Расчёт трубопроводной арматуры в CFdesign

[kutukov 0]

Рассмотрим расчёт регулирующего клапана в CFdesign. 3D модель клапана создана в SolidWorks.

Цель

* Определить объемный расход Q через проточную часть регулирующей арматуры по известному перепаду давления ΔP

Условия

* 3D модель клапана построена в SolidWorks

* Рабочая среда - вода, температура 20 C

* Перепад давления ΔP = 3 кгс/см2 (~0.3 МПа)

* Расчёт проводился с помощью программного обеспечения CFdesign на компьютере с процессором Intel Core2 1.86 ГГц и оперативной памятью 2 ГБ

Геометрия

Проточная часть регулирующего клапана в SolidWorks

Пуск CFdesign через интерфейс SolidWorks (кнопка "Пуск CFdesign" в левом верхнем углу)

Расчёт

Общий (стандартный) алгоритм проведения расчётов в CFdesign: задать граничные условия (перепад давления, скорость, массовый или объёмный расход, температуру, источники тепловыделения, ...); создать конечноэлементную сетку (для первого приближения можно использовать сетку, полученную в автоматическом режиме); назначить свойства материалов (можно использовать базу материалов или создать свои); определить свойства для движущихся объектов (моделирование движения); настроить решатель (без учёта сжимаемости среды или с учётом, стационарный или преходный процесс, определить число итераций, произвести настройку сходимости, определить выходные величины) и запустить расчёт. Во время расчёта можно использовать инструменты визуализации и анализа результов. После проведения расчёта можно изучить модель, обратившись к файлам результатов или используя систему анализа результатов.

Для построения расчётной модели клапана использовалась 3D модель (SolidWorks). Рабочая среда подается через входной патрубок диаметром 145 мм. Для выхода воды используется выходной патрубок с аналогичным диаметром. Граничные условия на входе заданы давлением. Конечноэлементная сетка построена сеточным генератором CFdesign. Для расчётов использовалась однофазная модель течения жидкости с учётом турбулентности. Был проведен расчёт стационарного режима течения.

Назначение граничных условий. Определим перепад давления 3 кгс/см2 (~0.3МПа).

Проточная часть клапана. CFdesign определяет замкнутые области и строит внутренние объёмы.

Задание материалов. Рабочая среда - вода; корпус, направляющие и золотник - алюминий (задавать материалы твёрдых тел необязательно для данного расчёта).

Конечноэлементная сетка из тетраэдров

Продольное сечение проточной части. Золотник. Сетка из призм для пограничного слоя.

Распределение давления в продольном сечении

Векторное распределение скоростей в продольном сечении

Изоповерхность скорости вокруг золотника и на выходе. Распределение скорости (изоповерхности) в шкале давления.

Трассировка проточной части (построение линий тока). Анализ зон рециркуляции.

График давления (слева) и скорости вдоль кривой (выделена красным цветом)

Расчёт силы, действующих на стенки золотника (поверхность, выделена желтым цветом)

Моделирование движения. Изучение поведения элементов под действием гидродинамической силы (вибрации, колебательные движения). Расчёт сил, перемещений.

Выводы

Проведен гидравлический расчёт регулирующего клапана, получено значение объёмного расхода Q = 133 м3/ч при помощи программного обеспечения CFdesign. Результат, полученный из физического эксперимента равен 131 м3/ч. Разница результатов расчёта на CFdesign и экспериментальных данных составляет 1.5 %. Получена трёхмерная расчётная модель клапана для численного исследования гидравлических характеристик.

Расчёт клапана в CFdesign позволяет определить области с неоптимальным течением потока, а следовательно определить, где необходимо изменить геометрию для того, чтобы улучшить характеристики клапана.

Арматуростроение - одна из приоритетных отраслей для CFdesign. Точность расчёта трубопроводной арматуры для широкого класса задач в диапазоне 1 - 10 %.

