Коэффициент гидравлического сопротивления: адекватный численный расчет и расчет по ГОСТ.

[Jesse 979]

Почти год считаю всякую запорную арматуру дебильному ГОСТу 34437-2018...

Дело в том, что со спроектированной арматурой проводят испытания на коэффициент гидравлического сопротивления (КГС) по вышеуказанному ГОСТу. Цель - шоб численный расчет попал в испытания (ключевой параметр - перепад давления и КГС, который в области квадратичного сопротивления должен оказаться в установленном в ТЗ диапазоне).

Дебилизм в том, что испытания всё равно как-то по-своему проводят, с отклонением от ГОСТа. 

К примеру, порой они во входной патрубок, скажем, ДУ350мм, "загоняют" патрубок для подачи воды намного меньшего диаметра.

Что касается измерений, то среднее по сечению давление замеряют (требование ГОСТ и на испытаниях тоже так делают) на расстоянии 2*ДУ от входа и и 6*ДУ от выхода... Имхо это во многих случаях неверно, т.к. на таком малом расстоянии могут сохраняться возмущения потока от арматуры - расчёт не раз подтверждал. Доп-е входные участки с боков берут 20ДУ с каждой стороны.

 

В связи с этим собственно вопрос: а как вообще правильно считать?)

Условия кратко: развитая турбулентность, Re>20000, стационарный расчёт.

Предполагаю делать следующим образом:

Имеем такой простенький клапан для примера

Входные участки слева и  справа по 40*ДУ - оценка Никурадзе с хорошим запасом (кто-то считает, что для турбулентного режима хватает и 10*ДУ), чтоб поток установился. 

Считаем с постоянной скоростью/расходом на входе и атмосферой (открытый патрубок) на выходе. Цель и параметр остановки расчета - перепад давления на обоих концах.

Задаём хотя бы 5-6 точек в диапазоне Re 20000...500000, ожидая выйти на плато примерно как здесь

Перед параметрическим расчётом делаем анализ сеточной сходимости на каком нибудь среднем Re.

Делаем параметрический расчёт. И теперь самое интересное - от перепада давления на обоих надо вычесть (по-хорошему, в каждом расчётике свои) потери по длине. Тут чистая эмпирика, для турбулентного режима есть разные оценки коэфф-та лямбда: Блазиус, тот же Никурадзе. Для гидравлически шероховатых труб - диаграммы Муди. Подбираем лямбда, находим аналитически dP по длине, вычитаем это дело из общего dP, полученного в численном расчете.

Хотя мне попадались расчёты, где люди брали тупо трубу (в нашем случае длиной 80*ДУ), и прогоняли её в численном счёте. Т.к. сопротивления формы у неё нет, то весь dP суть потери по длине. Хотя мне кажется это слишком геморройно, и проще посчитать аналитикой... 

В конце берём окончательный dP без учёта потерь по длине, и по формулке КГС=2dP/pv². Строим график КГС vs Re.

Тут много мелких вопросов. К примеру, попадалось такое что по вышеуказанной формуле Дарси-Вейсбаха находят сначала КГС для общих потерь, затем КГС по длине, и вычитают из первого второе. По идее это то же самое что я выше расписывал, но всё равно. 

Ещё попадались предложения добиться сходимости по входному участку (@karachun, как дела?)

 

Короче , кто как делает? Как правильней?)

 

[karachun 2 038]

24 минуты назад, Jesse сказал:

Ещё попадались предложения добиться сходимости по входному участку

Думаю 40 диаметров более чем достаточно, в любом случае можно посчитать модель с 20 и 10 диаметрами и сравнать.
А так я делал все как ты говорил - добавлял входной и выходной участки и потом вычитал их сопротивление, вычисленное по аналитике. Это же прямая труба, для нее все уже давно просчитано много раз.

 

Что еще из подводных камней приходит на ум это возникновение кавитации в задвижке, но возможно есть методики по которым можно исходя из давления, скорости и свойств жидкости показать аналитическим расчетом что кавитации не будет и моделировать ее не нужно. Нужно искать в учебниках.
 

