CC BY
31
Моделирование турбулентного потока вязкой несжимаемой жидкости в фитингах
труб
Simulation of turbulent flow of viscous incompressible liquid in pipe fittings
Q
УДК 004.942 Кравчук Александр Степанович,
доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры био- и наномеханики, Белорусский государственный университет (пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Республика Беларусь), ask_belarus@inbox.ru Кравчук Анжелика Ивановна,
кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры веб-технологий и компьютерного моделирования, Белорусский государственный университет (пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Республика Беларусь), anzhelika.kravchuk@gmail.com Михиевич Арнольд Павлович,
магистрант кафедры био- и наномеханики, Белорусский государственный университет (пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Республика Беларусь), fakel.arnold@gmail.com
Аннотация: Предложена параметрическая модель исследования вихревого стационарного течения в таких фитингах как отводы и тройники. В качестве перекачиваемой среды рассматривается вода. Установлено, что выбор радиуса отвода обуславливается требованием минимального падения давления на его выходе. Для тройника установлено, что он вызывает существенное падение скорости потока воды. При этом если в боковом патрубке давление чуть больше чем на втором выходе, то обыкновенный тройник может работать как вакуумный насос. Анализ выполнен средствами FLOTRAN CFD программы ANSYS 10 ED. Методика может быть применена для любых конструкций фитингов, связанных с расчетом движения вязкой жидкости. Решение поставленной задачи позволяет оценить размеры областей, в которых происходит торможение потока и внести корректировки в проектную документацию.
Summary: A parametric model is proposed for studying vortex stationary flow in fittings as bends and tees. Water is considered as the pumped medium, which does not reduce the generality of the solution. The user can change the density and viscosity of the medium independently. For
tee it is established that it causes a significant drop in the flow rate of water. At the same time, if the lateral branch pipe has slightly higher pressure than the second outlet, the ordinary tee can operate as a vacuum pump. The analysis is carried out by means of FLOTRAN CFD program ANSYS 10 ED. The technique can be applied to any design of fittings associated with the calculation of the motion of a viscous incompressible fluid. The solution of this problem allows us to estimate the size of the regions in which the flow is decelerated and to correct the design documentation.
Ключевые слова: вязкость жидкости, вихревое течение, стационарное течение, несжимаемая жидкость, параметрическое моделирование, ANSYS, FLOTRAN.
Keywords: fluid viscosity, vortex flow, stationary flow, incompressible fluid, parametric modeling, ANSYS, FLOTRAN.
Введение
До настоящего времени все гидродинамические расчеты трубопроводов проводились с использованием полуэмпирических формул, полученных в основном для ламинарного течения вещества в трубопроводе, в которых присутствуют экспериментально определяемые коэффициенты с учетом чисел Рейнольдса. С помощью такого подхода учитываются разнообразные эффекты, возникающие при повышении скорости перекачки среды и возможного возникновения в этих случаях вихрей и других явлений, снижающих скорость движения среды [1-3].
Основной слабостью данных методик является интуитивность и сложность адекватного определения необходимых значений чисел Рейнольдса, т.к. в ряде случаев предлагается вычислять отдельно числа Рейнольдса для потока в целом и локально для потока около ограничивающей поверхности [4].
Предлагаемые параметрические модели позволяют отказаться от этого промежуточного этапа в расчетах, т.к. распределение скоростей движения потока и вихревые явления ANSYS ED/FLOTRAN вычисляет самостоятельно.
Краткое описание задачи
Рассматривается параметрическая трехмерная модель внутреннего объема отвода и, в силу симметричности задачи и необходимости экономии элементов, параметрическая модель внутреннего объема половины тройника полученного его сечением продольной плоскостью. Отброшенная часть объема тройника заменяется соответствующими краевыми условиями для потока. При течении в отводе при больших скоростях можно наблюдать значительное повышение скорости потока на внешней границе отвода, что может приводить к его повышенному эрозионному износу и значительному падению давления. В
тройнике, в силу особенностей геометрии и различных краевых условиях на выходных отверстиях могут образовываться вихри. Решение поставленной задачи позволяет оценить размеры областей, в которых происходит торможение потока и подобрать геометрические размеры данного соединения. Во всех задачах используются краевые условия «прилипания» [5] (полной остановки) потока на стенках фитингов.
