CFD-моделирование технологического режима Трубки Вентури. SolidWorks Flow Simulations.

ВЕДЕНИЕ

Для решения задач механики, как уже отмечалось ранее, в настоящее время широко применяются различные численные методы, которые можно разделить на несколько групп. Наиболее «крупные блоки» – блок континуальных методов (методы, базирующиеся на основных законах и подходах механики слошных сред) и блок дискретных методов (при деформировании среды допускается нарушение критерия сплошности). Очевидно, что активно развиваются и «гибридные» технологии – объединение перечисленных двух групп методов.

В качестве объекта исследования и подготовки к расчету выступает Трубка Вентури. Трубка Вентури представляет собой трубчатое устройство, обычно используемое для измерения скорости потока жидкости. В его основе лежит физический принцип – эффект Вентури. Этот эффект заключается в том, что, когда жидкость проходит через узкий участок трубы, ее скорость увеличивается, а давление уменьшается.

Цель моделирования – сравнение полученных аналитических данных и данных, полученных при помощи моделирования в программном обеспечении SolidWorks Flow Simulation.

Задачи для осуществления цели:

1. Описание и принцип работы Трубки Вентури.

2. Недостатки и преимущества Расходомера Вентури.

3. Выбор конструкции Трубки Вентури.

4. Описание исходных данных, свойств потоков для расчета.

5. Моделирование 3D модели Расходомера Вентури.

6. Постановка задач для моделирования процесса в SolidWorks Flow Simulation. 7. Получение достоверных параметров процесса, соответствующих поставленной задаче.

8. Обработка результатов моделирования, и подведение итогов по сравнению с экспериментальными данными

1. ОПИСАНИЕ ТРУБКИ ВЕНТУРИ

1.1 ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА

Трубка Вентури представляет собой трубчатое устройство, обычно используемое для измерения скорости потока жидкости. В его основе лежит физический принцип – эффект Вентури. Этот эффект заключается в том, что, когда жидкость проходит через узкий участок трубы, ее скорость увеличивается, а давление уменьшается.

В конструкции трубки Вентури использован этот принцип: вход постепенно сужается, а выход расширяется. Когда жидкость попадает в суженную часть трубки Вентури, она ускоряется, вызывая снижение давления. Это изменение давления можно измерить с помощью точек измерения давления на стенке трубы и рассчитать для определения скорости потока жидкости.

Трубка Вентури – распространенный инструмент измерения расхода в промышленности. Он широко используется при измерении различных жидкостей благодаря своей простой конструкции, хорошей стабильности и высокой точности.

Эффект Вентури:

Эффект Вентури описывает увеличение скорости и уменьшение давления при прохождении жидкости через узкий участок трубы. Когда жидкость попадает в узкий участок трубы, скорость потока увеличивается, а соответствующее давление уменьшается. Этот эффект был открыт итальянским физиком Джованни Баттиста Вентури, отсюда и его название.

Этот эффект можно объяснить уравнением Бернулли. Это уравнение является фундаментальным законом гидродинамики. Покажите, что в несжимаемой жидкости без вязкости энергия жидкости вдоль линии тока сохраняется.

P – представляет давление жидкости; ρ – плотность жидкости; v – скорость жидкости; g – ускорение свободного падения; h - высота жидкости.

В практических приложениях эффект Вентури позволяет использовать трубку Вентури для измерения скорости жидкости в трубе, поскольку скорость жидкости пропорциональна разности давлений в трубе.

Эффект Вентури используется не только в измерительных инструментах, но также широко используется во многих областях, таких как проектирование крыльев самолетов, проектирование воздушного потока в дымоходах и подводных трубопроводных системах. Это очень важный принцип механики жидкости, который оказывает глубокое влияние на многие отрасли техники и физики.

