Расчет сетчатого фильтра

[Max_7o 0]

Добрый день!

Коротко о том какая задача стоит. Есть фильтр и в него входит: сам корпус со входом и выходом и фильтрующий элемент (в моем случае это металлический перфорированный лист свернутый в цилиндр отверстиями 4 мм). Для этого фильтра надо рассчитать перепад давления. Максимально допустимое давление в системе известно 4 МПа, так же есть максимальный расход через всю систему в которой установлен фильтр это 41,6667 кг/с (перевел из другой единицы). В ходе гидравлических испытаний было установлено, что при чистом фильтрующем элементе перепад составляет 0,03 МПа. Среда - вода. 

По фильтрующему элементу: моделировать я каждое отверстие не стал, использовал пористое тело с такими настройками: volume porosity 0.4 (если я правильно понял, это площадь отверстий 40%). Далее по формуле CR2  = (K loss *p) /B2 нашел Quadratic Resistance Coefficient, у меня он получился 22,725 кг/м4. 

По ГУ: задал максимальный известный расход 41,6667 на входе; на выходе давление Averadge Statiс Pressure - 0. В результате расход на выходе  - минус 0,02 кг/с, а на входе -  3,2....кг/с.

Далее попробовал задать давление на входе 4 МПа, выход остался как и в первом варианте. Результат: давление на выходе упало до 60-70 кПа...

Далее я изменил пористое тело на Fluid, чтобы посмотреть как будет меняться расход. Гу: на входе расход 41,6667, на выходе Averadge Statiс Pressure - 0. Результат: на выходе расход  - минус 0,00798 кг/с; на входе - 0,109 кг/с.

Модель - SST.

Ansysом пользуюсь недавно. Может я в ГУ ошибку допустил. Не могу никак разобраться. Помогите пожалуйста)

 

[karachun 2,038]

Когда ты задал на входе 4 МПа а а выходе ноль, то и перепад получился 4 МПа, а по результатам испытаний 0,03 МПа, вот это давление и надо задавать как давление на входе. Для несжимаемой среды абсолютное давление не играет роли. По несовпадению расходов - очень странно, если ты задал на входе 40 кг/с то то 3,2 кг/с там быть уже не может.

С пористыми телами не работал, попробуй для начала вообще выкинуть пористое тело и посчитать сам корпус фильтра, добейся для начала баланса по массе. В сети можно найти туториалы по CFX, выполни пример 12. Flow in a catalytic Converter - там используется пористое тело. Еще можешь поискать конструкцию своего фильтра в справочнике Идельчика, там можно посчитать к-т потерь для всего фильтра, не Quadratic Resistance Coefficient а просто дзетту.

Ну и стандартные вопросы - делал ли ты сеточную сходимость (еще одна ссылка https://flowvision.ru/ru/support-menu-header-ru/blog-ru/ob-issledovanii-skhodimosti-po-setke) и достаточно ли далеко у тебя вход и выход от зоны обратных течений? Если выход слишком близко то в зависимости от типа ГУ это либо приведет к проблемам с решением либо воду будет подсасывать из выхода (если сделать выход типом Opening).

[Max_7o 0]

27 минут назад, karachun сказал:

Когда ты задал на входе 4 МПа а а выходе ноль, то и перепад получился 4 МПа, а по результатам испытаний 0,03 МПа, вот это давление и надо задавать как давление на входе. Для несжимаемой среды абсолютное давление не играет роли. По несовпадению расходов - очень странно, если ты задал на входе 40 кг/с то то 3,2 кг/с там быть уже не может.

С пористыми телами не работал, попробуй для начала вообще выкинуть пористое тело и посчитать сам корпус фильтра, добейся для начала баланса по массе. В сети можно найти туториалы по CFX, выполни пример 12. Flow in a catalytic Converter - там используется пористое тело. Еще можешь поискать конструкцию своего фильтра в справочнике Идельчика, там можно посчитать к-т потерь для всего фильтра, не Quadratic Resistance Coefficient а просто дзетту.

