Левитация тела в сопле

[eldart 0]

Здравствуйте.

С целью моделирования регулирования сверхзвукового сепаратора природного газа решил поставить более простую задачу - левитация тела в вертикальном сопле (например, шара при сверхзвуковом истечении идеального воздуха). Интересно было бы подобрать такую массу тела, при которой тело не падает и не улетает. К сожалению не смог найти подобных тем на форуме или статей на эту тему. Я CFX стал изучать совсем недавно, но успел понять, что моделирование истечения при сверхзвуковых скоростях весьма больная тема, поэтому интересно мнение опытных специалистов:

1) возможно ли смоделировать средствами CFX поставленную задачу? 

2) не проще ли просто в CFX моделировать истечение в сопле с обтеканием тела, а в постпроцессоре оценивать давление перед телом и за телом, вручную вычисляя по разности давлений нужную массу?

3) если ответ на 2-й вопрос положительный, то правильно ли я понимаю, что это должен быть перепад по total pressure?

[kristeen 355]

1. Скорее всего возможно. Но учитывая соотношение "востребованность / трудоемкость" есть сомнения в целесообразности получения "решения в лоб".

2. Проще

3. Нет. Легче и правильней оценить силы, действующие на тело, через Calculators > Function Calculator.

[HFL 34]

Вы такой сеткой хотите разрешить УВ которая возникнет на вашем шарике ? 

 

1 - Да

2-  Да

3 - Нет. Cила это интеграл статического давления по поверхности + интеграл сил трения по поверхности, в данном случае второй интеграл оценочно будет составлять доли процента от первого

 

 

PS: А что у вас за срезом сопла ? Объем с постоянным давлением ?

[eldart 0]

kristeen

1. Можно ли подробнее, в чем заключаются сомнения и есть ли способ их минимизировать?

3. Спасибо! Попробую.

 

HFL

Спасибо, учту. Сетку сделал на скорую руку. Проблема в размерах и кривизне?

 

PS: Хороший вопрос. За срезом сопла в случае сепаратора идет весьма длинная труба диаметра, как правило, того, же что и срез, после чего более мелкие трубки (теплообменник), затем газ попадает в компрессор и весь поток уходит к в магистральный трубопровод. Думаю, что можно считать это объемом с постоянным давлением, да (каким точно не ведаю, увы). В случае шарика, хотел хотя бы посмотреть на условие Opening.

[eldart 0]

Появились еще вопросы:

 

4. сильно ли будет страдать расчет при задании смеси реальных газов (wet hydrocarbons) с уравнениями состояния Редлиха-Квонга в случае моделирования сверхзвукового сепаратора?

5. не будет ли ломаться расчет из-за области низких температур, в которых некоторые компоненты смеси из реальных газов должны проходить свои критические температуры?

6. правильно ли я понимаю, что со сверхзвуком лучше работать только на сетке Hex?

[HFL 34]

Проблема в размерах и кривизне?

 

В данном случае в размере.

 

Проблема в том что сеткой нужно будет разрешить:

 

- пристеночный слой, в том числе возле шарика

- ударную волну которая будет перед ним.  

 

 

 

За срезом сопла в случае сепаратора идет весьма длинная труба диаметра, как правило, того, же что и срез, после чего более мелкие трубки

 

В данном случае это тоже придется учитывать. Оценочно сверхзвук будет иметь место быть перед  шариком и возможно (но маловероятно) в ближнем следе за ним. 

 

Кроме всего прочего весьма вероятно возникновение нестационарных отрывных зон как за  шариком так и далее возле стенок сопла что будет приводить к тому, что  аэродимамическая сила, действующая на шарик будет нестационарна. Но это уже вопрос точности модели.

 

Задача на самом деле не так проста.

[eldart 0]

В данном случае это тоже придется учитывать

 

7. продолжить стенку за соплом на очень большое расстояние, а на выходе задать outlet со стационарным давлением?

 

Задача на самом деле не так проста.

