Нестационарный расчет. Подбор начальных и граничных условий.

[Jesse 958]

Всем Алоха! 
Имеется такая задвижка с клапаном (на рис. показан только корпус; клапан - красная стрелка).

 

Проходной диаметр порядка 500мм, рабочее давление 9 МПа. Среда - вода при 250 град С. На испытаниях при открытии задвижку клинит. Причина - огромные давления, которые мешают нормальной работе привода. Для решения проблемы было решено установить байпасный клапан, который перед открытием задвижки должен выровнить давление.
Т.к. соотношение диаметров очень велико, то решили проверить клапан на кавитацию. Также интересует время, за которое давление выровнится. 
Очевидно, расчёт нестационарный. Делал тестовые расчет на вот такой модельке с граничным условием 0,5 МПа на входе и с начальным условием 1 атм на выходе.

 

Обнаружил, что с таким набором условий давление выравнивается практически мгновенно. То есть программа полагает, что изначально система полностью заполнена средой, и соотв-но выравнивание давления происходит со скоростью звука. Но в моей задаче за затвором среды нет! Собственно, тут возникает вопрос: а как задать ГУ и начальные условия так, чтобы программа считала часть модели незаполненной водой? Проблема в том, что в стационаре таких банальных вопросов не возникает, ибо там разницы нет - в установившемся режиме всё равно заполнится. А считать нестац-ю задачу когда среда втекает в заполненную или пустую полость - 2 разные задачи.

 Пробовал для интереса ставить 2 ГУ давление на вход и выход, и вода начинает течь как надо. Но эти условия не подходят, т.к. справа у меня давление переменное по времени (растёт по мере заполнения), а не постоянное.

Проблемы также с моделированием свободной поверхности (хотя в данной задаче эта опция по идее не нужна). Вообще удивительно как мало в туторах и пособиях на эту тему. К примеру, вообще не оговорено, что в обязательном порядке надо ставить начальное условие на объём жидкости, хотя считает и без этого (хоть при этом и получается какая-то краказябра)...

 

 

[Борман 2 375]

На газовых магистральных трубах тоже есть краны, но там такие большие давления и диаметры, что на байпасном кране самого главного крана тоже есть байпас. У диаметра 1400 байпас 300, а у 300 байпас еще 100.

 

С учетом того, что у тебя вода, то можно просто определить гидравлические свойства этого байпасика, а уж потом время выравнивания по колхозному как-то найти. 

[karachun 2 038]

Сопротивление можно прикинуть по справочнику Идельчика, там даже есть коэффициенты сопротивления типичных задвижек, и уже зная сопротивление по аналитике же посчитать расход при известном перепаде давления, как предложил Борман.
Если нужно то я могу показать какие таблицы использовать.

Изменено 1 сентября 2022 пользователем karachun

[Jesse 958]

1 час назад, Борман сказал:

У диаметра 1400 байпас 300, а у 300 байпас еще 100.

а у сотки есть свой байпас? Эдакая "байпассная матрёшка" получается..

 

1 час назад, Борман сказал:

С учетом того, что у тебя вода, то можно просто определить гидравлические свойства этого байпасика, а уж потом время выравнивания по колхозному как-то найти. 

 

1 час назад, karachun сказал:

зная сопротивление по аналитике же посчитать расход при известном перепаде давления

господа! Это же всё для стационара?! У меня ведь (сильный) нестационар.

 

1 час назад, karachun сказал:

Сопротивление можно прикинуть по справочнику Идельчика

Идельчик сильная вещь. Приятно удивила инфа по пористым средам. Но увы - на работе любят цветастые картинки))

 

1 час назад, karachun сказал:

Если нужно то я могу показать какие таблицы использовать.

да. Если не трудно тыкни плз...

 

з.ы.: и ничего не сказали по поводу ГУ

Думаю, за затвором сделать длинный выход в 10-20 диаметров, и на его конце назначить граничное условие постоянного расхода. А на входе ГУ постоянное давление

Изменено 1 сентября 2022 пользователем Jesse

[Борман 2 375]

14 минут назад, Jesse сказал:

а у сотки есть свой байпас? Эдакая "байпассная матрёшка" получается..