Ну и стандартные вопросы - делал ли ты сеточную сходимость (еще одна ссылка https://flowvision.ru/ru/support-menu-header-ru/blog-ru/ob-issledovanii-skhodimosti-po-setke) и достаточно ли далеко у тебя вход и выход от зоны обратных течений? Если выход слишком близко то в зависимости от типа ГУ это либо приведет к проблемам с решением либо воду будет подсасывать из выхода (если сделать выход типом Opening).

Спасибо за ответ. 

По поводу сеточной сходимости есть ошибки P-mass находится ниже 10е-4, а как я вычитал из приведенной статьи такого быть не должно. Сейчас сделаю сетку более мелкой и уберу фильтрующий элемент.

На выходе outlet и я еще увеличил трубу на 5 диаметров от входа и выхода в фильтр.

Edited February 1, 2019 by Max_7o

[karachun 2,038]

26 минут назад, Max_7o сказал:

На выходе outlet

Можешь попробовать заменить его на Opening, через этот тип ГУ поток может и вытекать и втекать и для процесса решения это полезно.

28 минут назад, Max_7o сказал:

По поводу сеточной сходимости есть ошибки P-mass находится ниже 10е-4

Может выше? Но вообще это не так критично и смотреть надо не только на ресидуалс. https://cae-club.ru/publications/kogda-ostanavlivat-reshenie-v-cfx

Как я понял значение Quadratic Resistance Coefficient бралось из потолка. Можно сделать небольшое исследование - смоделировать малый участок этого фильтра, скажем 10х10 отверстий, можно даже сделать его плоским. добавит входной и выходной каналы а боковые стенки сделать симметрией. Вычисленный к-т сопротивления можно сравнить со значениями по Идельчику, если оба значения совпадут, то это добавит уверенности и будет намного точнее чем пальцем в небо.

35 минут назад, Max_7o сказал:

На выходе outlet и я еще увеличил трубу на 5 диаметров от входа и выхода в фильтр.

Нормально, если сетка позволяет, то можно увеличить до 20 диаметров, но это уже после того как сам расчет станет сходится, для повышения точности. Посмотри по результатам - поток должен успеть выпрямится, вихревое течение на выходе это плохо.

И по входным данным - перепад 0,03 МПа и макс. расход 41,67 кг/с могут быть на разных режимах работы и не совпадать, желательно найти расход именно во время испытаний.

[Max_7o 0]

47 минут назад, karachun сказал:

Можешь попробовать заменить его на Opening, через этот тип ГУ поток может и вытекать и втекать и для процесса решения это полезно.

хорошо, попробую.

47 минут назад, karachun сказал:

Как я понял значение Quadratic Resistance Coefficient бралось из потолка

Не совсем, нашел на просторах порядок решение данного коэффициента.  Формулы во вложении. Не могу сказать правильные они или нет.

 

47 минут назад, karachun сказал:

И по входным данным - перепад 0,03 МПа и макс. расход 41,67 кг/с могут быть на разных режимах работы и не совпадать, желательно найти расход именно во время испытаний.

Понимаю, на данный момент жду более конкретных данных, т.е. какие расходы и давления на входе и выходе получились во время испытаний. 

 

47 минут назад, karachun сказал:

Можно сделать небольшое исследование - смоделировать малый участок этого фильтра, скажем 10х10 отверстий, можно даже сделать его плоским. добавит входной и выходной каналы а боковые стенки сделать симметрией.

Как раз начал проводить данное исследование и наткнулся на формулы упомянутые выше, решил попробовать.

 

47 минут назад, karachun сказал:

Может выше?

По моему кривая стремилась к 10е-5. Могу сказать точно она отдалялась от других, тогда как остальные уже пересеклись и двигались в одном диапазоне.

 

Edited February 1, 2019 by Max_7o

[karachun 2,038]

2 часа назад, Max_7o сказал:

По моему кривая стремилась к 10е-5.

Это хороший показатель для невязок.

А вообще можно попробовать вариант по проще - не моделировать пористое тело а создать на месте фильтра интерфейс и задать к-т сопротивления на нем. Сам коэффициент можно найти по диаграмме 8-3 в справочнике https://dwg.ru/dnl/3036.

[Max_7o 0]

В 01.02.2019 в 17:01, karachun сказал:

А вообще можно попробовать вариант по проще - не моделировать пористое тело а создать на месте фильтра интерфейс и задать к-т сопротивления на нем. Сам коэффициент можно найти по диаграмме 8-3 в справочнике https://dwg.ru/dnl/3036.

