Построение расчетной модели свободновихревого насоса

Содержание

Введение

1. Создание исследуемых моделей.

2. Теоретическое описание рабочего процесса.

3. Построение расчетной модели.

3.1 Создание расчетной сетки.

3.2 Создание расчетной сетки.

3.3 Задание параметров и расчет уравнений

3.4 Анализ и визуализация полученных данных

Выводы

трёхмерный модель насос ansys

Введение

В ходе выполнения расчетных работ возникает необходимость проверять и подтверждать или опровергать полученные данные. Но к сожалению возникшие экономические и материальные проблемы не дают возможность проводить эксперименты. В такой ситуации помогают программы способные проводить расчеты, приближенные к реальным процессам, которые нас интересуют. Одним из таких программных пакетов есть пакет программного обеспечения ANSYS.

ANSYS - программный пакет конечноэлементного анализа, решающий задачи в различных областях инженерной деятельности (прочность конструкций, термодинамика, динамика жидкостей и газов, электромагнетизм), включая связанный междисциплинарный анализ.

ANSYS - это универсальный конечноэлементный программный пакет (разработчиком которого является компания ANSYS Inc.), который позволяет решать в единой пользовательской среде (и, что очень важно, на одной и той же конечноэлементной модели) широкий круг задач в областях:

Прочности;

Тепла;

Гидрогазодинамики;

Электромагнетизма;

Междисциплинарного связанного анализа, объединяющего все четыре типа;

Оптимизации конструкции на основе всех вышеприведенных типов анализа.

ANSYS обеспечивает двустороннюю связь практически со всеми известными CAD-системами. Это достигается за счет двустороннего обмена геометрией с наиболее популярными пакетами и импорта множества стандартных форматов.

Также существуют встраиваемые в CAD-системы расчетные модули ANSYS, позволяющие реализовать преимущества технологии "сквозного проектирования".

В ходе данной работы нами будет использоваться последняя версия выше упомянутой программы. А именно ANSYS 13.0. Передовая технология, стоящая за ANSYS 13.0, включает сотни новых возможностей, преимущества в трех основных областях:

Большая достоверность расчетов, обеспеченная новыми методами, реализованными в решателях. С ростом инженерных требований и увеличением сложности конструирования, программное обеспечение для расчетов также должно выдавать более точные результаты, которые отражают изменение условий эксплуатации с течением времени. В ANSYS 13.0 входит решатель переходных электромагнитных процессов, возможность моделирования больших нестационарных вихрей в текучих средах и трехмерное структурное перестроение сетки. Эти методы увеличивают точность и достоверность результатов при моделировании динамических процессов. Это лишь несколько из новых возможностей, которые относятся к точности и достоверности результатов, полученных при расчете в данной версии программного обеспечения.

Более высокая производительность, построенная на адаптивной архитектуре. Программное обеспечение ANSYS 13.0 включает десятки возможностей, которые минимизируют время и усилия, инвестируемые в расчеты отделами по разработке изделий. Если размер конструкции, ее сложность достаточно велики, когда для решения задачи необходима междисциплинарная постановка, ANSYS 13.0 поможет пользователям с различными инженерными специальностями вести решение сообща, организовать обмен данными.

Инновации в производительности благодаря программному обеспечению и вычислительным мощностям. ANSYS 13.0 поможет решать задачи быстрее. Скорость вычислительных алгоритмов в данной версии значительно выше, чем в предыдущих версиях программного обеспечения. Таким образом, можно быстрее и эффективнее вести сложные междисциплинарные расчеты, ускоряя тем самым разработку изделия.

Мы же будем использовать не полное семейство, а только части такие как: CFX

Программный комплекс, сочетающий уникальные возможности анализа гидрогазодинамических процессов, многофазных потоков, химической кинетики, горения, радиационного теплообмена и многих других. CFX обеспечивает принципиально новый уровень решения задач вычислительной гидрогазодинамики за счет уникального сочетания технологий, начиная от прямого интерфейса к большинству CAD систем и заканчивая возможностью проводить сопряженный анализ течений и конструкций совместно с ANSYS Multiphysics. Широкий выбор моделей турбулентности в сочетании с линейным решателем и технологией "Algebraic Coupled Multigrid" позволяет добиться высокой точности результатов при решении различного класса задач.

Workbench

Новое поколение программных продуктов, в основе которых современный объектно-ориентированный подход к инженерному анализу, использующих возможности решателей ANSYS. Эта среда инженерного анализа предоставляет уникальные возможности по интеграции с CAD системами (в том числе двунаправленную ассоциативную связь). Можно сочетать процесс проектирования в CAD пакете с получением достоверных данных расчетов и проведением оптимизации конструкции. Workbench Products состоят из модулей: Design Simulation (использует лицензии DesignSpace, Professional, Structural, Mechanical), Design Modeler, DesignXplorer, FE Modeler.

1. Создание исследуемых моделей

За основу моделирования был взят свободновихревой насос с указанными в тех. задании характеристиками. В ходе работы были построены трёхмерная модель рабочего колеса и корпуса насоса с помощью программы ANSYS 13.0.

Но главною особенностью работы является представление потока жидкости и его особенностей, показанных на рис.2.1

а)

б)

Рисунок 2.1 - Трехмерная жидкотельная модель потока в насосе, а) рабочего колеса; б) корпуса.

