CC BY
7СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
(CONSTRUCTION & ARCHITECTURE)
УДК 628.2
Кузьмин В.Д.
студент
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (Санкт-Петербург, Россия)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОСТУПЛЕНИЯ ГРУНТОВЫХ ВОД В ТРУБУ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS CFX
Аннотация: статья посвящена описанию моделирования процесса фильтрации грунтовых вод в программе ANSYS CFX. С помощью метода конечных элементов в программе построена модель процесса фильтрации через щель в трубе. Рассмотрены различные случаи положения щели. Полученная модель позволяет визуализировать процесс поступления грунтовых вод при инфильтрационном стоке в системы водоотведения.
Ключевые слова: инфильтрационный расход, фильтрация жидкости, движение грунтовых вод.
Описание моделей фильтрации с помощью расчетных комплексов приводятся в отечественной литературе. Возможности ANSYS позволяют смоделировать процесс фильтрации для различных материалов, даже вновь создаваемых, как описано в статье [5]. Фильтрация жидкости из трубопровода в грунт как задача для моделирования подробно рассмотрена в статье [4] и других подобных, посвященных различным типам утечек из трубопроводов. В статьях [4,7] описывается моделирование фильтрации с помощью модуля ANSYS Fluent, использующего сетку конечных объемов в отличие ANSYS CFX, который выбран мною для моделирования.
В этой статье будет рассмотрено поступление грунтовых вод в трубу под действием гидростатического давления. Целью моделирования является визуализация процесса фильтрации воды в грунте в осях координат при малой водоприемной способности трубы. Модель позволит оценить вертикальную составляющую фильтрации, которую не учитывает основное уравнение поступления грунтовых вод в дренажную трубу [6]:
Кфильтр - коэффициент фильтрации, характеризующий грунт по водопропускной способности, м/сут;
Q - расход, поступающий в совершенную дренажную трубу, м3/сут;
R - радиус депрессии дренажа, м;
Н -напор на расстоянии R, м.
Програмный комплекс ANSYS CFX позволяет выполнить анализ и моделирование физических процессов с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Путем дискретизации расчетной области (моделируемого тела) на подобласти. Конечный объем рассматривается как совокупность отдельных элементов [2]. Для этого в программу встроен модуль ANSYS CFX — Mesh, позволяющий отследить генерацию расчетной сетки и ее шаг (размер). Далее, имея множество кусочно-непрерывных функций, каждая из котрых определена на отдельном элементе, их значения определяются программой в конечном числе узлов расчетной сетки [2].
В качестве расчетных формул при работе с пористой средой (Porous Domain) программа использует следующую расчетную формулу для квадратичной области [3]:
2
Q =
(1)
Где:
^^ = -KqIUIUi (2)
Где:
dp
---перепад давления;
Kq - коэффициент квадратичного сопротивления;
U - скорость.
Так как в данной задаче характер течения фильтруемой воды будет скорее ламинарным, то для вычисления применятся численное решение системы уравнений Навье - Стокса [8].
Для моделирования построена геометрия пласта грунта, который является двухфазной средой, Porous domain (вода-твердое тело). В нем построна труба диаметром 400 мм и отверстием в 25 мм. Глубина заложения принята 2, 4 м от УГВ. В качестве параметра, который характеризует тело по водопропускной способности- объемная пористость, которая для песков колеблется в районе 0,6. Давление на входе в трубу и на уровне грунтовых вод, который является верхом моделируемой области, принято атмосферным.
Рис1. Результаты моделирования с отверстием в верхней части: А- линии тока к щели в водоприемной трубе; Б- Векторное поле скоростей у входа в
водоприемное отверстие.
Рис 2. Результаты моделирования с отверстием в нижней части: А- линии тока к щели в водоприемной трубе; Б- Векторное поле скоростей у входа в
водоприемное отверстие.
Рис 3. Результаты моделирования с отверстием в боковой части трубы
Выводы: для моделирования фильтрации, как показывают приведенные статьи лучше использовать ANSYS Fluent, потому как моделирование этих процессов в CFX требует сложной верификации.
При фильтрации воды в грунте, если рассматривать небольшие отверстия и малую водоприемную способность трубы следует учитывать вертикальную составляющую фильтрации, что видно из модели. Допущение Дюпуи о параллельноструности [6] мало применимо к случаю инфильтрационного стока.
Для более точных вычислений необходимо учитывать третью составляющую грунта - воздух.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. ANSYS Student | Free Student Software (ANSYS - Продукты. Бесплатное программное обеспечение для студентов). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ansys.com/academic/free-student-products
2. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов — М.: Мир, 1979. — 392 С.
3. ANSYS CFX tutorial. Canonsburg: Inc. Southpointe, 2010. Release 13.0.
4. В. В. Жолобов, В. Ю. Морецкий, Р. Ф. Талипов Оценка величины утечки через сквозной деффект трубопровода ООО «НИИ Транснефть», г. Москва, Россия. // V-я Всероссийская научно-практическая конференция «Трубопроводный транспорт углеводородов» 28 октября 2022 г., Омск, Россия
5. В.В. Куликовский, Н.В. Киселев, М.В. Киселев Разработка новой структуры пористого материала с повышенной фильтрующей способностью // №2 2 (386) Технология текстильной промышленности 2020
6. Абрамов С.К. Подземные дренажи в промышленном и городском строительстве. Издательство литературы по строительству, г. Москва, 1967;
7. Wojciech Sobieskil, Anna Trykozko Darcy's and forchheimer's laws in practice. part 2. the numerical model // Technical Sciences 17(4), 2014, 337-350
8. Расчет пространственной структуры потока в ступени осевого компрессора в программном комплексе Ansys CFX: учеб. пособие/ [О.В. Батурин и др.]. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. - 101 с.: ил.
Kuzmin V.D.
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
(Saint Petersburg, Russia)
MODELING THE ADMISSION PROCESS GROUND WATER INTO THE PIPE USING ANSYS CFX SOFTWARE PACKAGE
Abstract: the article is devoted to the description of the modeling of the groundwater filtration process in the ANSYS CFX program. Using the finite element method, a model of the filtration process through a gap in the pipe is constructed in the program. Various cases of the slot position are considered. The resulting model makes it possible to visualize the process ofgroundwater inflow during infiltration runoff into wastewater disposal systems.
Keywords: ANSYS CFX, infiltration flow rate, liquid filtration, groundwater movement.
