CC BY
22
УДК 66.02.011.001.57
А.И. Обухова*, Д.Д. Галиева
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: [email protected]
КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА ДАВЛЕНИЯ В ДИФФУЗОРАХ СЛОЖНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
В данной работе рассматривается моделирование распространения импульса давления в диффузоре в программном модуле ANSYS Fluent, использующий при расчете метод конечных объемов. В процессе реализации задачи в качестве рабочего тела был использован этилен. Также были построены геометрическая и сеточная двумерная модель диффузора. В результате решения задачи получены поля распределения параметров в диффузоре, векторы скорости.
Ключевые слова: диффузор, численное моделирование, ANSYS Fluent, импульс давления, метод конечных элементов, двумерная модель.
Одним из ключевых компонентов технологического оборудования химической, нефтехимической, газовой промышленностей являются трубопроводные системы. Главная задача таких систем заключается в транспортировки потоков газа или жидкости как между технологическими аппаратами одного предприятия, так между множествами предприятий различных отраслей, находящихся на дальнем расстоянии друг от друга[1, 2]. Однако трубопроводы многих компаний обладают повышенной техногенной опасностью, так как транспортируют вещества при высоких физико-химических параметрах, таких как давление, температура, скорость[3,5]. Поэтому весьма актуальным является обеспечение высоких значений прочности, надежности и безопасности.
Целью данной работы являлось численное моделирование распространения импульса давления в диффузоре с помощью программного комплекса ANSYS Fluent.
Объектом исследования являлись
нестационарные газовые потоки в диффузоре, вызванные распространением по узлу импульса давления.
Рассматривается процесс распространения импульса давления по среде, заполняющей узел типа «диффузор». Диффузор осуществляет переход с 0.4 м на 1 м. Длина расчетной области составляет 2 метра. Рабочим телом является этилен. В начальный момент времени значение давления, температуры и скорости рабочей среды будут равны: p(x, y, 0) = p0 = 1 бар., T(x, y, 0) = T0 = 293 К., u(x, y, 0) = 0. Импульс давления поступает в расчетную область с давлением p1 и температурой T1. Граничные условия расчетной модели будут равны: p(0, y, t) = pi = 6 бар, u(0,y, t) = u0, T(0,y, t) = T1 = 393 К. Геометрия расчетной области представлена на рисунке 1.
di
<=-5
L,
Рис.1. Геометрическая модель диффузора.
При решении задачи использовался density -based решатель со схемой implicit (неявная схема)[4]. Также при моделировании турбулентного течения была выбрана модель Спаларта-Алламарса. Данная модель устойчива и имеет достаточно быструю сходимость результатов, относится к типу однопараметрических моделей турбулентности и имеет дополнительное уравнение для расчета вязкости[4]. Расчет проводился с использованием временного шага, равного 1е-6 с., количество итераций в каждом временном шаге - 20. Так импульс давления достигает конца расчетной области за 0.0042 с.
При анализе полученных результатов моделирования задачи о распространении импульса давления через узел типа «диффузор» получены поля распределения таких параметров, как давление, скорость, температура, энергия, а также построены векторы скорости.
Как и предполагалось, в области боковых стенок в большей части диффузора обнаружены значительные вихреобразования (рис.2),
являющиеся возможной причиной внутреннего шума. Также снижение скорости быстрее происходит у боковых стенок диффузора, чем в центре[6].
Рис.2. График распределения векторов скорости в диффузоре при г = 0.0042с
Как видно из рисунка 3, на котором представлено поле распределения полной энергии, в области ступенчатого расширения диффузора наблюдается область высоких значений полной энергии. Это объясняется тем, что частицы газового потока тратят кинетическую энергию на преодоление нарастающего давления в области расширения узла. Поэтому кинетическая энергия уменьшается от оси к стенке, так как частицы вокруг стенки диффузора обладают малой энергией, в результате чего не преодолевают давление в данной области. Поэтому в области боковых стенок образуются застойные зоны и вихревые потоки, так как частицы по действием давления двигаются обратно, препятствуя основному потоку[6]. На рис. 4 представлены амплитудно-частотные характеристики уровня шума на входной границе расчетной области (а), в области узла сочленения (б).
