ЧИСЛЕНО МОДЕЛИРАНЕ НА РАБОТАТА НА СТРУЙНА ПОМПА Астас Янгьозов Abstract: CFD software as CFX helps the designer to increase efficiency of ship auxiliary machinery, which is important direction to the future company development strategies. The paper describes the main stages, features and difficulties during the modeling process of a jet pump. The main stages are as follows: geometry generation, fluid domain definition, mesh generation, CFX pre-processing, solving the system of equations using Finite Volume Method, CFX post-processing and at the end result analysis. In the paper are described water flow movement into jet pump flow path Kеy words: Jet pump, Numerical modeling, CFD 1. Въведение Струйните помпи са енергообменни апарати, в които работният орган е струя течност или газ и предаването енергията към прехвърляния флуид се извършва в процеса тяхното смесване. Тези апарати нямат подвижни части и са много деждни при работа, но тъй като е лице смесителен процес с турбулентен обмен енергия, кпд е много нисък 0,15-0,36 [1]. Целта стоящия доклад е да се опишат етапите моделиране струй помпа в средата софтуерен пакет ANSYS. Създаването виртуален работоспособен модел се извършва в модулите, лични в ANSYS Workbench. Веднъж създаденият работоспособен модел позволява в бъдеще да се променят граничните условия, т.е да се построяват характеристиките обекта преди той да е произведен. Освен това софтуерният продукт позволява да се опише параметрично геометричта форма. Това дава възможност да се решават оптимизационни задачи. продукти т.к при по-сложни форми се блюдава невъзможност да се затвори повърхнита обекта. Работата с модул DesignModeler гарантира съгласуваност. 2. Формиране геометричта форма струйта помпа и отделяне флуидта област Създаването геометричния модел се извършва в модула DesignModeler, който е личен в рамката ANSYS Workbench. Авторът препоръчва да не се построява геометричният модел в други софтуерни ИЗВЕСТИЯ НА СЪЮЗА НА УЧЕНИТЕ ВАРНА 1 2012 31 г) Фиг. 1. Формиране геометричта форма струйта помпа
На фиг.1,а е представено изчертаването контура флуидта област в средата AutoCAD в равни. Това е необходимо с оглед дефиниране точки от стените струйта помпа. При разработването модела в този етап се използва прототип фирмата TeamTec-Норвегия. Диаметърът струйника помпата е 10,4mm. На фиг.1,б е показан затвореният контур (защриховата област), който е запълнен със флуид. След това в модул DesignModeler се всят точките от контура флуидта област, както е показано фиг.1,в. Следва генериране две тела струйника и тялото струйта помпа с приемта камера, смесителта камера и дифузора. Прилагат се инструментите Extrude, Revolve, Body Operation: Delete, Boolean: Subtract, Unite и др. 3. Формиране мрежата флуидта област Генерирането мрежата флуидта област се извършва в модула Meshing с стройки автора. Не се използва замрежване с стройки по подразбиране. Преди замрежването се дават име всяка равни и повърхни от модела. По този чин по-лесно ще се задават граничните условия в следващия модул. Дори да се пропусне от потребителя задаването име, софтуерният продукт ще зададе автоматично такива. Те представляват редица от цифри, които трудно след това се откриват. Освен това се дефинират стените струйта помпа и се използва инструмента Inflation, за да се увеличи резолюцията мрежата в околност стените (фиг.2). 4. Дефиниране работно тяло, задаване гранични условия Следващият етап от моделирането струйта помпа е всяне мрежата флуидта област в модула CFX и поконкретно CFX-Pre (фиг.3,. В този модул се прави проверка за имета повърхнините и се разглежда статистика за броя възли и елементи. Мрежата се състои от 84521 възела и 249016 елемента, от които 138252 са тетраедри, 109941-призми и 823-пирамиди. Моделира се работно тяло вода. Фиг. 3. Задаване гранични условия 32 Фиг. 2. Формиране мрежата флуидта област Необходимо е да се зададат граничните условия: два входа и един изход (фиг.3,. В модела са заложени лягане задвижващата вода 5.10 5 Pa, разход ИЗВЕСТИЯ НА СЪЮЗА НА УЧЕНИТЕ ВАРНА 1 2012
СЕРИЯ ТЕХНИЧЕСКИ НАУКИ транспортирания флуид 4,17kg/s, разход изхода струйта помпа при разглеждания режим работа 4,72kg/s. Тези гранични условия са първочални и може да се променят след установяването работоспособен модел. Това позволява да се строи работ характеристика. Освен работно тяло, параметри потока вход и изход от струйта помпа, се избира и турбулентен модел. В този случай авторът се спира kepsilon турбулентния модел т.к е устойчив при пресмятане и не изисква голям изчислителен ресурс. Авторът е ясно с недостатъците турбулентния модел, но като първочално пресмятане е добро решение. Следващата стъпка е задаване параметрите изчислителния процес. 