Конечно-элементная модель внутреннего пространства отвода В случае построения модели внутреннего пространства отвода (Рисунок 1) используются следующие соответствующие ГОСТ-у параметры [6, 7]: D = 0.3(м) — наружный диаметр торцов отвода; R = 0.2 (м) - радиус поворота отвода; THETA = 180 (градусы) - угол между плоскостями торцов отвода; T = 0.004 (м) - толщина стенки на торцах отвода; V = 1 (м/с) - скорость перекачки жидкости; P = 3*(1E+5) (Па) -манометрическое давление в трубопроводе (Рисунок 1).
Модуль FLOTRAN в ANSYS 10ED очень чувствителен к выбору рабочего каталога (путь не должен содержать папок на кириллице) и рабочему файлу. Выбор папки и назначение имени рабочего файла должно выполняться с помощью ANSYS Product Launcher [4].
Так как строящаяся модель будет параметрической, то необходимо ввести перечисленные параметры и их значения до начала построения модели с помощью пункта меню утилит: Utility Menu> Parameters> Scalar Parameters.
Для построения параметрической модели внутреннего пространства отвода необходимо воспользоваться пунктом меню: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Volumes> Torus [8, 9]. В нем последовательно указываются радиус поворота отвода R, внутренний радиус трубы D/2-T, начальный угол (по умолчанию 0) и конечный угол отвода THETA.
Далее необходимо удлинить внутритрубное пространство на входе и выходе отвода, для того, чтобы построить более адекватную картину вихревого течения в самом отводе. Естественно удлинение строиться достаточно большим, чтобы характер начального входа потока в модель и его выхода из нее не оказывал значительного влияния на процессы в отводе. Для этого воспользуемся пунктом главного меню: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Extrude> Areas> Along Normal [8, 9]. Необходимо указать поверхность A3, от которой будет вытягиваться объем, нормаль выбирается автоматически, а также указывается расстояние 2*D, на которое будет вытягиваться объем. Будем считать это удлинение достаточным для адекватного моделирования потока. По окончании первой операции вытягивания необходимо нажать Apply, а далее выбрать уже поверхность A4 и ее вытянуть также на расстояние 2*D.
В силу простоты построенной геометрии, можно воспользоваться средствами создания упорядоченного разбиения на конечные элементы путем вытягивания. Для управления качеством разбиения при вытягивании воспользуемся возможностью задания глобального размера элементов с помощью пункта меню: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> ManualSize> Global> Size [10]. В появившемся окне следует указать размер элементов, привязанный к какому-либо размеру параметрической модели. В данном случае в поле ESIZE укажем D/10. Для улучшения разбиения в качестве значения ESIZE можно указать D/40. Однако ED версия ANSYS не сможет решить задачу с подобным «плотным» разбиением.
Далее следует выбрать тип конечных элементов, который будет использоваться в дальнейшем при решении, в пункте главного меню Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete. После его использования появится окно Element Types, в котором следует нажать Add, а в следующем окне Library of Element Types необходимо выбрать элемент 3D FLOTRAN 142 [10].
После этого, командой вытягивания сетки Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Volume Sweep> Sweep [10] последовательно выбирается сначала объем V1, указываются поверхность начала и конца вытягивания сетки, нажимается кнопка Apply и последовательность рассмотренных действий повторяется с объемом V2 и V3 (Рисунок 2).
Для задания краевых условий при течении жидкости во внутреннем объеме отвода воспользуемся условиями полного прилипания [5] на боковых поверхностях отвода. С помощью пункта меню Main Menu> Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply> Fluid/CFD> Velocity> On Areas выбираются поверхности A1, A2, A6, A7, A8, A9, A11, A12, A13, A14 и после подтверждения выбора нажатием кнопки OK в следующем появившемся диалоговом окне задаются равные нулю все проекции скоростей потока Vx load value, Vy load value, Vz load value на выбранных ранее поверхностях, при этом надо установить флаг Yes в поле Apply to Boundary lines.
На поверхностях A10 следует с помощью указанного на предыдущем шаге пункта меню установить направление входного потока вдоль оси 0Y (Vy load value) и величину скорости равную параметру V.
С помощью пункта меню Main Menu> Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply> Fluid/CFD> Pressure DOF> On Areas следует указать инкремент давления на выходе потока из отвода (поверхность A5) по отношению к манометрическому (0).
