CC BY
57
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНАХ И АГРЕГАТАХ БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
А.Г. Лепеш1, А.Д. Кузнецова2, А.А.Телицын3
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, г. Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21.
В статье производятся исследование газодинамических процессов с помощью пакета FlowSimulation программы SolidWorks 2016
Ключевые слова: расчеты, газодинамика, SolidWorks, FlowSimulation, мотор-компрессор, струйный
насос.
RESEARCH OF HYDRODYNAMIC AND GAS-DYNAMIC PROCESSES IN MACHINES AND
AGGREGATES DOMESTIC PURPOSES
A.G. Lepesh, A.D. Kuznetsova, A.A. Telitsyn
St. -Petersburg state university of economics (SPbGEU), 191023, St. Petersburg, Sadovaya str., 21. The article presents a study of gas dynamic processes using package Flow Simulation software SolidWorks
2016.
Keywords: calculations, gas dynamics, SolidWorks, Flow Simulation, the motor-compressor, a jet pump.
Современные программные САЕ-продукты (Computer Aided Engineering -компьютернаяподдержка инженерного анализа) стали основным средством при расчетных исследованиях, применяемых на стадии проектирования изделий[1 -10].
В настоящее время CAE-продукты удобны в эксплуатации, а применение современного программного обеспечения обеспечивает снижение стоимости и повышение их вычислительной мощности. На стадии проектирования особое значение придается моделированию процессов, происходящих при работе машин и агрегатов различного назначение. Наиболее сложные из них связаны с обеспечением прочности элементов [1-6] либо с анализом рабочих процессов, обеспечиваемых движением и изменением состояния рабочих сред [7-10].
В данной работе проведены исследования на базе программного продукта SolidWorks FlowSimulation [11]. Программа является распространенным в практике проектирования САЕ-продуктом и позволяет проводить расчеты в области аэрогидродинамики, теплопередачи и теплообмена. SolidWorks FlowSimulation предназначен для использования в различных отраслях промышленности (вентиляция, тепло-
обмен в помещениях, трубопроводная арматура и др.).
Основная задача, решаемаяпри проектировании с помощью САЕ-продуктов - постановка и проведение численных экспериментальных исследований, позволяющих определить работоспособность объектов в конкретных условиях, при этом практически заменяющих во многих случаях натурные эксперименты.
Для того, чтобы рассчитать изменение физических параметров в пространстве и времени необходимо провести его математическое моделирование. При этом физические процессы наиболее адекватно описываются системой дифференциальных и/или интегральных уравнений с привлечением эмпирических констант и зависимостей с граничными и начальными условиями, привязывающими данную математическую модель к конкретной инженерной задаче.
Поскольку используемые при этом системы дифференциальных и/или интегральных уравнений обычно не имеют аналитического решения, они приводятся к дискретному виду и решаются на некоторой расчетной сетке. Это и определяет сущность программных САЕ-продуктов.
1 Лепеш Алексей Григорьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения, СПбГЭУ, тел.: +7 904 5105271, e-mail: [email protected];
2Кузнецова Анна Дмитриевна - доцент кафедры Машины и оборудование бытового и жилищно-
коммунального назначения, СПбГЭУ, тел.: +7 921 332 03 28, e-mail: [email protected]; 2Телицын Антон Александрович, магистрант СПбГЭУ, тел.:+7 981 1248185, e-mail: [email protected].
Решение математической задачи существенно зависит от способов дискретизации уравнений и методов их решения. Напри-мер,решение задачи будет точнее при использовании более мелкой расчетной сетки в области нелинейного поведения решения уравне-ний.Однако при применении SoПdWorks FlowS-imulation в большей части сводится к опыту исследователя в построении расчетной области и определению граничных условий.
Рассмотрим примеры проведение анализа возможности применения продукта SolidWorksFlowSimulation для расчета гидродинамических и газодинамических процессов в струйном насосе и мотор-компрессоре, моделирование которых требует численного решения уравнений движения сплошной среды [8].
Перейдем непосредственно к моделированию и решению задачи, в качестве модели в статье рассматривается корпус роторного компрессора холодильника, (см. рис. 1). Граничные условия указаны в Таблице 1.
.Таблица 1 - Граничные условия
Статическое давление 10,1МПа
Давление окружающей среды 50,1 МПа
Объемный расход на входе 0,23 м3 /с
Статическое давление 5,1 МПА
Рисунок 2 -Траекториядвижения частиц
По полученным данным видно, что давление на входе в компрессор, значительно меньше, чем на выходе.Рабочий газ в компрессоре сжимается при помощи эксцентрика, установленного на вал двигателя. При вращении вала эксцентрик катится по внутренней поверхности цилиндра компрессора, и находящийся перед ним воздух сжимается, а затем выталкивается через выпускной клапан компрессора. Из-за движения вала воздух в цилиндре компрессора сжимается и его давление возрастает, на выходе оно больше практически в 7 раз.
Далее рассмотрим, что произошло с температурой сжатого воздуха (рис.3.).
Рисунок 1 - Мотор-компрессор
Рисунок 3-Температурав мотор-компрессоре
После ввода граничных условий производится расчет, после его завершения можно определить траектории движения частиц в компрессоре (см.рис. 2).
По результатам опыта, можно увидеть, что температура в компрессоре практически не изменяется, за исключением температуры в выходном клапане. Температура воздуха на входе в компрессор имеет значение порядка 254 К, в процессе движения внутри корпуса она возрас-
Исследование гидродинамических и газодинамических процессов в машинах и агрегатах ..
тает до 297К и лишь при выходе из компрессора она увеличивается до 351К.
