ANSYS Advantage. Русская редакция 9'2008

Ìîäåëèðîâàíèå ïðîöåññà ãîðåíèÿ â ïðîìûøëåííîì êîòëå

Ìîäåëèðîâàíèå ðàçðóøåíèÿ ïîäçåìíîãî ãàçîïðîâîäà

Îïòèìèçàöèÿ êîíñòðóêöèè íàñîñà-èçìåëü÷èòåëÿ

ЭКОЛОГИЯ

И ПРОМЫШЛЕННАЯ

БЕЗОПАСНОСТЬ

Содержание

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками

компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям» и «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками

компании ЗАО «ЕМТ Р». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками или

зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

«ANSYS Advantage.

Русская редакция»

Инженерно*технический

журнал

Выходит 4 раза в год

Осень 2008 (9)

Учредитель:

ЗАО «ЕМТ Р»

Генеральный директор:

Локтев Валерий

Над номером работали:

Ларин Михаил

Кабанов Юрий

Хитрых Денис

Юрченко Денис

Переводчик:

Юрченко Анна

Интернет�группа:

Николаев Александр

Адрес редакции

111672 Россия, Москва,

ул. Суздальская, 46,

Тел.: (495) 644-0608

Факс: (495) 644-0609

Тираж 1500 экз.

Цена свободная

Технологии

Международная конференция ANSYS 2008 ........................................................ 2

ANSYS AUTODYN

Моделирование развития аварийных процессов при разрыве

подземного магистрального газопровода ........................................................... 3

ANSYS Multiphysics

Термопрочностной анализ инновационной конструкции

солнечной панели ................................................................................................. 10

Использование ANSYS Multiphysics для оптимизации конструкции

термоэлектрического охладителя ....................................................................... 12

Многодисциплинарные расчеты

морской ветроэнергетической установки .......................................................... 15

Программный комплекс CivilFEM with ANSYS 11.0 ........................................... 18

ANSYS Workbench

Технологии ANSYS Workbench упрощают расчеты с FSI .................................. 22

ANSYS CFD

Моделирование процессов горения, тепло и массообмена

в топках котлов на пылевидном топливе ........................................................... 25

Численный анализ пожаровзрывоопасности объектов

нефтегазовой отрасли, промышленности и строительства ............................. 29

Оптимизация конструкции насоса-измельчителя

с использованием CFD ........................................................................................ 32

Расчет характеристик турбомашин при запуске CFX

в пакетном режиме ............................................................................................... 36

Мастер-класс

Мастер класс / Изучаем сами

Численное моделирование аэроупругости в ANSYS CFX ................................ 38

Мастер класс / Вы спрашивали — мы отвечаем

Дополнительные возможности пре- и постпроцессора ANSYS CFX .............. 43

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008www.ansyssolutions.ru

ОСЕНЬ 2008

© 2008 ANSYS, Inc.

© 2008 ЗАО «ЕМТ Р»

A D V A N T A G E

Перепечатка опубликованных

материалов только с письмен-

ного разрешения редакции, за

исключением кратких цитат в

материалах информационного

характера. Мнение редакции

может не совпадать с мнением

авторов



2

26-28 августа в Питсбурге (шт. Пенсильвания,

США) прошла 14-я Международная конферен-

ция ANSYS — ANSYS 2008. За последние двад-

цать лет использование технологий компьютер-

ного моделирования стало ключевым моментом

в процессе разработки новых изделий, а, следо-

вательно, возросла и значимость ежегодных

международных конференций ANSYS. По срав-

нению с прошлой конференцией значительно

выросло количество участников, расширилась

география стран-участниц. Если в 2006 году

конференцию посетили порядка 800 человек, то

в этом году в ней приняли участие более 1000

специалистов различных компаний со всего

мира.

От России в работе конференции приняли

участие представители компании ЗАО «ЕМТ Р».

Конференция ANSYS 2008 показала высо-

кую эффективность автоматизированных много-

дисциплинарных решений ANSYS в условиях

постоянного роста требований со стороны поль-

зователей. Участники конференции получили

возможность узнать о влиянии технологий ANSYS

на различные отрасли промышленности, пооб-

щаться с разработчиками и ведущими менедже-

рами компании ANSYS, Inc.

«Мы считаем, что внедрение компьютерно-

го моделирования ускоряет процесс проектиро-

вания. — сказал James Cashman, президент и

исполнительный директор ANSYS, Inc. — И мы

постоянно убеждаемся в своей правоте, обща-

ясь с нашими клиентами со всего мира. Компа-

нии, применяющие компьютерное моделирова-

ние в процессе разработки продукции, получают

существенные преимущества в условиях гло-

бальной конкуренции».

Работа конференции традиционно была

разбита на три секции: General Session, Technical

Session и Management Session. Кроме этого, в

рамках конференции проводились технические

семинары, выставки и круглые столы (обсужде-

ние технологий ANSYS и их применения в про-

цессе производства продукции).

В рамках General Session были заслушаны

следующие доклады: «Перспективы стратегии

Simulation Driven Product Development» прези-

дента и исполнительного директора ANSYS, Inc.

James Cashman, «Планы и стратегия развития

ПО ANSYS, Inc.» вице-президента, ANSYS, Inc.

Dipankar Choudhury, «Использование CFD-тех-

нологий для получения преимуществ при разра-

ботке новых гоночных автомобилей» руководи-

теля отдела аэродинамики команды BMW Sauber

F1 Willem Toet и «Применение компьютерного

моделирования в аэрокосмической отрасли»

технического директора Boeing Jerry Young.

С темами и аннотациями других докладов

конференции ANSYS вы можете познакомиться

на сайте www.ansys.msk.ru.

Одним из приятных моментов участия ком-

пании ЕМТ Р в конференции стала встреча с ос-

нователем компании ANSYS, Inc. — доктором

John Swanson (Джон Свонсон). В компании

ANSYS, Inc. Дж. Свонсон занимал должность

президента и исполнительного директора. Пос-

ле выхода на пенсию в 1999 году он стал веду-

щим научно-техническим консультантом компа-

нии. До основания компании ANSYS, Inc. Дж.

Свонсон работал в научно-исследовательском

центре Westinghouse Astronuclear Laboratory.

В 1998 году доктор Свонсон получил награ-

ду Американского общества инженеров-механи-

ков (ASME), а в 2003 году стал его почетным

членом. Кроме этого, в мае 2004 года доктор

Свонсон получил престижную награду — медаль

Джона Фрица. Ранее этой награды были удосто-

ены Орвилл Райт, Александр Белл, Альфред Но-

бель, Томас Эдисон, Джордж Вестингхаус и др.

Сегодня доктор Свонсон является автори-

тетным экспертом в области применения мето-

дов конечных элементов и возглавляет компа-

нию Swanson Analysis Services, Inc.

Международная

конференция ANSYS 2008

Íà ôîòî (ñïðàâà íàëåâî): Ferit Boysan — îñíîâàòåëü Fluent, Inc. è âèöå-ïðåçèäåíò, ANSYS, Inc., John Swanson — îñíîâàòåëü ANSYS, Inc. è ïðåçèäåíò êîìïàíèè SAS, Inc.

3



Моделирование развития

аварийных процессов при

разрыве подземного

магистрального газопровода

Белов Г.В., ЗАО «ЕМТ Р»,

Сафонов В.С., Ковалев С.А., Ганага С.В. ООО «ВНИИГАЗ»

Аварийные разрывы магистральных га-

зопроводов высокого давления за счет

распространения поражающих факторов

в окружающей среде способны нанести

существенный ущерб расположенным

вблизи разрыва объектам и сооруже-

ниям. Анализ развития аварийных ситуа-

ций при разрыве трубопровода с исполь-

зованием численных технологий ANSYS

в различных природных и геологических

условиях и при различных технических

решениях позволяет оценивать масшта-

бы и уровни воздействия, вырабатывать

наиболее эффективные принципы за-

щиты для уменьшения воздействия пора-

жающих факторов на оборудование и

окружающую среду, предотвращать раз-

витие каскадных эффектов.

Авария на трубопроводе — всегда сложный

и многоэтапный процесс, сочетающий в себе яв-

ления отличные по физической природе, такие

как зарождение и раскрытие трещины, разруше-

ние участка трубы и вскрытие грунтового масси-

ва, истечение газа в атмосферу, инициирование

зажигания газо-воздушной смеси, диффузион-

ное горение или переход режима распростране-

ния пламени в ударно-волновую форму. Особого

внимания, из-за значительных объемов нанесен-

ного ущерба, заслуживают разрывы, происходя-

щие на многониточных газопроводах, узлах пе-

ресечений различных магистралей, а также в

непосредственной близости от хранилищ, пере-

рабатывающих предприятий, насосных станций

и пр. В таких ситуациях существует вероятность

вовлечения в аварию соседних объектов и воз-

никновения каскадных эффектов, при которых

ущерб увеличивается многократно.