Список команд для задания параметров, начала работы в препроцессоре, построения геометрии отвода, создания конечно-элементной сетки и задания краевых условий приведен в таблице 1.
Таблица 1. Список команд построения конечно-элементной модели
внутреннего объема отвода
N
1. 2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10. И. 12. 13.
Команда
/FILNAME, BranchPipe. О D = 0.3 R = 0.2 Т = 0.004 ТНЕТА =180
V = 1 Р = 3*(1Е+5) /PREP 7 TORUS, R,, D/2-T. 0. ТНЕТА YOFFST, 4. 2*D VOFFST, 3; 2*D
ESIZE. D/10 ET, L FLUID 142
N KoMaHafi
14. YSWEEP, 1. 3, 4
15. YSWEEP, 2. 4, 5
16. YSWEER 3, 3, 10
17. ASEL, S, AREA, ,1,2,
18. ASEL. A. AREA. , 6: 9: 1
19. ASEL. A, AREA. , 11, 14, 1
20. DA. ALL, YX, 0, 1
21. DA. ALL, YY, 0, 1
22. DA. ALL, YZ, 0, 1
23. ASEL, ALL
23. DA, 10, YY. Y, 1
25. DA, 5, PRESS, 0
26. —
Создание конечно-элементной модели внутреннего объема тройника В данном случае для упрощения модели и сокращения списка команд необходимо использовать свободное разбиение. Исходя из необходимости сокращения общего количества элементов в модели из-за использования ББ версии и общих рекомендаций построения свободных конечно-элементных разбиений симметричных объектов, будем строить вначале геометрическую 3-0 модель одной половины внутренности тройника, поскольку он имеет две симметричные относительно продольной плоскости части.
Для построения параметрической модели половины внутреннего пространства переходного тройника (Рисунок 3) будем использовать следующие соответствующие ГОСТ-у параметры [11]: Б = 0.3 (м) — больший наружный диаметр переходных тройников; Б1 = 0.3 (м) - меньший наружный диаметр переходных тройников; г = 0.05 (м) - наружный радиус скругления магистралей и ответвления; Н = 0.5 (м) - высота между плоскостью торца третьего ответвления и центром отверстия магистрали; Б = 0.3 (м) - длина от центра отверстия ответвления до плоскости торца отверстия магистралей; Т = 0.004 (м) - толщина
стенки тройника с диаметром D; Т1 = 0.004 (м) - толщина стенки тройника с диаметром D1; TB — толщина стенки отводов в неторцевых сечениях и тройников в зоне сопряжения магистрали и ответвления; L = 2*D - дополнительное удлинение выходов тройника; V = 0.2 (м/с) - скорость перекачки жидкости во входной трубе; P = 3*(1E+5) (Па) -манометрическое давление во входном трубопроводе. Как и в случае отвода, необходимо ввести все перечисленные параметры тройника и их значения с помощью пункта меню утилит Utility Menu> Parameters> Scalar Parameters до начала построения самой модели.
При построении тройника используется метод построения твердотельной модели "снизу-вверх" [8, 9]. Согласно этому подходу, первым этапом при создании модели является создание ключевых точек, определяющих габаритные размеры модели. Это действие выполняется с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Keypoints> In Active CS. В появившемся окне Create Keypoints in Active Coordinate System необходимо ввести последовательно номера и координаты ключевых точек в полях Keypoint number и X,Y,Z Location in active CS, приведенные в таблице 2.
Рисунок. 3. Геометрические параметры тройника (ГОСТ 17376-2001. 2006)
Далее необходимо соединить ключевые точки линиями. Это делается при помощи Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Lines> Straight Line [8, 9] и последовательно соединяются ключевые точки 1 и 2 (L1), 2 и 3 (L2), 3 и 4 (L3), 4 и 5 (L4), 5 и 6 (L5), 6 и 1 (L6). Также это можно выполнить при помощи кода APDL в виде простого цикла, приведенного в таблице 3 в строках № 20-23.
После создания линий параметрической модели необходимо скруглить угол между линиями L2 и L3, с учетом радиуса скругления внутреннего пространства равного r+TB при помощи пункта меню: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Lines> Line Fillet (Рисунок 4) [8, 9].
