Очистка масла от пузырьков газа

[elnino 15]

Здравствуйте.

У меня есть следующая задача.

Герметичная емкость, в которой налито масло, содержащее растворенные газы, а сверху воздух. Изначально давление - атмосферное.

К воздушной части подключена помпа, представляющая из себя по сути обычный гидроцилиндр. К масленой части подключен струйный насос.

Масло откачивается струйным насосом, параллельно делается разряжение в воздушной части с помощью помпы. При этом из масла выделяются газы.

Задача подобрать оптимальные характеристики помпы и струйного насоса.

 

Я посчитал на бумаге, хотелось бы проверить на симуляции, и заодно расширить свой кругозор.

На данный момент я владею только SW flow works. Хочу освоить Ansys, на сколько я понимаю, он способен решать подобные задачи.

Я прочитал описание CFD, CFX, FLUENT, но так и не понял в чем у них отличие, и что подходит для моей задачи.

Подскажите пожалуйста, в чем лучше моделировать поставленную задачу, и возможно ли вообще это смоделировать? И может быть какие-нибудь практические советы с ходу предложите?

Задачу можно разбить на несколько групп:

• нестационарная задача по разделению масляно-газовой смеси на среды с учетом изменения давления и объема смеси;
• симуляция образования пузырьком газов в масле и определение скорости их подъема в воздушную полость за счет архимедовой силы (если это вообще возможно);
• определение сил, действующих на поршень помпы;
• моделирование работы струйного насоса с учетом кавитации.

PS: Я понимаю что задача невероятно сложная, я и не собираюсь ее моделировать полностью, хотя бы по частям.

Заранее благодарю за советы.

Изменено 18 апреля 2016 пользователем elnino

[Bonusfrag 104]

Ваш уровень какой? Студент/аспирант/инженер с опытом?

 

Чисто теоретически пузырьки в масле можно сделать во FlowVision, но сетка будет очень большой и как задавать начальное распределение газа - тоже вопрос...

 

Отдельно задача про газ решается без проблем (силы. давления),

отдельно задача про масло решается без проблем (силы. давления),

задача, где и масло и газ, с границей раздела - тоже без проблем.

 

А вот пузырьки....  Разве что в двухмерной постановке... и начальные условия задавать, вручную расставляя пузыри по объему.

Будут всплывать, да.

Хитрая задача, нестандартная.

 

 

[elnino 15]

Я инженер с опытом работы в проектировании гидравлики, металлоконструкций и электрики ))

Постоянно стараюсь расширять свой кругозор.

FlowVision и Ansys, как я понимаю, обладают примерно равными возможностями. Я бы хотел освоить именно Ansys.

Сейчас главный вопрос у меня - в чем разница между CFD, CFX, FLUENT, в чем конкретно можно мою задачу сделать, и можно ли вообще сделать.

Далее у меня будут возникать более конкретные вопросы, которые я буду задавать в специальном разделе.

[a_schelyaev 371]

Конкретно у Ансиса при покупке опции CFD имеется в виду, что вы получите возможность работы с CFX и Fluent по выбору. Или можете купить какой-то из них по потдельности.

Отличие порой эфемерное. Считается, что Fluent более универсален из-за возможности дописать что-то свое через UDF. Хотя Ансис старается их наполнять одинаковым функционалом по возможности.

Для вашей задачи вроде разницы нет особой.

[soklakov 1 485]

Задача подобрать оптимальные характеристики помпы и струйного насоса.   Я посчитал на бумаге, хотелось бы проверить на симуляции, и заодно расширить свой кругозор.

В чем Вы ожидаете получить бонус от численного моделирования? Вы планируете хитро изменять геометрию?

Предлагаю Вам другую разбивку задачи. Отталкивайтесь от того, что Вы можете изменить в конструкции.

Чтобы убрать застойные зоны, не нужно моделировать пузырьки. Чтобы сделать течение более равномерным - тоже.

 

Кстати, критерий оптимизации-то какой? Что является признаком оптимальных характеристик помпы и насоса?

[elnino 15]

Критерий оптимизации - эффективность дегазации.

Самая сложная проблема, которая на бумаге не считается - это определение скорости образования пузырьком и подъема их в газовую полость.

Я только могу вычислить объем газа, который выделится (прямая зависимость от давления) но я не могу сказать сколько будет пузырьков и какого они будут размера, а следовательно с какой скоростью будут подниматься.

