CC BY
39
УДК 66.021.1
А. Г. Мухаметзянова, В. Н. Сосков, К. А. Алексеев, Н. В. Долгова
СОЗДАНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ РАСЧЕТНОЙ ОБЛАСТИ И ГЕНЕРАЦИЯ СЕТКИ ДЛЯ CFD-МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ ПОТОКА В СТАТИЧЕСКИХ СМЕСИТЕЛЯХ KENICS KM. ЧАСТЬ 1
Ключевые слова: численное моделирование, гидродинамика, статические смесители.
Подробно рассмотрены этапы создания трехмерной расчетной области и генерация сеточной модели для CFD-моделирования гидродинамики потока в статических смесителях Kenics KM. Особое внимание уделено особенностям построения трехмерной модели в программном продукте КОМПАС 3D с целью последующего импорта модели в препроцессоре GAMBIT. Учтена возможность дальнейшей параметризации трехмерной модели смесителя.
Keywords: numerical modeling, hydrodynamics, static mixers.
Considered in detail the steps of creating a three-dimensional computational domain and the generation of grid model for CFD-simulation flow in hydrodynamics static mixers Kenics KM. Particular attention is paid to the peculiarities of constructing three-dimensional models in a software product KOMPAS 3D for subsequent import model in the preprocessor GAMBIT. Noted possibility of further parameterization three-dimensional model of the mixer.
Введение
Стремительное развитие вычислительной техники и методов численного решения задач гидродинамики и тепломассообмена привело к тому, что во многих областях науки и техники численные исследования физических явлений и процессов переноса энергии, импульса и массы становятся определяющими. Информация, полученная с помощью численных расчетов, позволяет не только правильно осмыслить и понять физические эффекты, наблюдаемые, например, на экспериментальных установках, но и в некоторых случаях заменить физический или натуральный эксперимент компьютерным как более дешевым. Интенсивно развиваются так называемые CFD (Computational Fluid Dynamics) методы вычислительной гидродинамики [1], основанные на современных компьютерных технологиях, новейших математических моделях процессов переноса массы импульса и энергии, а также эффективных и высокоточных численных алгоритмах.
В настоящее время широкое распространение получили CFD пакеты вычислительной гидродинамики и тепломассообмена для проведения как научно-исследовательских, так и инженерных расчетов [2-4].
Среди вычислительных пакетов можно упомянуть такие, как AcuSolve; ADINA; ANSYS CFX; ANSYS Fluent; Autodesk Simulation CFD; Comsol Multiphysics; FloEFD; FlowVision; OpenFOAM; Phoenix; Star-CD; CD-adapco; Star-CCM+; Stallion 3D; XFlow; и др. Характерная для всех CFD пакетов структура включает в себя препроцессор, решатель и постпроцессор.
Как правило, препроцессор вынесен отдельно и представляет собой приложение, с помощью которого выполняются задачи подготовки входных данных для проведения численного эксперимента.
В настоящей работе объектом исследования выступает гидродинамика потока в статических смесителях Kenics KM, а инструментом исследования вы-
бран один из наиболее мощных средств вычислительной гидродинамики комплекс ANSYS Fluent [5].
Здесь будут описаны действия препроцессора GAMBIT [6], поставляемого вместе с ANSYS Fluent, для создания геометрии расчетной области и сеточной модели статических смесителей Kenics KM.
Построение геометрии расчетной области статических смесителей Kenics KM
Препроцессор GAMBIT предоставляет возможность построения расчетной области четырьмя способами:
1. по ограничивающим его поверхностям;
2. вращением существующей поверхности вокруг выбранной оси;
3. движением поверхности вдоль выбранной линии или вектора;
4. по граням.
Построить отдельный винтовой элемент Kenics KM возможно первым способом. Для этого необходимо создать шесть элементов: две винтовые поверхности и 4 грани, соединяющие их между собой.
Винтовая поверхность может быть построена с помощью сетки линий. Однако, для создания сетки линий необходимо выполнить предварительные расчеты, чтобы определить траекторию этих линий и возможный способ их построения, что представляет собой весьма трудоемкий процесс. К тому же, параметризация модели в препроцессоре GAMBIT возможна внесением исправлений в журнальный файл, что представляет собой рутинную процедуру повторяющихся действий.