Я так и делаю. Назначил на фильтрующий элемент интерфейсы и указал что это пористое тело. Но вот к сожалению с диаграммой никак не могу разобраться.

В 01.02.2019 в 17:01, karachun сказал:

Сам коэффициент можно найти по диаграмме 8-3

данный коэффициент будет соответствовать  Quadratic Resistance Coefficient ? 

 

Я решил убрать вообще фильтрующий элемент и попробовать без него, как вы и советовали. И возник вопрос, что задать на входе, чтобы увидеть какой перепад дает сам корпус?

[karachun 2,038]

42 минуты назад, Max_7o сказал:

И возник вопрос, что задать на входе, чтобы увидеть какой перепад дает сам корпус?

Можно задать массовый расход, для которого был определен данный перепад.

43 минуты назад, Max_7o сказал:

данный коэффициент будет соответствовать  Quadratic Resistance Coefficient ?

Нет, как я понял Quadratic Resistance Coefficient это сопротивление на единицу толщины пористого тела, у Идельчика к-т сопротивления сразу связывает вместе перепад на всей преграде (решетка, труба, фильтр или лабиринт) со средней скоростью потока и следовательно с расходом.

54 минуты назад, Max_7o сказал:

Но вот к сожалению с диаграммой никак не могу разобраться.

Напиши параметры своей пластины - диаметр отверстий, толщина, живое сечение, расход через фильтр и габариты самой пластины (высота/ширина/диаметр).

58 минут назад, Max_7o сказал:

Я так и делаю. Назначил на фильтрующий элемент интерфейсы и указал что это пористое тело.

Мое предложение такое - заменить пористое тело одним интерфейсом нулевой толщины (пластина скорее всего тонкая), и а этом интерфейсе можно задать к-т потерь из Идельчика, не для пористого тела.

Вчера искал материалы по своей задаче и наткнулся на несколько тем на CFD-Online, у перфорированной пластины к-т сопротивления будет зависеть еще и от угла между потоком и пластиной, это можно учесть свойствами пористого тела но пока это задача со звездочкой. К ней можно будет приступать когда фильтр начнет считаться.

https://www.cfd-online.com/Forums/fluent/27490-perforated-plates.html

https://www.cfd-online.com/Forums/cfx/114670-perforated-sheet-wiremesh-resistance-coefficient.html

https://www.cfd-online.com/Forums/cfx/115973-perforated-sheet-hexagonal-holes.html

[Max_7o 0]

22 минуты назад, karachun сказал:

Напиши параметры своей пластины - диаметр отверстий, толщина, живое сечение, расход через фильтр и габариты самой пластины (высота/ширина/диаметр).

Пластина: 150*150 мм (если я правильно понял, тебе нужна пластина с помощью которой я исследование провожу, а не фильтрующий элемент (пластина свернутая в цилиндр)), толщина 2 мм. Отверстия а - 4 мм, t - 6 мм. На картинке показано расположение. Расход через сам фильтр известно только максимальный (до сих пор не получил данные испытаний) - 41,6667 кг/с. 

22 минуты назад, karachun сказал:

Мое предложение такое - заменить пористое тело одним интерфейсом нулевой толщины (пластина скорее всего тонкая), и а этом интерфейсе можно задать к-т потерь из Идельчика, не для пористого тела.

Насколько я знаю для интерфейса нужен и вход и выход, т.е. один интерфейс это выход из корпуса и вход в фильтрующий элемент (цилиндр) и 2ой выход из цилиндра в корпус.

Edited February 5, 2019 by Max_7o

[Max_7o 0]

В 01.02.2019 в 12:52, karachun сказал:

По несовпадению расходов - очень странно, если ты задал на входе 40 кг/с то то 3,2 кг/с там быть уже не может.

Сейчас закончился расчет перфорированного листа 150*150 (отверстия я моделировал). на входе задал расход 41,6667кг/с, на выходе Averadge Statiс Pressure - 0. Проверяю расход, на входе 0,0308 кг/с на выходе вообще минус 0,0012 кг/с. Может я не правильно результат смотрю? А смотрю так: выбираю Contour и в поле Locations - in/out; Variable выбираю Mass Flow; Range - Local.

