Моделирование процесса фильтрации в Autodesk Simulation CFD

Фильтрация воды является важнейшим этапом водоподготовки для нужд коммунальных хозяйств и практически всех отраслей промышленности (например, металлургических и теплогенерирующих предприятий). Качество подготавливаемой воды во многом зависит от качества фильтрации, которое в свою очередь определяется эффективностью и конструктивным исполнением промышленных фильтров.

Производственное предприятие «ТЭКО-Фильтр» основано 1 июня 1994 года. Главное направление деятельности предприятия – проектирование и изготовление оборудования для ремонта и реконструкции установок химводоочистки теплоэнергетических объектов различной мощности (от коммунальных и производственных котельных до ТЭЦ, ГРЭС, АЭС), а также водоподготовительных установок промышленных предприятий всех без исключения отраслей промышленности. Инжиниринговая служба предприятия стремиться разрабатывать проекты на самом высоком техническом уровне с выполнением моделирования различных стадий работы водоподготовительного оборудования и прохождением стендовых испытаний продукции. Решать подобную многовариантную задачу без применения специальных компьютерных средств моделирования очень сложно. Например, спрогнозировать гидроудары, приводящие к повреждению внутренних устройств промышленных фильтров, визуализировать распределение потоков внутри фильтра на разных производительностях, определить нагрузки на внутренние распределительные устройства или спрогнозировать силовое воздействие фильтрующего материала при обратной промывке фильтра. Физические испытания подобных задач трудоемки или зачастую невозможны вовсе. Решение таких задач необходимо осуществлять с использованием CAE-решений на стадии проектирования. Это способствует надёжному, экономичному и оптимальному использованию оборудования, равномерной работе фильтрующего материала, максимальному использованию его ионообменной или грязевой ёмкости.

Одним из видов фильтров, разрабатываемом и производимом на предприятии, является промышленный фильтр для очистки воды с конструкцией, предусматривающей распределительные устройства на входе и на выходе водного потока.

Рис. 1. Внешний вид промышленного фильтра очистки воды

• Проанализировать равномерность движения потока внутри фильтра
• Определить перепады давления на фильтрующих элементах распределительных устройств (РУ)
• Визуализировать движение потоков внутри РУ
• Определить распределения давления в толще фильтрующего материала.

a	б слой песка не показан
Рис. 2. Устройство фильтра

Медленное стационарное движение несжимаемой жидкости в неподвижной изотропной пористой среде, к которой можно отнести используемый в фильтре песок, можно описать с помощью уравнения Дарси

В программе Autodesk Simulation CFD имеется специальная группа материалов под названием Distributed Resistances (распределенное сопротивление), в этой группе имеется несколько моделей материалов реализованных на основе различных уравнений проницаемости. Описанное выше уравнение Дарси реализовано в модели материала под названием Permeability (проницаемость). Для задания константы проницаемости для нашего фильтрующего материала необходимо создать новый материал. В режиме редактирования свойств материалов на панели Setup Tasks выберем Materials. После этого в окне программы выделим объем, которому нужно задать свойства проницаемого материала. После нажатия Edit появится окно для задания соответствующих свойств.

Рис. 3. Диалоговое окно назначения свойств материала в Autodesk Simulation CFD

Рис. 4. Окно редактора свойств материала

Для моделирования движения потока через детали в виде оболочек или пластин, имеющих множественные отверстия или щели в программе Simulation CFD имеется специальный тип проницаемого материала с сопротивлением, который называется «Free Area Ratio» (коэффициент свободной площади, т.е. площади отверстий или щелей). При этом пластина, имеющая множественные отверстия (в нашем случае это цилиндрическая обечайка колпачка) моделируется как сплошное тело без отверстий, а в качестве материала назначается специально созданный материал с заданным коэффициентом свободной поверхности.Процедура создания материала со свойством проницаемости для колпачка аналогична описанной выше. В окне редактора свойств материала – 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 рассчитывается как отношение общей площади щелей или отверстий к общей площади, в нашем случае это значение составляет 0,210526. На рис. 5 показано окно редактора свойств материала с полями, заполненными в соответствии с описанным выше.

Рис. 5. Окно редактора свойств материала

Рис. 6. Назначение свойств материала фильтрующим элементам в Autodesk Simulation CFD

Перед запуском расчета были заданы следующие граничные условия: на входном патрубке задается входящий поток равный 51,5 м3/час, а на выходе задается давление в магистрали равное 0,2 МПа.

После решения модели были получены следующие результаты. На 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.

а	б
Рис. 7. Скорость движения жидкости в верхнем распределительном устройстве

а	б
Рис. 8. Скорость движения жидкости в выходном коллекторе

а	б
Рис. 9. Давление в фильтрующем материале

а	б
Рис. 10. Давление в фильтрующем материале

Рис. 11. Падение давления в колпачке

Рис. 12. Измерение потока жидкости проходящего через каждый колпачок с помощью Bulk Results в Autodesk Simulation CFD

Рис. 13. Линии тока в коллекторе

Рис. 14. Распределение векторов движения жидкости внутри луча коллектора

Рис. 15. Распределение скоростей воды над песком и давления жидкости внутри песка

Рис. 16. Специальные материалы Autodesk Simulation CFD для упрощения моделирования фильтрующих материалов и материалов, имеющих конструктивное сопротивление потокам

Моделирование процесса фильтрации показало, что в целом конструкция фильтра для принятых исходных данных соответствует поставленным задачам. Однако, далеко не всегда удается угадать нужные параметры изделия при различных условиях эксплуатации. Именно поэтому использование средств моделирования дает возможность наглядно 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 улучшения конструкции.

Дополнительная литература:
1. Леонтьев Н.Е. Основы теории фильтрации: Учебное пособие. – М.: Изд-во Центра прикладных исследований при механико-математическом факультете МГУ, 2009. – 88 с.

Об авторах

Космачев Геннадий Владимирович, 54 года. В 1981 году окончил Тольяттинский Политехнический институт, инженер-механик. Работал в ОАО Волгоцеммаш, ЗАО КуйбышевАЗОТ, в настоящее время является руководителем отдела внедрения САПР ООО ПП ТЭКО-ФИЛЬТР (Тольятти).