1.2 ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРУБКИ ВЕНТУРИ

Трубка Вентури состоит из следующих частей:

1. Входная секция: короткая цилиндрическая секция диаметром D;

2. Контрактное сечение: форма — коническая трубка, угол конуса около 21°±2°;

3. Горловина: короткий прямой отрезок трубы диаметром около 1/3～1/4D и длиной, равной диаметру трубы;

4. Диффузионная секция: Коническая трубка с углом конуса 8°～15°. На расстоянии 0.25-0.75D от конца входного участка имеется кольцо измерения давления, имеющее не менее 4 отверстий для измерения давления, и кольцо давления ведет к манометру.

Кроме того, в центре горловины имеется также многоканальное кольцо для измерения давления, ведущее к манометру. Разность давлений между входным сечением и наименьшим сечением (т. е. горловиной) можно измерить по шкале манометра или самописца.

Предположим, что средняя скорость, среднее давление и площадь поперечного сечения на входе и в горловине равны v1, p1, S1 и v2, p2, S2; плотность жидкости равна ρ.

Рис. 1.2.1 Принципиальная схема работы Трубки Вентури

Применяя теорему Бернулли и уравнение неразрывности и учитывая, что линии тока среднего движения имеют одинаковую высоту, можно получить:

Формулу для расчета расхода Q можно получить:

Зная ρ, S1, S2 и измерив p1-p2, расход Q можно получить по приведенной выше формуле.

Основным преимуществом трубки Вентури является простота установки. Во-вторых, благодаря своему диффузионному сечению жидкость постепенно замедляется, уменьшая турбулентность (см. турбулентность). Поэтому потери напора невелики, не более 10-20% от перепада давления между входом и горлом.

1.3 КОНСТРУКЦИЯ ТРУБКИ ВЕНТУРИ

В зависимости от производственного процесса и использования трубки Вентури делятся на стандартные трубки Вентури, обычные трубки Вентури, расходомеры трубки Вентури, трубки Вентури малого диаметра, прямоугольные трубки Вентури и другие конструкции. Подробная структура выглядит следующим образом:

Стандартная (классическая) трубка Вентури состоит из входного цилиндрического участка А, конического сужающего участка В, цилиндрического горла С и конического диффузионного участка Е. Диаметр цилиндрического участка А равен D, а его длина равна Д; суженный участок В имеет коническую форму и угол прилегания 21º±1º; 7 горловина С представляет собой цилиндр круглого сечения диаметром d, а его длина равна d; расходящаяся часть E имеет коническую форму с углом раскрытия 7º～15º.

Рис. 1.3.1 Стандартная (классическая) трубка Вентури

Вентури общего назначения, как и стандартная трубка Вентури, состоит из входной цилиндрической секции А, конической сужающейся секции В, цилиндрической горловины С и конической диффузионной секции Е.

Вентури общего назначения использует метод изменения угла сжатия стандартной трубки Вентури и длины диффузионной секции, чтобы использовать преимущества трубки Вентури, значительно сокращая длину корпуса и эффективно снижая потери давления.

Рис. 1.3.2 Вентури общего назначения

Расходомерная трубка Вентури также состоит из входной цилиндрической секции А, конической сужающейся секции В, цилиндрической горловины С и конической диффузионной секции Е.

Расходомера трубка Вентури использует специальный метод давления, что делает его широко используемым при измерении расхода грязных сред и потоков смешанной фазы.

Рис. 1.3.3 Расходомерная трубка Вентури

Вентури малого диаметра состоит из входной цилиндрической секции A, конической сужающейся секции B, цилиндрического горловины C и конической диффузионной секции E. В трубке Вентури малого диаметра используется интегрированный метод механической обработки для измерения расхода жидкости малых диаметров. В то же время он может использовать различные материалы для удовлетворения требований условий работы на месте и может соответствовать различным методам соединения, таким как сварка, фланцевое соединение и резьбовое соединение.

Рис. 1.3.4 Вентури малого диаметра

Прямоугольная трубка Вентури состоит из входной цилиндрической секции А, конической сужающейся секции В, цилиндрической горловины С и конической диффузионной секции Е.