Основными поражающими факторами при

аварийном разрушении участка газопровода,

воздействующими на соседние нитки и внешние

объекты являются:

Ðèñ. 1 (à-á). Ïîñëåäñòâèÿ àâàðèé íà ìàãèñòðàëüíûõ ãàçîïðîâîäàõ â Êèåâñêîé è Ëåíèíãðàäñêîé îáëàñòÿõ.

À Á

www.ansyssolutions.ru


4

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

ударно-волновое воздействие, возникаю-

щее при разрыве трубы наполненной сжа-

тым газом и распространяющееся в приле-

гающих к трубопроводу средах — в грунте

или воде и в воздухе;

осколочное воздействие разлетающихся

фрагментов труб и материалов, близко

расположенных от места разрыва — час-

тиц грунта, каменистых включений, льда и

пр.;

термическое и компрессионное воздей-

ствие при воспламенении и струйном горе-

нии либо дефлаграционном взрыве газо-

воздушной смеси.

В статье подробно рассматривается мето-

дика расчета нестационарной стадии прогрес-

сирующего разрушения трубопровода с приме-

нением комплексов семейства Explicit — ANSYS

AUTODYN и ANSYS LS-DYNA. Программные

продукты ANSYS позволяют также выполнять

расчетные исследования для всех стадий раз-

вития аварии. Квазистатические задачи про-

чности трубопроводов с различными дефекта-

ми могут быть наиболее эффективно решены

программным комплексом ANSYS Mechanical

методом конечных элементов с привлечением

аппарата механики разрушений. После завер-

шения формирования грунтовой воронки поток

газа из трубы принимает квазистационарный

характер. Для расчета течений многокомпо-

нентных газовых сред и возможного горения

газовоздушных смесей эффективнее приме-

нять программные комплексы ANSYS FLUENT

и ANSYS CFX, которые в отличие от эйлеровых

Explicit решателей, используют более точные

полные уравнения газовой динамики Навье-

Стокса. Методы трансляции результатов расче-

тов позволяют достаточно широко использо-

вать результаты предыдущих этапов расчетов,

например, преднагруженное состояние трубоп-

роводов или геометрию воронки в грунте из

ANSYS Implicit в LS-DYNA и из LS-DYNA в

ANSYS CFX.

Решение нестационарных задач деформи-

рования труб, грунтового массива и течения газа

из разрыва предпочтительнее проводить чис-

ленными методами, основанными на явном ме-

тоде интегрирования уравнений механики

сплошных сред — программными комплексами

ANSYS AUTODYN и ANSYS LS-DYNA. Сочетание

в одной задаче полностью связанных областей с

лагранжевым и эйлеровым описанием сплош-

ной среды, а также возможность расчета мате-

риалов с прочностью в эйлеровых координатах,

для быстропротекающих процессов дают Explicit

методам несомненное преимущество перед

«традиционной» связкой Implicit Mechanical и

CFD.

•

•

•

Рассмотрено несколько альтернативных

подходов к постановке задач. Если для трубоп-

роводов однозначно рекомендуется использо-

вать оболочечную модель, то для грунтовой

среды и природного газа существует несколько

вариантов описания. Наиболее простой путь —

моделирование грунта в лагранжевой поста-

новке позволяет более точно описать контакт-

ное взаимодействие труба — грунт, а также

использовать прямой импорт модели с предна-

груженным состоянием из ANSYS Implicit или

ANSYS CivilFEM. В отдельных случаях лагран-

жев метод может быть заменен произвольным

лагранжево-эйлеровым методом ALE, позво-

ляющим проводить операции сглаживания и

выравнивания сетки в областях с большими

деформациями. В отношении контактных взаи-

модействий метод ALE идентичен лагранжево-

му, т.к. операции выравнивания сетки выпол-

нятся только для внутренних областей. При на-

коплении больших деформаций в зоне образо-

вании воронки в грунте из-за возникающих

сильных искажений элементов лагранжевы ме-

тоды катастрофически теряют точность. Про-

цедура удаления вырожденных элементов от-

части способствует повышению стабильности

решения, но появление в системе чрезмерного

нефизического дисбаланса массы может при-

водить к большим вычислительным ошибкам.

Расчет грунтовой среды в эйлеровой постанов-

ке существенно повышает точность в описании

областей, подвергаемых большим деформа-

циям и разрывам при сохранении континуаль-

ной постановке в описании сплошной среды.

В прикладных программах LS-DYNA и AUTODYN

эйлеровы решатели реализованы в эйлеровом

многокомпонентном методе ALE и методе ко-

нечных объемов Годунова, соответственно.

К описанию газа можно также подойти по

разному — с помощью динамического гранич-

ного условия, либо прямым моделированием

газообразной среды, преимущественно в эйле-

ровой постановке. Ввиду того, что давление

газа в трубе будет существенно меняться с де-

формациями трубы, моделирование нагружения

трубы внутренним постоянным давлением спра-

ведливо лишь на начальной стадии разрыва и

при незначительном объеме подземной газовой

полости.

Использование многокомпонентного эйле-

рова решателя для моделирования всех мате-

риалов, находящихся в расчетной области —

газа, грунта и воздуха, позволяет на единой

сетке рассчитывать течения физически разно-

родных сред при контактном взаимодействии

всех материалов с трубопроводом. Методы ли-

нейной и кусочно-линейной аппроксимации гра-

ниц раздела сред — PLIC (piecewise linear

5

www.ansyssolutions.ru ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

interface calculation) для LS-DYNA и Updated SLIC

(single line interface calculation) для AUTODYN,

при достаточной густоте сетки ~ 20-30 ячеек на

диаметр трубы, позволяют использовать орто-

гональную расчетную сетку без ущерба точнос-

ти в зоне сложного контакта газ-труба-грунт.

Начальные условия задачи, в таком случае,

удобно формировать не на сеточном уровне, а

посредством определения соответствующих

концентраций материалов. В AUTODYN такая

операция осуществляется, посредством опера-

ции «FILL», в LS-DYNA — картой *INITIAL_

VOLUME_FRACTION_GEOMETRY.

Предлагаемая методика расчета развития

аварийной ситуации, позволяет учитывать сле-

дующие особенности:

связанный расчет течения материалов в

трубах — газа или нефти, с учетом притока

материала в расчетную область из удален-

ных участков трубопроводов;

расчет поведения грунтовой среды в рам-

ках нелинейной упругопластической мо-

дели с возможностью моделирования

больших деформаций, разрывов, дробле-

ния, учета реальной геологической струк-

туры;

моделирование поведения труб в рамках

оболочечной теории с возможностью плас-

тического течения материала, упрочнения

и разрушения по критерию исчерпания

пластичности;

учет преднагруженного состояния системы

под действием силы тяжести и внутреннего

давления.

По вычислительным возможностям для ме-

тодов, используемых в данном классе задач,

Explicit комплексы ANSYS AUTODYN и ANSYS

LS-DYNA практически идентичны. LS-DYNA –

программный комплекс имеющий непревзой-

денные характеристики по скорости выполнения

счета, имеет широкие возможности связи и им-

порта с другими CAE системами, включает в

себя большое количество решателей и их моди-

фикаций, в том числе некоторые специализиро-

ванные — CFD, EFG, Implicit FE и пр. ANSYS

AUTODYN, в свою очередь, располагает эйлеро-

вым решателем более высокого порядка точнос-

ти, интерактивным интерфейсом с широкими

возможностями «горячего» рестарта, имеет бо-

лее гибкие настройки по формированию модели

материалов, включает библиотеку константных

наборов.

AUTODYN представляет собой полностью

интегрированный комплекс, в котором подго-

товка, решение и просмотр результатов проис-

ходит в одном графическом интерфейсе (см.

рис. 2). В препроцессоре ANSYS LS-DYNA нет

поддержки эйлеровых решателей и некоторых

•

•

•

•

типов материалов, поэтому формирование и

решение задачи должно проводиться в несколь-

ко этапов — генерация сетки в препроцессоре

ANSYS, корректировка модели препроцессо-

ром LS PrePost и запуск решателя LS-DYNA

(см. рис. 3).

