Нужна помощ специалиста по гидродинамике

[Evgenii88 0]

Здравствуйте. Я аспирант, специальность «Тепловые двигатели». Прошу совета у знающих людей. Так сложилось, что передо мной встала задача, требующая знаний из области в которой я практически не имею знаний (гидродинамика). Поэтому, я скорее всего, не совсем корректно и грамотно сформулирую свою задачу, но все же, очень прошу меня выслушать и если что не понятно переспросить и поправить.

Итак, задача – спроектировать электрогидравлический клапан, способный открывать за 0,45 миллисекунды проходное сечение потоку жидкости под высоким давлением (давление не менее 80-100 кгс/см2) и так же быстро и герметично перекрывать проходное сечение. Расход жидкости через клапан будет примерно 1 куб. дм./сек, то есть 1 литр в секунду. Нужно оптимально выбрать сочетание многих величин и не только «гидравлических» и «геометрических», но и скажем так «электромагнитных» (индуктивность, число витков обмотки, необходимая сила для перемещения запорного элемента клапана и т. п.). Срок на решение задачи 8 месяцев (возможно 14, но это при условии, что за первые 8 месяцев будет что-то конкретно рассчитано). В связи со всем вышесказанным следующие вопросы:

1)Самый волнующий вопрос - реально ли вообще спроектировать клапан с такими характеристиками и за такой срок? Я способен усваивать новую для меня информацию, и у меня развито техническое мышление, с математикой дружу.

2)С чего начать? Я честно говоря в растерянности. Читаю газовую динамику, литературу по методу конечных элементов и дифференциальным уравнениям с частными производными. Но не знаю за что взяться в первую очередь. Все вроде бы надо и метаюсь от одного к другому, это от чувства недостатка времени. Итак, с чего начать?

3)Какие из CFD программ нужно освоить и на каком уровне? Мне советовали COMSOL, но что посоветуете вы? Никогда в таких программах не работал и имею только общее о них представление. Работал в КОМПАС-3D.

4)Буду очень благодарен тому, кто согласится помочь советом, порекомендует конкретную литературу по гидродинамике и прикладной математике, литературу по расчетам гидравлических клапанов подобным моему, видеоуроками работы в CFD программах, конкретными практическими указаниями и рекомендациями.

Спасибо за уделенное внимание.

С уважением ,Евгений.

[a_schelyaev 366]

Нужно начать с того, чтобы две задачи развести по отдельным независимым процессам.

Отдельно смотрим динамику клапана с нужными характеристиками в гидродинамической постановке и определяем силы, на него действующие.

Потом с этими силами и перемещениями смотришь уже электротехническую часть.

Моделирование быстро закрываемого клапана сопряжено с кавитацией и ее воздействием на "железку.

В целом задача решаема. Пробуй <noindex>"Учись, студент!"</noindex> - тут взаимодейтсиве со студиоузами учащимися отрегулировано, практически, до автоматизма.

[GOLF_stream 293]

Если известны давление и требуемый расход, можно вычислить необходимый диаметр трубы и скорость жидкости. Собственно, на этом гидродинамика заканчивается.

Имея диаметр, можно вычислить площадь сечения (площадь заглушки). Это геометрия, пятый класс школы.

Зная площадь и давление, можно вычислить нагрузку на механизм заглушки. Это физика, школьный курс.

Дальше - чистая механика, что, надо полагать, уже по Вашей специальности.

Думаю, этого достаточно для аспиранта, чтобы дальше выполнить работу самостоятельно. Хотя, даже до этого аспирант должен был додуматься сам. Это по сути школьный курс физики.

Формулу, связывающую скорость жидкости, давление и расход тоже не трудно найти даже в тырнете, не говоря уже о справочниках.

Какие из CFD программ нужно освоить и на каком уровне?

Зачем они нужны для этой задачи? Всё вычисляется на бумаге (в Экселе).

В процессе открывания-закрывания могут возникнуть различные гидродинамические нюансы, но вряд ли они представляют интерес для расчёта. Хотя, могу ошибаться.

Как мне видится, задача сводится к простому:

1. Выбрать типовую конструкцию клапана. Тут лучше ничего не изобретать, а взять проверенные варианты, которые изготавливаются или могут быть изготовлены.

2. Рассчитать нагрузки и усилия на привод.

3. Подобрать требуемый привод.

В принципе, время выполнения - несколько часов, а не месяцев...

Или я не понял всей глубины поставленной задачи.

[a_schelyaev 366]

Вопрос в времени открывания. С какой стороны там ограничение стоит - не меньше или не больше или примерно. Если это все не жестко, то можно поиграться на бумажке значением скоростного напора и сопротивления, если в Идельчике есть такой тип клапана или проточной части.

Если ограничение жесткое, то для очистки совести нужно посмотреть на те разряжения, которые создаются в зазоре переменного во времени размера при закрытии клапана. А тут без CFD как?