Некоторые характерные задачи арматуростроения, которые можно решать в CFdesign:

* Увеличить поток при сохранении перепада давления

* Уменьшить потерю давления для заданного расхода

* Предотвратить кавитацию

* Исключить эрозионные зоны

* Изучить движение среды в проблематичных зонах (сужение проходного сечения)

* Определить локальный перепад давления

* Сравнить несколько вариантов расчёта

* Промоделировать движение объектов (обратный клапан, заслонка)

* Вычислить силы и давления на стенках проточной части

* Рассчитать расход через заданное сечение

* Провести оптимизацию проточной части арматуры

Изменено 9 февраля 2009 пользователем kutukov

[gsy 0]

А почему только одна точка взята для сравнения? Слишком уж точность удивляет для таких сложных расчетов. И сколько узлов сетки было, исключая трубы?

[kutukov 0]

А почему только одна точка взята для сравнения? Слишком уж точность удивляет для таких сложных расчетов. И сколько узлов сетки было, исключая трубы?

Была поставлена задача для одной точки. Если бы просили считать для кривой, то сделал бы серию расчётов для разных режимов.

Когда делал данный расчёт экпериментировал с различными настройками (сетка, решатель, материалы, ...), то для данной точки результаты укладывались в диапазоне 1.5 - 5 %.

Мне кажется это стандартная задача для CFD кодов. Несжимаемя жидкость, модель турбулентности k-e, рабочая среда вода при температуре 20, напор ~ 0.3 МПа. Если я не прав, пусть меня поправят.

Сетка состоит из 536 844 узлов и 1 891 819 элементов (c учётом труб).

Да, ещё такой момент около 40 % (статистика разработчика) пользователей CFdesign решают задачи, связанные с управлением потока (трубопроводная арматура, гидравлические системы, насосы, ...), поэтому при решении задач подобного типа у пользователя есть уверенность в хорошой сходимости. Программа развивается с 1992 года (17 лет, 10-ая версия).

Геометрия, модели, отчёт могут быть представлены на <noindex>открытой лаборатории</noindex>.

Александр

Изменено 13 февраля 2009 пользователем kutukov

[gsy 0]

По ходу еще два вопроса появилось.

1. Какой процент составляет гидравлическое сопротивление клапана от суммарного сопротивления (легко можно вычислить по потере полного напора).

2. Вам не кажется, что давление за клапаном не коррелирует с полем скорости в районе вихря? В этой связи хотелось бы посмотреть еще и на кинетическую энергию турбулентности в этой зоне. Да, и сколько итераций потребовалось до сходимости?

[kutukov 0]

По ходу еще два вопроса появилось.

1. Какой процент составляет гидравлическое сопротивление клапана от суммарного сопротивления (легко можно вычислить по потере полного напора).

2. Вам не кажется, что давление за клапаном не коррелирует с полем скорости в районе вихря? В этой связи хотелось бы посмотреть еще и на кинетическую энергию турбулентности в этой зоне. Да, и сколько итераций потребовалось до сходимости?

1. Гидравлическое сопротивление клапана - это без учёта труб, а суммарное - это клапан и трубы, правильно? Просьба уточнить.

2. Более удачные иллюстрации:

Распределение статического давления

Распределение скорости

Распределение скорости (векторное представление)

Кинетическую энергию турбулентности получу и размещу чуть позже. Её надо было отметить для вывода.

Настройка выходных величин

Сходимость получена на 588 итерации.

Изменено 13 февраля 2009 пользователем kutukov

[gsy 0]

Спасибо за подробную информацию. На мой взгляд все выглядит достойно.

Я вспомнил, что это продукт Blue Ridge Numerics.

Лет 10 назад мы его тестили на плоской задаче обтекания контура Фольксвагена.

До 1000 итераций все было неплохо, но потом кинетическую энергию турб. стало сносить по потоку,

и в результате все стало очень плохо.