Для подобного класса задач наибольшую

сложность представляет выбор модели физи-

ко-механического поведения грунтовых сред, а

также получение константных наборов для оп-

ределенного класса грунтов. Основными

свойствами грунтовых сред, которые необхо-

димо учитывать при моделировании компрес-

сионного воздействия на грунтовые массивы,

являются: наличие внутреннего трения, необ-

ратимость объемных и сдвиговых деформаций,

пластическое течение и разрушение скелета

грунта. В работе используется модель упруго-

пластической сжимаемой среды с теорией

пластического течения Прандтля-Рейсса, учи-

тывающая нелинейные процессы сдвигового и

объемного деформирования. Основные опре-

деляющие соотношения этой модели зависи-

мости предела текучести от давления и давле-

ния от объемной деформации схематически

проиллюстрированы на рис. 5. Подобная до-

статочно простая упругопластическая модель

с критерием пластичности типа Друккера-Пра-

гера успешно использовалась для расчета по-

ведения грунтов, подвергаемых сильному ком-

прессионному воздействию в условиях боль-

ших деформаций [2]-[4].

В рамках решения тестовых задач разрыва

одиночной трубы в двумерной плоской поста-

новке оценивались наиболее значимые факто-

ры влияющие на процесс разрушения и нагру-

жения грунтового массива, такие как тип грунта,

глубина заложения трубы, конфигурация разры-

ва, учет притока газа в зону разрушения из тру-

Ðèñ. 2. Ìîäåëèðîâàíèå ðàçðóøåíèÿ ïîäçåìíîãî ãàçîïðîâîäà â ANSYS AUTODYN.



6


бы и пр. Предварительные результаты, получен-

ные в комплексе LS-DYNA (см. рис. 6), позволи-

ли сделать вывод о существенном качественном

влиянии на процесс всех выше перечисленных

факторов. На технологическом уровне подобра-

ны оптимальные типы решателей и определены

необходимые параметры пространственной дис-

кретизации задачи.

Полноценный анализ прогнозирования

каскадного эффекта при аварии на узле пересе-

чения может быть проведен только в трехмерной

постановке. Рассматривалась ситуация разрыва

только нижней трубы при пересечении магист-

ральных трубопроводов диаметром до 1,4 м под

углом в 90°. Для корректного моделирования

НДС трубопроводов, особое внимание следует

уделять описанию удаленных участков трубоп-

Ðèñ. 4. Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà óçëà ïåðåñå÷åíèÿ òðóáîïðîâîäîâ â ïîñòïðîöåññîðå LS PrePost äëÿ LS-DYNA.

Ðèñ. 3. Òåõíîëîãèÿ ïðîâåäåíèÿ ðàñ÷åòíîãî àíàëèçà â ANSYS/LS-DYNA.

1. Ïîñòðîåíèå ðàñ÷åòíîé ñåòêè â ïðåïðîöåññîðå ANSYS/LS-DYNA

2. Êîððåêòèðîâêà ìîäåëè â ïðåïðîöåññîðå LS-PREPOST (äëÿ äîáàâëåíèÿ îïöèé íå ïîääåðæèâàåìûõ ïðåïðîöåññîðîì ANSYS )

3. Ðàñ÷åò çàäà÷è ðåøàòåëåìANSYS/LS-DYNA

4. Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ â LS-PREPOST

Ðèñ. 5. Îïîðíûå êðèâûå ìîäåëè ãðóíòà: à — çàâèñèìîñòü ïðåäåëà òåêó÷åñòè îò ãèäðîñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ,á — êðèâàÿ îáúåìíîé ñæèìàåìîñòè.

À Á

7


роводов и модели притока газа из магистрали.

В случае пренебрежении транспортным движе-

нием газа по трубам имеется возможность ис-

пользовать 1/2 или 1/4 симметрию. Как в

AUTODYN, так и в LS-DYNA решение задачи

должно проводиться в два этапа: первый — ква-

зистатический расчет преднагруженного со-

стояния системы трубопрободы-газ-грунт, вто-

рой — инициирование трещины и непосред-

ственный расчет развития аварии.

Расчетным путем установлено чрезвычай-

но сильное влияние места расположения пер-

воначального разрыва и его конфигурации на

условия нагружения грунтового массива и со-

седнего трубопровода. В рамках данной поста-

новки расчет скорости роста магистральной

трещины не проводился. Распространение тре-

щины учитывалось принудительной генерацией

разрыва с постоянной скоростью, соответст-

вующей экспериментальным данным. Предпо-

лагалось, что трещина распространяется на

длину двух сварных участков трубы общей дли-

ной 12 м и затем останавливается. Как проде-

монстрировано на рис. 7, наихудшие условия

нагружения для соседней трубы будут реализо-

вываться при инициировании разрыва непос-

редственно в эпицентре пересечения. При иных

условиях результаты, полученные для модели с

ростом трещины и мгновенным разрывом,

практически идентичны.

Главным фактором, определяющим на-

грузки на грунтовой массив и соседний трубоп-

ровод, будет являться импульс воздействия сжа-

того газа, который прямо пропорционален вре-

мени существования подземной газовой полос-

ти до момента вскрытия грунта, после которого

происходит резкий сброс давления и установле-

ние режима квазистационарного истечения газа

в атмосферу. Как продемонстрировано на рис. 8,

расположение точки инициирования трещины в

трубе существенно влияет на механизм и харак-

терное время вскрытия грунта. При верхней кон-

фигурации трещины газовая полость интенсив-

но распространяется в направлении свободной

поверхности. При подходе газа к верхней трубе

слой грунта с нее срывается еще до вскрытия

массива при относительно небольших скоростях

газового потока (см. рис. 9). В этой ситуации вы-

сокоскоростные ударные воздействия осколков

и прочих предметов на верхнюю трубу малове-

роятны, ее нагружение происходит преимущест-

венно вырывающимся из разрыва газовым по-

током.

Принципиально иная ситуация наблю-

дается при нижнем разрыве. Газовый поток из

трещины первоначально устремляется вниз

массива грунта. Прорыву газа к поверхности

мешает развернутый участок трубы. Движение

газа к поверхности возможно только после «об-

хода» трубы, когда диаметр подземной полости

будет составлять уже 2-3 исходных диаметра,

либо за счет вертикального смещения всего

слоя грунта, совместно с трубами. Участок ра-

зорванной трубы воздействует на верхнюю тру-

бу через прослойку грунта и в дальнейшем от-

рывается от основной магистрали. Как видно

из рис. 8 б, даже после прорыва газовой полос-

ти, оторванный кусок нижней трубы продол-

жает экранировать газовый поток, увеличивая

нагрузку на верхнюю трубу. По сравнению с

предыдущей ситуацией, время вскрытия грун-

та, а соответственно и действующий импульс,

увеличивается примерно в 2-3 раза. При глуби-

не заложения нижней трубы 3 м, это время бу-

дет составлять около 0,3 с и 0,8 с, соответс-

твенно. Пластические деформации материала

верхней трубы при нижнем расположении тре-

Ðèñ. 6. Ìîäåëèðîâàíèå ðàçðóøåíèÿ ãàçîâîé òðóáû è îáðàçîâàíèå âîðîíêè â ãðóíòå â äâóìåðíîé ïëîñêîé ïîñòàíîâêå.

Ðèñ. 7. Ðàñøèðåíèå ãàçîâîé ïîëîñòè ïðè ìîäåëè ìãíîâåííîãî ðàçðóøåíèÿ òðóáû (à) è ñèììåòðè÷íîãî ðîñòà òðåùèíû îò öåíòðà ïåðåñå÷åíèÿ (á).

À

Á



8


Ðèñ. 8. Õàðàêòåð äåôîðìèðîâàíèÿ òðóá è ãðóíòîâîãî ìàññèâà ïðè ðàçëè÷íûõ ìåñòàõ ðàçðûâà íèæíåé òðóáû: à — ðàçðûâ ñâåðõó, á — ðàçðûâ ñíèçó.

À

Á

Ðèñ. 9. Äèíàìèêà ôîðìèðîâàíèÿ è êîíå÷íûé âèä âîðîíêè â ãðóíòå ïðè àâàðèéíîì ðàçðóøåíèè ãàçîïðîâîäà íà óçëå ïåðåñå÷åíèÿ.

9


щины приближаются к опасному уровню. Спе-

цифика развития аварии при боковом разрыве

практически совпадает с верхним. Таким обра-

зом, при равновероятном расположении первич-

ного очага разрушения, вероятность развития

аварии по наиболее опасному механизму ниж-

него вскрытия будет составлять около 25%.

Анализ результатов показал, что с увели-

чением прочностных свойств грунта и глубины

заложения аварийной трубы уровни воздей-

ствий, как и вероятность возникновения каскад-

ного эффекта увеличиваются. В связи с этим,

наиболее перспективным принципом минимиза-

ции ущерба на узлах пересечений при авариях

может являться искусственное ослабление проч-

ностных свойств грунта, засыпаемого в траншею

после укладки газопроводов в местах их пересе-

чений.