Таблица 2. Координаты точек для построения половины продольного сечения внутреннего пространства тройника
Номер
ключевой X-Loc (м) Y-Loc (м) Z-Loc (m)
точки KP
1 0 0 0
2 D1/2-T1 0 0
3 D1/2-T1 0 -(H-D/2+T)
4 F 0 -(H-D/2+T)
5 F 0 -H
6 0 0 -H
LMU Llrt tflfc LS AN HUT 4 2fllS 11:34:1*
r
L3 1
L6 t2
к LI
Рисунок. 4. Линии половины продольного сечения плоскостью внутреннего
пространства тройника
Построение объема с учетом построенных линий проще всего сделать путем вытягивания. Для этого на первом шаге вращением линий модели (L1 и L4) вокруг линий (L6 и L5) (Рисунок 5), создадим две торцевые поверхности внутренней полости тройника. Это можно выполнить с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Extrude> Lines> About Axis [8, 9].
Далее с помощью вытяжки построенной поверхности A1 вдоль линии L6, поверхности A2 вдоль линии L5 и, в заключении, повторного вытягивания поверхности A1 вдоль линий L2 и L7 стояться три объема, которые объединяются в один с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Add> Volumes [8, 9].
Рисунок. 5. Результат построения первичной модели внутреннего объема
тройника
Далее необходимо провести вспомогательные построения для того, чтобы устранить небольшую неточность построения внутреннего объема, изображенную на рисунке 5. Для этого необходимо соединить прямой линией ключевые точки K27 и K29 с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Lines> Straight Line [8, 9]. Будет построена линия L13. Далее для исправления геометрии необходимо:
- построенной линии L13 разделить поверхность A34 (пункт главного меню Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Divide> Area by Line) [8, 9];
- с помощью граничных линий L13, L44, L54, L52 создать поверхность A29 (пункт главного меню: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Arbitrary> By Lines) [8, 9];
- с помощью граничных поверхностей A3, A22, A29, A5 создать объем (пункт главного меню: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Volume> Arbitrary> By Areas) [8, 9];
- сложить созданные все объемы (пункт главного меню Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Add> Volumes) [8, 9].
Далее в «косметических целях» (для сокращения списка команд при задании краевых условий) складываем отдельно поверхности A13, A27, A19, A21, A28, A31, A33, A30, A20 и отдельно поверхности A11, A26, A24, A25 с помощью пункта главного меню (Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Add> Areas) [8, 9].
После этого необходимо отобразить по условиям симметрии относительно плоскости Y0Z построенный объем с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> Modeling> Reflect> Volumes [8, 9].
Далее необходимо сложить все построенные объемы с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Add> Volumes, а также сложить торцевые поверхности A12 и A16 с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Add> Areas [8, 9].
Сжимаем нумерацию элементов модели с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> Numbering Ctrls> Compress Numbers (в появившемся меню необходимо выбрать метку ALL) [8, 9].
Далее строим удлинения внутреннего объема тройника за счет внутреннего объема труб с помощью пункта главного меню Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Extrude> Areas> Along Normal [8, 9]. Необходимо указать поверхность A5, от которой будет вытягиваться объем, нормаль выбирается автоматически, а также указывается расстояние, на которое будет вытягиваться объем L. Далее те же операции проделать последовательно для поверхностей A1 и A2 с одним различием: для поверхности A1 длина вытягивания должна быть отрицательной (-L).
Далее необходимо сложить все построенные объемы с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Add> Volumes, а также сложить поверхности A17, A16, A8, A13, A24, A25, A21, A22 с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Add> Areas [8, 9] (Таблица 3).
B заключении построения твердотельной модели снова сжимаем нумерацию элементов модели с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> Numbering Ctrls> Compress Numbers (в появившемся меню необходимо выбрать метку ALL) (Таблица 3).
Для управления качеством разбиения при вытягивании воспользуемся возможностью задания глобального размера элементов с помощью пункта меню: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> ManualSize> Global> Size [10]. В появившемся окне следует указать размер элементов, привязанный к какому-либо размеру параметрической
модели. В данном случае в поле ESIZE укажем D/5. Для улучшения разбиения в качестве значения ESIZE следует указать гораздо меньшую величину.