5. Пресмятане Системата уравнения се пресмята чрез използването числен метод, метод крайния обем (Finite Volume Method). Преди да се пристъпи към пресмятане задачата се задават параметрите числета процедура. ISSN 1310-5833 Схемата е High Resolution, брой итерации 100, критерий за сходимост 1.10-4. След това се генерира дефиниционен файл, който се предава автоматично, ако се работи в рамката ANSYS Workbench и се стартира модул CFX-Solver. В хода пресмятане се следи за сходимостта уравненията непрекъстостта и импулса, също така уравненията турбулентния модел. За последния това е уравнението и турбулентта кинетич енeргия уравнението скоростта дисипация енергията. В хода пресмятането се появява съобщение, показано фиг.4,а. При модел А (фиг.4, се установява, че се заражда рециркулацион зо. Причита за формирането и е градиентът лягане в дифузора. Това показва, че не е добре дефинирано мястото прилагане граничното условие. Следва корекция от стра потребителя и задаване ново положение граничното условие (фиг.4,бмодел В). Фиг. 5. Сходимост изчислителния процес Фиг. 4. Корекция модела След правените изменения в модела CFXSolver не регистрира никакви забележки и изчислителният процес е сходящ (фиг.5). Времето за пресмятане 64-битов компютър с процесор Intel Core i3 3,30GHz и RAM 8GB е 3min 4,5s. ИЗВЕСТИЯ НА СЪЮЗА НА УЧЕНИТЕ ВАРНА 1 2012 33
6. Обработка получените резултати След приключване пресмятането се прехвърля резултатен файл в модул CFX-Post. Последният позволява да се обработват огромното количество числени данни, получени в модула CFX-Solver. При работата със CFX-Post е добре да се прави проверка за граничните условия дали са тези, които са зададени от потребителя в CFX-Pre. токови линии, но триизмерни. Благодарение тях може да се визуализира обтичането външното тяло струйника. Потребителят има възможност по всяка ед токова линия да използва подходящи стройки инструментите, лични в модула CFX-Post, и да представи изменението скоростта и векторите скоростта. На фиг.6,б по-топлите цветове показват високи стойности скоростта. Това е породено от обме енергия между задвижващата вода и транспортирания флуид. След това флуидът постъпва в смесителта камера, където продължава енергообме. В дифузора се блюдава маляване скоростта (фиг.6, и увеличаване лягането (фиг.6,. Фиг. 6. Изменение скорост (, ( и лягане ( в струйта помпа На фиг.6,а е показано изменението скоростта. За да се визуализира по този чин течението, се дефинира равни, която мива през оста симетрия тялото струйта помпа. В тази равни се използва инструмент за проектиране токовите линии Surface streamline. Освен това в изходящата част дифузора фиг.6,а може да се види рециркулацията флуида. Откъсването и пристенния вихър се описват коректно. Повисоката резолюция формирата мрежа е причита за това. Както беше пояснено погоре в модул Meshing в околност стените се увеличи гъстотата мрежата, това позволи да се развие граничният слой при моделиране движението водата. Затова авторът не използва стройките по подразбиране. На фиг.6,б са представени 34 Фиг. 7. Токови линии, изменение лягането в ед равни и по стените струйта помпа На фиг.7,а са показани токови линии, проектирани в ед равни, и които ИЗВЕСТИЯ НА СЪЮЗА НА УЧЕНИТЕ ВАРНА 1 2012
визуализират скоростта в околност ймалкото сечение от струйта помпа с площ 84,9mm 2. На същата фигура се забелязва застой зо под струйника. Това изостря вниманието потребителя и позволява да се измени конструкцията по такъв чин, че да се избегне това завихряне, респ. да се повиши кпд с 1-2%. На фиг.7,б се използва инструмент за визуализация чрез контури Contour, в случая за лягането. То е йниско изхода струйника. Разреждането в тази зо е причита за движението транспортирания флуид в смукателния тръбопровод струйта помпа. Контурите лягане по стета струйта помпа (фиг.7, може да помогт потребителя в един по-късен етап от проектирането помпата. Това е якостното пресмятане. При него се определя дебелита стета съоръжението, респ. теглото помпата. От фиг.7,в се вижда, че й-ниско е лягането по стета в околност смесителта камера. Още по-ниско е при изхода струйника, но фигурата той не е визуализиран. особени режими работа струйта помпа. Литература: [1] Томов П., Корабни системи и механизми, изд. Стено, 1995. [2] ANSYS CFX-Solver Theory Guide, Release 14.0, Canonsburg, 2011 За контакти: 9010 Вар, ул. Студентска 1 Технически университет -Вар д-р инж. Астас Янгьозов, е-mail: anastasyangyozov@gmail.com site: ansysturbomarine.com 7. Изводи и заключение В стоящия доклад се описват етапите моделиране струй помпа. Моделът е работоспособен и може да се пристъпи към якостно пресмятане. Той е гъвкав и позволява да се променят граничните условия. Освен това в един по-късен етап след изработване струйта помпа може де се сравнят данни от пресмятането с данни от турен експеримент. Моделът позволява при смя граничните условия да се определи Н-Q характеристика и изменение кпд помпата. В бъдеще авторът възмерява да формира по-фи мрежа и да се прави ализ влиянието турбулентия модел, да се реши задачата клъстер станция или с по-мощен компютър и да се симулира кавитация. Описанието това явление изисква сериозен изчислителен ресурс. Интерес задача е моделирането и пресмятането характеристиките потока с работно тяло пара, паро-вод смес или вода с механични частици и разглеждането ИЗВЕСТИЯ НА СЪЮЗА НА УЧЕНИТЕ ВАРНА 1 2012 35