[Evgenii88 0]

Время открывания должно быть хотя бы 0,45 миллисекунды, то есть не более. Но чем быстрее тем лучше. Идельчик, это я так понимаю автор справочника по гидравлическим сопротивлениям? Какую-нибудь CFD программу нужно осваивать в любом случае.

[GOLF_stream 293]

0,45 миллисекунды

так быстро? Такое вообще реально? Есть аналоги?

Может, 0,45 секунды?

[Evgenii88 0]

Нет, я не опечатался 0,45 миллисекунды, то есть 0,00045 сек. Вот и я задаюсь вопросом реально-ли такое? Подобием являются топливные форсунки Comon Rail с электромагнитным или пьезоприводом. В них давления впрыска достигают 150-200 кгс/см. кв. и время срабатывания еще меньше. Какое оно конкретно к сожалению сказать не могу, так как длительный поиск в гугле ничего не дал, кроме сомнительных данных из интернетовских статей неизвестно кем написанных. Но судя по тому что такие форсунки способны обеспечить так называемый двухфазный впрыск, то их быстродействие должно быть сопоставимо с моими требованиями. Но там на много меньше и расходы жидкости через проходное сечение, а стало быть и силы действующие на запорный элемент и усилия необходимые для его поднятия. Эти форсунки представляют собой электрогидравлический клапан непрямого действия, то есть электромагнит или пьезопривод открывают маленький клапан, освобождая проход топливу, а сам запорный элемент поднимается уже давлением топлива. В моем случае клапан должен быть тоже непрямого действия, подобный этим форсункам.

Изменено 27 февраля 2013 пользователем Evgenii88

[a_schelyaev 366]

Вы, главное, поймите, что дурная голова ногам покоя не дает.

Первичный набросок вам придется делать от руки в виде некоего проектировочного обоснования или расчета.

Если ваши мс и есть конечная цель, то дальше, когда к делу подключится ОМОН (CFD), все попытки договориться будут тщетны.

Вы бы скорость перемещния клапана бы оценили для заданной его массы. Там ведь могут такие усилия потребные для этого понадобятся, что гидравлическое сопротивление будет маленьким досадным недоразумением.

Понимаете?

:)

[luka 1]

Ознакомьтесь вот с этим:

<noindex>http://energy.power.bmstu.ru/e02/inject/i03rus.htm</noindex>

Возможно, это позволит решить какую-то часть вашей задачи. Или хотя бы провести оценочный расчет.

Вы, кстати, не ошиблись порядком? Давления впрыска для коммон-рейл не 150-200 бар, а в десять раз больше.

Почему, если не секрет, у вас такие сжатые сроки? Сейчас аспирантура 4 года. Заочная - пять.

[flow 2]

Здравствуйте, подобрал для вас статьи про систему Common Rail с конференций CIMAC - Cimac.rar. В одной из них говорится про время 6-10 мсек.

[Evgenii88 0]

Спасибо за ответы всем. Отдельно спасибо за ссылку luka и статьи flow. На днях в переводчике почитаю их.

Я понимаю, что мои вопросы могут показаться бредовыми. Я почему и спрашиваю реально ли создать такую конструкцию вообще, так как сам очень сомневаюсь и с такого рода задачами никогда не сталкивался. Но в любом случае, попробовать-то можно. Может быть давление и расход можно будет несколько уменьшить. Можно пойти таким путем. Стремится к минимальному времени срабатывания разными способами, вплоть до увеличения времени срабатывания, и посмотреть, до какого предела получится дойти. Поэтому вопрос: какую в моем случае лучше всего осваивать CFD? И с чего начинать? Я не бездействую в ожидании рекомендаций, но если кто-нибудь укажет на конкретные этапы освоения (что почитать прежде и.т.п.) мне будет проще, а главное быстрее. Я с CFD не знаком вообще, но меня эта область заинтересовала еще по одной причине, не относящейся к предмету идущего разговора.

Изменено 28 февраля 2013 пользователем Evgenii88

[Bookman 0]

порекомендует конкретную литературу по гидродинамике и прикладной математике, литературу по расчетам гидравлических клапанов подобным моему

Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П. Элементы клапанных устройств авиационных агрегатов и их надежность: Учебное пособие. - М.: Изд. МАИ, 1994

[a_schelyaev 366]

Я с CFD не знаком вообще, но меня эта область заинтересовала еще по одной причине, не относящейся к предмету идущего разговора.

Сперва осваиваем течение в трубе (при помощи самоучителя CFD инструмента), а потом добавляем туда подвижную границу.

[Eugeen 6]

Итак, задача – спроектировать электрогидравлический клапан, способный открывать за 0,45 миллисекунды проходное сечение потоку жидкости под высоким давлением (давление не менее 80-100 кгс/см2) и так же быстро и герметично перекрывать проходное сечение. Расход жидкости через клапан будет примерно 1 куб. дм./сек, то есть 1 литр в секунду.