34 минуты назад, Jesse сказал:

В конце берём окончательный dP без учёта потерь по длине, и по формулке КГС=2dP/pv². Строим график КГС vs Re.

В справочнике Идельчика для Re>10000 идет один коэффициент, Наверное и по результатам расчета он не будет сильно изменяться.

[a_schelyaev 371]

Не Очень понятно зачем брать такие добавки на вход и выход по длине? Ну и что, что на выходе возмущения, они же и в реальности будут и значит отразятся в перепаде.

[Jesse 979]

1 час назад, karachun сказал:

Думаю 40 диаметров более чем достаточно, в любом случае можно посчитать модель с 20 и 10 диаметрами и сравнать.

ну, на больших моделях беру максимум 20 диаметров. Сходимость по патрубку делать затратно по времени, честно сказать, для таких больших моделей... Кое как сходимость по сетке сделаю - уже доволен. Кто-то на больших моделях вообще по сечению делает сходимость по сетке, т.е. решают по сути 2Д задачу. Видел такое, но имхо такое редко когда оправдано может быть...

 

1 час назад, karachun сказал:

Это же прямая труба, для нее все уже давно просчитано много раз.

да, пожалуй что так! Смотрел примеры валидации флоу, там хорошее совпадение с аналитикой даже для шероховатой трубы.

1 час назад, karachun сказал:

Что еще из подводных камней приходит на ум это возникновение кавитации в задвижке

у нас часто под большими давлениями проливают, типа совмещают с испытаниями на герметичность. Да и там вода 20 град, кавитация маловероятна. 
Беру кстати опорное  давление 1 Па или вообще по дефолту оставляю атмосферное, всё равно на абсолютное значение давления не смотрю - интересен только перепад. Для несжимаемой жидкости в стационаре действительно разницы никакой, как ты где-то писал. Кстати, тестил для интереса с большим опорным давлением на предмет численных неустойчивостей или сильных погрешностей в перепаде - разницы не заметил.. видимо, в FloEFD исп-ся какая-то двойная или четвертная точность (bin128). Хз, не узнавал какая там точность.

 

А так ребята с арматурного отдела обычно предупреждают про всякие фишки в течении типа кавитации (типа что она там скорей всего должна быть). За всё время один расчёт с кавитацией делал, руку набить не успел..

1 час назад, karachun сказал:

В справочнике Идельчика для Re>10000 идет один коэффициент, Наверное и по результатам расчета он не будет сильно изменяться.

Да, так и есть. Максимальная разница которую замечал 15-20%. Так чтобы условно в 2 раза скакнул КГС на как0м-нибудь очень большом Re такого точно не было

42 минуты назад, a_schelyaev сказал:

Не Очень понятно зачем брать такие добавки на вход и выход по длине?

не очень понятно, почему в госте такие маленькие добавки предлагают брать. Хотя там вроде было что это минимальное значение 2DN и 6DN, дескать берите больше. Но мне говорят считать по госту и "так же как считали до меня", а там мадам использовала именно эти значения

з.ы.: забыл про пристеночные функции!
в FloEFD исп-ся 2SWF - двухмасштабные пристеночные функции, которые как-то хитро меняют поток в зависимости от плотности сетки. Единственное участие пользователя тут - контроль стенки близ твёрдой стенки. В хэлпе пишут типа "грубая сетка может быть недостаточна, но и сильно плотная сетка может навредить". Короче, поиграться на простых примерах и понять таким макаром должно быть намного проще, чем пытаться разобраться как они работают

Осталось только придумать хорошую toy model

Изменено 9 марта 2023 пользователем Jesse

[Jesse 979]

14 часов назад, Jesse сказал:

Максимальная разница которую замечал 15-20%. Так чтобы условно в 2 раза скакнул КГС на как0м-нибудь очень большом Re такого точно не было

хотя ещё в прошлом году насчиталося такое

т.е. КГС скакнул в 5 раз. Но смотрю что в отчёт это не пошло, возможно налажал тут. надо перепроверить, если модель ещё жива))

[Jesse 979]

и в Идельчике, и в Вики пишут, что для продолговатых или сильно вытянутых тел уже не только площадь играет роль... т.е. по сути ещё один параметр добавляется

 

 

[soklakov 1 485]

09.03.2023 в 18:15, karachun сказал:

А так я делал все как ты говорил - добавлял входной и выходной участки и потом вычитал их сопротивление, вычисленное по аналитике.