В идеале струйный насос должен откачивать масло уже после того как весь газ поднимется, по этому нужно оптимально рассчитать расход через струйный насос, чтобы не было простоев, или наоборот не полностью дегазировалось масло.

Изменено 19 апреля 2016 пользователем elnino

[BSV1 1 749]

В идеале струйный насос должен откачивать масло уже после того как весь газ поднимется, по этому нужно оптимально рассчитать расход через струйный насос ... 

Для того, чтобы определить остаточное давление, вакуумметры применяют. Считать ничего не надо. Только смотреть.

[elnino 15]

Люблю разделы САЕ. Здесь тебе всегда объяснят, что на самом деле считать то ничего и не надо 

[a_schelyaev 371]

Люблю разделы САЕ. Здесь тебе всегда объяснят, что на самом деле считать то ничего и не надо 

Как говорил мой знакомый (произносить с южным русским акцентом) - "Папа пожил, папа знает!".

;)

[soklakov 1 485]

Люблю разделы САЕ. Здесь тебе всегда объяснят, что на самом деле считать то ничего и не надо 

Это правда. И слава Богу. Куда эффективней потратить время на что-нибудь полезное. 

[a_schelyaev 371]

Чтобы убрать застойные зоны, не нужно моделировать пузырьки. Чтобы сделать течение более равномерным - тоже.

 

Такс, понятно. Ансис сие не считает.

:)

[soklakov 1 485]

Такс, понятно. Ансис сие не считает. :)

Уже второй раз натыкаюсь на отсутствие логики в Ваших попытках делать умозаключения)

 

Я вот, к примеру, не знаю, считает ли. И даже интересоваться не буду, пока не будет понятно на кой это надо. Но делать вывод о том, считает ли, из каких бы то ни было слов незнающего - это сильно.

[elnino 15]

И даже интересоваться не буду, пока не будет понятно на кой это надо.

Я плохо объяснил, получается?

Попробую еще раз.

Представьте себе кастрюлю на огне, когда вода начинает закипать, на дне кастрюли появляются пузырьки воздуха, они под действием архимедовой силы поднимаются наверх. Скорость их подъема зависит от размера пузырьков по линейной зависимости, время подъема - соответственно по гиперболической.Например, для подъема на 300мм пузырьку воздуха 3мм димаметром требуется примерно 65 секунд, а 0,5мм диаметром - уже 400 секунд.

Для определения скорости требуется знать размер пузырьков. Но размеры пузырьков различаются, так как более маленькие пузырьки сливаются в более большие, а более большие могут дробиться на более маленькие, если есть движение жидкости.

Наша задача - подогреть воду до нужной температуры, подождать пока пузырьки выйдут, слить воду и налить новую, и так по кругу.

Для улучшения эффективности дегазации требуется рассчитать время - сколько ждать.

 

Ваши предложения, как это рассчитать без CFD?

Изменено 20 апреля 2016 пользователем elnino

[elnino 15]

В CFX, как я понял, есть что то подобное. http://cae-club.ru/content/primery-opredeleniya-mnogokomponentnogo-techeniya-v-ansys-cfx

Если подобное в Fluent?

[soklakov 1 485]

Я плохо объяснил, получается?

Нет, это я плохо понял) Но теперь задача куда интереснее.

Ваши предложения, как это рассчитать без CFD?

Вы же как-то рассчитали на коленке.

Если подобное в Fluent?

Даже граничное условие дегазации есть.

 

Вопрос больше не к всплытию пузырьков, а к скорости выделения газа из объема жидкости - на свободной поверхности, на поверхности стенок, и из жидкости в поднимающиеся пузырьки. в CFD расчете это будут UDF какие-нибудь, константы которых брать придется все равно из эксперимента. Это будут функции температуры, давления, может чего-то еще. Все это интересно делать, если планируются сложные хитрые формы в больших разнообразных количествах. Если у Вас емкость цилиндрическая то Ваш калибровочный эксперимент оказывается конечным.

Разве что Вы найдете параметры для этих UDF в литературе, без проведения эксперимента, но вероятность этого невелика.

 

И может быть какие-нибудь практические советы с ходу предложите?

Эйлер-эйлерова многофазная постановка.

PS: Я понимаю что задача невероятно сложная, я и не собираюсь ее моделировать полностью, хотя бы по частям.

 

Сложность компенсируется деньгами 

[elnino 15]

 

 

Вы же как-то рассчитали на коленке.