Основные технические параметры прямоугольной трубки Вентури:

1. Номинальный диаметр: DN=1.13×(WH)0.5≤6000 мм

2. Соотношение входного диаметра Ш/В: 0.5≤Ш/В≤2.0

3. Отношение диаметра горловины ш/ч: 0.5≤ш/ч≤2.0

4. Эквивалентное значение β: 0.44≤β=(Вт/В)0.5/(Вт/В)0.5≤0.74

5. Диапазон чисел Рейнольдса: 2×105≤ReD≤2×107

6. Точность: ± 1%

7. Повторяемость: ±1%

8. Рабочее давление: 0 ~ 25 МПа

9. Рабочая температура: -100 ℃ ～ 500 ℃

10. Диапазон изменения: 1:10

Прямоугольная трубка Вентури в основном используется для подачи и всасывания воздуха на электростанциях, для подачи воздуха в нагревательные печи и в случаях всасывания.

Рис. 1.3.5 Прямоугольная трубка Вентури

2. ТРУБКА ВЕНТУРИ: ПРИНЦИП РАБОТЫ В НАСОСАХ И НАСОСНЫХ СТАНЦИЯХ

2.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРУБКИ ВЕНТУРИ В НАСОСЕ

В центробежный насос Вентури вмонтирован диффузор с трубкой. Этот механизм является самовсасывающим, жидкость проходит через внутренность насоса, не возвращаясь назад при остановках вращения. Трубка Вентури в центробежном насосе размеры имеет следующие:

• Диаметр – 164 мм;

• Диаметр совместимой крыльчатки – 130 мм;

• Высота с трубкой – 105 мм;

• Диаметр под направляющую – 40 мм.

Находящаяся внутри насоса вода устремляется через конфузор к диффузору, захватывая за собой сначала воздух, а затем и воду из всасывающей магистрали.

Рис. 2.1.1 Диффузор для центробежного насоса

2.2. НАСОС ВЕНТУРИ ПРИ ОЧИСТКЕ ГАЗООБРАЗНЫХ ПОТОКОВ

Скруббер (трубный газопромыватель) для очистки газов имеет несколько сопел: через одно закачивают газ, а через второе воду. Далее среды идут в магистраль, состоящей из равномерно широкой трубы, которая резко сужается на участке инжектора. В самом узком месте, создающем эффект форсунки, скорость струи увеличивается в три раза, и в газ попадает вода. Причем за счет турбулентности обе струи распадаются на мелкие капельки.

Этапы очистки в инжекторе струйного насоса:

1. Поступление газообразной среды в сопло.

2. Поступление жидкой среды в другое.

3. Создание турбулентных потоков.

4. Измельчение обеих сред и соединение их между собой.

5. Проход струи через трубку Вентури и увеличение скорости потока.

6. Захват водой мелких частиц, присутствующих в газовой среде.

7. Переход струи в широкий сегмент трубы и снижение скорости потока.

8. Водяные капли собираются в большие линзы и оседают на дно трубопровода вместе с частицами мусора и другими включениями, захваченными в узком проходе.

9. Очищенный газ свободно устремляется дальше по трубе

Рис. 2.2.1 Промышленная очистка газа

В самом узком месте на расходомер монтируют манометр, измеряющий давление и скорость потока. Используют в аспирации – очистке воздушных масс вентиляции и газообразных выбросов в атмосферу после промышленного производства. Например, на табачной фабрике, мукомольном заводе, при работе которых возникают огромные массы мельчайшей пыли. Аспирация способствует сохранению экологического равновесия.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛЕЙ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

3.1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

На рисунке 3.1.1 показано экспериментальное устройство, используемое для проверки характеристик расхода жидкости:

Рис. 3.1.1 Экспериментальное устройство из трубки Вентури, используемое для проверки характеристик расхода жидкости

В ходе эксперимента воздух или вода закачиваются в расходомер воздушным или водяным насосом, а затем проходят через конус, C-образную трубку III, шаровой кран, Cобразную трубку II, фланец и C-образную трубку I после измерения объемного потока слева направо. Воздух или вода достигает трубок Вентури; проходит через C-образную трубку I, фланец, C-образную трубку II, шаровой кран, C-образную трубку III и конус; и выходит из расходомера. Когда объемные потоки, измеряемые двумя расходомерами, установленными слева и справа, равны, поток жидкости находится в устойчивом состоянии. Затем регистрируются значения манометров.

