Определение гидравлических и шумовых характеристик трубопроводной арматуры методами вычислительной гидрогазодинамики

Введение.
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Уравнения Навье — Стокса
1.2 О вычислительных методах
1.3 Характеристики вычислительных методов решения.................... 9
1.4 Метод контрольных (конечных) объемов (МКО) ....................... 12
1.5 Моделирование турбулентности
1.6 Методика определения гидравлического сопротивления .......... 33
1.7 Акустика
Глава 2. Определение гидравлического сопротивления трубопроводной
арматуры: сравнение с экспериментом..
2.1 Описание детали трубопроводной арматуры .............................. 37
2.2 Построение расчетной модели задвижки..................................... 42
2.3 Построение расчетной сетки
2.4 Постановка задачи и проведение расчета .................................... 46
2.5 Определение коэффициента гидравлического сопротивления и
статистическая обработка данных
2.6 Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными
Глава 3. Определение гидравлического сопротивления трубопроводной
арматуры: внутреннее сравнение при использовании различных моделей.... 54
3.1 Исследование сеточной сходимости............................................. 54
3.2 Постановка симметричной задачи
3.3 Смена используемой модели турбулентности............................. 563
3.4 Методология численного определения коэффициента
гидравлического сопротивления запорной арматуры....................... 59
Глава 4. Определение шумовых характеристик системы на примере
модельной задачи
4.1 Построение расчетной модели
4.2 Построение расчетной сетки
4.3 Постановка задачи и проведение расчета
Заключение ....
Купить

Законы сохранения массы, импульса и энергии являются основой традиционных моделей вычислительной гидрогазодинамики (Computational Fluid Dynamics – далее CFD). Эти законы записываются в виде системы дифференциальных уравнений, которая при постановке соответствующих граничных и начальных условий будет описывать ту или иную прикладную
задачу. Большинство реальных задач не имеет аналитического решения, и
возможно получение численного с помощью вычислительных методов и устройств.
CFD-моделирование широко используется в науке и технике и является
базой для исследования множества природных явлений и технологических
процессов. Изучаемые явления и их масштабы могут быть самыми разными:
от обтекания скоростного поезда или крыла самолета до движения воздуха
вблизи раскаленного асфальта или костра. CFD-моделирование обеспечивает
детальной информацией касаемо распределений скорости, давления,
температуры и множества других данных, необходимых для оценки решения той или иной задачи.
CFD используется на таких этапах инженерного процесса, как:
 Концептуальные исследования новых конструкций.
 Детальная разработка продукта.
 Оптимизация.
 Обнаружение и устранение проблем.
 Изменение конструкции продукта и многое другое.
Очень важной является возможность сокращения затрат производства
при использовании CFD-моделирования. Так, вместо изготовления продукта и
тестирования его впервые в реальных условиях, существует возможность
создания аналогичной модели для ее дальнейшего расчета и оценки полученных результатов. На основании сделанных выводов возможны5
оптимизация текущего инженерного решения или разработка нового. Таким образом, CFD-моделирование является актуальным даже для процессов, уже
ставших привычными в промышленности и других сферах жизни людей:
наличие существующих всем известных инженерных решений далеко не
всегда означает уверенность в том, что эти решения являются единственными или единственно верными.
В настоящее время течения в трубах можно назвать одними из фундаментальных и неотъемлемых явлений современного мира.
Трубопроводы используются для транспортировки различных жидких или
газообразных веществ, многофазных или многокомпонентных смесей. Одной из составных частей трубопровода является трубопроводная арматура. Детали
трубопроводной арматуры различаются между собой по функциональному назначению, способам герметизации, областям применения, типам и
множеству других параметров. Однако несмотря на то, что трубопроводы и системы, где они успешно применяются, существуют достаточно долгое
время, имеются определенные трудности и связанные с ними задачи в области проектирования трубопроводной арматуры, которые можно и нужно решить
для оптимизации существующих инженерных решений. Одной из таких проблем является отсутствие четких методик численного определения гидравлических и шумовых характеристик трубопроводной арматуры.
Наличие подобного рода методик необходимо по нескольким причинам.
Первая – это увеличение скорости разработки изделий. При проектировании проточной части арматуры инженер-конструктор не располагает способами
предсказания ее гидравлических характеристик, вследствие чего их подбор осуществляется непосредственно на практике. Такой способ является
достаточно затратным за счет изготовления новых опытных образцов и за счет времени, необходимого для прохождения всего цикла инженерного процесса.
Численное моделирование способно устранить эту проблему.6
Второй причиной является снижение экономических затрат. Например, чем меньше гидравлическое сопротивление трубопроводной арматуры, тем
меньшими становятся потери давления на участках трубопроводов. Таким образом, появляется возможность установки менее мощных насосов и, как
следствие, сокращения затрат. Благодаря CFD-моделированию упрощается задача оптимизации характеристик арматуры. Например, с помощью серии
численных расчетов возможно так подобрать параметры системы, чтобы минимизировать коэффициент гидравлического сопротивления запорной арматуры.
Другая причина связана с соблюдением санитарно-эпидемиологических правил и норм, регулирующих шум и вибрацию в жилых и общественных помещениях. Минимизация шума трубопроводной арматуры позволяет соблюдать действующие нормативы и снижает негативное воздействие на самочувствие людей, проживающих или работающих в этих помещениях.
Помимо того, решение задач, связанных с акустикой актуальны также и для
военной и промышленной отраслей.
В связи с этим целью данной работы является выработка методологии определения гидравлических и шумовых характеристик трубопроводной арматуры с применением методов CFD-моделирования. Поставлены следующие задачи: определить гидравлическое сопротивление модели
трубопроводной арматуры, определить шумовые характеристики системы на
примере модельной задачи, выработать методологию численного решения подобных задач.
В первой главе приведено краткое описание численных методов.
Рассматриваются их компоненты, включающие основные методы интерполяции, численного интегрирования и дифференцирования.
Рассмотрены свойства численных методов решения, теоретическое обоснование метода контрольных объемов, лежащего в основе CFDмоделирования. Приведены основы теории турбулентности и описание моделей, применяющихся для решения современных задач. Описаны подходы к вычислению акустики.
Во второй главе описана пошаговая подготовка модели запорной арматуры к расчету для определения коэффициента гидравлического сопротивления и его результаты, произведено сравнение с результатами эксперимента, сформулирован вывод о возможности использования численного моделирования при решении подобных задач.
В третьей главе проводится исследование сеточной сходимости,
рассматривается влияние смены модели турбулентности на получаемые результаты, проводится оценка результатов решения симметричной задачи.
Сформулирована методология расчета подобных задач с рекомендациями и проверенными на практике сценариями настроек.
В четвертой главе на примере модельной задачи рассматривается подход к вычислению уровня звукового давления, формулируются выводы о применимости моделирования к определению шумовых характеристик арматуры.
В заключении сформулирован вывод о применении различных подходов к определению коэффициента гидравлического сопротивления запорной арматуры и уровня звукового давления в модельной задаче.
Купить