¬аше окно в мир —јѕ–
 
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

10 декабр€ 2013

ћоделирование процесса фильтрации в Autodesk Simulation CFD

—ергей ѕоворов («јќ Ђ омпани€ ѕќ»Ќ“ї), √еннадий  осмачев (ќќќ ѕѕ “Ё ќ-‘»Ћ№“–)

ѕоворов- осмачев

‘ильтраци€ воды €вл€етс€ важнейшим этапом водоподготовки дл€ нужд коммунальных хоз€йств и практически всех отраслей промышленности (например, металлургических и теплогенерирующих предпри€тий).  ачество подготавливаемой воды во многом зависит от качества фильтрации, которое в свою очередь определ€етс€ эффективностью и конструктивным исполнением промышленных фильтров.

ѕроизводственное предпри€тие Ђ“Ё ќ-‘ильтрї основано 1 июн€ 1994 года. √лавное направление де€тельности предпри€ти€ Ц проектирование и изготовление оборудовани€ дл€ ремонта и реконструкции установок химводоочистки теплоэнергетических объектов различной мощности (от коммунальных и производственных котельных до “Ё÷, √–Ё—, јЁ—), а также водоподготовительных установок промышленных предпри€тий всех без исключени€ отраслей промышленности. »нжинирингова€ служба предпри€ти€ стремитьс€ разрабатывать проекты на самом высоком техническом уровне с выполнением моделировани€ различных стадий работы водоподготовительного оборудовани€ и прохождением стендовых испытаний продукции. –ешать подобную многовариантную задачу без применени€ специальных компьютерных средств моделировани€ очень сложно. Ќапример, спрогнозировать гидроудары, привод€щие к повреждению внутренних устройств промышленных фильтров, визуализировать распределение потоков внутри фильтра на разных производительност€х, определить нагрузки на внутренние распределительные устройства или спрогнозировать силовое воздействие фильтрующего материала при обратной промывке фильтра. ‘изические испытани€ подобных задач трудоемки или зачастую невозможны вовсе. –ешение таких задач необходимо осуществл€ть с использованием CAE-решений на стадии проектировани€. Ёто способствует надЄжному, экономичному и оптимальному использованию оборудовани€, равномерной работе фильтрующего материала, максимальному использованию его ионообменной или гр€зевой Ємкости.

ќдним из видов фильтров, разрабатываемом и производимом на предпри€тии, €вл€етс€ промышленный фильтр дл€ очистки воды с конструкцией, предусматривающей распределительные устройства на входе и на выходе водного потока.

Autodesk Simulation CFD 1

–ис. 1. ¬нешний вид промышленного фильтра очистки воды

ƒл€ анализа был прин€т фильтр механической очистки диаметром 2,6 метра с нижним распределительным устройством копирующего типа. –ассматривалась операци€ фильтрации при которой очищаема€ вода подавалась в фильтр сверху через верхнее распределительное устройство лучевого типа, проходила через фильтрующий материал (кварцевый песок) и собиралась нижним распределительным устройством (рис. 1). Ќа этап моделировани€ были поставлены следующие задачи:
  • ѕроанализировать равномерность движени€ потока внутри фильтра
  • ќпределить перепады давлени€ на фильтрующих элементах распределительных устройств (–”)
  • ¬изуализировать движение потоков внутри –”
  • ќпределить распределени€ давлени€ в толще фильтрующего материала.
Autodesk Simulation CFD 2а

a

Autodesk Simulation CFD 2б

б слой песка не показан

–ис. 2. ”стройство фильтра

ƒл€ того, чтобы смоделировать работу фильтра описанной выше конструкции, необходимо помимо стандартных дл€ гидродинамических задач настроек, задать специальные параметры дл€ всех фильтрующих элементов конструкции. ¬ нашем случае это будут песчана€ фильтрующа€ среда и колпачки, которые задерживают песок внутри фильтра. ƒл€ них необходимо задать специальные свойства проницаемого материала. ћоделирование потоков жидкости в неупрощенном виде через подобные детали будет затруднительно, поскольку он имеет множество очень мелких деталей и это приведет к тому, что сгенерированна€  Ё-сетка будет иметь неоправданно большое количество элементов. ѕрограмма Autodesk Simulation CFD, котора€ была выбрана компанией “Ё ќ-‘ильтр дл€ выполнени€ гидродинамических расчетов, обладает специальными возможност€ми, позвол€ющими учесть указанные выше особенности фильтрации.