Добавлять прямые участки для установления потока - это понятно и нормально, ок.

Но зачем перепад давления считать на всей модели? почему нельзя взять давление до и после агрегата, а лучше ровно там, где они берутся в эксперименте - 2Ду и 6 Ду, если уж сравнивать.

@Jesse последний как раз, когда я с этим пересекался, 5 Ду перед арматурой хватало для совпадения с экспериментом.  А без них - промахивались.

Для статистики, так сказать)

 

[Jesse 979]

1 час назад, soklakov сказал:

Но зачем перепад давления считать на всей модели? почему нельзя взять давление до и после агрегата, а лучше ровно там, где они берутся в эксперименте - 2Ду и 6 Ду, если уж сравнивать.

ну потому что на 2ДУ и 6ДУ всё ещё может быть неустаканившийся поток.
К тому же трение по длине растёт ~квадрату скорости, и при достаточно больших скоростях на суммарном участке труб 8ДУ падение давление по длине может составить большую величину отнсоительно падения давления на самой задвижке..

Поэтому пока что самая правильная метода опять-таки: замеряем перепад на концах длинных трубопроводов и отнимаем падение давление по длине трубопрвоодов, получаем падение павление на задвижке; считаем КГС по формулке.

Изменено 22 апреля 2023 пользователем Jesse

[soklakov 1 485]

3 часа назад, Jesse сказал:

ну потому что на 2ДУ и 6ДУ всё ещё может быть неустаканившийся поток.

Ну и что?

Надо определить сопротивление арматуры, не так ли?

Это разница давлений перед и после арматуры. 

Неустаканившийся поток в эксперименте пугает нас тем, что измеренное значение может быть мгновенным, а не средним, но при снятии чисел с модели проблемы нет.

 

Вы уже дали пространство полю давлений, создав трубы перед и после, дав потоку возможность устаканится. Теперь все - измеряйте свою арматуру, а не трубы.

3 часа назад, Jesse сказал:

Поэтому пока что самая правильная метода опять-таки

А чтобы узнать, что периметр муравейника примерно в три раза больше его диаметра, нужно обмерить в лесу сотню-другую муравейников. это правильная метода.

3 часа назад, Jesse сказал:

замеряем перепад на концах длинных трубопроводов и отнимаем падение давление по длине трубопрвоодов,

Измеряем а+б и вычитаем б.

А можно сразу а измерять.

[Jesse 979]

Обнаружил, что  линейные потери по длине гладкой трубы,

посчитанные аналитическим методом по формуле Никурадзе,

Nikuradze formula for lambda p.64 (1932).pdf

не совпадают с численными в SW.

Брал трубу D=130 мм длиной 40D, на входе скорость 5 м/с (вода 20 град), на выходе атмосфера. Re=650000; учитывал гравитацию и установление потока по длине (хотя при такой турбулентности едва была бы разница - видно что погран слой очень быстро развивается буквально за пару диаметров)

Аналитика: dP=6250 Па; Численный счёт: dP=18856 Па....
Понимаю, что существуют другие аналитические формулы, но смутила разница почти в 3 раза....
Хотя формула Никурадзе для широких диапазонов Re подходит. Где то пишут что вплоть до 10^8.

Мб кто прогонит у себя эту трубу, посмотрим у кого что получится

[MurzaykinDV 2]

Здравствуйте! Посчитал в fluente. Получил перепад полного давления 5700 Па. При этом на входе величина полного давления 18500 Па.