При необходимости геометрию расчетной области можно импортировать в GAMBIT, используя любые широко известные форматы. В настоящей работе выбран путь создания геометрии в CAD-системе с последующим импортом ее в GAMBIT, что вызвано сложностью и существенными временными затратами на построение 3D модели винтовых смесителей Kenics KM в препроцессоре GAMBIT. В
качестве системы проектирования предпочтение отдано программе АСКОН КОМПАС 3D, преимуществами которой является не только удобство построения нестандартных деталей, но и возможность параметризации модели [7].
Способ построения геометрической модели, предлагаемый в настоящей работе, предусматривает параметризацию диаметра трубы и размера винтовых элементов.
Построение геометрической модели винтовых насадочных элементов Kenics KM, предполагающее последующее импортирование модели в среду GAMBIT, включает следующие шаги:
1. На одной из базовых плоскостей создать эскиз. Построить окружность необходимого диаметра с центром, совпадающим с началом координат. В настоящей работе диаметр равнялся 200, что позволяет получить модели насадочных винтовых элементов для труб с диаметром до 200 мм.
2. На этом же эскизе построить горизонтальную вспомогательную линию, проходящую через центр окружности. Далее окружность разделить на 36 частей. Для этого выбрать инструмент «Точки по кривой», задать количество участков - 36, а в качестве начальной точки выбрать точку пересечения вспомогательной линии с окружностью.
3. Здесь же по полученным точкам построить отрезки, проходящие через центр окружности. В настоящей работе шаг выбран 10 градусов, количество шагов можно варьировать: чем меньше шаг, тем большую геометрическую точность можно получить на выходе.
Важно! При построении отрезков соблюдать одно направление. Например, первую точку выбрать справа, конечную слева, и далее по порядку по линии окружности (рис.1). В противном случае результат получится неприемлемым. Выход из режима эскиза.
4. На той же плоскости, где строилась окружность, создать новый эскиз. Нажать кнопку «Спроецировать объект» и выбрать горизонтальный отрезок (рис.1). Выход из режима эскиза.
5. На плоскости ZY создать новый эскиз, где построить отрезок, длина которого равнялась бы длине винтового элемента. Этот параметр будет подлежать параметризации, поэтому на данном этапе можно задать приблизительное значение, например, 300 мм. Вновь выбрать инструмент «Точки по кривой», задать количество промежутков равным 18 (рис.2).
6. Активизировав инструментальную панель «Вспомогательная геометрия», выбрать инструмент «Плоскость через вершину параллельно другой плоскости», и последовательно построить плоскости, проходящие через точки на отрезке, построенном ранее (рис.3).
Рис. 1 - Иллюстрация 3 и 4 шагов построения геометрической модели винтовых насадочных элементов Kenics КМ в среде АСКОН КОМПАС 3D
Рис. 2 - Иллюстрация 5 шага построения геометрической модели винтовых насадочных элементов Kenics КМ в среде АСКОН КОМПАС 3D
7. На каждой из этих плоскостей создать проекции отрезков, созданные в пункте 3.
Важно! На последней плоскости проекцию лучше не создавать, а построить отрезок в направлении, обратном самому первому отрезку.
8. С помощью команды «Операция по сечениям» создать новое тело. При этом в список сечений необходимо поместить все эскизы, содержащие по одному отрезку, созданные на параллельных плоскостях, а в качестве осевой линии указать отрезок с точками (см. шаг 5).
Рис. 3 - Иллюстрация 6, 7, 8 шагов построения геометрической модели винтовых насадочных элементов Kenics КМ в среде АСКОН КОМПАС 3D
В разделе «Тонкая стенка» выбрать тип построения тонкой стенки «Два направления», и указать одинаковые значения для толщины стенки 1 и толщины стенки 2. В настоящей работе толщина винтового элемента равна 2 мм, поэтому в каждом из этих полей стоит значение «1». После того, как выполнились все операции по настройке, нажать кнопку «Создать объект». Результатом выполнения опера-
ции будет являться созданный винтовой элемент Кеп^ КМ.
9. При создании деталей в АСКОН КОМПАС 3D края винтового элемента недостаточно плавные, что мешает корректному выполнению булевой операции вычитания объемов винтовых элементов из объема трубы. Для того чтобы решить эту проблему, необходимо создать на плоскости ZY эскиз и построить прямоугольник на расстоянии от оси винтового элемента, равном радиусу трубы (в настоящем примере 70 мм). Длина прямоугольника должна быть не меньше длины винтового элемента, а высота должна перекрывать его край (рис.4).