Далее следует выбрать тип конечных элементов, который будет использоваться в дальнейшем при решении, в пункте главного меню Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete. После его использования появится окно Element Types, в котором следует нажать Add, а в следующем окне Library of Element Types необходимо выбрать элемент 2D FLOTRAN 142 [10] (Таблица 4).
После этого, командой построения свободного разбиения Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Volumes> Free создается конечно-элементная модель половины внутреннего объема тройника (Рисунок 6).
Для задания краевых условий при течении жидкости во внутреннем объеме тройника также воспользуемся условиями полного прилипания [5, 12] на его боковых поверхностях
(Таблица 4).
Таблица 3. Список команд построения твердотельной модели внутреннего
ооъема отвода
N Кочавда
1. .FELNAME, PipeTee: 0
2. . PREP7
D = 0.5
4. D1 = 0.3
5. г = 0.05
б. H = 0.5
7. F = 0.3
S. Т = 0.04
9. T1 = 0.03
10. ТВ = (Т-Т1 >. 2
и. L = 2*D
12. V = 0.12
13. Р = 3*(1Е-5)
14. К, 1, 0, 0, 0
15. К, 2. Е>1. 2-Т1, 0, 0
16. К, 3, Dl 2-Т1 , 0, (H D 2-Т)
17. К, 4, F: 0: -(H-D/2-КГ)
13. К: 5, F, 0, -Н
19. К, 6, 0, 0,-н
20. *DO i,l,5
21 LSTR, i, 1-1
22. *EKDDO
2.3. LSTR, 6, 1
24. LFELLT, 2, 3, r-TB
N Команда
25. AROTAT, 1......6. 1. 90. 1
26. AROTAT, 4......5. 6, ISO, 1
27. VDRAG, 1......6
28. VDRAG: 2......5
29. VDKAG; 1, , , , , ,2,1
30. VADD, ALL
31 LSTR, 2 7, 29
32. ASBL, 34: 13, DELETE
33. AL-. 13, 44= 54. 52
34. VA, 3: 22, 29, 5
35. VADD, ALL
36. AADD, 13 ,27,19,21,28, 31,33,30,20
37. AADD, 11, 26, 24, 25
38. VSYMK1, X, 2, , , , , 0
39. VADD, 1, 2
40. AADD, 12, 16
41. NTJMCMP, ALL
42. VOFF ST, 5, L
43. VOFFST, 1, -L
44. VOFFST, 2, L
45. VADD: ALL
46. AADD, 17, 16, 8, 13, 24, 25, 21,22
47. NUTvlCMP, ALL
48. —
Таблица 4. Команды построения конечно-элементного разбиения геометрической модели и задания краевых условий
N Команда
1. ESIZE. D/5
2. ET, 1. FLUID 142
3. MSHAPE. L 3D
4. VMESH. 1
5. ASEL. S, AREA. , 2, 16
6. ASEL. U, AREA, . 10
7. ASEL. U5 AREA, , 12
8. ASEL. U5 AREA, , 15
N Команда
9. DA. ALL. VX, 0, 1
10. DA. ALL. VYj 0, 1
11. DA. ALL. VZ, 0: 1
12. ASEL. ALL
13. DA L VY. 0, 1
14. DA. 15. VX, -V, 1
15. DA 10: PRESS. 0; 1
16. DA 12. PRESS. 0; 1
С помощью пункта меню Main Menu> Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply> Fluid/CFD> Velocity> On Areas выбираются поверхности A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9, A11, A13, A14, A16 и после подтверждения выбора нажатием кнопки OK в следующем
появившемся диалоговом окне задаются равные нулю все проекции скоростей потока Vx load value, Vy load value, Vz load value на выбранных ранее поверхностях, при этом надо установить флаг Yes в поле Apply to Boundary lines. Нажимаем Apply. Выбираем поверхность A1, нажимаем OK и задаем нулевую проекцию скорости VY нормально плоскости симметрии объема тройника. Еще раз нажимаем Apply. Выбираем поверхность A15 и устанавливаем направление входного потока вдоль оси 0Y (Vy load value) и величину скорости потока равную параметру V.
Завершаем назначение краевых условий с помощью пункта меню Main Menu> Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply> Fluid/CFD> Pressure DOF> On Areas выбираем торцевые поверхности A10 и A12 и указываем инкремент давления по отношению к манометрическому (0) на выходе потока из тройника.