ћедленное стационарное движение несжимаемой жидкости в неподвижной изотропной пористой среде, к которой можно отнести используемый в фильтре песок, можно описать с помощью уравнени€ ƒарси

где u Ц вектор скорость фильтрации, k Ц коэффициент, называемый проницаемостью пористой среды, который зависит от типа пористой среды, µ Ц коэффициент динамической в€зкости жидкости и p Ц давление.  ак видно из уравнени€, направление вектора скорости жидкости внутри проницаемого материала определ€етс€ градиентом давлени€, т.е. жидкость будет двигатьс€ из области с высоким давлением в области с низким давлением. «акон ƒарси примен€ют при невысоких скорост€х фильтрации при значени€х числа –ейнольдса Re = ρυd/μ << 1 , так как при высоких скорост€х фильтрации инерционные силы, действующие на частицы жидкости уже не будут пренебрежимо малы, а в уравнении ƒарси инерционна€ составл€юща€ не учитываетс€.  оэффициент проницаемости k зависит только от свойств пористой среды (но не от свойств жидкости), и определ€етс€, в основном, геометрией порового пространства. ќн имеет размерность площади, а его величина имеет пор€док квадрата характерного размера пор [1]. ¬ справочной литературе часто привод€т значени€ не коэффициента проницаемости, а коэффициента фильтрации, который зависит не только от свойств пористой среды, но и от свойств жидкости и имеет размерность скорости. ќба коэффициента св€заны выражением:

где — Ц коэффициент фильтрации, g Ц ускорение свободного падени€. »з выражени€ (2) можно выразить коэффициент проницаемости k, именно этот коэффициент используетс€ в программе Simulation CFD.«начение коэффициента проницаемости можно определить опытным путем измерив, перепад давлени€ перед слоем фильтрующего материала и за ним, а так же скорость фильтрации по следующему уравнению, полученному из уравнени€ (1)

где V Ц скорость фильтрации, может быть определена как отношение объемного расхода жидкости к площади поперечного сечени€ фильтрующего материала, L Ц толщина сло€ фильтрующего материала.

¬ программе Autodesk Simulation CFD имеетс€ специальна€ группа материалов под названием Distributed Resistances (распределенное сопротивление), в этой группе имеетс€ несколько моделей материалов реализованных на основе различных уравнений проницаемости. ќписанное выше уравнение ƒарси реализовано в модели материала под названием Permeability (проницаемость). ƒл€ задани€ константы проницаемости дл€ нашего фильтрующего материала необходимо создать новый материал. ¬ режиме редактировани€ свойств материалов на панели Setup Tasks выберем Materials. ѕосле этого в окне программы выделим объем, которому нужно задать свойства проницаемого материала. ѕосле нажати€ Edit по€витс€ окно дл€ задани€ соответствующих свойств.

Autodesk Simulation CFD 3

–ис. 3. ƒиалоговое окно назначени€ свойств материала в Autodesk Simulation CFD

¬ данном окне в строке Material DB Name (им€ базы данных материалов) нужно выбрать Local, в строке Type выбрать Resistance. ƒалее нажать на Edit в по€вившемс€ окне Material Editor (редактор материала).
Autodesk Simulation CFD 4

–ис. 4. ќкно редактора свойств материала

¬ данном окне необходимо заполнить поле Name Ц им€ материала. ћы использовали им€ Sand (песок), в поле Save to database выбрать local что означает что создаваема€ нова€ модель материала будет хранитьс€ в локальной библиотеке материалов. “акже можно выбрать цвет дл€ создаваемого материала, который будет отображатьс€ при визуализации в окне пре-пост-процессора. ¬ выпадающем меню Variation method выбрать Permeability, что означает что дл€ описани€ проницаемости материала будет использоватьс€ уравнение ƒарси. ¬ поле Coefficient нужно указать значение коэффициента проницаемости. ¬ нашем случае он равен 2,8195х10-6 мм2, не забыв при этом выбрать соответствующую единицу измерени€. ƒалее нажать на кнопки Apply и Save. ѕосле этого процесс создани€ материала будет завершен и новый материал по€витс€ в библиотеке Local и в окне Materials в поле Name (рис.3) можно будет выбрать созданный нами материал с именем Sand.