[karachun 2,038]

20 минут назад, Max_7o сказал:

Может я не правильно результат смотрю?

Конечно, наверное это расход по отдельным ячейкам, надо писать выражение чтобы посчитать расход через все сечение или смотреть в логе решателя - в конце расчета выводится статистика.

https://www.cfd-online.com/Forums/cfx/24529-how-monitor-mass-flow-rate-cfx.html

По расчету из диаграммы приложил таблицу. Дальше создаешь один интерфейс (выбираешь одну поверхность именованной выборкой), в свойствах выбираешь Interface Model -> Pressure Cgange. Чтобы перепад давления зависел от дин. напора надо писать выражение.

Вот примерный вид, но его нужно еще проверить, я писал его быстро, может чего забыл.

-7.4*1000*(massFlow()@REGION:interface/1000/area()@REGION:interface)^2/2

7.4 - к-т по Идельчику, 1000 - плотность воды, конструкция в скобках это расчет скорости как объемный расход деленный на площадь. Знак минус чтобы это было падение давления. Сама формула тоже взята из Идельчика, вот из такой формулы считается перепад давления.

Также надо проверить число Рейнольдса для отверстий в плите - диаграмма 8-3 применима для Re>= 10e5. Возможно при таком расходе режим течения сильно отличается и все мои расчеты это филькина грамота.

Книга1.xlsx

Edited February 5, 2019 by karachun

[Max_7o 0]

3 часа назад, karachun сказал:

Дальше создаешь один интерфейс (выбираешь одну поверхность именованной выборкой)

Одну поверхность? Так разве можно? я думал у интерфейса есть свой вход и выход. Я так понимаю ты предлагаешь, убрать сам фильтр (он у меня в модели присутствует как отдельное тело) и назначить интерфейс на стенки которые имеют между собой расстояние в 2 мм или вообще избавиться от этих стенок и смоделировать одну? Скрин модели прикрепил.

За расчет отдельное спасибо.

 

3 часа назад, karachun сказал:

Конечно, наверное это расход по отдельным ячейкам, надо писать выражение чтобы посчитать расход через все сечение или смотреть в логе решателя - в конце расчета выводится статистика.

С расходом разобрался, спасибо)

Edited February 5, 2019 by Max_7o

[karachun 2,038]

1 час назад, Max_7o сказал:

или вообще избавиться от этих стенок и смоделировать одну

Вот это я имел в виду. Просто одна поверхность с перепадом давления, управляемым выражением.

И мой вариант и пористое тело это упрощения, при этом использовать один интерфейс проще и легче контролировать результаты.

Edited February 5, 2019 by karachun

[Max_7o 0]

17 часов назад, karachun сказал:

Просто одна поверхность 

Может конечно я чего то не знаю, но весь домен должен быть твердым телом...поверхность в DesignModeler не экспортировать. Вычесть только поверхность мне Solid не позволяет.

Я пытался в DM избавиться от лишних поверхностей, но так тоже не получается.

 

Edited February 6, 2019 by Max_7o

[karachun 2,038]

Какая у тебя версия ансиса?

[Max_7o 0]

1 минуту назад, karachun сказал:

Какая у тебя версия ансиса?

19

[karachun 2,038]

Вот пример, сетка вворкбенче, проект CFX в отдельном архиве.

Test.wbpz

Unnamed.zip

Посмотрел на сове выражение и оно мне не нравится, в нем берется средняя скорость для всей фильтрующей пластины но ее геометрия сложная и по этому такое предположение будет достаточно грубым. Надо смотреть скорости по отдельным элементам, но как это сделать выражением я пока не знаю (да и времени свободного у меня сейчас нет).

В общем не надо считать мой подход истинным а использование пористого тела неправильным. Просто я никогда не использовал porous domain и под рукой у меня только справочник Идельчика.

И еще - какой получился перепад давления для корпуса фильтра, без пластины.

[Max_7o 0]

2 часа назад, karachun сказал:

В общем не надо считать мой подход истинным

Я попробую повторить то что ты сделал с одной поверхностью.

Теперь по давлениям, как я понимаю я снова не правильно смотрел результат. Я делал это через Contour и давление только на входе было правильным. 