3.2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В результате проведения эксперимента были получены следующие данные по давлению и расходу воды, проходящей через Трубку Вентури:

Рис. 3.2.1 Экспериментальные данные расхода и давления

Полученные в ходе эксперимента данные будут сравниваться с полученными данными моделирования численными методами в программном обеспечении SolidWorks Flow Simulation, для того чтобы удостовериться в достоверности полученных результатов.

Следовательно, для моделирования будем принимать следующие расходы:

Таблица 3.2.1

Показатели расходов для моделирования

Для моделирования 3D необходимы конструктивные характеристики Трубки Вентури, они представлены на рисунке 3.2.2.

Рис. 3.2.2 Конструктивная схема Трубки Вентури

Описание физико-химических свойств и протекания процесса:

• В качестве среды используется техническая вода

• Скорость потока на входе 10 м/с. (Изменяется в соответствии с аналитическими данными)

• Давление на выходе 101325 Па (Изменяется в зависимости от скорости)

• Температура на выходе 293,2 К

• Исследуемые давления и расходы точек Давления А и Давления Б находится в трубках под Манометры диаметром 4 мм.

• Материал исполнения не важен, так как не учитываются в ходе исследования теплофизические свойства, исследуются только гидродинамические свойства

4. ПОСТРОЕНИЕ 3D МОДЕЛИ ТРУБКИ ВЕНТУРИ

Для построения модели воспользуемся исходными данными, описанными в постановке задачи. Используя программное обеспечение SolidWorks моделируем эскиз обечайки Трубки Вентури:

Рис. 4.1. Эскиз обечайки

С помощью функции повернутая бобышка/основание выдавливаем тонкостенное тело, с толщиной 1 мм, указывая направление выдавливания наружу:

Рис. 4.2. Модель обечайки

Следующим этапом необходимо поставить отверстия (патрубки) под манометры диаметром 4 мм. Построим эскиз для функции вытянутая бобышка/основание:

Рис. 4.3. Эскиз патрубков под манометры

Воспользовавшись функцией вытянутая бобышка/основание, получаем тонкостенные патрубки с толщиной стенки 1 мм., без отверстия, затем вырезаем отверстия внутри патрубков:

Рис. 4.4. Эскиз выдавливания отверстий в патрубках

Рис. 4.5. Модель с патрубками под манометры

Для моделирование гидродинамического процесса необходимо установить на все входные и выходные потоки заглушки, которые будут обеспечивать замкнутое пространство для расчета в SolidWorks Flow Simulation.

Рис. 4.5. Эскиз заглушек

Благодаря полученной 3D модели Трубки Вентури, можно проводить гидродинамический расчет численными методами моделирования.

Рис. 4.6. Модель в разрезе

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ SOLIDWORKS FLOW SIMULATION

5.1. МАСТЕР ПРОЕКТА

В данном разделе мы воспользуемся встроенной функцией «Мастером проекта». Запустим Мастер проекта, который расположен по пути Инструменты → Flow Simulation → Проект → Мастер проекта.

После этого откроется окно, в котором можно задать имя задачи, а также выбрать конфигурацию модели, для которой будет проводиться исследование, после чего нажимаем кнопку Далее.

На следующей вкладке установим систему единиц измерения и зададим единицы для температуры (℃), после чего нажимаем кнопку Далее.

В следующем окне настраивается тип задачи – внутренняя. Выбираем моделируемы физические модели: Течение жидкости/газа и гравитация вдоль оси Y -9,81 (ориентируясь на расположение модели), стоит отметить, что исключение полости без условий не влияет на моделирование данного процесса.

Рис. 5.1.1 Настройка типа задачи

В следующем окне, в качестве текучей среды по умолчанию, выберите Water (Вода), а также тип течения «Только турбулентное»:

Рис. 5.1.2 Настройка текущей среды

В следующем окне, задаем начальные условия процесса, так как они будут на выходном потоке Трубки Вентури, задаем атмосферное значение и параметры окружающей среды:

Рис. 5.1.3 Настройка начальных условий

5.2. ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ И ЗАДАНИЕ СЕТКИ

Полученная расчетная область нас полностью устраивает и подходит по всей определяемой области протекания процесса.