ƒл€ моделировани€ движени€ потока через детали в виде оболочек или пластин, имеющих множественные отверсти€ или щели в программе Simulation CFD имеетс€ специальный тип проницаемого материала с сопротивлением, который называетс€ ЂFree Area Ratioї (коэффициент свободной площади, т.е. площади отверстий или щелей). ѕри этом пластина, имеюща€ множественные отверсти€ (в нашем случае это цилиндрическа€ обечайка колпачка) моделируетс€ как сплошное тело без отверстий, а в качестве материала назначаетс€ специально созданный материал с заданным коэффициентом свободной поверхности.ѕроцедура создани€ материала со свойством проницаемости дл€ колпачка аналогична описанной выше. ¬ окне редактора свойств материала Ц Material Editor, в поле Name мы указали Wire Mechanical Filter (проволочный механический фильтр), в поле Variation method нужно выбрать Free Area Ratio, после этого в поле Value ввести значение коэффициента свободной поверхности, который рассчитываетс€ как отношение общей площади щелей или отверстий к общей площади, в нашем случае это значение составл€ет 0,210526. Ќа рис. 5 показано окно редактора свойств материала с пол€ми, заполненными в соответствии с описанным выше.

Autodesk Simulation CFD 5

–ис. 5. ќкно редактора свойств материала

Ќеобходимо также учесть особенность CFD, котора€ состоит в том, что материалы класса Resistance не должны контактировать в модели друг с другом, а могут непосредственно взаимодействовать только с жидким или газообразным материалом. ј поскольку в нашем случае колпачки контактируют с песком, то необходимо прибегнуть к техническому приему, чтобы создать между двум€ материалами типа Resistance прослойку из жидкости. —уть этого приема состоит в том, что детали обечайки назначаетс€ материал жидкость, а созданный материал Wire Mechanical Filter назначаетс€ внутренней цилиндрической поверхности обечайки. ¬ программе Simulation CFD материал можно задать не только дл€ объемных тел, но также и дл€ поверхностей.
Autodesk Simulation CFD 6

–ис. 6. Ќазначение свойств материала фильтрующим элементам в Autodesk Simulation CFD

Ќа рис. 6 изображен фильтрующий колпачок дл€ нагл€дного представлени€ внутренней поверхности обечайки (фильтрующий материал и торцева€ заглушка скрыты). —ерым цветом на экране показан коллектор, которому назначен материал сталь, синим цветом показана обечайка фильтрующего колпачка, которой назначен материал жидкость, а внешн€€ поверхность обечайки контактирует с материалом песок (Sand). ¬нутренн€€ поверхность цилиндрического фильтрующего элемента показана красным цветом, так как дл€ нее назначен материал Wire Mechanical Filter. —лева показано окно назначени€ материала внутренней поверхности, в котором видна библиотека и выбран тип материала Resistance (им€ материала Wire Mechanical Filter). “акже при назначении материала поверхности в окне Materials по€вл€етс€ дополнительное поле с названием Shell Thickness, т.е. толщина оболочки, где мы указываем толщину цилиндрического фильтрующего элемента колпачка, равную 2 мм.

ѕеред запуском расчета были заданы следующие граничные услови€: на входном патрубке задаетс€ вход€щий поток равный 51,5 м3/час, а на выходе задаетс€ давление в магистрали равное 0,2 ћѕа.

ѕосле решени€ модели были получены следующие результаты. Ќа рис. 7а показано поле скорости жидкости на входе в фильтр, на рис. 7б показан график скорости жидкости в луче верхнего распределительного устройства от вертикального входного патрубка до торцевой заглушки луча.

Autodesk Simulation CFD 7а

а

Autodesk Simulation CFD 7б

б

–ис. 7. —корость движени€ жидкости в верхнем распределительном устройстве

јналогично на рис. 8 показано изменение скорости в выходном коллекторе.
Autodesk Simulation CFD 8а

а

Autodesk Simulation CFD 8б

б

–ис. 8. —корость движени€ жидкости в выходном коллекторе

Ќа рис. 9а показано поле распределени€ давлени€ внутри фильтрующего материала, а на рис. 9б показан график изменени€ давлени€ от верхнего сло€ до нижнего.
Autodesk Simulation CFD 9а

а

Autodesk Simulation CFD 9б

б

–ис. 9. ƒавление в фильтрующем материале

»з уравнени€ (1) мы знаем, что направление вектора скорости определ€етс€ вектором градиента давлени€, а он в свою очередь направлен перпендикул€рно изоповерхност€м давлени€. Ќа рис. 10 показаны два вида на изоповерхности давлени€ внутри сло€ песчаного фильтрующего элемента использу€ инструмент Iso Surfaces в Autodesk Simulation CFD. «на€, что частицы жидкости движутс€ по нормали к этим поверхност€м, мы можем судить о равномерности распределени€ потоков жидкости в фильтрующем материале.
Autodesk Simulation CFD 10а