После чего мы сохраняем выше указанные модели, изменяя формат.SLDRTP на.IGS, это связано с тем, что в дальнейшем мы будем работать в с программой поддерживающей именно данный формат.

2. Теоретическое описание рабочего процесса

Изучением свободновихревых насосов занимались многие ученые деятели, как наши соотечественники Герман В.Ф., Котенко А.И, так и заграничные К. Рючи, Вегенер и другие. Они занимались исследованиями во многих направления, таких как изменение параметров, изменение конструктивной схемы. И конечно же все начиналось с понимания процессов происходящих внутри насоса.

Рассмотрим этот вопрос более детально. В процессе подачи энергии в СВН можно выделить две стадии.

1 - Энергия от рабочего колеса передается проходящему через него потоку. Вследствие вращения р.к. частицы выходящей из него жидкости двигаются одновременно в меридиональной плоскости и плоскости, перпендикулярной к оси вращения колеса, т.е. вращаются по винтовым линиям. При этом жидкость в относительном движении перемещается в сторону, обратную вращению р.к.

2 - В свободной камере насоса происходит обмен количеством движения между частицами выходящего из р.к. и поступающего из всасывающего патрубка потоков. При смещении этих двух потоков жидкость в камере насоса закручивается в направлении движения колеса, поступает в отвод и под действием центробежных сил отбрасывается в напорный патрубок. Часть меридионального потока, теряя энергию, возвращается к входу в р.к. смещение двух потоков сопровождается интенсивным вихреобразованием.

В СВН не исключена возможность передачи энергии за счет поперечных вихрей, возникающих при обтекании торцов лопаток, а так же турбулентного обмена частиц жидкости в колесе и свободной камере насоса.

3. Построение расчетной модели

После того как были созданы жидкотельные модели потока в колесе и в отводе, они проверяются на совместимость, или другими словами создается сборочный чертеж, как показано на рис. 3.1

Рисунок 3.1 - Сборочный чертеж жидкотельных моделей

После того как мы видим, что ошибок нет, модели выполнены правильно, можем начинать работу по созданию сеток, отдельно на рабочее колесо и отвод.

Рассмотрим более детально как происходит создание сеток на примере р.к. Первым делом мы открываем Ansys 13 > Meshing > ICM FD, и загружаем геометрию в ново созданный нами проект. После чего начинаем работу по созданию частей. Отдельно создаем части под названием Point и Curves. После чего начинаем создавать части нашей модели, как показано на рис.3.2. Коричневого цвета - Lopast_RT и Lopast_RT_small, созданные двумя частями для удобства разбивания сетки на тетраэдры, Stator - желтого цвета, Wall_rt - зеленого, Wall_ST - красного, Rotar - серого, Interface 1 - синего, Interface 2 - сиреневого цвета.

Рисунок 3.2 - Части сетки

3.1 Создание расчетной сетки

Теперь, когда модель разбита на части мы можем готовиться к разбитию сетки. Задаем основные параметры, Scale Factor, не меняя масштаб. Задаем максимальный размер тетраэдра 8 и показатель степени прогрессии 1.3, а так же указываем количество ячеек в пристеночном слое. Далее уточняем размеры ячеек, уменьшая на более мелких или сложных участках. Если же все равно ячейки крупные, при детальном просмотре, то пере разбиваем ячейки.

Затем проверяем сетку и при необходимости разглаживаем проблемные участки.

Разбитая сетка изображена на рис. 3.3

Рисунок 3.3 Сетка р.к., количество ячеек 102500

Проводим точно такие же операции с моделью отвода, получаем сетку на 325300 ячеек.

3.2 Задание параметров и расчет уравнений

Затем мы открываем CFX-Solver manager. Загружаем модель казываем отдельно каждую модель (domain1, domain2), поверхности (boundary), а так же, самое главное указываем, с каким материалом будем работать (в нашем случае вода), известные нам параметры: напор, подачу и число оборотов.

Так же задаем уравнение разницы давлений на входе и выходе. После чего запускаем расчет. Указав сохранение каждой 20й итерации. И ожидаем, пока расчет не сойдется.

Достаточной точностью для наших расчетов будет условие сходимости на 10^-4, для технических расчетов. В ходе расчета, мы можем изменять шаг, регулируя тем самым и время расчета.

3.3 Анализ и визуализация полученных данных

Полученные результаты мы можем увидеть через CFD-Post, загрузив наш файл и выбрав тот или иной способ визуализации. Также есть возможность создания видео роликов.

Создадим плоскость, проходящую через модель так, что бы видеть все, что в ней происходит. И выведем результаты в графическом виде.

Рисунок 3.4 - Графическая визуализация результатов.

Как говорилось выше есть возможность создавать видео результаты, а так же диаграммы и таблицы показывающие результаты.

Выводы

В ходе выполнения данного курсового проекта мы познакомились с программным обеспечением Ansys CFX 13.0. выполнили предварительные расчёты потоков и смогли показать их графически. Углубили свои знания и умения в создании рабочих сеток, попробовали самостоятельно провести исследования.

Убедились в необходимости знаний и умений работы в данной программе, хорошо показывающей процессы, проходящие внутри потока.

Размещено на Allbest.ru