Пути дальнейших исследований и совер-

шенствования методики могут направлены на

уточнение критерия разрушения трубных сталей

путем введения кинетической модели зарожде-

ния и накопления микроповреждений, уточнения

условий притока природного газа с учетом вол-

ны разряжения, распространяющейся по магис-

трали от места разрыва, учета реальных геоло-

гических условий, неоднородности грунтового

массива.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû:1. Àëåøèí Â.Â., Ñåëåçíåâ Â.Å., Êëèøèí è äð. ×èñëåííûé

àíàëèç ïðî÷íîñòè ïîäçåìíûõ òðóáîïðîâîäîâ / Ïîä. ðåä. Â.Â. Àëåøèíà è Â. Å. Ñåëåçíåâà. — Ì.: Åäèòîðèàë ÓÐÑÑ, 2003. — 320 ñ.

2. Ãðèãîðÿí Ñ.Ñ. Îá îñíîâíûõ ïðåäñòàâëåíèÿõ äèíàìèêè ãðóíòîâ // ÏÌÌ, 1960. Ò. 24, âûï. 6. Ñ. 1057 — 1072.

3. Çàìûøëÿåâ Á.Â., Åâòåðåâ Ë.Ñ. Ìîäåëè äèíàìè÷åñêîãî äåôîðìèðîâàíèÿ è ðàçðóøåíèÿ ãðóíòîâûõ ñðåä. − Ì.: Íàóêà, 1990. — 215 ñ.

4. Âîâê À.À. è äð. Ïîâåäåíèå ãðóíòîâ ïîä äåéñòâèåì èìïóëüñíûõ íàãðóçîê. — Êèåâ: Íàóê. äóìêà, 1984. — 288 ñ.

5. ÃÎÑÒ 12248-96. Ãðóíòû. Ìåòîäû ëàáîðàòîðíîãî îïðåäåëåíèÿ ïðî÷íîñòè è äåôîðìèðóåìîñòè. 1996.

6. Áîíäàðåíêî Ï.Ì. Íîâûå ìåòîäû è ñðåäñòâà êîíòðîëÿ ñîñòîÿíèÿ ïîäçåìíûõ òðóá. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1991.

Новости и события

Второй Всероссийский конкурс инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых Российской ФедерацииАссоциация «Башкирская Ассоциация Экспер-

тов» (г. Уфа) при поддержке Управления по

технологическому и экологическому надзору

Ростехнадзора по Республике Башкортостан и

Министерства промышленности, инвестицион-

ной и инновационной политики Республики

объявляют открытый конкурс «Обеспечение

промышленной и экологической безопасности

на взрывопожароопасных и химически опас-

ных производственных объектах».

Основной целью конкурса является выявление

наиболее актуальных и перспективных разра-

боток в области промышленной и экологичес-

кой безопасности. На конкурс принимаются

проекты по 5 номинациям, в том числе одна но-

минация непосредственно касается решений

компании ANSYS, Inc.: «ANSYS в решении за-

дач промышленной и экологической безопас-

ности» (Номинация №5).

Компания ЗАО «ЕМТ Р» примет участие в дан-

ном мероприятии в качестве информационного

партнера и соорганизатора. Кроме этого, на

нее возложена роль экспертизы исследова-

тельских проектов, выдвигающихся на Номи-

нацию №5.

По решению компании ЗАО «ЕМТ Р» авторы

проектов, победивших в Номинации №5, будут

награждены ценными призами и тестовыми

версиями (60 дней) академических лицензий

ПО ANSYS. Кроме этого, лучшие работы с со-

гласия авторов будут опубликованы в журнале

«ANSYS Advantage. Русская редакция».

Участие в конкурсе бесплатное. Заявки на

участие необходимо подать до 15 октября

2008 г. Проекты подаются в адрес оргкомитета

до 15 ноября 2008 г. Проекты и их краткое опи-

сание должны быть оформлены в соответствии

с требованиями. Подведение итогов конкурса

состоится в декабре 2008 г.

Заявки на конкурс следует направлять в адрес

оргкомитета:

450064, Россия, Республика Башкортостан,

г. Уфа, ул. Мира, д.14, офис №308. Ассоциация

«Башкирская Ассоциация Экспертов».

Контактный телефон (факс) +7 (347) 279-99-87,

e-mail: [email protected].



10

Термопрочностной

анализ инновационной

конструкции солнечной

панели

Mathew Stein, президент компании Stein Design, Траки (США)

Сегодня эффективными источниками возобнов-

ляемой энергии являются термоэлектрические

солнечные элементы, которые преобразуют сол-

нечную энергию в электрическую. Однако внеш-

ний вид солнечных панелей не всегда вписыва-

ется в дизайн здания.

Компании Open Energy Corp. (Солона Бич,

Калифорния, США) удалось решить данные про-

блемы с помощью панелей SolarSave® , которые

размещаются на крыше таким образом, что их

практически не заметно между черепицей. Па-

нели спроектированы для установки вместе с

обычной черепицей так, чтобы они не выделя-

лись на общем фоне крыши. Таким образом, па-

нели эффективно заменяют часть черепичной

кровли. Легковесные панели имеют 25-летний

гарантийный срок, просты в использовании, по

ним можно ходить, что существенно облегчает

работу техническому персоналу.

Желая повысить экономичность и эффек-

тивность работы солнечных панелей, менедже-

ры Open Energy обратились в компанию Stein

Design с целью оптимизации конструкции пане-

ли. Проектная длина новой панели должна

была составить ~1,22 м (4 фута∗), при этом со-

гласно техническому заданию необходимо

было сократить количество используемых элек-

трических схем, распределительных щитов и

другого оборудования по сравнению с преды-

дущей более короткой моделью (~0,91 м или

3 фута).

При проведении расчетов специалисты

Stein Design использовали программное обеспе-

чение ANSYS DesignSpace.

Первым этапом была оценка конструкции

старой трехфутовой панели. Трехмерная CAD-

модель импортировалась из SolidWorks® в

ANSYS DesignSpace для проведения расчета на-

пряженно-деформированного состояния. Учиты-

вались следующие нагрузки: 1. 14,4 кПа, что

соответствует проектным и строительным нор-

мам по снеговым нагрузкам в США и Канаде;

Ñîëíå÷íûå ïàíåëè Open Energy SolarSave® õîðîøî ñî÷åòàþòñÿ ïî öâåòó è ïðîôèëþ ñî ñòàíäàðòíîé êðîâåëüíîé ÷åðåïèöåé.

11


2. 300 кПа — вес работника, устанавливающего

панель. При эксперименте подобная нагрузка

проверялась на стеклянной панели с помощью

стальной шайбы диаметром в 7,62 см (3 дюйма)

при стандартной нагрузке в 150 кПа. С учетом

того, что нагрузка от веса некоторых работников

и тяжелого оборудования может превышать

150 кПа, было принято решение об использова-

нии нагрузки в 300 кПа.

Результаты расчетов показали, что трех-

футовая пластиковая конструкция была доста-

точно прочной, чтобы выдерживать нагрузки от

передвижения по ней, а также снеговые нагруз-

ки. Однако возникла необходимость в дополни-

тельном анализе четырехфутовой панели, пос-

кольку результаты расчетов показали, что при

нагрузке в 300 кПа создаваемое напряжение на

40% превышало допустимое напряжение на

растяжение поверхности солнечной панели

(420 кПа). Кроме этого, возникли опасения, что

со временем связь между стеклянной панелью

и пластмассовой рамой может нарушаться

вследствие отличия коэффициентов теплового

расширения материалов, поскольку для стекла

он составляет десятую долю от аналогичного

показателя поликарбонатного пластика панели.

Это приводит к разнице линейных расширений

в 0,64 см при изменении температуры на

100°С — при прямом попадании солнечных лу-

чей летом и суровых климатических условиях

зимой. Для учета данных факторов, необходи-

мо было разделить пластиковую раму на две

части с расширительным соединением и доба-

вить 10% наполнителя, что привело бы к умень-

шению разницы линейных расширений между

стеклом и четырехфутовой пластиковой рамой

до 1/3 аналогичного показателя старой трехфу-

товой рамы.

Целью следующего этапа моделирования

было уменьшение толщины конструкции и изме-

нение конфигурации стенок и ребер рамы для

экономии материала, сокращения времени цик-

ла литья и, соответственно, затрат на произ-

водство. Номинальная толщина стенки трехфу-

товой панели составляла 0,53 см, толщина реб-

ра — 0,38 см, однако некоторые стенки были по

0.66 см, что существенно замедляло цикл литья.

Благодаря использованию ANSYS DesignSpace

удалось уменьшить толщину стенки на 0,22 см и

толщину ребра на 0,17 см, что составило 40% и

43%, соответственно. При этом максимальная

нагрузка на раму возросла на 33%, от 11,2 МПа

в трехфутовой раме до 15,75 МПа в четырехфу-

товой, а запас прочности рамы увеличился втрое

(до 63 МПа). Результаты расчетов показали, что

при изготовлении четырехфутовой рамы расхо-

дуется меньше материала, а время производс-

тва сокращается на треть.