Рис. 5.2.1 Расчетная область

Далее необходимо задать граничные условия в соответствии с описанными ранее задачами и поставленной целью.

Первое граничное условие, отметим, что в дальнейшем будет проведен анализ не только на скорость входного потока 10 м/с, но и в соответствии с описанными диапазонами экспериментальных данных.

С внутренней стороны заглушки входного потока устанавливаем скорость на входе с величиной 10 м/с:

Рис. 5.2.2 Задание первого граничного условия

Как итог получаем условное отображение граничного условия на модели:

Рис. 5.2.3 Обозначение первого граничного условия

Второе граничное условие, устанавливаем давление окружающей среды на выходном потоке, которое уже соответствует значению выставленному в Мастере проекта.

Рис. 5.2.4 Задание второго граничного условия

Как итог получаем условное отображение граничного условия на модели:

Рис. 5.2.5 Обозначение второго граничного условия

Третье граничное условие, реальная стенка - для задания шероховатости стенок и/или температуры и/или коэффициента теплоотдачи на выбранных поверхностях модели:

Рис. 5.2.6 Задание третьего граничного условия

Рис. 5.2.7 Обозначение третьего граничного условия

Для улучшения достоверности показателей и расчета увеличим дробление сетки до 5/7 и визуально покажем рассчитанную сетку:

Рис. 5.2.8 Задание дробления базовой сетки

5.3. ФУНКЦИЯ АНАЛИЗА ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ

Анализ возможных вариантов, это режим, который позволяет варьировать несколько параметров, оптимизировать цели. Этот режим позволяет выполнять варьирование только по одному параметру. - Планирование экспериментов. Этот режим позволяет создать набор экспериментов, в которых выбранные входные параметры будут варьироваться в пределах заданного диапазона значений, в нашем случае это скорости входного потока от 0,1 до 10 м/с.

Открываем функцию анализ возможных вариантов и вводим входные параметры по скорости по нормали к поверхности (скорость на входе 1) в соответствии с заданными показателями в постановке задачи:

Рис. 5.3.1 Задание входных параметров анализа

Для того чтобы указать выходные параметры анализа, необходимо задать в качестве результатов поверхностные параметры:

1. Давление А

2. Давление Б

3. Объемный расход на входе

Рис. 5.3.2 Задание поверхностного параметра анализа

Как результат получаем три выходных результата, описанных ранее:

Рис. 5.3.3 Задание поверхностных параметров анализа

Далее в меню анализа возможных вариантов выбираем в качестве выходных параметров заданные нами поверхностные параметры:

Рис. 5.3.4 Задание выходных параметров анализа

Далее запускаем процесс анализа и ожидаем расчет десяти вариантов показателя скорости на входе:

Рис. 5.3.5 Промежуточные показания расчета

Рис. 5.3.6 Итоговые показания расчета

Далее для просмотра полученных результатов переходим по вкладкам: 1. Давление А 2. Давление Б 3. Объемный расход на входе

Рис. 5.3.7 Выходные расчетные характеристики

В качестве примера продемонстрирую картину в сечении показаний скорости потоков и давления в Трубке Вентури со скоростью входного потока 10 м/с и 0,1 м/с

Рис. 5.3.8 Картина в сечении скорости (Скорость на входе 10 м/с)

Рис. 5.3.9 Картина в сечении давление (Скорость на входе 10 м/с)

Рис. 5.3.10 Картина в сечении скорости (Скорость на входе 0,1 м/с)

Рис. 5.3.11 Картина в сечении давление (Скорость на входе 0,1 м/с)

5.4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Записываем полученные с помощью анализа возможных вариантов данные в таблицу формата Excel и начинаем обработку полученных результатов.