Далее, выбрав операцию «Вырезать вращением», задать в качестве оси вращения ось винтового элемента, выбирать прямое направление вырезания на угол 360 градусов. Проверить, что тонкая стенка отсутствует, и нажать «Создать объект».
Рис. 4 - Иллюстрация 9 шага построения геометрической модели винтовых насадочных элементов Kenics KM в среде АСКОН КОМПАС 3D
Элемент, закрученный в противоположную сторону, строится по такому же принципу.
Примечание. Если элементы Kenics КМ, как в настоящей работе, должны находиться вплотную друг к другу, лучше их строить как единую деталь, а не в сборке. При выполнении операции по сечениям (шаг 8) необходимо в настройках во вкладке «Результат операции» выбрать «Автообъединение», чтобы группа элементов Kenics КМ представляла собой одно тело, иначе, при выполнении булевой операции «Вычитание» могут возникнуть ошибки.
Параметризация модели винтовых насадочных элементов Kenics KM
Рассмотрим параметризацию диаметра трубы и длины винтовой насадки на примере построенного ранее единичного элемента Kenics КМ.
Параметризация диаметра трубы осуществляется следующим образом:
1. Выбрать эскиз, на котором строился прямоугольник для осуществления операции «Вырезать вращением», нажать «Редакти-
© А. Г. Мухаметзянова - д-р техн. наук, профессор кафедры процессы и аппараты химической технологии КНИТУ, [email protected]; В. Н. Сосков - к.т.н., доцент той же кафедры, [email protected]; К. А. Алексеев - к.т.н., ассистент той же кафедры, [email protected]; Н. В. Долгова - магистр группы 226-М3.2 КНИТУ, [email protected].
© A. G. Mukhametzyanova - doctor of technical science, Professor Department of Processes and devices of chemical technologies KNRTU, [email protected]; V. N. Soskov - candidate of technical Sciences, associate Professor of KNRTU, [email protected]; K. A. Alekseev - candidate of technical Sciences, assistant Professor, [email protected]; N. V. Dolgova - master group 226-M3.2 KNRTU, [email protected].
ровать». Активизировать инструментальную панель «Размеры», выбрать команду «Линейный размер», в настройках — вертикальный тип размера, и выставить размер между ближней стороной прямоугольника и осью винтового элемента.
2. Открыть диалоговое окно «Переменные» (Вид - Панели инструментов - Переменные), найти в списке необходимый эскиз и напротив имени (v100) во втором столбце «Выражение» вписать название переменной (R).
Параметризация длины винтового смесителя:
1. Выбрать эскиз, на котором находится отрезок, являющийся осью винтового элемента. Для этого отрезка установить линейный размер.
2. В диалоговом окне «Переменные» найти необходимый эскиз и во втором столбце напротив «v101» указать значение «L».
В верхней части диалогового окна «Переменные» развернуть пункт «Детали» и, кликнув правой кнопкой мыши на каждую из двух переменных, назначить их внешними. Открыть таблицу переменных, нажать кнопку «Читать внешние переменные». Поменять значения, нажать «Присвоить значения переменным».
Если изображение на экране не обновилось, нажать клавишу F5 (команда «Перестроить»).
Созданную 3D геометрическую модель винтовой насадки Kenics КМ необходимо сохранить в формате SAT, после чего с помощью операции импорта открыть данных файл в программе GAMBIT и приступить к выполнению второго и третьего этапов препроцессора: созданию расчетной сетки; заданию физических параметров, начальных и граничных условий и выбору алгоритмов расчета.
Литература
1. Роуч П. Вычислительная гидродинамика: Пер. с англ. -М.: Мир, 1980. - 616с.
2. Мухаметзянова А.Г., Алексеев К.А., Галимов Ф.Ф. Численное моделирование гидродинамики потока в слое нерегулярной насадки // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2015. № 5. С. 11.
3 . Мухаметзянова А.Г., Алексеев К.А. Общие принципы построения системы автоматизированного проектирования статических смесителей // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2014. № 1. С. 31-32.
4. Мухаметзянова А.Г., Алексеев К.А., Закиров Н.Н. Моделирование объемов и площадей зон загрязнения взвесью в водной среде // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 21. С. 361-364.
5. Fluent 6.3.26 users guide.
6. Gambit 2.3.16 users guide.
7. Азбука КОМПАС 3D V15.