 

Действительно, задача не проста, поэтому хотел попробовать разрешить ее посредством CFX. Вообще, шарик получился неудачным примером, поскольку в сепараторе подразумевается, что тело является продольными вытянутым (сильно удлиненный конус с основанием вверху), проходящим в середине через критическое сечение, следовательно перед телом сверхзвук не будет образовываться точно.

 

Еще вопрос:

 

8. если эта задача может становиться нестационарной, то правильно ли я понимаю, что расчет с включенной настройкой стационарности будет просто не работать?

[HFL 34]

7. продолжить стенку за соплом на очень большое расстояние, а на выходе задать outlet со стационарным давлением?

 

 

Как один из вариантов. Но на очень большое не обязательно. 

 

Вообще, шарик получился неудачным примером, поскольку в сепараторе подразумевается, что тело является продольными вытянутым (сильно удлиненный конус с основанием вверху), проходящим в середине через критическое сечение, следовательно перед телом сверхзвук не будет образовываться точно.

 

Будет сверхзвук или нет определяется перепадом давления (когда говорят о критическом сечении подразумевается что в нем скорость газа равна скорости звука и соответственно там реализуются критические параметры потока), то что вы сейчас описали и то что нарисовали это две разные задачи. 

если эта задача может становиться нестационарной, то правильно ли я понимаю, что расчет с включенной настройкой стационарности будет просто не работать?

 

 

Работать будет, просто точность результата будет другая

[eldart 0]

то что вы сейчас описали и то что нарисовали это две разные задачи

 

Я уже написал, что шарик - пример неудачный. Лучше попробовать смоделировать сопло Лаваля с вытянутым стержнем посередине, расширяющимся ближе к выходу из сопла. Критические параметры будут в самом узком сечении.

 

Работать будет, просто точность результата будет другая

 

Видимо лучше сделать задачу нестационарной. Спасибо. 

[HFL 34]

Видимо лучше сделать задачу нестационарной

 

Это как раз не обязательно. Обычно сначала считают стационар а уже потом смотрят что получается в нестационаре (если есть сомнения в адекватности стационарной модели) 

[eldart 0]

Спасибо! Остались только неразрешенные вопросы 4,5,6 и вопрос к kristeen: 1. Можно ли подробнее, в чем заключаются сомнения и есть ли способ их минимизировать?

Изменено 7 ноября 2014 пользователем eldart

[eldart 0]

Попробовал задать сопло с телом случайным образом без расчета. На входе st,.pressure 1 MPa, st.temperature 300 K, velocity 40 m/s. На выходе st.pressure 0,3 MPa. Модель Shear Stress Transport, Total energy. Поток-смесь углеводородов с уравнениями Редлиха-Квонга. Тело по Function Calculator при очень низкой массе будет висеть.

Рост температуры и падение скорости объяснить не могу.

[HFL 34]

Рост температуры и падение скорости объяснить не могу.

 

 

Это как раз нормально. У вас на середине сопла между телом и стенкой сопла висит ударная волна за которой идет нагрев и торможение газа.

Картинки вполне физичные. Осталось получить цифру по аэродинамической силе не слишком расходящуюся с реальной.

[eldart 0]

HFL

Спасибо за объяснение! К сожалению я не специалист в области гидрогазодинамики вообще, мог только догадываться. Что касается аэродинамической силы - Вы имеете ввиду силу, действующую на тело в сопле? Если да, то у меня получилось порядка 10000 Н снизу до начала сужения и сверху примерно это же значение.

Еще вопрос возник: С чем может быть связан рост значения Pressure до 1,67 МПа, если на входе задан 1 МПа?

Изменено 7 ноября 2014 пользователем eldart

[kristeen 355]

вопрос к kristeen: 1. Можно ли подробнее, в чем заключаются сомнения и есть ли способ их минимизировать?

Нужно будет разбираться с rigid body солвером и делать расчет в нестационаре. Если освоите 6 dof и если есть в наличии мощная машина для решения -- то нет проблем) Покажете, что вышло.