Список команд для задания параметров, начала работы в препроцессоре, построения геометрии отвода, создания конечно-элементной сетки и задания краевых условий приведен в таблице 4.
Задание физических свойств несжимаемой жидкости для всех моделей внутреннего
объема фитингов
Физические свойства жидкости задаются с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> FLOTRAN Set Up> Fluid Properties. В окне Fluid Properties необходимо указать, что значения плотности и вязкости жидкости постоянны, выбрав Constant в списках Density и Viscosity. В появившемся окне CFD Flow Properties следует указать значения плотности 1000 кг м3 и вязкости 0.000894 Па*с жидкости в полях Density и Viscosity [4].
Задание термодинамических характеристик невозмущенного потока осуществляется с помощью пункта меню Main Menu > Preprocessor > FLOTRAN Set Up > Flow Environment > Ref Conditions. В окне Reference Conditions следует указать необходимею величину манометрического давления P в поле [FLDATA], PRES, REFE.
Список команд для задания параметров среды приведен в таблице 5.
Выбор алгоритма решения поставленной задачи осуществляется с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> FLOTRAN Set Up> Algorithm Cntrl. В окне Algorithm Control необходимо выбрать алгоритм Simplen. Назначение количества итераций осуществляется с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> FLOTRAN Set Up> Execution Cntrl. В окне Steady State Control Settings необходимо указать число итераций 500 в Global Iterations.
При решении задачи может возникать ошибка с указанием на то, что в решаемой матрице на определенной итерации получаются отрицательные элементы. Обойти данную
ошибку можно с помощью пункта главного меню Main Menu> Preprocessor> FLOTRAN Set Up> Relax/Stab/Cap> MIR Stabilization. В окне MIR Stabilization необходимо указать 0.3(0.35 для отвода) в MOME Momentum Equation и, по необходимости, можно далее поднимать это значение до 1.
Таблица Список команд, задающих свойства среды
N Команда
1. FLDATA7, PROT, DEXS, CONSTANT
т FLDATA8, XOML DENS. 1000
3. FLDATA7, PROT, VI SC, CONSTANT
4. FLDATAS, NOMI, VISC, 0.000894
5. FLDATA7, PROT, COND. CONSTANT
6. FLDATAS, XOML COND, -1
7 1. FLDATA7. PROT. SPHT: CONSTANT
8. FLDATAS, NOMI, SPHT: -1
9. FLDATA15, PRES, REFE. P
Для запуска подготовленных решений задач тройника и отвода, необходимо выбрать пункт главного меню: Main Menu > Solution > Run FLOTRAN.
Все перечисленные пункты меню от создания конечно-элементного разбиения моделей до решения задач параметрических моделей тройника и отвода написаны кодом APDL в таблице 6.
Чтение последних результатов решения задачи и их отображение Все задачи турбулентного течения даже стационарные решается итерационно. Поэтому, чтобы получить доступ к результатам решения, необходимо прочитать последние по времени данные решения. Выполняется это с помощью пункта меню: Main Menu > General Postproc > Read Results > Last Set [12].
Для отображения результатов в векторном виде необходимо воспользоваться пунктом меню Main Menu > General Postproc > Plot Results > Vector Plot> Predefined. В появившемся окне следует выбрать требуемые результаты в списке и, если необходимо, изменить размеры векторов скоростей потока (Рисунок 7) [12].
Таблица 6. Список команд, задающих свойства среды
Команда
1. FLDATAL SOLU. TRAN, 0
2. FLDATAL SOLU, TEMP, 0
3. FLDATAL SOLU, TURB. 1
4. FLDATAL SOLU. COMP, 0
5. FLDATA24. TURB, MODL, 3
6. FLDATA37. ALGR. SEGR. SIMPLEN
7 FLDATA2, ITER, EXEC, 500
8. FLDATA34. MIR: MOME, 0.35
9. FINISH
10. /SOL
11. SOLVE
12. FINISH
Рисунок. 7. Поле скоростей в параметрических моделях отвода (а) и
тройника (б) Выводы
Предложена параметрическая модель исследования вихревого стационарного течения в таких фитингах как отводы и тройники. В качестве перекачиваемой среды
рассматривается вода. Установлено, что выбор радиуса отвода обуславливается требованием минимального падения давления на его выходе.