Использование программного комплекса

ANSYS DesignSpace сыграло ключевую роль в

оптимизации конструкции панели, поскольку ин-

женеры получили возможность быстро и легко

выполнять тепловой расчет и анализ напряжен-

но-деформированного состояния конструкции.

Кроме этого, данный комплекс широко интегри-

рован с большинством CAD-пакетов, что обес-

печивает ассоциативность и удобный импорт

геометрических моделей различных форматов.

Таким образом, применение технологий ANSYS

позволяет найти оптимальное решение, соот-

ветствующее современным техническим нор-

мам и способствующее выполнению проекта в

максимально сжатые сроки.

* 1 фут = 0,3048 м

Ðàñïðåäåëåíèå íàïðÿæåíèé è äåôîðìàöèÿ îò íàãðóçêè ïðè õîäüáå ïî òðåõôóòîâîé ïàíåëè.

Äàæå ñ áîëåå òîíêèìè ñòåíêàìè è ðåáðàìè ðàìû, äåôîðìàöèÿ ðàìû è íàãðóçêà íà ñòåêëî ñíèæàþòñÿ. Îáùàÿ íàãðóçêà íà ïàíåëü óâåëè÷èëàñü êàê ïðè õîäüáå (ââåðõó), òàê è ïðè ñíåãîâûõ íàãðóçêàõ (âíèçó), îäíàêî çàïàñ ïðî÷íîñòè íå ïðåâûøåí.



12

Использование ANSYS

Multiphysics для

оптимизации конструкции

термоэлектрического

охладителя

Robin McCarty, Marlow Industries, Техас, США

Инженеры компании Marlow Industries

используют программный комплекс

ANSYS Multiphysics для анализа меха-

нической прочности и тепловых харак-

теристик новых термоэлектрических

охладителей.

В термоэлектрических охладителях (TEC) в

процессе охлаждения используются полупро-

водники в закрытом корпусе без подвижных

частей. Благодаря бесшумной работе и не-

большим размерам устройство широко исполь-

зуется для местного охлаждения электронных

компонентов в оборудовании, используемом в

аэрокосмической, оборонной, медицинской,

телекоммуникационной и других отраслях.

В экстремальных условиях, например, в спут-

никах и телескопах, TEC устанавливаются друг

на друга с целью достижения необходимых

температур с холодной стороны теплообмен-

ника. При традиционном расположении термо-

элементов (в форме пирамиды) набор элемен-

тов получается слишком высоким и часто воз-

никают проблемы с их размещением в ограни-

ченном пространстве.

Для решения данных проблем специалис-

ты Marlow Industries разработали проект ново-

Òåðìîýëåêòðè÷åñêèå îõëàäèòåëè àêòèâíî èñïîëüçóþòñÿ äëÿ êîíòðîëÿ òåïëîâûõ ïðîöåññîâ â òåëåñêîïàõ è äðóãèõ ïðèáîðàõ, ðàáîòàþùèõ â ýêñòðåìàëüíûõ óñëîâèÿõ îòêðûòîãî êîñìîñà. Ôîòîãðàôèÿ ëþáåçíî ïðåäîñòàâëåíà STScI è NASA.

Òåðìîýëåêòðè÷åñêèå îõëàäèòåëè (TEC) ðàáîòàþò êàê ìàëåíüêèå òåïëîâûå íàñîñû. Â ïðîöåññå îõëàæäåíèÿ èñïîëüçóþòñÿ ïîëóïðîâîäíèêè â çàêðûòîì êîðïóñå áåç ïîäâèæíûõ ÷àñòåé.

13


го плоского многоступенчатого TEC, разместив

термоэлементы параллельно, без нагроможде-

ния. В связи с кардинальными конструктивны-

ми изменениями, специалисты обратились к

программному комплексу ANSYS Multiphysics

для проведения в сжатые сроки анализа тер-

моэлектрических характеристик и термомеха-

нических напряжений в устройстве.

Компания Marlow Industries не случайно

выбрала программный комплекс ANSYS

Multi phy sics. Данный комплекс считается един-

ственным коммерческим пакетом для выпол-

нения расчетов методом конечных элементов с

возможностью моделирования трехмерных

термоэлектрических эффектов с заданной сте-

пенью точности. При использовании ПО ANSYS

можно проводить связанное термоэлектричес-

кое моделирование при расчете плотностей и

температур электрического тока TEC с учетом

джоулева нагрева и электротермического эф-

фекта Пельтье. Инженеры компании Marlow ис-

пользовали полученные при термоэлектричес-

ком анализе температурные данные для расче-

та статического НДС конструкции. Затем полу-

ченные результаты использовались для про-

гноза термических напряжений в термоэлект-

рических материалах с учетом разницы темпе-

ратур в корпусе TEC.

В результате термоэлектрического моде-

лирования планировалось получить распреде-

ление температур в устройстве. При создании

модели была задана постоянная температура

на нижней границе припоя, а в области холод-

ной керамической границы было задано гра-

ничное условие радиационного теплообмена.

Тепловая нагрузка (в процессе моделирования

рассматривалось охлаждаемое теплогенери-

рующее устройство) задавалась на холодной

стороне TEC, а на электрических зажимах про-

пускался постоянный ток для достижения тер-

моэлектрического охлаждения. В результате

моделирования были получены минимальная

температура холодной стороны, перепад напря-

жений и электрическое сопротивление TEC.

Полученное распределение температур в

корпусе TEC использовалось при его статичес-

ком температурном анализе.

Для имитации рабочих условий ТЕС при-

пой на горячей стороне устройства распола-

гался на нижней поверхности. Для сравнения

различных проектов TEC задавалось макси-

мальное основное напряжение, что особенно

актуально в случае использования хрупких ма-

териалов, таких как теллурид висмута.

Инженеры компании Marlow задавали

максимальное основное напряжение на термо-

элементе, и впоследствии корректировали рас-

четную сетку на данном участке для получения

полной сходимости. Используя график распре-

деления максимальных основных напряжений

в стандартном термоэлементе с наибольшей

величиной напряжения, команда инженеров

пришла к выводу, что максимальное напряже-

ние будет локализоваться на углах термоэле-

Â îòëè÷èå îò òðàäèöèîííûõ òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ îõëàäèòåëåé, â êîòîðûõ òåðìîýëåìåíòû ðàñïîëîæåíû â ôîðìå ïèðàìèäû (ââåðõó), â íîâîì óñòðîéñòâå, ðàçðàáîòàííîì èíæåíåðàìè êîìïàíèè Marlow (âíèçó), òåðìîýëåìåíòû ðàñïîëîæåíû ïàðàëëåëüíî. Íîâîå óñòðîéñòâî çíà÷èòåëüíî íèæå, à òàêæå õàðàêòåðèçóåòñÿ äðóãèì òåïëîâûì ïîòîêîì ÷åðåç êåðàìè÷åñêèé ìàòåðèàë (îòìå÷åíî ôèîëåòîâûìè ñòðåëêàìè).

Â ðåçóëüòàòå ìîäåëèðîâàíèÿ ïîëó÷åíî ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóð â óñòðîéñòâå. Ïîëó÷åííîå òåìïåðàòóðíîå ïîëå èñïîëüçóåòñÿ â äàëüíåéøåì ïðè ðàñ÷åòå ñòàòè÷åñêîãî ÍÄÑ TEC.



14


мента, что подтвердило более раннюю гипоте-

зу специалистов Marlow о причине поломок в

термоэлементах.

Инженеры компании Marlow также прове-

ли сравнение уровней механических напряже-

ний эквивалентных в термоэлектрическом пла-

не традиционного и нового устройств, каждое

из которых в свою очередь состояло из трех эк-

вивалентных ступеней. В модели рассматрива-

лись три различных по величине тока, и было

зафиксировано максимальное основное напря-

жение на наиболее высоконапряженном термо-

элементе.

Результаты исследования показали, что

уровни максимального основного напряжения

плоского устройства сопоставимы с аналогич-

ными показателями традиционных устройств.

Тепловые характеристики были почти эквива-

лентны. Соответствие между показателями на-

пряжений традиционного и нового устройств

убедило специалистов в целесообразности ис-

пользования плоского многоступенчатого уст-

ройства. Проведение подобных исследований

не было бы возможным без использования

программных средств ANSYS Multiphysics.