[eldart 0]

kristeen

Спасибо, что указали направление для дальнейшей работы!

Но пока хотел только прикинуть, как при изменении давления на входе будет снижаться тело в сопле - это можно сделать несколькими расчетами (изменять в геометрии высоту тела, перестраивать сетку, подбирать в CFX давление на входе при постоянной массе, которое позволяло бы телу "висеть"). На освоение rigid body уйдет, видимо, немало времени. Что такое 6 dof  я, увы, не знаю. Думаю, что машину для решения найти не такая большая беда, как самостоятельно осваивать солвер.

[eldart 0]

Хотел бы еще спросить:

 

Если я задаю на входе только температуру и стационарное давление, а на выходе массовый расход, то программа считает, что на входе скорость и на выходе давление равны нулю или же происходит какой-то их перерасчет?

(т.е. однозначно известны на входе расход, давление и температура, на выходе только тот же расход, но не понятно, можно ли так задавать граничные условия)

[BadArtem 9]

Добрый день!

Подход подбором положения тела мне кажется более перспективным, чем rigid body.

 

Насчёт граничных условий: на входе можно задавать полное давление и полную температуру, на выходе - статическое давление. Расход будет вычислен в процессе расчёта.

 

Не надо задавать расход в этой системе: всё равно он будет определяться только полным давлением, полной температурой и площадью минимального сечения.

 

С уважением, Артём

 

UPD: наверное, если провести несколько расчётов и хорошо подумать, то можно составить одномерную модель для данной задачи.

Изменено 16 ноября 2014 пользователем BadArtem

[eldart 0]

BadArtem

Здравствуйте.

Спасибо за совет!

Только не ясно, что делать со статическим давлением на выходе - после устройства идет длинный трубопровод и компрессор. При подборе положения тела придется, видимо, как-то учитывать изменение статического давления на выходе, кроме того что на входе параметры будут меняться.

У меня есть несколько значений температуры, абс. давления и соответствующего расхода на входе в сопло - была идея задавать вход давлением, а выход расходом. Как в такой ситуации лучше поступить?

С уважением, Эльдар

[BadArtem 9]

Эльдар, в этой задаче ни в коем случае нельзя задавать расход на выходе.

 

Повторюсь: расход в этой системе будет определяться только полным давлением на входе Pвх*, полной температурой Твх* на входе и площадью минимального сечения. Давайте назовём его G.

 

Если в этой ситуации задать расход на выходе (Gout), произойдёт следующее:

1) Если Gout>G то статическое давление на выходе будет снижаться до абсолютного нуля (мы высасываем больше, чем проталкивается через критическое сечение!). Как только давление дойдёт до нуля, решатель упадёт.

2) Если Gout<G то статическое давление будет возрастать до прекращения сверхзвукового течения через критическое сечение и далее пока не установится баланс расходов.

3) Gout=G - подобрать такой вариант практически невозможно. Я бы не взялся это делать.

 

Теперь к Вашей ситуации: есть Рвх*, Твх*, Gвх. Необходимо найти 1) положение тела и 2) давление на выходе.

Предлагаю сделать так:

1) Задаём Рвх*, Твх* и любое разумное Рout (чтобы был сверхзвук) и подбираем положение тела таким образом, чтобы получался расход G=Gвх . Точность подбора можно ограничить 1% отклонения по расходу.

2) При найденном положении тела, подбираем Pout так, чтобы обеспечить "висение" тела в потоке (сила в осевом направлении близка к нулю)

 

С уважением, Артём Бадерников

 

PS Всё-же не лишним будет прочитать и понять главу по сверхзвуковому истечению газа через сопло.

Поиграйтесь с CFX на лёгких сетках с выпиской bak файлов, чтобы посмотреть промежуточные состояния.

Сравните решение CFX с одномерной теорией.

Изменено 17 ноября 2014 пользователем BadArtem