Рис.3. График распределения полной энергии в диффузоре при г = 0.0042с.
Рис.4. Амплитудно-частотные характеристики уровня шума на входной границе расчетной области (а), в области узла сочленения (б)
Возникновение звуковых колебаний вызвано тем, что при распространении скачка давления по диффузора газ разряжается, вызывая тем самым давление, передаваемое от слоя к слою газа со скоростью звука. При достижении контура сочленения наблюдается снижение звуковых колебаний примерно на 5 дБ, и диапозон звуковых колебаний колеблется в пределах 60-95 дБ. В области контура сочленения интенсивность колебаний находятся в диапозоне частот 500-12000 Гц. Согласно приведенным зависимостям в работе[7], максимальный уровень шума в диффузоре не превышает предельно допустимого уровня шума в трубе по прочности.
В результате выполненной работы можно сделать вывод о том, что узел типа «диффузор», имеющий большой угол раскрытия(в рассматриваемом случае 90°) при возникновении в нем скачка давления приводит к образованию вихревых потоков, которые в свою очередь создают нестационарные течения. Диффузор можно рассматривать как активный элемент трубопроводных систем, в которых присутствуют звуковые давления, постепенно приводящие к износу оборудования. Для снижения шума в трубопроводных системах рекомендовано использовать увеличение диаметра выходного трубопровода(диффузоры)[7].
Выражаем особую признательность за научно-методическую консультацию члену - корреспонденту РАН, профессору, д.т.н., заведующему кафедрой ЛогЭкИ РХТУ им. Д.И. Менделеева - Мешалкину В.П., д.ф.м.н., профессору, заведующему кафедрой прикладной математики МАМИ - Бутусову О.Б.
Обухова Алена Игоревна, студентка 4 курса кафедры ЛогЭкИ РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва. Галиева Динара Дарвиновна, аспирантка кафедры ЛогЭкИ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Мешалкин В.П., Кафаров В.В. Проектирование и расчет оптимальных систем технологических трубопроводов. - М.:Химия, 1991.-368с.
2. Мешалкин В.П., Кафаров В.В. Проектирование и расчет оптимальных систем технологических трубопроводов. - М.:Химия, 1991.-368с.
3. Бутусов О.Б., Кантюков Р.А., Мешалкин В.П. Компьютерное моделирование полей температуры и давления нестационарных турбулентных газовых течений в технологических трубопроводах// Химическая промышленность. - 1998. - №7. - с. 433-438.
4. Батурин О.В. Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального программного комплекса Fluent. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2009. - 151с.
5. Мешалкин В.П., Бутусов О.Б., Кантюков Р.А., Дови В.Г. Компьютерное моделирование течения сжимаемых газов через сложные технологические трубопроводы. // Химическая промышленность. - 1998. - № 2. - с. 784-790.
6. Мешалкин В.П., Бутусов О.Б. Компьютерное моделирование нестационарных потоков в сложных трубопроводах. - М.:Физматлит,2005.-536с.
7. Иголкин А.А. О влиянии виброакустических нагрузок на прочность и работоспособность трубопроводных систем // Известия Самарского научного центра РАН. 2013. №6-4. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/o-vliyanii-vibroakusticheskih-nagruzok-na-prochnost-i-rabotosposobnost-truboprovodnyh-sistem [дата обращения: 19.06.2016].
ObukhovaAlena Igorevna*, GalievaDinaraDarwinovna,
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
* e-mail:[email protected]
COMPUTER ANALYSIS OF THE DISTRIBUTION OF PULSE PRESSURE IN THE DIFFUSERS OF COMPLEX PIPING
Abstract
In this work we consider the modeling of distribution of an impulse of pressure in the diffuser in the program ANSYS Fluent module, using in the calculation the finite element method. In the course of realization of a task as a working body has been used ethylene. Also were built with geometric and grid two-dimensional model of the diffuser. The result of solutions obtained distribution of the field parameters in the diffuser, the velocity vectors.
Key words: diffuser, numerical modeling, ANSYS Fluent, pressure impulse, method of final elements, two-dimensional model.