Вот пример.

 

14 минут назад, Jesse сказал:

господа! Это же всё для стационара?! У меня ведь (сильный) нестационар.

Какой еще нестационар ?

Сначала выравнивается давление, потом открывается кран.

Изменено 1 сентября 2022 пользователем Борман

[karachun 2 038]

@Jesse по гидравлическим сопротивлениям. Как мне видится этот байпас можно разложить на такие части:

-) потери на вход и потери на выход, это разделы 3 и 11 соответственно в справочнике Идельчика 1975 г. Конкретные таблицы выбирай смотря как у тебя вварен этот байпас (наличие фасок и т.п.).
-) потери в прямых участках, раздел 2

-) потери в коленах, раздел 6

-) и потери в самой задвижке байпаса. Вот тут данные из справочника могут быть неточными, поищи в разделе 9 что-то похожее на свою задвижку байпаса. Вот тут можно ограниченно применить CFD и посчитать в стационаре сопротивление самой задвижки. Можно считать даже не зная реального расхода, только убедиться что течение турбулентное (а оно скорее всего таким и будет при таком огромном перепаде давления) при турбулентном течении коэффициент сопротивления не зависит от Re.

Посчитав все коэффициенты сопротивления для всех участков ты суммируешь их и из вот этого уравнения (которое пишется в каждой таблице) находишь среднюю скорость в трубе и расход.

P.S. Перечитал еще раз условие задачи - вода перегрета, при истечении в среду с атмосферным давлением она вся сперва начнет испаряться, пока давления не выровняются.

[Jesse 958]

2 часа назад, karachun сказал:

потери в самой задвижке байпаса. Вот тут данные из справочника могут быть неточными, поищи в разделе 9 что-то похожее на свою задвижку байпаса. Вот тут можно ограниченно применить CFD и посчитать в стационаре сопротивление самой задвижки

ну да. как минимум потому, что мы не знаем скорость на входе в байпасс, потому и не получится определить коэф-т сопр-я на байпасе...

 

2 часа назад, karachun сказал:

Посчитав все коэффициенты сопротивления для всех участков ты суммируешь их и из вот этого уравнения (которое пишется в каждой таблице) находишь среднюю скорость в трубе и расход.

так. Вычисляю среднюю скорость в гидросистеме, "по-колхозному" определяю время выравнивания давлений.
А что насчёт падения давления в байпасе? Так или иначе, все дороги ведут к cfd. Причём к полноценному cfd, то есть расчёту всей гидросистемы. А тут опять эти проблемы с ГУ.............

[karachun 2 038]

3 минуты назад, Jesse сказал:

потому и не получится определить коэф-т сопр-я на байпасе...

Коэффициент сопротивления не зависит от скорости если течение турбулентное. Так что определить его можно. А дальше зная общий коэффициент сопротивления в формуле у тебя получается одно неизвестное - скорость, перепад (пускай это только начальный перепад давления) тебе известен.

 

6 минут назад, Jesse сказал:

А что насчёт падения давления в байпасе?

А у тебя перепад давления в начале известен.

[Jesse 958]

11 минут назад, karachun сказал:

А у тебя перепад давления в начале известен.

Не совсем корректно сформулировал я..)
Не перепад давления, а значение (среднее) давления в байпассе нужно. Чтоб понять, будет кавитация или нет при этом значении давления и температуре.

 

13 минут назад, karachun сказал:

Коэффициент сопротивления не зависит от скорости если течение турбулентное.

Со второго раза понял..))

 

Возвращаясь к байпасу и определения давления в нём, я ведь опять-таки должен моделировать условно всю гидросистему. То есть я не могу взять только байпасс (клапан+трубки), и на концах труб задать ГУ перепад давления. Вся соль кавитации ведь в сужении  - не будет сильно сужающейся части при прочих равных условиях, не будет и сниженного давление в байпасе и кавитации. Поэтому надо моделировать байпас с большой задвижкой вместе ......

[karachun 2 038]

@Jesse Так задвижка же открывается полностью, там проходное сечение будет примерно как у самой трубы.