При мгновенном закрытии клапана (а 0,45 миллисекунды - это практически мгновенно!) возникнет гидравлический удар (см. Н.Е. Жуковский - «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах». Эта работа, впервые напечатана в «Бюллетенях Политехнического общества» (№ 5 за 1899 год) ).

Рассчитать силу гидроудара можно по формуле Жуковского. Я сам видел результат закрытия клапана за 0.5 с на теплообменнике аварийного расхолаживания ВВЭР-1000 - 200 мм толщины трубная доска была срезана как бритвой! Пришлось увеличить время закрытия в 10 раз. Я не знаю Ваших размеров и типа жидкости, но Вы, на всякий случай, посчитайте гидроудар.

[Evgenii88 0]

Да, нужно обязательно учитывать возникновение гидроудара и колебания давления в подводящей линии им вызванные, та как они тоже будут оказывать влияние на работу. Еще я хотел бы услышать мнения тех, кто просматривает эту тему о том, возможно ли вообще спроектировать такой клапан. Или это нечто похожее на создание вечного двигателя?

Спасибо за советы всем и за книги. Тема продолжает быть для меня актуальной.

[luka 1]

У меня получилось, что при 4000 об/мин, ваши 0,45 мс - это порядка 11 градусов поворота вала.

Т.е. многоразовый впрыск, по идее должен требовать в разы большее быстродействие клапанов.

Так что можно предположить, что все реализуемо.

[Eugeen 6]

Я тут прикинул силу гидроудара. Получается что при скорости, например дизтоплива, через клапан ~ 10 м/с сила гидроудара будет порядка 100 атмосфер. Напомню, что при отражении гидроудара от закрытого конца трубы сила удваивается!

[Evgenii88 0]

Здравствуйте, возник один вопрос. Он заключается в выборе оптимального сочетания многих разнородных величин, влияющих на работу клапана: гидравлических, электромагнитных, массо-инерционных и так далее. Дело в том, что я вижу влияние их друг на друга и на конечную цель, коей является быстродействие, но как потом выбирать оптимальный вариант из множества затрудняюсь. Я попробую объяснить то, что меня интересует, ссылаясь на обсуждаемый здесь клапан.

Итак, допустим я составлю подробную математическую модель клапана, которая будет содержать данные о геометрических размерах проточной части и ее гидравлических свойствах, данные о свойствах рабочей жидкости, данные о свойствах силового электромагнита (число витков, индуктивность), данные о пружине, прижимающей запорный элемент к седлу и о том, какие для нее допустимы максимальные размеры и жесткость, данные о приводе, который будет питаться от клапана и т. д., и т. п. Одним словом включу туда все, чтобы она была максимально приближена к реальности. При этом в модели я установлю взаимосвязи между всеми этими геометрическими, гидравлическими, массо-инерционными, электромагнитными параметрами, установлю то, как изменение одной величины влияет на другие и как в конечном итоге влияет на быстродействие всей системы. Понятно, что различные сочетания всех этих параметров будут давать разное время срабатывания. Так вот. Существуют ли компьютерная программа, которая могла бы перебрать все возможные сочетания этих величин и выбрала оптимальный вариант из всего их множества? При этом задать программе, что за оптимальный принимать тот вариант, при котором, во-первых, время срабатывания минимально, вероятность возникновения вредных колебаний минимальна, исключать те варианты при которых размеры пружины и давление в приводе превышают разумные пределы, ну и тому подобное. Или таких программ не существует, и выбирать сочетание многих параметров придется «вручную», полагаясь, от части, на интуицию?

Изменено 16 марта 2013 пользователем Evgenii88

[a_schelyaev 366]

Существуют ли компьютерная программа, которая могла бы перебрать все возможные сочетания этих величин и выбрала оптимальный вариант из всего их множества? При этом задать программе, что за оптимальный принимать тот вариант, при котором, во-первых, время срабатывания минимально, вероятность возникновения вредных колебаний минимальна, исключать те варианты при которых размеры пружины и давление в приводе превышают разумные пределы, ну и тому подобное. Или таких программ не существует, и выбирать сочетание многих параметров придется «вручную», полагаясь, от части, на интуицию?

14,03,2013 г.

Называется системы оптимизации.

Но исскуство постановки задачи оптимизации достижимо, если отлажены все составляющие вашей задачи.

Т.к. они не отлажены, то говорить об оптимизации рановато.

А вам было бы полезно сперва вручную понять какие диапазоны вам нужно смотреть.

Если вы это вручную не определеите на бумаге, то оптимизатор будет месяцами считать вам задачу.

[Evgenii88 0]

Большое спасибо, очень интересно познакомиться с этими программами. А вы не могли бы привести конкретные примеры этих систем оптимизации. И еще может быть есть какие-нибудь сборники задач или что-то вроде того, направленные на формирование этого "искусства постановки задач оптимизации", где от простого к сложному и так далее?

Изменено 15 марта 2013 пользователем Evgenii88