Fominykh A.V., Poshivalov E.A., Sukhov S.A. Regulation of water withdrawal in the system of the first rise of water. Vestnik ChGAA (Bulletin of the Chelyabinsk State Agroengineering Academy). 2014, p.136-140. (in Russ.).
2 Fominykh A.V., Ovchinnikov D.N., Chiniaev I.R. Hydraulic system for manure removal from livestock premises. Glavnyi zootekhnik (Chief livestock expert). 2013, № 6, p. 57-60 (in Russ.).
3 Chiniaev I.R., Fominykh A.V, Il'inykh E.A. Pipe fittings as the basis of passive protection systems. Valve Industry. 2016, № 4, p. 58-63 (in Russ.).
4 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Sukhov S.A. Improving the reliability and efficiency of slide gate shut-off and regulating valves. Exposition oil gas. 2013, № 3, p. 80-82. (in Russ.).
5 Kotelnikov L.V. Development of a throttling regulating device hydraulic ("FRIEND"). The collection of abstracts of the reports of the Regional scientific and technical conference of students, aspirin and young scientists "Youth of the Trans-Ural region of the 3rd millennium". 2015, p. 39 (in Russ.).
6 Kotelnikov L.V., Fominykh A.V. Pusher choke-regulating device. Technical support of agricultural production technologies. Materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference. Kurgan, 2017, p. 10-13. (in Russ.).
7 Kotelnikov L.V., Leskov A.I., Chinyaev I.R., Shanau-rin A.L. Throttle-regulating device. Patent of Russia №RU2599691, 10.10.2016. Bul. №28.
8 Fominykh A.V., Ovchinnikov D.N., Chinaev I.R. Determination of hydraulic characteristics of locking and regulating valves. Agrarian Bulletin of the Urals. 2012, № 2. P. 27-30. (in Russ.).
9 Chiniaev I.R., Poshivalov E.A., Fominykh A.V. Experience in using GOST R 55508-2013 in determining the hydraulic and cavitation characteristics of the shut-off valve of the cellular. Oil and gas territory. 2016, № 7-8, p. 96-100 (in Russ.).
10 Fominykh A.V., Chiniaev I.R., Poshivalov E.A., Il'inykh E.A. Determination of the hydraulic and cavitation characteristics of the cell valve. Vestnik Kurganskoj GSHA (Bulletin of the Kurgan State Agricultural Academy). 2016, № 1, p. 71-75 (in Russ.).
11 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Sykhov S.A. Energy-Saving Shut-Off and Regulating Device. Procedia Engineering 150. 2016. p. 277-282.
