Выравнивание давления между сосудами

[Kukuev 0]

Здравствуйте,

 

Есть две задачи и базовые представления о работе с решателями, но нет идей, как правильно задать граничные условия. Буду признателен за любые дельные советы.

 

Задача 1

Нужно расчитать время выравнивания давления между двумя соединенными камерами (в идеале, построить график) и подобрать оптимальную геометрию соединяющего их канала. В одной камере воздух при атмосферном давлении, в другой средний вакуум (P=0.003bar). В какой-то момент канал между ними открывается (для расчета используются стенки-заглушки канала) и воздух давление стабилизируется. Интересно увидеть картину это процесса и сравнить с фактически измеренными данными.
Пока что попробовал произвести расчет в NX Simulation, задав Initial Fluid Pressure для элементов одного сосуда равным 2, а для другого 1 и оставив "как есть" канал. Но этого явно не достаточно, так как решатель ругается.

 

Задача 2

Один сосуд, с уже разряженным воздухом (P=0.5bar), подключается к вакуумной помпе (кривая мощности есть) на заданное время. Интересно построить график падения давления за это время.

 

Можно ли смоделировать данные условия (даже 60-70% достоверности будет достаточно) и если да, то в чем это будет проще сделать - SolidWorks Flow или NX?

 

Заранее спасибо!

 

 

[ILL 241]

Кажется, похожая тема уже была..

[Kukuev 0]

Просмотрел сейчас последние пять страниц с близкими темами в разделе по Flow Simulation (остановил выбор на нем, так как оригинальная модель в SW, да и интерфейс более дружелюбный), но не попалось ничего дельного.

 

Опишу немного предысторию вопроса, возможно, что решение более простое, чем я пытаюсь найти.
Имеется две камеры, соединенные через канал, как было описано выше. В какой-то момент времени прямоугольное отверстие, блокирующее канал, начинает "открываться" с постоянной скоростью.
Процесс полной стабилизации давления занимает около 300мс, при этом уже после первых 100мс наблюдается линейное падение давления (судя по экспериментальным данным), но в этот момент отверстие открыто лишь на 30% своей площади и последующее открытие отверстия уже не увеличивает скорость потока.
Полная площадь сечения отверстия равняется площади сечения канала, соединяющего резервуары.

 

Вопросов получается несколько:

1. правильно ли я понимаю, что если изменить площадь сечения отверстия до 30% от начальной величины (канал пока оставляем прежним), то характеристика выравнивания давления будет иметь прежний вид? Нет ли эффекта, что открытие отверстия на большую величину "толкает" воздух, поддерживая скорость на постоянной величине?

 

2. что является наиболее существенным ограничителем скорости потока в канале?

 

3. уменьшение площади сечения канала до площади сечения нового отверстия (то есть 30% от исходного) скорее замедлит поток или уменьшит время выравнивания давления? С одной стороны кажется очевидным, что чем больше сечение трубы, тем легче воздуху перетекать, а с другой стороны эту трубу еще нужно заполнить.

Пробую смоделировать эту задачу на примере простого цилиндра (имеющего в середине сужение/расширение), задавая следующие условия:
- Заглушка входа: объемный расход на входе - 0.2м3/сек, полученные с графика реального замера
- Заглушка выхода: давление окружающей среды - 0.01bar
- Цели: средняя скорость в объеме, массовый и объемный расходы на стенке выхода

 

Но даже на прямом цилиндре результаты получаются немного странными (см. скриншот)

 

И вообще, правильно ли использовать массовый расход как меру оценки времени стабилизации давлений при выбора оптимальной геометрии канала?

 

test cylinder.zip

[averome 58]

у тебя есть возможность провести такой же эксперимент как ты провёл упрощённый расчет? 

Там есть одна интересная особенность.. 

Объёмные расходы почти совпали, лучше сетку сделать меньше

Так же есть большая область сверхзвукового течения. Попробуй включить опцию сверхзвука.

Задача симметричная лучше её решать в четвертичной постановке или в плоской, для начала. Это сэкономит время расчета на более мелкой сетки. 

У меня эта задача так же вызывает ряд вопросов, на которые я не могу получить конкретные ответы уже некоторое время..

 

 

[Kukuev 0]

Опыт, к сожалению, провести не могу, да и картинка с трубой лишь для того, чтобы проверить на чем-нибудь "легком" как лучше задать граничные условия и как интерпретировать результаты. Со сверхзвуком результаты чуть лучше, но по-прежнему расход слишком велик и раз в пять превышает реальную цифру.

Прикладываю две картинки, на первой из которых показана сама модель, а на второй график замера, сделанный с шагом в 1мс. Верхнее кольцо вращается, открывая секторное отверстие. В момент времени, когда отверстие открыто лишь на подсвеченный угол, скорость потока уже стабильная, согласно физическим замерам.