а

Autodesk Simulation CFD 10б

б

–ис. 10. ƒавление в фильтрующем материале

Ќа рис. 12 показана работа инструмента Bulk Results, позвол€ющего оценить объем потока через интересующее сечение. „тобы воспользоватьс€ этим инструментом, мы должны создать секущую плоскость, после чего с помощью данного инструмента мы можем определить поток жидкости, проход€щий через каждый замкнутый контур, образованный созданной секущей плоскостью и моделью. ≈сли расположить секущую плоскость так, чтобы она была перпендикул€рна штуцерам фильтрующих колпачков и пересекала их, то с помощью данного инструмента мы можем вычислить объем жидкости, проход€щий через каждый отдельный колпачок. Ёто очень важно при поиске оптимальной конструкции фильтра.
Autodesk Simulation CFD 11

–ис. 11. ѕадение давлени€ в колпачке

Autodesk Simulation CFD 12

–ис. 12. »змерение потока жидкости проход€щего через каждый колпачок с помощью Bulk Results в Autodesk Simulation CFD

Autodesk Simulation CFD 13

–ис. 13. Ћинии тока в коллекторе

Autodesk Simulation CFD 14

–ис. 14. –аспределение векторов движени€ жидкости внутри луча коллектора

Autodesk Simulation CFD 15

–ис. 15. –аспределение скоростей воды над песком и давлени€ жидкости внутри песка

ѕрограмма Autodesk Simulation CFD обладает необходимыми модел€ми материалов дл€ расчета движени€ жидкостей и газов в пористой среде, а так же специальными модел€ми материалов, упрощающими задачу расчета потока через перегородки со множественными отверсти€ми или щел€ми.
Autodesk Simulation CFD 16

–ис. 16. —пециальные материалы Autodesk Simulation CFD дл€ упрощени€ моделировани€ фильтрующих материалов и материалов, имеющих конструктивное сопротивление потокам

»нструменты анализа результатов моделировани€ в Autodesk Simulation CFD позвол€ют детально разобратьс€ в особенност€х движени€ жидкости внутри фильтра, использу€ различные инструменты визуализации и представлени€ результатов. ѕон€в характер распределени€ потоков внутри устройства инженер может прин€ть решение по оптимизации конструкции дл€ достижени€ желаемых технических характеристик проектируемого устройства. Ѕлагодар€ тесной интеграции данной программы со многими CAD приложени€ми, у конструктора по€вл€етс€ возможность внести изменени€ и оперативно пересчитать новую конструкцию, сопоставив на экране новые и старые результаты, оценить эффективность сделанных изменений.

ћоделирование процесса фильтрации показало, что в целом конструкци€ фильтра дл€ прин€тых исходных данных соответствует поставленным задачам. ќднако, далеко не всегда удаетс€ угадать нужные параметры издели€ при различных услови€х эксплуатации. »менно поэтому использование средств моделировани€ дает возможность нагл€дно увидеть резервы конструкции в широком диапазоне исходных данных: производительностей фильтра, размеров, количестве и расположении фильтрующих элементов, свойств и размеров фильтрующих материалов и следовательно, наметить пути улучшени€ конструкции.

ƒополнительна€ литература:
1. Ћеонтьев Ќ.≈. ќсновы теории фильтрации: ”чебное пособие. Ц ћ.: »зд-во ÷ентра прикладных исследований при механико-математическом факультете ћ√”, 2009. Ц 88 с.

ќб авторах
—ергей ¬ладимирович ѕоворов, 29 лет, технический специалист направлени€ Autodesk Simulation, «јќ Ђ омпани€ ѕќ»Ќ“ї, в 2007 году закончил ћ√“” им. Ќ.Ё. Ѕаумана по специальности инженер-металлург, в 2011 году защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности "ќбработка давлением", преподаЄт на кафедре прикладной механики ћ√“” им. Ќ.Ё. Ѕаумана.

 осмачев √еннадий ¬ладимирович, 54 года. ¬ 1981 году окончил “оль€ттинский ѕолитехнический институт, инженер-механик. –аботал в ќјќ ¬олгоцеммаш, «јќ  уйбышевј«ќ“, в насто€щее врем€ €вл€етс€ руководителем отдела внедрени€ —јѕ– ќќќ ѕѕ “Ё ќ-‘»Ћ№“– (“оль€тти).


„итайте также:


¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

-->

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: „ем строительство отличаетс€ от машиностроени€
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

ќбзор IT-решений дл€ строительного контрол€ в –оссии 2020 — “имофей “атаринов (7 сент€бр€ 2020)
isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2020 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.