Таблица 5.4.1

Показатели Давления А

Таблица 5.4.2

Показатели Давления Б

Таблица 5.4.3

Показатели Расход на входе

Далее преобразуем и приведем к единой системе единиц показатели расхода и давлений к единицам, указанным в постановке задачи, также в данной ситуации мы строим зависимость перепада давления (м.в.ст. H2O) и Объемный расход на входе (м3 /с).

Таблица 5.4.4

Расчетные значения

Строим общую полученную зависимость:

Рис. 5.4.1 Расчетные показатели

Строим заданную зависимость и сравниваем с графиком эксперимента:

Рис. 5.4.1 Сравнение с экспериментом

Анализируя данное наложение можно сказать, что погрешность численного метода моделирования Трубки Вентури имеет минимальную погрешность и может использоваться для получения достоверной информации об данном объекте проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках данной работы было предоставлено описание назначения, принципа работы и конструкции Трубки Вентури, а также описание технологического процесса промышленной очистки газа, в котором задействована Трубка Венутри и описание физических/химический процессов, протекающих непосредственно в самом оборудовании.

На основании проведенного эксперимента были определены цели численного моделирования и постановка задач, связанных с расчетом гидрогазодинамики, рассматриваемой Трубки Вентури.

Для моделирования Трубки Вентури были сформированы расчетные схемы конструкции, ее отдельного узла (Трубки Вентури) с определением условий ее эксплуатации, необходимых для учета при численном моделировании с целью обеспечения адекватности расчетной модели реальному объекту (граничные условия (давления, температуры, и т.д.), режимы движения потоков, учет значимых физических эффектов.

Проведена идентификация всех необходимых физико-химических, теплофизических свойств технологических потоков и механических характеристик материалов, диапазонов их варьирования, взаимозависимостей и влияющих параметров;

Определены количественные зависимости физико-химических, теплофизических свойств технологических потоков и механических характеристик материалов от влияющих параметров в заданных диапазонах их изменения, построение соответствующих графиков, таблиц данных и т.п.

Также в рамках данной работы была смоделирована 3D модель для дальнейшего проведения анализа используя методы численного моделирования.

В ходе моделирования эксперимента с Трубкой Вентури с помощью численных методов были получены результаты, сравнивая которые можно сказать, что они достоверные. Анализируя наложение эксперимента и моделирования, можно сказать, что погрешность численного метода моделирования Трубки Вентури имеет минимальную погрешность и может использоваться для получения достоверной информации об данном объекте проектирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Liszka, T. The finite-difference method at arbitrary irregular grids and its application in applied mechanics / T. Liszka, J. Orkisz // Comput Struct., 1980; 11. pp.83-95.

2. Onate, E. A finite point method for elasticity problems / E. Onate, F. Perazzo, J. Miquel //Comput Struct., 2001; 79. pp.2151-2163.

3. Фирсов, Д.К. Метод контрольного объёма на неструктурированной сетке в вычислительной механике. Учебное пособие / Д.К. Фирсов – Томский государственный университет, механико-математический факультет, кафедра теоретической механики. 2007.

4. Ковеня, В.М. Методы конечных разностей и конечных объемов для решения задач математической физики. Учебное пособие / В.М. Ковеня, Д.В. Чирков – Новосибирск: Изд-тво НГУ, 2013.

5. Бубенчиков, А.М. Спектральный метод решения плоских краевых задач на неструктурированной сетке / А.М. Бубенчиков, В.С. Попонин, Д.К. Фирсов // Математическое моделирование, 2007, том 19, №10. С.3–14.

6. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / К. Флетчер. – М.: Мир, 1991

7. Зезин В.Г., Пазуков В.А. Определение расхода сплошных сред методом переменного перепада давления: учебное пособие. — Челябинск: ЮУРГУ, 2007.

8. ГОСТ 8.586.4-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 4. Трубы Вентури. Технические требования. — М: Стандартинформ, 2007.

9. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: справочник ГСССД Р-776-98. — М: МЭИ, 1999.

10. Аристов В.М.. Аристова Е П., Харитонов А.О. Влияние абразивного износа на эксплуатационные свойства сопел Вентури расходомеров // Компетентность. — 2022. — № 9-10.