Как работает термоэлектрический охладитель?Работа термоэлектрического охладителя осно-

вывается на так называемом эффекта Пель-

тье, согласно которому охлаждение происхо-

дит, когда малый электрический ток проходит в

месте соединения двух разнородных термичес-

ких материалов: полупроводника р-типа с не-

достаточным количеством электронов в атомах

и полупроводника n-типа с избытком электро-

нов. Ток проходит по проводникам, соединен-

ным полупроводниками, между материалами

находятся керамические пластины.

Когда на термоэлементах n-типа задается

малое позитивное напряжение постоянного

тока, электроны переходят из материала p-

типа к материалу n-типа, и в связи с поглоще-

нием тепла температура на холодной стороне

падает. Поглощение тепла (охлаждение) зави-

сит от силы тока и количества термоэлементов.

Затем тепло передается горячей стороне охла-

дителя и рассеивается в окружающую среду.

Ïðî÷íîñòíîé àíàëèç ïîêàçàë, ÷òî ìàêñèìàëüíîå íàïðÿæåíèå áóäåò ëîêàëèçîâàòüñÿ íà óãëàõ òåðìîýëåìåíòà, ÷òî ïîäòâåðäèëî áîëåå ðàííþþ ãèïîòåçó ñïåöèàëèñòîâ Marlow î ïðè÷èíå ïîëîìîê â òåðìîýëåìåíòàõ.

Вопрос-ответ

Планирует ли компания ANSYS, Inc. выпустить новый продукт взамен снятого с продажи программного продукта BladeGen Plus?

В настоящее время компания ANSYS, Inc. пред-

лагает альтернативные решения под общим на-

званием Vista. Это семейство программных

продуктов для предварительной оценки харак-

теристик насосов и центробежных компрессо-

ров, которое ранее разрабатывалось компа-

нией PCA Engineers. В текущей версии эти про-

граммные продукты доступны непосредственно

через BladeGen: File→New→Vista Centrifugal

Compressor/Pump Design.

15



В последние годы все больше стран ин-

вестируют в разработку возобновляе-

мых источников энергии, в частности, в

развитие ветровой энергетики в шель-

фовых районах. Однако строительство

ветряных турбин в морской среде сопря-

жено с определенными техническими

трудностями. Например, при проектиро-

вании несущих конструкций ветровых

турбин, работающих в морской среде

(OWT), должна учитываться эксплуата-

ция на большой глубине. Кроме этого,

вследствие частых штормов, больших

волнений на море, воздействия соле-

ной воды и порывов ветра, турбины и их

несущие конструкции испытывают зна-

чительные перегрузки. Использование

методов компьютерного моделирования

позволяет проектировать сравнительно

недорогие и надежные ветровые тур-

бины, предназначенные для работы на

шельфе.

Многодисциплинарные

расчеты морской

ветроэнергетической

установкиFabian R. Vorpahl, Holger Huhn и Hans-Gerd Busmann, Fraunhofer Center for Wind Energy and

Maritime Engineering (CWMT), Германия

Stefan Kleinhansl, Aero Dynamik Consult GmbH, Германия

Êîíñòðóêöèÿ âåòðîâîé òóðáèíû è äåéñòâóþùèå íà íåå íàãðóçêè, êîòîðûå íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü â ïðîöåññå ìîäåëèðîâàíèÿ.

Áàëî÷íàÿ ìîäåëü íåñóùåé êîíñòðóêöèè òóðáèíû, ñîçäàííàÿ â ANSYS Mechanical (ñëåâà) è ADCoS (ñïðàâà).



16


Для определения усталости конструкций и про-

гноза срока службы необходимо провести де-

тальный анализ критических узлов турбины.

Конструкция OWT, в которую входят турбина и

опора, частично погружена в воду. Подводная

часть закреплена на дне с помощью свай. Для

получения более точных результатов необходи-

мо учесть целый ряд факторов, в частности,

ветровые нагрузки при турбулентных режимах

обтекания, систему контроля турбины, воздей-

ствие волновых нагрузок и течения, отклик не-

сущей конструкции, а также характеристики

грунта на глубине забивки свай.

Для выполнения комплексного моделирова-

ния OWT со всеми несущими конструкциями ин-

женеры Научно-исследовательского центра по

изучению ветровой энергии и морской инженерии

Фраунгофера (Fraunhofer Center for Wind Energy

and Maritime Engineering — CWMT) использовали

специализированный программный комплекс для

решения задач аэроупругости — ADCoS. С помо-

щью этого программного продукта инженеры

CWMT определили влияние окружающей среды

(действие ветра, структура и тип волны, волнение

моря и поведение океанических течений) и кон-

структивного взаимодействия грунт-свая на функ-

циональные возможности OWT.

Программное обеспечение ADCoS разра-

батывается компанией Aero Dynamic Consult

Ingenieurgesellschaft, и используется при проек-

тировании OWT для изучения действующих на

нее нагрузок и получения конечных динамичес-

ких характеристик. Следует отметить, что под-

робная информация обо всех источниках нагру-

зок и их взаимодействии существенно повы-

шают надежность и экономичность ветровых

турбин, предназначенных для работы на шель-

фе морей.

Для определения реакции опорного основа-

ния турбины на волновые нагрузки инженеры

CWMT создали конечноэлементную модель всей

опоры. В частности, для создания балочной мо-

дели несущих конструкций использовалось про-

граммное обеспечение ANSYS Mechanical. Затем

с помощью специального интерфейса ANSYS-to-

ASAS инженеры CWMT перенесли модель в

ANSYS ASAS.

Инженеры CWMT использовали програм-

мный продукт ASAS-WAVE для расчета влияния

волновых нагрузок на несущую конструкцию.

С помощью ASAS-WAVE учитывались линейные

и нелинейные нагрузки, а также состояния не-

регулярного волнения. Нагрузки были рассчита-

ны с использованием уравнения Морисона, а за-

Ìîäåëèðîâàíèå âîëíîâûõ íàãðóçîê â ANSYS ASAS.

17


тем сохранены как эквивалентные узловые на-

грузки в текстовый файл.

Впоследствии, по рекомендации Амери-

канского института нефтепродуктов (American

Petroleum Institute), было произведено нелиней-

ное моделирование с использованием P–Y ме-

тодики, реализованной в расчетном модуле

ASAS — SPLINTER, который предназначен для

исследования взаимодействия грунт-опора.

С помощью модуля SPLINTER производилось

моделирование, как одиночных свай, так и

группы свай с учетом эффектов взаимодейст-

вия материала грунта. Результаты моделирова-

ния использовались при создании матриц жест-

кости для каждой сваи. Специалисты CWMT

использовали полученные матрицы в сочета-

нии с нагрузками, определенными ранее в

ANSYS ASAS.

Конечное моделирование аэрогидроупру-

гости было выполнено инженерами CWMT в

программном комплексе ADCoS. При этом ис-

пользовались данные из модели ANSYS

Mechanical, с учетом матрицы жесткости, полу-

ченной в ASAS-SPLINTER и волновых нагрузок

из ASAS-WAVE. Моделирование несущей кон-

струкции, расчет волновых нагрузок и оценка

взаимодействия грунт-свая выполнялись с ис-

пользованием одного командного файла в па-

кетном режиме.

В процессе всего исследования инжене-

ры CWMT использовали программные комп-

лексы ANSYS Mechanical для создания конеч-

ноэлементной модели конструкции и ANSYS

ASAS Offshore — для определения гидродина-

мических нагрузок и характеристик грунта.

Адаптивная архитектура указанных програм-

мных комплексов позволила им успешно взаи-

модействовать с ADCoS. В результате инжене-

ры CWMT получили историю нагружения и ха-

рактеристики усталостной прочности. Специа-

листы CWMT смогли оптимизировать конструк-

цию ответственных деталей турбин. Это позво-

лит в будущем сделать работу ветровых элект-

ростанций в морской среде более надежной и

экономичной.

Статья подготовлена к публикации

Михаилом Лариным

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1. Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W. and Scott, G.,

«Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development,» NREL/TP-500-38060, Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory, February 2007.

2. Kleinhansl, S., Mayer, M. and Mangold, A. «ADCoS — A Nonlinear Aeroelastic Code for the Complete Dynamic Simulation of Offshore-Structures and Lattice-Towers», DEWEK — Proceedings, 2004.

3. Vorpahl, F., Huhn, H., Busmann, H.-G. and Kleinhansl, S., «A Flexible Aeroelastic Simulation Approach for Offshore Wind Turbines,» European Offshore Wind Proceedings, 2007, www.eow2007proceedings.info/allfiles2/272_Eow2007fullpaper.pdf (11.06.08).

4. Jonkman, J., Butterfield, S., Passon, P., Larsen, T., Camp, T., Nichols, J., Azcona, J. and Martinez, A., «Offshore Code Comparison Collaboration within IEA Wind Annex XXIII: Phase II Results Regarding Monopile Foundation Modeling,» European Offshore Wind Proceedings, 2007, www.eow2007proceedings.info/allfiles2/206_Eow2007fullpaper.pdf (11.06.08).