[averome 58]

8 минут назад, Kukuev сказал:

скорость потока уже стабильная

как только скорость потока превышает скорость звука начинаются проблемы.

тут кое что написано: https://cae-club.ru/forum/modelirovanie-processa-vyravnivaniya-davleniya-v-dvuh-sosudah

 

http://www.academia.edu/34384443/CFD_simulation_of_pressure_piling

 

https://engineering.purdue.edu/~yanchen/paper/2012-10.pdf

 

http://www.inia.es/gcontrec/pub/460-469-Numerical_1195815075078.pdf

 

потери через дроссель: http://www.jmest.org/wp-content/uploads/JMESTN42351286.pdf

 

http://nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/23129/1/IJEMS 20(5) 350-360.pdf

 

http://www.komatsu.com/CompanyInfo/profile/report/pdf/160-04_E.pdf

 

https://forum.solidworks.com/thread/91508

 

 

[averome 58]

1 час назад, Kukuev сказал:

Опыт

 

42 минуты назад, averome сказал:

тут кое что написано:

http://glc.ans.org/nureth-16/data/papers/12912.pdf

 

См. главу 3.VALIDATION OF CFD MODELS

 

 

[karachun 2 038]

@Kukuev А сами емкости Вы не моделируете? Давление в емкостях ведь изменяется и расход со временем тоже поменяется. Еще на графиках указаны итерации а не время - Вы считаете стационарную или не стационарную задачу?

[Kukuev 0]

@averome

Спасибо за ссылки, изучаю постепенно. Про симметрию знаю, но сходимость на трубке достигается быстро, а хочется воссоздать условия макс

 

@karachun

Наверное я уже немного запутал всех, поэтому постараюсь переформулировать условия задачи:

1. основная задача, как и описана в первом сообщении, смоделировать процесс выравнивания давления между двумя сосудами и рассчитать оптимальную форму канала, соединяющего их. Однако, как Вы правильно заметили, данная задача должна быть не стационарной, но до этого я дошел только сейчас и пока еще ищу примеры, как правильно задать начальные условия. Здесь вроде как есть некоторые полезные моменты, но пока еще не пробовал.

Емкости я не моделировал именно из-за того, что не имею ни малейшего представления, как задать граничные условия.

 

2. Для начала я попробовал смоделировать стационарную течение через канал, задав давление на входе и на выходе, что привело к сверхзвуку начиная с определенного сечения канала.

 

3. Следующий вариант - статическая задача, но уже с заданным массовым расходом на выходе и атмосферное давлением на входе. Критерий оценки - среднее статическое давление в канале. Но результат оказался немного подозрительным - давление падало с уменьшением сечения канала, а при некоторых конфигурациях скорость возрастала с 200м/с до 3Мах и массовый расход превышал изначально заданный.

 

По факту, мне важнее получить не точные цифры, а только сравнить результаты при разной геометрии.

 

Изменено 19 сентября 2018 пользователем Kukuev

[karachun 2 038]

8 часов назад, Kukuev сказал:

По факту, мне важнее получить не точные цифры, а только сравнить результаты при разной геометрии.

Прикиньте средний массовый расход через канал и задайте его на входе. Для этого расхода сравните несколько вариантов конструкции. Посчитайте для каждого варианта коэффициент сопротивления и сравнивайте по нему. 

[Kukuev 0]

2 часа назад, karachun сказал:

Посчитайте для каждого варианта коэффициент сопротивления и сравнивайте по нему. 

Если не сложно, то можно с этого места поподробнее? Для расчета труб я видел, что используют статическое давление для учета потерь в системе. Можно ли и в такой задаче судить по нему? Как быть, если канал, например, линейный, но малого диаметра - сопротивление будет не очень большим, но время выравнивания давления явно уменьшиться.

 

Сейчас попробовал смоделировать нестационарную задачу, но решатель показывает до неприличия большое время (не одну неделю). У кого есть опыт в работе с такими задачами, можете указать, где ошибка?

 

И главный вопрос - даже если задача будет просчитана и результаты будут похожи на реальные замеры, то что с них можно получить, когда время процесса и давления как функция от времени задаются на входе и не зависят от геометрических условий?

Square Tube.SLDPRT

[karachun 2 038]

По потерям скачайте и посмотрите справочник Идельчика там подробно все расписано.

Там есть два момента:

1) К-т сопротивления (дзетта) определяется как перепад давления деленный на динамический напор (rho*v^2/2).