Наверное за это время программа изменилась к лучшему.

[stealth.ua 0]

Есть конкретный вопрос к автору темы: какие программы позволяют выполнить расчет регулятора давления с обратной связью (имеет управляющий подпружиненный золотник, связанный с выходной полостью, регулирует "после себя", среда - вода или пар). Задача: статический расчет регулятора, анализ линейности характеристик, зоны нечувствительности и времени срабатывания на разных режимах. Проблема в том, как совместить гидродинамический расчет с перемещением клапана и золотника под воздействием сил от пружин. Возможен ли такого рода расчет средствами МКЭ? Если да- то какими? Надеюсь на квалифицированный совет.

[kutukov 0]

Есть конкретный вопрос к автору темы: какие программы позволяют выполнить расчет регулятора давления с обратной связью (имеет управляющий подпружиненный золотник, связанный с выходной полостью, регулирует "после себя", среда - вода или пар). Задача: статический расчет регулятора, анализ линейности характеристик, зоны нечувствительности и времени срабатывания на разных режимах. Проблема в том, как совместить гидродинамический расчет с перемещением клапана и золотника под воздействием сил от пружин. Возможен ли такого рода расчет средствами МКЭ? Если да- то какими? Надеюсь на квалифицированный совет.

Добрый день.

Можно на геометрию посмотреть (чертёж, иллюстрации, схема), лучше конечно же 3D модель?

Недавно при помощи CFdesign решил нестационарную задачу - моделировал обратный клапан, расчитал движение золотника. Рабочая среда - вода. В данной задаче сила сопротивления - это вес золотника (сила тяжести). Изучил движение золотника (построил кривые), получил коэф. сопротивления, перепады давлений для нескольких скоростей (расходов) рабочей среды. Геометрия клапана построена в T-FLEX, потом сохранена в Parasolid и импортирована в CFdesign.

В CFdesign есть модель пружины.

Трение можно задать доп. силой сопротивления.

Можно моделировать различные типы движения - линейное, угловое, комбинированное, качение, свободное движение. Движение может быть задано в виде циклов (например, для линейного - обратно-поступательное). CFdesign расчитывает движение, вызванное потоком (пример с обратным клапаном в этой теме относится к такому случаю).

Анимация движения золотника, расчитанного в CFdesign в формате vtf vavle_vector_motion.zip Просмоторщик vtf-файлов можно скачать по ссылке <noindex>www.cfdesign.org/2009/02/cfdesign-communication-center.html</noindex>

Схема обратного клапана

Распределения скорости в продольном сечении проточной части обратного клапана

Распределения скорости в поперечном сечении проточной части обратного клапана

Геометрия золотника

Изменено 19 мая 2009 пользователем kutukov

[stealth.ua 0]

Добрый день.

Спасибо за иллюстрацию возможностей, но у меня CFDesign нет. Может ли это сделть ANSYS?

Честно говоря, с трудом представляю, как можно одновременно провести гидродинамический расчет и анализ динамики механизма.

[Tonto 0]

Добрый день.

Спасибо за иллюстрацию возможностей, но у меня CFDesign нет. Может ли это сделть ANSYS?

Честно говоря, с трудом представляю, как можно одновременно провести гидродинамический расчет и анализ динамики механизма.

Подобного рода расчёты широко применяются в ANSYS. Особенно, если Вы пользуетесь последними версиями (10 - 12), т.е. знакомы с Workbench. В Workbench вы можете решать подобные задачи в рамках единого проекта.

Идея следующая: считаете гидродинамику (CFX), получаете на выходе поля давлений и температур, которые являются граничными условиями для "механического" (Simulation, либо классический ANSYS) расчёта... и наоборот.

Такой итерационный подход решения совместных задач.

Также Вы можете получать поля в CFdesign и передавать в ANSYS, как граничные условия.

Изменено 22 мая 2009 пользователем Tonto