Я посчитал на коленке все остальные параметры, конкретно этот параметр я выбрал исходя из собственного опыта и изучения работу похожих конструкций.

 

 

Вопрос больше не к всплытию пузырьков, а к скорости выделения газа из объема жидкости

Выделение газа из жидкости происходит практически мгновенно, по сравнению с подъемом пузырьков.

Пример: когда вы наливаете газировку в стакан, пена от выделения газа выделяется практически мгновенно, но чтобы пена осела, требуется больше времени, а чтобы вышел практически весь газ, требуется значительно больше времени.

Изменено 21 апреля 2016 пользователем elnino

[soklakov 1 485]

Выделение газа из жидкости происходит практически мгновенно, по сравнению с подъемом пузырьков.

Тогда может быть эскадра кораблей идет со скоростью самого тихоходного авианосца?

Для улучшения эффективности дегазации требуется рассчитать время - сколько ждать.

Берем размер пузырька, меньше которого пузырьки нас не напрягают. Предполагаем, что он на дне. Время его всплытия вы знаете, я так понял. Оно и будет искомым. Как считаете, насколько сильно такая оценка разойдется с реальной, если Вы промоделируете каждый атом?

Представьте, что Вы знаете положение каждого пузырька, даже мельчайших... Когда Вы остановите процесс?

[elnino 15]

Пузырек размером 0,0001мм будет подниматься на высоту 300мм - 20 дней.

Если взять, скажем, пузырек 0,1мм, то ждать придется пол часа, для 1мм - 2,8минут.

Мы не знаем сколько в процентном отношении от общего объема выделившихся газов будет пузырьков 0,1мм, 1мм и т.д. Насколько это будут значимые числа, не понятно. Более того, число пузырьков разного размера будет постоянно меняться, а в нашем случае, еще и меняется объем жидкости., так как мы параллельно откачиваем жидкость.

Процесс настолько хаотичный, что, возможно, задачу можно было бы решить с помощью генератора случайных чисел, но я пока не придумал как.

Изменено 21 апреля 2016 пользователем elnino

[Bonusfrag 104]

Пузырек размером 0,0001мм будет подниматься на высоту 300мм - 20 дней.

Если взять, скажем, пузырек 0,1мм, то ждать придется пол часа, для 1мм - 2,8минут.

Мы не знаем сколько в процентном отношении от общего объема выделившихся газов будет пузырьков 0,1мм, 1мм и т.д. Насколько это будут значимые числа, не понятно. Более того, число пузырьков разного размера будет постоянно меняться, а в нашем случае, еще и меняется объем жидкости., так как мы параллельно откачиваем жидкость.

Процесс настолько хаотичный, что, возможно, задачу можно было бы решить с помощью генератора случайных чисел, но я пока не придумал как.

думаю, ключевое, самое сложное и не решаемое - тут описано.

А именно - начальное условие - то, что я в самом верху имел ввиду под расстановкой пузырьков.

И это никакой CFD не опишет.

Только эксперимент. 

Тонкая ёмкость, которую просветить, сняв некую статистику. Конечно, 0.0001 будет сложно увидеть, но другого пути не вижу. 

а замоделировать - вообще не реально (учитывая 300мм ...)

 

Есть ли возможность сравнить объемы до и после образования пузырьков и по изменению объема определить, сколько там еще газа осталось, построить зависимость от времени?

Вот вам будет оценка и время работы установки.

Даже если нет возможности узнать начальный объем - просто экспериментально проследить "утряску" вашего масла. Думаю, экстраполяция этой кривой даст примерный "сухой остаток".

[elnino 15]

 

А именно - начальное условие - то, что я в самом верху имел ввиду под расстановкой пузырьков.

И это никакой CFD не опишет.

Я думаю, генератор случайных чисел может описать, учитывая, что известен и объем газа в жидкости до дегазации и объем выделившегося газа. Время выделения газа принимаем равное 0.

Далее остается задать тенденции пузырьков к объединению и подъем их наверх.

Я надеялся, что подобные механизмы есть в серьезных CFD программах.

Возможно, для решения имеет смысл обратиться к MatLab'у.

 

По поводу эксперимента. Понятно что все можно решить с помощью эксперимента, достаточно просто заложить в конструкцию механизм регулировки. Но ведь CAE придумывали как раз для того, чтобы минимизировать эксперименты.

Изменено 22 апреля 2016 пользователем elnino