2) Для большинства задвижек, каналов насадков и прочего (но не для труб) к-т сопротивления не зависит от числа Рейнольдса, там указано одно значение для Re>10000 или 100000 я не могу сказать насколько это правда но у Идельчика были основания так считать (тем более что справочник основан на огромном числе экспериментальных данных множества исследователей).

Тогда можно продуть канал на одном режиме в статике и этим ограничиться.

https://dwg.ru/dnl/3036

По анализу результатов - если вам не надо рассчитывать время установления давления а только выбрать лучший вариант канала то можно продуть несколько вариантов конструкции при соблюдении одинакового числа Рейнольдса и выбрать тот у которого потери меньше. Тогда нестационар и моделирование самих баллонов не нужны.

Еще напишу несколько очевидных советов - если скорости выше 100 м/с то нужно включить уравнение энергии и вместо постоянной плотности воздуха выбрать уравнение идеального газа или даже уравнение реального газа если давление очень большое (для каждого газа есть значение давления Ркр после которого модель идеального газа становиться неточной).

И еще такой вопрос считали ли вы до этого "быстрые" - трансзвуковые течения, делали примеры из хелпа или учебников, например сопло Лаваля, сверхзвук это не попса, нужны дополнительные теоретические знания и немного опыта.

http://www.iraj.in/journal/journal_file/journal_pdf/2-47-139815735133-36.pdf

Изменено 20 сентября 2018 пользователем karachun

[Kukuev 0]

В 9/20/2018 в 21:27, karachun сказал:

К-т сопротивления (дзетта) определяется как перепад давления деленный на динамический напор (rho*v^2/2)

По расчету потерь стало более-менее понятно, спасибо! Однако, в формуле используется скорость потока, которая напрямую зависит от начально заданного массового расхода. Но ведь и расход величина не постоянная и зависит от разницы давлений и диаметра канала (собвственно вычислен он был эксперементально на уже созданной геометрии и может отличаться при новой конфигурации) . То есть условия завязаны сами на себя, что не есть хорошо. По-сути, из начальных условий есть только давления в двух камерах (1атм и 0атм) и их объем (90л в каждой).

Идея смоделировать и расчитать время выравнивания давления является наиболее интересной. А для этого никаких примеров или рекомендаций, кроме упомянутого выше ролика, найти не удалось.

В 9/20/2018 в 21:27, karachun сказал:

Еще напишу несколько очевидных советов - если скорости выше 100 м/с то нужно включить уравнение энергии и вместо постоянной плотности воздуха выбрать уравнение идеального газа или даже уравнение реального газа если давление очень большое (для каждого газа есть значение давления Ркр после которого модель идеального газа становиться неточной).

По трансзвуку, наверное, я погорячился. В статике скорость не превышает 50м/с на входе и 115м/с на выходе, если использовать в качестве граничных условий массовый расход вместо статического давления. В расчетах я использую в качестве среды "воздух". Насколько это верно, если перепад давлений 1атм?

И вот такой еще вопрос – есть ли разница, если задавать расход на входе или выходе? Отличается ли динамика потока, если его "вдувают" или "выдувают"?

[karachun 2 038]

7 часов назад, Kukuev сказал:

В расчетах я использую в качестве среды "воздух". Насколько это верно, если перепад давлений 1атм?

Поищи в настройках свойств рабочей среды, в справке про задание плотности рабочей среды. Нужно выбрать не постоянное число а модель 'ideal gas'. Еще обрати внимание на опорное давление, у тебя скорее всего воздух выходит в среду с давлением 1 атм а не с нулевым давлением. То есть давление в баллоне 2 атм, для сжимаемой среды это имеет значение.

Если хочешь узнать расход то лучше задать вход по давлению на входе и выход по давлению на выходе. По идее большой разницы между тем дуть или выдувать не будет. Все равно на одной из границ жестко задан расход.

8 часов назад, Kukuev сказал:

Идея смоделировать и расчитать время выравнивания давления является наиболее интересной.

Если на прямую через CFD то нужно делать баллоны и там не будет входа и выхода.

8 часов назад, Kukuev сказал:

Однако, в формуле используется скорость потока, которая напрямую зависит от начально заданного массового расхода.

Если хочешь продувать и сравнивать в статике то задавай такую скорость чтобы были одинаковые числа Рейнольдса, перепад давления будет разный и тогда к-т сопротивления тоже будет разный для разной конструкции.

Вот соседняя тема по Флюенту с подобной задачей 

и там упоминают и то же где-то на форуме видел как подобную задачу по времени выравнивания давлений раскручивали на пальцах - аналитически.

В общем определись сперва учитываешь ли ты сжимаемость воздуха, если не читывать то ошибки расчета могут перекрыть все выгоды от совершенствования конструкции.