На входе задал Static pressure - 4МПа, на выходе Opening c характеристиками opening pres. and Dirn - 0 Па ( даже не знаю почему этот параметр выбрал)

Результат, написал несколько выражений в expressions:

- areaAve(pressure)@in - 3.99904e+006 Па

- areaAve(pressure)@Out - 229.886 Па

- areaAve(pressure)@in-areaAve(pressure)@Out - 3.99881e+006 Па (это я вычитал из СFD, там это добавляли в монитор)

Edited February 6, 2019 by Max_7o

[karachun 2,038]

31 минуту назад, Max_7o сказал:

На входе задал Static pressure - 4МПа, на выходе Opening c характеристиками opening pres. and Dirn - 0 Па

0 Па это если выход в окружающую среду а у тебя там дальше сеть. При таком перепаде (40 атм) вода из этого фильтра будет вылетать со свистом, я бы напротив этого фильтра не стоял.

Еще раз. Тебе известно давление в сети 4 МПа, известен перепад на фильтре 0,03 МПа. Следовательно за фильтром давление 4-0.03=3.97 МПа, не ноль, разница огромна. Дальше начинаются особенности CFD если задать давление 4 МПа то на его фоне жалкие 0.03 МПа могут затеряться (все малые флуктуации давления съедаются округлением). Есть два варианта.

1) для сжимаемых сред задают "опорное давление" в него включают основную часть давления, если это течение в окружающей среде то берут атмосферу, у тебя же очевидно оно будет 4 МПа. В ГУ, на входе и выходе указывают давление без опорного 0.03 и 0 МПа соответственно. Свойства газа считают с опорным а сам расчет идет без него, течение определяет разница давлений а не абсолютные величины. Но все это только для расчета газов, тебе сейчас это не надо.

2) вода несжимамая, мы считаем что ее свойства не зависят от давления (в реальности зависят но мы можем эти пренебречь), получается что опорное давление и не нужно (по умолчанию в CDF-Post выводится давление без опорной части, все равно надо рыться в настройках чтобы его показать). Можно задать опорное 4 МПа, давления вход/выход 0.03/0 МПа или опорное 0 а на ГУ 0.03/0 или даже опорное 0 а на ГУ -3.97/-4 МПа (даже отрицательные, математика все стерпит). На расход это не повлияет, важна только разница. Но ошибки округления никто не отменял.

По этому я рекомендую на входе задать 0.03 МПа, на выходе 0, опорное 0 (для несжимаемых расчетов это правило хорошего тона). А на картинках результатов твердой рукой надписывать "для получения абсолютных величин давления прибавить 3.97 МПа".

Можно в принципе задать опорное и 3.97 МПа, в результатах расчета есть вроде бы "Absolute Total Pressure" и это полное давление+опорное. Но это не точно, надо разбираться.

Вообще понимание опорного давления это важная часть изучения CFD, без него начинающие часто путаются в результатах.

31 минуту назад, Max_7o сказал:

opening pres. and Dirn ( даже не знаю почему этот параметр выбрал)

Нормально, можешь им пользоваться и дальше.

 

33 минуты назад, Max_7o сказал:

это я вычитал из СFD, там это добавляли в монитор

Вообще в CFX множество задач делаются чрез выражения. Если присмотришься то почти все входные данные можно задать в виде выражений. Например переменный по диаметру профиль скорости или зависимость физических свойств жидкости от температуры/давления. Постпроцессинг тоже во многом через выражения, расход, подъемные силы и прочее.

Edited February 6, 2019 by karachun

[Max_7o 0]

19 минут назад, karachun сказал:

Вообще понимание опорного давления это важная часть изучения CFD, без него начинающие часто путаются в результатах.

C этим я действительно еще не разобрался.

В CFX это reference pressure? 

По задаче: на входе (Static или Total) pressure 0,03 МПа, на выходе opening pres. and Dirn - 0 Па? Сначала попробовать без фильтра?

 

22 минуты назад, karachun сказал:

Вообще в CFX множество задач делаются чрез выражения. Если присмотришься то почти все входные данные можно задать в виде выражений

А есть какой нибудь мануал по всем (ну хотя бы по основным) выражениям?