5. Nichols, J., Camp, T., Jonkman, J., Butterfield, S., Larsen, T., Hansen, A.M., Azcona, J., Martinez, A., Munduate, X and Vorpahl, F., «Offshore Code Comparison Collaboration within IEA Wind Annex XXIII: Phase III Results Regarding Tripod Support Structure Modeling» (to be published).

6. http://www.cwmt.fraunhofer.de.7. http://www.aero-dynamik.de.

Áëîê-ñõåìà ïðîöåññà ìîäåëèðîâàíèÿ àýðîãèäðîóïðóãîñòè ñ èñïîëüçîâàíèåì ANSYS è ADCoS.

Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ.



18

Объекты строительного проектирования

в Москве и других крупных городах и ме-

гаполисах с каждым годом становятся

все более сложными с конструктивной

точки зрения. Особенно остро стоит за-

дача решения транспортной проблемы:

реконструкция существующих дорог и

мостов, строительство новых магистра-

лей, автомобильных путепроводов и раз-

вязок. В связи с этим, необходимо дать

специалистам-мостовикам инструмент

для проектирования и расчета пролетных

строений с целью уменьшения времени на

разработку и расчет, и увеличения техно-

логичности проводимых работ. В статье

рассмотрен один из модулей програм-

много комплекса CivilFEM with ANSYS

11.0 для проектирования и расчета мос-

товых пролетных строений — Bridge and

Civil Non-Linearities, а также пример его

практического применения совместно со

специалистами института МосИнжПроект

(г. Москва) для поверочного расчета кри-

волинейного предварительно напряжён-

ного пролётного строения автодорожной

эстакады.

Программный комплекс CivilFEM with ANSYS

11.0 позволяет выполнять весь спектр строи-

тельных задач, стоящих перед современными

проектировщиками — от расчета сложных про-

странственных надземных конструкций до ре-

шения геотехнических задач, таких как расчет

крепления котлованов, различных фундаментов,

устойчивости склонов и откосов, фильтрацион-

ные расчеты и пр.

По существу, CivilFEM with ANSYS 11.0 —

это не только строительная механика сложных

конструкций, но и вся вычислительная мощность

классического ANSYS. Приведенные в настоя-

щей статье расчеты были выполнены специа-

листами ЗАО «ЕМТ Р» и МосИнжПроект в рам-

ках совместных проектов НИОКР, а также адап-

тации расчетных процедур CivilFEM with ANSYS

11.0 к нормам проектирования и условиям РФ.

Новые возможности комплекса CivilFEM with ANSYS 11.0Перед тем, как приступить к рассмотрению мо-

дуля проектирования и расчета пролетных строе-

ний, необходимо осветить возможности послед-

ней версии программного комплекса для более

полного понимания всех особенностей данного

инженерного инструмента.

В программном комплексе CivilFEM with

ANSYS 11.0 реализованы следующие возмож-

ности, ранее недоступные в предыдущих вер-

сиях программы:

3D-препроцессор;

поддержка 64-битной архитектуры Windows

x64, благодаря которой появляется воз-

можность адресовать оперативную память

свыше 2 Гб и обеспечивается заметное

увеличение производительности;

преимущества платформы Dual Core;

новые возможности для продольного про-

цесса конструирования;

сейсмический анализ;

международные коды (стандарты) для ар-

мированного бетона;

новые коды проверки оболочек;

создание шаблонов и групп;

анализ гиперстатических преднапряжен-

ных конструкций (проверка на сдвиг и кру-

чение);

расчет потерь при заливке бетона;

использование микросвай;

импорт в форматах LiDAR и DXF;

построение шаблонов типовых конструк-

ций;

утилиты для моделирования процессов

строительства, а также автоматическая ге-

••

••

••

•••

••••

•

Программный комплекс

CivilFEM with ANSYS 11.0.

Обзор возможностей модуля

проектирования и расчета

мостовых пролетных конструкций.

Юрий Кабанов, ведущий инженер, ЗАО «ЕМТ Р»

19


нерация процессов рождения и смерти эле-

ментов;

новый мастер проектирования тоннелей

(см. рис. 1);

новые алгоритмы обработки отклика на

сейсмические нагрузки;

новые стандарты (AASHTO, CALTRANS,

Seismic Design Criteria, French code PS92,

Greek Code EAK2000, Indian Code IS 1856,

Uniform Building Code 1997).

Модуль проектирования и расчета пролетных строенийBridge and Civil Non-Linearities

Данный модуль включает в себя все необходи-

мые инструменты, облегчающие и улучшающие

процесс проектирования и анализа мостовых

пролетных строений.

Основные возможности:

определение основных поперечных сече-

ний мостовых пролетов;

генерация плоских и трехмерных моделей

мостов;

автоматическая генерация конечно-эле-

ментной модели;

генератор локальных и поверхностных на-

грузок;

задание предварительно напряженных

элементов конструкции;

комбинирование шагов нагружения в тече-

ние расчета;

учет ползучести и упругих деформаций бе-

тона;

визуализация процесса строительства.

Кроме этого, модуль содержит мастера

подготовки моделей следующих конструкций:

опорные мосты (Supported Bridges);

подвесные мосты (Suspension Bridges);

арочные мосты (Arch Bridges);

вантовые мосты (Cable-Stayed Bridges).

Основное назначение модуля:

расчет армированных и предварительно

нагруженных бетонных сплошных (плита) и

коробчатых мостов (рис. 2-3);

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

−

••••

•

генерация вариантов нагружения для про-

ектируемых мостов.

Программный комплекс CivilFEM with

ANSYS 11.0 создает модель моста, используя

следующие типы конечных элементов из библи-

отеки ANSYS (см. таблицу):

Solid 3D SOLID45, SOLID95, SURF154

Beam BEAM44

Mesh only element MESH200

Ýëåìåíòû, ïîääåðæèâàþùèå ãåíåðàöèþ íàãðóçîê

3D Solid Model SURF154

Beam Model BEAM3, BEAM4, BEAM44, BEAM54

Другие типы элементов не применяются в

CivilFEM with ANSYS 11.0 для создания моделей

мостов, однако могут быть взяты из стандарт-

ной библиотеки элементов ANSYS при после-

дующих расчетах.

•

Ðèñ. 1. Ìàñòåð ïðîåêòèðîâàíèÿ òîííåëåé.

Ðèñ. 2. Ñïëîøíîå ñå÷åíèå ìîñòà.

Ðèñ. 3. Êîðîá÷àòîå ñå÷åíèå ìîñòà.



20


Ðèñ. 4. Áåòîííûé ïîäâåñíîé ìîñò. Øàáëîí.

Ðèñ. 5. Ñòàëüíîé ïîäâåñíîé ìîñò. Øàáëîí.

Ðèñ. 6. Òèïîâîé áåòîííûé ïîäâåñíîé ìîñò. Ðåçóëüòàò ìîäåëèðîâàíèÿ.

Ðèñ. 7. Áåòîííûé âàíòîâûé ìîñò. Øàáëîí.

Ðèñ. 8. Áåòîííûé âàíòîâûé ìîñò. Ðåçóëüòàò ìîäåëèðîâàíèÿ.

Ðèñ. 9. Áåòîííûé àðî÷íûé ìîñò. Øàáëîí.

Ðèñ. 10. Áåòîííûé àðî÷íûé ìîñò. Ðåçóëüòàò ìîäåëèðîâàíèÿ.

Ðèñ. 11. Ïðåäñòàâëåíèå íàãðóçîê ïðè ðàñ÷åòå.

21


Общий порядок выполнения типового анализа мостового пролетного строения в ANSYS1. Создание геометрии расчетной модели.

1.1 Определение геометрических характери-

стик поперечных сечений.

1.2 Определение внешнего вида моста (плос-

кое или трехмерное изображение).

2. Автоматическая генерация твердотельной

и конечно-элементной модели моста.

3. Генерация варианта нагружения.

4. Расчет отдельных шагов нагрузки (Load

Steps).

5. Расчет комбинации шагов нагрузки.

6. Проверка армирования модели и расчет

потерь предварительного нагружения.

Шаблоны создания типовых мостовых пролетных строенийГенераторы мостов осуществляют создание

трехмерных моделей следующих видов:

Бетонные подвесные мосты (Concrete Sus-

pen sion Bridges).

Стальные подвесные мосты (Steel Suspen-

sion Bridges).

Мосты со смешанными типами поперечных

сечений:

Сплошное бетонное сечение+стальные

балки типа «Двутавр».

Сплошное бетонное сечение+стальные

ферменные конструкции.

