Применение ANSYS CFD Примеры решенных задач Дмитрий Волкинд

Скачать презентацию Применение ANSYS CFD Примеры решенных задач Дмитрий Волкинд

Примеры задач ANSYS CFD.pptx

Количество слайдов: 52

Направления нашей работы Поставка ПО ANSYS. Инсталляция и настройка. Техническое сопровождение. Многоуровневое обучение по всем модулям ANSYS. Консультации пользователей. Выполнение расчетов по техническому заданию заказчика. Создание типовых расчетных методик по тематике заказчика. © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 2 ANSYS, Inc. Proprietary

Примеры задач по CFD • Котел на пылеугольном топливе • Шахтный вентилятор • Газо-воздушный тракт котла ТПП-804 • Оптимизация лопаток турбомашин © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 3 ANSYS, Inc. Proprietary

Котел на пылеугольном топливе • Заказчик Магнитогорский металлургический комбинат • Инициатор работ Магнитогорский государственный технический университет © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 4 ANSYS, Inc. Proprietary

Цели • Смоделировать процессы в топке котла для разных вариантов горелок • Сопоставить результаты. Оценить эффективность внедрения Исходная конструкция горелки Воздух Смесь угольной пыли и воздуха Природный газ 6 одинаковых горелок Новые конструкции горелок Вторичный воздух Первичный воздух Природный газ ПВК 2 нижних горелки © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 5 Вторичный газ Первичный газ Природный газ 4 верхних горелки ANSYS, Inc. Proprietary

Основные этапы Работа включала следующие этапы: • Построение геометрии расчетных областей • Подготовка сеточных моделей. • Задание физических моделей. • Решение для разных вариантов ГУ. • Обработка и анализ результатов. © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 6 ANSYS, Inc. Proprietary

Геометрическая модель Разряжение от дымососа • Исходная модель - SW Design. Modeler – доработка модели + горелки • Объем топки + несколько вариантов для деталей горелки Природный газ 6 горелок Подсос воздуха © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. Пылеугольная смесь воздух 7 ANSYS, Inc. Proprietary

Сетка 3 сетки для 3 вариантов исполнения • Генерация структуры блоков и сетки в ICEM CFD • Несколько вариантов сеток для топки и горелок (зоны воздуха, угля, природ. газа) Сеточная модель топки котла © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 8 ANSYS, Inc. Proprietary

Решение для горелок Траектории частиц • 3 отдельных решения для частей горелки (области воздуха, угольной смеси, природ. газа) Поле скоростей на выходе • Скорости на выходе в виде профилей переданы в основную модель • 6 ЛСК для импорта профилей © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 9 ANSYS, Inc. Proprietary

Материалы и реакции • 3 типа реакций с использованием модели горения угля CFX coal_combustion_analysis. ccl o Выделение летучих веществ из угля (метан) o Горение летучих веществ o Окисление коксового остатка • Реакция окисления вторичного топлива (метан) • Все реакции в одну ступень © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 10 ANSYS, Inc. Proprietary

Физические модели • Двухфазное многокомпонентное течение üГазовая фаза (O 2, N 2, H 2 O, CH 4, CO 2) üТвердая фаза (уголь, кокс, зола) • Модель лагранжевых частиц для твердой фазы • Плавучесть не учитывалась • Модель турбулентности RNG k- • Модель горения EDM • Модель лучистого теплообмена DTM © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 11 ANSYS, Inc. Proprietary

Граничные условия • Условие входа. Профили скорости из решений для деталей горелки üВвод частиц § Распределение частиц угля по входному сечению § Распределение размеров частиц • Открытая граница на дне топки üАтмосферное давление и температура • Условие выхода üРазряжение, создаваемое дымососом • Условия на стенках топки üПрилипание, гладкая стенка, тепловой поток © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 12 ANSYS, Inc. Proprietary

Управление решателем Функция Time scale • Схемы адвекции Upwind и High resolution • Физический масштаб времени как функция номера итерации Номер итерации • Масштаб времени для уравнений энергии и турбулентности • Критерии сходимости § RMS 1 e-5 § Условие сохранения 1 e-2 • Настройка решателя по частицам © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 13 ANSYS, Inc. Proprietary

Управление решателем • Particle tracking control § First iteration for Particle calculation =10 § Iteration frequency = 10. . 15 § Under relaxation factors = 0. 05. . 0. 15 § Maximum tracking time and distance § Particle source smoothing • Интервал итераций по модели излучения = 5 • Temperature damping § Under relaxation factor = 0. 2 • Expert parameter § Masfrn for mixture enthalpy = t © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 14 ANSYS, Inc. Proprietary

Процесс решения • 3 type of charts Mass and mass residuals to control convergence Momentum Fraction Imbalances process üRMS Residuals vs. Iteration number § All equations üImbalances vs. Iteration number § All equations üKey Variables’ Monitors vs. Iteration number § Temperatures (12 points) § CO 2 mass fraction (12 points) температуры Графики © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 15 ANSYS, Inc. Proprietary