А величина статического давления на входе 6270 Па (она же и перепад статического давления по длине)

[Jesse 979]

30 минут назад, MurzaykinDV сказал:

Здравствуйте! Посчитал в fluente. Получил перепад полного давления 5700 Па. При этом на входе величина полного давления 18500 Па.

А величина статического давления на входе 6270 Па (она же и перепад статического давления по длине)

pardon, прогнал на бедной сетке, уже вижу разницу между (Total pressure - Atm)  и  (Static pressure - Atm)

з.ы.:
А разве не от полного давления надо отнимать атмосферу? чё то я вообще уже поплыл..

Я до этого проверял без гравитации (в этом случае по идее разницы не должно быть между  Total pressure - Atm  и  Static pressure - Atm) и получил примерно те же 18900 Па...

Изменено 18 мая 2023 пользователем Jesse

[Jesse 979]

20 минут назад, Jesse сказал:

по идее разницы не должно быть между  Total pressure - Atm  и  Static pressure - Atm)

Так. Перечитываю.

https://flowvision.ru/ru/support-menu-header-ru/blog-ru/polnoe-davlenie#:~:text=Для несжимаемой жидкости во FlowVision,*V^2%2F2 .

Total pressure это сумма динамического и статического давлений. Динамическое у нас на обоих концах одинаковое (скорость постоянна). Изменяется только статическое. Т.е. в данном случае (и интуитивно это тоже понятно) разницы не должно быть между Total pressure - Atm  и  Static pressure - Atm

 

[MurzaykinDV 2]

Насколько я понимаю, fluent и cfx (в нем кстати тоже примерно такие же значения получились и по статике, и по полному давлению) автоматически добавляют гравитационную составляющую в опорное давление. Наверно, в SW такие же алгоритмы

3 минуты назад, Jesse сказал:

Так. Перечитываю.

https://flowvision.ru/ru/support-menu-header-ru/blog-ru/polnoe-davlenie#:~:text=Для несжимаемой жидкости во FlowVision,*V^2%2F2 .

Total pressure это сумма динамического и статического давлений. Динамическое у нас на обоих концах одинаковое (скорость постоянна). Изменяется только статическое. Т.е. в данном случае (и интуитивно это тоже понятно) разницы не должно быть между Total pressure - Atm  и  Static pressure - Atm

 

Total Pressure = Static Pressure + (rho*V^2)/2. В данном примере на выходе 12500 Па. 

 

Собственно поэтому перепады статического давления и полного близки получились

[Jesse 979]

@MurzaykinDV короче, я понял. Надо отнимать от полного давления на входе полное давление на выходе

ну либо Статическое давление на входе минус статическое/атмосферное на выходе

Эх, а говорили мне "не решай сложную задачу, не решив простую"....

Изменено 18 мая 2023 пользователем Jesse

[soklakov 1 485]

27 минут назад, Jesse сказал:

Надо отнимать от полного давления на входе полное давление на выходе

ну либо Статическое давление на входе минус статическое/атмосферное на выходе

Очень интересно. 

А как же было до того, как это стало понятным?

[Jesse 979]

8 минут назад, soklakov сказал:

А как же было до того, как это стало понятным?

Да просто потоком решаю по вышеуказанное методике в первом посте 2DN-6DN  и уже успел подзабыть/запутаться как правильно

Т.е. так: я давно как-то разобрался, понял что к чему, глянул туторы и т.д. Но ввиду редкого использования верной методы, а просто замера давления по сечениям, получилось криво сейчас, когда считал задвижку не по сечениям,,)))

2 часа назад, Jesse сказал:

другие аналитические формулы

кстати, формула Блазиуса и др. дают почти то же самое. +-5% разница

Изменено 18 мая 2023 пользователем Jesse

[soklakov 1 485]

13 минут назад, Jesse сказал:

просто замера давления по сечениям

Просто замер - это в итоге что давало? Какое давление в сечении?

[Jesse 979]

19 минут назад, soklakov сказал:

Просто замер - это в итоге что давало? Какое давление в сечении?

В каких то случаях близко к "правильной" методе, в каких то не очень. Или ты про что то конкретное спрашиваешь?)