Для более наглядного представления рассмотрим как именно происходит данный процесс в капиллярной трубке(рис.4).
Рисунок 4 - Движение воздуха в капиллярной трубке
На рисунке отчетливо видно, что давление на выходе значительно меньше, чем на входе.
Далее исследуем гидродинамические процессы, происходящие в струйном насосе. (рис.5).
Рисунок 5 - Струйный насос: 1 - втулка; 2 -диффузор; 3 - дроссель; 4 - футорка; 5 - контргайка;
6 - крест; 7 - ниппель; 8 - тройник; 9 - штуцер
Струйный насос предназначен для смешения очищаемой воды с реагентом. Струйные насосы (гидроэлеваторы или эжекторы) относятся к группе насосов-аппаратов, т. е. насосов, не имеющих движущихся частей. Они действуют по принципу передачи кинетической энергии от потока рабочей жидкости к потоку перекачиваемой жидкости, при этом передача энергии от одного потока к другому происходит непосредственно без промежуточных механизмов (за счет создания разрежения).
Упрощенно схему работы струйного насоса можно объяснить так (рисунок 6). Жидкость под большим давлением подается по трубе, имеющей сопло, в подводящую камеру. Из-
за сужения сопла жидкость обладает большей скоростью, следовательно, и кинетической энергией. В подводящей камере давление падает ниже атмосферного, и из питающего трубопровода, соединенного с этой камерой, происходит всасывание. Обе жидкости попадают в следующую камеру, где смешиваются и обмениваются кинетической энергией. Затем перемешавшееся вещество попадает в диффузор насоса, где теряет часть давления, а оттуда -внапорный трубопровод или сборный резервуар.
Для проведения расчета были заданы граничные условия (таблица 2).
Таблица 2 - Граничные условия для проведения расчета
На вход (вода)
Давление 499,952 кПа (5 кг/см2)
Расход 0,04 л/с
На выход
Расход 0,04 л/с
На вход (Ортофосфорная кислота Н3Р04)
Давление (атмосферное) 101,325 кПа
Рисунок 6 -Работаструйного насоса
После завершения расчетов программой, были получены следующие результаты. (рис.7).
На рисунке видно, что наибольшим давлением жидкость обладает при прохождении через сопло, в подводящей камере давление резко падает и на протяжении всего про-
цесса не меняется. Температура жидкости постоянная.
Таким образом, рассматриваемое приложение FlowSimulation программы SolidWorksпозволяет достаточно просто решать различные сложные газотермодинамические задачи в минимально короткие сроки. Данное приложение обладает достаточно простым и информативным интерфейсом. При этом полу-
чаемая точность моделирования физических процессов во FlowSimulation сопоставима с более сложными и дорогими программными продуктами [9,10]. FlowSimulationSolidWorks является программным обеспечением, позволяющим точно, быстро и просто моделировать газотермодинамические процессы.
Рисунок 7 -Движениежидкости в струйном насосе, температура, давление
Литература
1. Лепеш, Г.В. Напряженно-деформированное состояние осесимметрических деталей и узлов в квазистатических условиях нагружения. /Г.В Лепеш// Технико-технологические проблемы сервиса. -№3(13). 2010. -с.60 - 72
2. Лепеш, Г.В. Анализ напряженно-деформированного состояния хромового покрытия автоскрепленного цилиндра. /Г.В Лепеш/ / Технико-технологические проблемы сервиса. - №2(12). -2010. -с.35 - 41
3. Лепеш, Г.В. Численное решение задачи о движущейся в трубе нагрузке./ /Г.В Лепеш/ Технико-технологические проблемы сервиса. -№2. - 2007. - с. 84 - 93
4. Лепеш, Г.В., Обеспечение прочности технологической оснастки при автоскреплении труб. /Г.В Лепеш, Е.Н.Моисеев, М.С. Черкасов// Технико-технологические проблемы сервиса. -№3(29). -2014. -С.56- 63
5. Лепеш Г.В. Иерархический подход при решении задач динамики силового взаимодействия./ Технико-технологические проблемы сервиса. №3(33), 2015 г. С.49- 58
6. Лепеш, Г.В. Моделирование процесса автоскрепления толстостенных труб. /Г.В Лепеш., А.С. Зайцев, Е.Н. Моисеев// Технико-технологические проблемы сервиса,. -№1(31). -2015 г. -С.38- 44.
7. Лепеш, Г.В. Моделирование механических и газодинамических процессов в агрегатах машин. /Г.В Лепеш// Термодинамические и гидравлические процессы в бытовой и коммунальной технике: Сборник материалов семинара кафедры «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения»/ под редакцией д-ра техн. наук, профессора Лепеша Г.В.- СПб.: Изд-во СПбГУСЭ,
2013. -С. 84 - 108
8. Лепеш, Г.В. К вопросу о моделировании газодинамических процессов в турбокомпрессорах. /Г.В Лепеш, А.А. Зубов, А.Г. Лепеш // Технико-технологические проблемы сервиса . -№2. -2007-с. 30 - 35.
9. Лепеш, Г.В. Имитационное моделирование дифференцированного обогрева вентилируемого помещения комплексом современных отопительных приборов. /Г.В Лепеш, Г.А. Спроге, Ю.В. Однодворец // Технико-технологические проблемы сервиса. -№1(31). -2015. -С.31- 37
10. Лепеш Г.В., Потемкина Т.В.Способ энергоэффективного обогрева вентилируемых помещений// Технико-технологические проблемы сервиса.
2014. №4(30).С.42-54.
11. Основныеэлементы SolidWorks (SolidWorks 2010), Издат.: Dassault Systems SolidWorks Corporation, 2009, 550 с.