Post processing • Variables’ distribution to analyze results üGas mixture Temperatures üRadiation intensity üComponents Mass fraction • Particles trajectories üCarbon build up zones üAsh concentration on the furnace outlet © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 16 ANSYS, Inc. Proprietary

Результат работы • Лучшая полнота сгорания – в исходном варианте котла • Численный эксперимент помог отсеять тупиковые варианты и сократил затраты на натурные испытания. © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 21 ANSYS, Inc. Proprietary

Шахтный вентилятор • Заказчик ОАО "НИПИГОРМАШ « • Задача Аэродинамическое проектирование • Основные проблемы üВысокие требования üКонструктивные ограничения üОтсутствие прототипов üСжатые сроки © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 22 ANSYS, Inc. Proprietary

Схема проекта WB • Проектирование Vista. Axial. Fan. Design • Доводка лопаток Blade. Gen • Поворот лопатки РК Blade. Modeler • Построение сетки • Задание физики ANSYS CFX • Многовариантный расчет ANSYS WB (параметры: угол лопатки РК, расход) © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 23 ANSYS, Inc. Proprietary

Геометрия. Сетка • 3 области (НА+РК+НА) • Периодичность (область 1 й лопатки) • Границы областей с учетом поворота лопатки РК • Сетка гексаэдров с пристеночным разрешением © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. Входной НА Выходной НА РК 24 ANSYS, Inc. Proprietary

Физические модели • • Стационарный анализ Интерфейс Stage (окружное осреднение) Сжимаемость, теплообмен не учитывались Модель турбулентности SST • Граничные условия ü Массовый расход на входе ü Статическое давление на выходе ü Стенка с контрвращением © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 25 ANSYS, Inc. Proprietary

Аэродинамический расчет газо-воздушного тракта котла ТПП-804 Заказчик ОАО «Инженерный центр энергетики Урала» Предприятие Урал. ОРГРЭС Задача 1. Математическое моделирование газовоздушного тракта котла ТПП 1 -804 2. Проведении трехмерного аэродинамического расчета исходной и усовершенствованной конструкции трактов Основные проблемы 1. Сжатые сроки 2. Отсутствие КД на дымососы, вентиляторы, электрофильтры, регенеративные воздухоподогреватели, расходомеры 3. Сложность и громоздкость задачи © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 27 ANSYS, Inc. Proprietary

Создание геометрической модели Исходная конструкция газового тракта котла Исходная конструкция воздушного тракта котла * Разным цветом изображены участки трактов между агрегатными узлами газовоздуховодов © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 28 ANSYS, Inc. Proprietary

Физические модели. Граничные условия Физические модели • Стационарный расчет (исследование установившегося режима • Двухпараметрическая модель турбулентности k- • Рабочая среда - для воздушного тракта – воздух - для газового тракта - смесь воздуха и продуктов реакции горения. входе в газоход и воздуховод задается расход смеси газов и воздуха соответственно, а также температура, которая задается функцией от расхода (зависимость строится из отчёта по результатам тепловых испытаний котла ТПП-804). • - На выходе газохода задается статическое избыточное давление и температура. • - На Граничные условия © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 30 ANSYS, Inc. Proprietary

Задание источников энергии, массы и импульса Главная особенность решения задачи 1. Задание источникового слагаемого в уравнении энергии для РВП Функции, основанные на количественных данных 2. Задание источникового слагаемого в уравнении импульса для РВП, ЭФ 3. Задание источникового слагаемого в уравнении массы от присоса воздуха в ЭФ. Данные по результатам тепловых испытаний котла ТПП-804. 4*. Задание источникового слагаемого в уравнении переноса импульса (рост давления в вентиляторе и дымососе). * по данным аэродинамических характеристик вентилятора и дымососа © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 31 ANSYS, Inc. Proprietary

Результаты расчетов воздуховода. Распределение полного избыточного давления по воздушному тракту, Па Модернизированная конструкция Исходная конструкция © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 32 ANSYS, Inc. Proprietary

Траектории течения в тракте с цветовой закраской по скорости потока, м/с. Результаты расчетов воздуховода. Определение зон потерь потока по воздушному тракту, кг/(м 2*с2) Исходная конструкция © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. Модернизированная конструкция 33 ANSYS, Inc. Proprietary

Результаты расчетов воздуховода. Траектории течения в тракте с цветовой закраской по скорости потока, м/с. Исходная конструкция © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. Модернизированная конструкция 34 ANSYS, Inc. Proprietary

Результаты расчетов газохода. Распределение полного избыточного давления по газовому тракту для одного из режимов нагружения, Па Исходная конструкция 1 -й вариант модернизации © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 2 -й вариант модернизации 35 ANSYS, Inc. Proprietary

Результаты расчетов газохода. Определение зон потерь потока по газовому тракту для одного из режимов нагружения, кг/(м 2*с2) Исходная конструкция 1 -й вариант модернизации © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 2 -й вариант модернизации 36 ANSYS, Inc. Proprietary