Для тройника установлено, что он вызывает существенное падение скорости потока воды. При этом если в боковом патрубке давление чуть больше чем на втором выходе, то обыкновенный тройник может работать как вакуумный насос. Анализ выполнен средствами FLOTRAN CFD программы ANSYS 10 ED.
Методика может быть применена для любых конструкций фитингов, связанных с расчетом движения вязкой жидкости. Решение поставленной задачи позволяет оценить размеры областей, в которых происходит торможение потока и внести корректировки в проектную документацию.
Список использованной литературы
1. Часс С.И. Гидромеханика в примерах и задачах / С.И. Часс. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006. - 216 с.
2. Ковальногов Н.Н. Основы гидравлики / Н.Н. Ковальногов, Е.Н.Коврижных. -Ульяновск: УВАУ ГА, 2004 -86 с.
3. Лапшев H.H. Гидравлика / H.H. Лапшев - М .: Издательский центр «Академия». -272 с.
4. Кравчук А.С. Моделирование стационарного турбулентного обтекания цилиндрического препятствия потоком вязкой несжимаемой жидкости в ступенчатой трубе / А.С. Кравчук, И.А. Тарасюк // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. -2017. - Т.5, №2. - С. 26-31.
5. Шабаров В.В. Применение системы ANSYS к решению гидрогазодинамических задач / В.В. Шабаров. - Нижний Новгород: ННГУ, 2006 - 108 с.
6. ГОСТ 17375-2001 Детали трубопроводов бесшовные приварные из углеродистой и низколегированной стали отводы крутоизогнутые типа 3D (R = 1,5 DN). Конструкция. — Москва: Стандартинформ, 2010.
7. ГОСТ 17380-2001 Детали трубопроводов бесшовные приварные из углеродистой и низколегированной стали. Общие технические условия. — Москва: Стандартинформ, 2006.
8. Кравчук А.С. Лекции по ANSYS с примерами решения задач: курс лекций для студ. механико-математического фак, обуч. по спец. 1-31 03 02 «Механика (по направлениям)». В 5 ч. Ч. 1. Графический интерфейс и командная строка. Средства создания геометрической модели: Электронная библиотека механики и физики. / А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк, А.И. Кравчук. - Минск: БГУ, 2013. - 130 с. - URL: http://elib.bsu.by/handle/123456789/43440 (дата обращения 01.02.2017).
9. Кравчук А.С. Лекции по ANSYS с примерами решения задач: курс лекций для студ. механико-математического фак., обуч. по спец. 1-31 03 02 «Механика (по направлениям)». В 5 ч. Ч. 2. Средства отображения и редактирования геометрических компонентов твердотельной модели. Примеры создания твердотельных моделей средствами ANSYS для решения физических задач: Электронная библиотека механики и физики. / А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк, А.И. Кравчук. - Минск: БГУ, 2013. - 145 с. - URL: http://elib.bsu.by/handle/123456789/43443 (дата обращения 01.02.2017).
10. Кравчук А.С. Лекции по ANSYS с примерами решения задач: курс лекций для студ. механико-математического фак., обуч. по спец. 1-31 03 02 «Механика (по направлениям)». В 5 ч. Ч. 3. Определение физических констант материалов и конечноэлементное разбиение твердотельной модели. Примеры выполнения этих действий с построенными ранее моделями: Электронная библиотека механики и физики. / А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк, А.И. Кравчук. - Минск: БГУ, 2013. - 193 с. - URL: http://elib.bsu.by/handle/123456789/43444 (дата обращения 01.02.2017).
11. ГОСТ 17376-2001 Детали трубопроводов бесшовные приварные из углеродистой и низколегированной стали. Тройники. Конструкция. — Москва: Стандартинформ, 2006.
12. Кравчук А.С. Лекции по ANSYS с примерами решения задач: курс лекций для студ. механико-математического фак., обуч. по спец. 1-31 03 02 «Механика (по направлениям)». В 5 ч. Ч. 4. Ограничения и нагрузки. Разделы Solution и General Postproc главного меню. Примеры постановки краевых задач, их решения и просмотра результатов: Электронная библиотека механики и физики. / А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк, А.И. Кравчук. - Минск: БГУ, 2013. - 118 с. - URL: http://elib.bsu.by/handle/123456789/43445 (дата обращения 01.02.2017).