- Траектории течения в тракте с цветовой закраской по скорости потока для первого режима нагружения, м/с. Результаты расчетов газохода. Траектории течения в тракте с цветовой закраской по скорости потока для одного из режимов нагружения, м/с. Исходная конструкция 1 -й вариант модернизации © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 2 -й вариант модернизации 37 ANSYS, Inc. Proprietary

Краткие выводы по результатам расчетов Анализ результатов по воздуховоду. • Для модернизированной конструкции воздушного тракта перепад давления на вентиляторе на 20% ниже значения для исходной конструкции - это позволяет снизить приводную мощность вентилятора на 20% и получить существенное снижении перепадов давления в воздуховоде после его модернизации. Анализ результатов по газоходу. • Экономия мощности привода, которую дает модернизированная конструкция тракта. • Второй вариант модернизации дает большее снижение потребного перепада давления на дымососе, чем первый. • Как исходная конструкция газового тракта, так и ее модернизированные варианты имеют некоторый резерв для улучшения с точки зрения снижения гидравлических сопротивлений. © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 38 ANSYS, Inc. Proprietary

Оптимизация лопаток турбомашин • Перспективный заказчик. Предприятия ОДК • Задача. Многокритериальная междисциплинарная оптимизация лопаток турбомашин © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 39 ANSYS, Inc. Proprietary

Программные продукты Оптимизатор IOSO PM Конструкция лопатки Blade. Modeler Сетка расч. области Turbo. Grid Turbo. Pre CFX Solver – гидродинамический расчет AN SY S Turbo. Post W or Расчет на прочность kb e ANSYS Simulation nc h © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 40 ANSYS, Inc. Proprietary

Порядок выполнения проекта Исходные Размеры (Модель прототипа) ) прототипа Сетка Blade. Modeler CAD Система Геометрия Turbo. Grid CFX-Mesh Design. Modeler Расчет CFX ANSYS ICEM CFD Blade. Editor Simulation ANSYS Workbench Оптимизация IOSO NM © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 41 ANSYS, Inc. Proprietary

Схема цикла Значение критерия передается в оптимизатор Геометрия лопатки Blade Gen Сеточная модель Turbo Grid Файл отчета IOSO-NM CFX-Post Расчет критерия кпд © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. CFD-Pre Физическая модель CFXSolver 43 ANSYS, Inc. Proprietary

Управляющий файл set workingpath=D: SOLVED_MODELSSaturnIOSO_Project маршрут рабочей папки маршрут запуска Blade. Gen set bgpath=%AWP_ROOT 110%AISOLBlade. ModelerBlade. Gen выполнение сессии Blade. Gen "%bgpath%Blade. Batch. exe" %workingpath%Saturn_blade. bgi -TG %workingpath% маршрут запуска Turbo. Grid set tgpath=%AWP_ROOT 110%Turbo. Gridbin "%tgpath%cfxtg. exe" -batch %workingpath%TG_session. tse выполнение сессии Turbo. Grid маршрут запуска CFX set cfxpath=%AWP_ROOT 110%CFXbin "%cfxpath%cfx 5 pre. exe" -batch %workingpath%CFX_session. pre выполнение сессии CFX-Pre "%cfxpath%cfx 5 interp. exe" -def %workingpath%project. def -res %workingpath%initial. res "%cfxpath%cfx 5 solve. exe" -def %workingpath%project. def -name project rename D: SOLVED_MODELSSaturnIOSO_Projectproject_001. res project. res rename D: SOLVED_MODELSSaturnIOSO_Projectproject_001. out project. out "%cfxpath%cfx 5 post. exe" -batch %workingpath%post_session. cse del D: SOLVED_MODELSSaturnIOSO_Projectproject. res del D: SOLVED_MODELSSaturnIOSO_Projectproject. out © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 46 интерполяция НУ, запуск решателя CFX переименование файла результатов, out-файла выполнение сессии CFX-Post удаление файла результатов и out-файла ANSYS, Inc. Proprietary

Геометрия лопатки. Blade. Gen Выбор сечений по высоте, сокращение числа опорных точек Изменение 2 точек в 4 х сечениях Задание функций углов и толщины линиями Безье и сплайнами © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 47 ANSYS, Inc. Proprietary

Сеточная модель. Turbo. Grid До запуска оптимизатора требуется подбор топологии под тип лопатки, проверка корректности сетки в диапазоне варьируемых параметров (Turbo. Grid 11) Полностью автоматический алгоритм в Turbo. Grid 12. 0 Topology Set = ATM Optimized © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. Положение мастер-узлов 48 ANSYS, Inc. Proprietary

Физическая модель. CFX-Pre Специализированные режим препроцессора, Turbo Mode для быстрого и корректного задания физической модели Задание критериев сходимости, создание функций контроля (мониторов), для проверки корректности решения в всем диапазоне варьируемых параметров © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 49 ANSYS, Inc. Proprietary

Ход оптимизации Изменение параметра (угол закрутки) 0. 877 0. 876 0. 875 Улучшение критерия (эффективность) 0. 874 0. 873 0. 872 0. 871 0. 870 © 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved. 51 ANSYS, Inc. Proprietary