Усиленные мосты (Supported Bridges):

Бетонные (+поперечные сечения, создан-

ные в CivilFEM).

Стальные (+трехмерные шаблоны сечений

из стали).

Типовые (с широко известными попереч-

ными сечениями).

Вантовые мосты (Cable Stayed Bridges).

Арочные мосты (Arch bridges):

Балочная модель.

Оболочечная модель.

Для генерации модели мостового пролетного

строения, необходимо задать исходные данные:

материалы, типы элементов, вещественные по-

стоянные, свойства балок и оболочек, мостовые

пролеты или характеристики поперечных сече-

ний моста.

Основные шаблоны создания типовых

конструкций мостовых пролетных строений и ре-

зультаты их работы, приведены на рис. 4-10.

Задание нагрузок на мостовые пролетные строенияВ процессе анализа конструкции мостов, гене-

рируется большое количество шагов нагрузок и

их комбинаций. Типы нагрузок:

Подвижные (транспорт, пешеходы и др.).

•

•

•

−

−

•−

−

−

••

−−

•

Поверхностные нагрузки (прочностные, от

транспорта, снег и др.).

Предварительные нагрузки в любом на-

правлении.

Собственный вес.

Нагрузки входят в LoadStates (LS), которые за-

тем группируются в семейства и позже — в ком-

бинации (рис. 11).

Редактор транспортных нагрузок позво-

ляет создавать новые виды нагрузок, импорти-

ровать из библиотеки, редактировать, копиро-

вать, удалять и просматривать список нагрузок

(рис. 12).

Расчет потерь предварительного напряженияДля предварительно напряженных мостовых

пролетных строений 11-я версия CivilFEM with

ANSYS позволяет учитывать термическое рас-

ширение при анализе тепловых явлений. Кроме

этого, ведется учет упругих деформаций бетона,

длительных и мгновенных потерь, подробнее о

которых будет рассказано во второй части дан-

ной статьи. Таким образом, данный модуль

обеспечивает решение довольно сложных стро-

ительных задач.

•

•

•

Ðèñ. 12. Ãåíåðàöèÿ ïîäâèæíûõ íàãðóçîê.

Ðèñ. 13. Ðàñ÷åò ïðåäâàðèòåëüíî íàãðóæåííîé êîíñòðóêöèè.



22

Правила техники ядерной безопасности

призваны защищать население и окру-

жающую среду от радиационного загряз-

нения, возможного при производстве

и использовании ядерной энергии. Со-

трудники Корейского института ядерной

безопасности (Korea Institute of Nuclear

Safety — KINS) занимаются разработкой

и внедрением программ по ядерной безо-

пасности, в том числе обследованием бе-

зопасности, разработкой регулятивных

норм и контролем радиоактивности ок-

ружающей среды на территории Южной

Кореи. Однако для поддержания и улуч-

шения уровня радиационной безопасно-

сти необходимо постоянное внедрение

инновационных технологий.

Вопрос ядерной безопасности особенно актуа-

лен в свете того, что компоненты в системах

ядерных реакторов во время работы испыты-

вают огромные нагрузки, которые могут приве-

сти к отказу оборудования. С помощью техноло-

гий FSI (Fluid-Structure Interaction) определяются

условия, при которых может случиться отказ

компонента. В частности, применяя FSI, можно

использовать результаты моделирования гидро-

динамики с конвективным теплообменом как на-

грузки при расчете напряженно-деформирован-

ного состояния. Ранее из-за ограниченных воз-

можностей программного обеспечения и аппа-

ратных ресурсов расчет гидродинамики и напря-

женно-деформированного состояния проводил-

ся отдельно. Однако последние достижения в

этих областях позволяли унифицировать про-

цесс моделирования, объединив суммарные эф-

фекты взаимосвязанных физических явлений.

В данном проекте специалисты KINS про-

водили совместный теплогидравлический ана-

лиз и расчет напряженно-деформированного

состояния трубы с двумя отводами. Исследова-

лись нестационарный нагрев и охлаждение

входной трубы контура реактора, по которой

теплоноситель первого контура реактора попа-

дает в пространство между тепловыделяющими

сборками в тяжеловодном водо-водяном ядер-

ном реакторе (CANDU). Полученные результаты

использовались при последующем анализе ре-

сурса трубы.

Для создания конечноэлементной модели

исследователи использовали программный ком-

плекс ANSYS Mechanical. При расчете прочнос-

ти конструкции одновременно учитывались дав-

ление и температура при создании нормально

действующих нагрузок. Общее время нагрева и

охлаждения составило 180 секунд. Задав внут-

реннее давление 10 МПа, специалисты KINS вы-

яснили, что максимальный уровень суммарного

напряжения и интенсивности напряжений прихо-

дились на внутреннюю поверхность первого и

второго отвода трубы. Кроме того, оказалось,

что изменение значений по периметру трубы в


ANSYS Workbench

упрощают расчеты с FSI

Myung Jo Jhung,

руководитель научно-исследовательской группы,

Korea Institute of Nuclear Safety, Тэджон, Южная Корея

Ìîäåëü òðóáû â ANSYS CFX: âíåøíÿÿ ïîâåðõíîñòü (ñëåâà), âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü (ñïðàâà).

23


радиусе внутренней поверхности превышало

аналогичный показатель на наружной поверх-

ности.

Для моделирования гидродинамики тяже-

ловодного теплоносителя и получения распре-

деления температур внутри стальной трубы ис-

Òåìïåðàòóðíûå äàííûå â öèêëàõ íàãðåâà è îõëàæäåíèÿ òðóáû.

Ïðîãíîçû ñóììàðíîãî íàïðÿæåíèÿ (ââåðõó) è èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé (âíèçó) â ðåçóëüòàòå àíàëèçà ÍÄÑ ïðè ïîñòîÿííîì âíóòðåííåì äàâëåíèè 10 ÌÏà. Ìàêñèìàëüíûé óðîâåíü ñóììàðíîãî íàïðÿæåíèÿ è èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé íàáëþäàëñÿ âî âíóòðåííåé ÷àñòè êàæäîãî îòâîäà òðóáû.

Èçìåíåíèå íàïðÿæåíèé ïî ïåðèìåòðó òðóáû äëÿ âíóòðåííåãî äàâëåíèÿ.

Èçìåíåíèå íàïðÿæåíèé ïî ïåðèìåòðó òðóáû äëÿ âíóòðåííåãî äàâëåíèÿ. Âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü íà ðèñóíêå ââåðõó, à âíåøíÿÿ ïîâåðõíîñòü — âíèçó.



24


пользовался программный комплекс ANSYS

CFX. Инженеры задали начальные условия как

в неподвижной среде, температура жидкости

внутри трубы и температура самой трубы со-

ставляла 20°С. Когда тяжелая вода пропуска-

лась по трубе, температура трубы увеличива-

лась вследствие теплообмена между трубой и

жидкостью. Опорное давление было задано

постоянным и равным 10 МПа. В процессе мо-

делирования с изменением температуры тяже-

лой воды и трубы изменялись свойства мате-

риала.

Результаты, полученные при моделирова-

нии гидродинамики, использовались при после-

дующем структурном моделировании. Инжене-

ры KINS смоделировали задачи изменения сум-

марного напряжения при нагреве (30 секунд) и

охлаждении (100 секунд). Проанализировав ре-

зультаты и сравнив фазы нагрева и охлаждения,

они выяснили, что наибольшее осевое и кольце-

вое напряжения фиксировались на наружной

поверхности при нагреве и на внутренней поверх-

ности при охлаждении. Максимальные темпера-

турные напряжения были выявлены на внутрен-

ней поверхности отвода трубы.

Наибольшие значения температурных на-

пряжений, зафиксированные при охлаждении,

использовались для определения максимально-

го суммарного напряжения, которое составило

около 19 МПа. Согласно кривой усталости для

углеродистой стали [1], срок действия увеличи-

вается более чем на 106 циклов, что значитель-

но превышает ожидаемый период эксплуатации

входной трубы контура.

Таким образом, исследователи KINS при-

шли к выводу, что при подобном рабочем сцена-

рии суммарный коэффициент использования

почти равен бесконечности, и температурная

уста лость трубы, вызванная нагревом и охлаж-

дением в течение указанного времени, имеет

второстепенное значение.

С помощью программного обеспечения

ANSYS специалисты KINS успешно провели сов-

местный теплогидравлический анализ и расчет

напряженно-деформированного состояния вход-

ной трубы контура тяжеловодного водо-водяно-

го ядерного реактора (CANDU). Благодаря объ-

единению суммарных эффектов взаимосвязан-

ных физических явлений также снизились фи-

нансовые и временные затраты на моделирова-

ние двух отдельных процессов. Кроме этого,

данный подход обеспечил возможность полу-

чить более реалистичную картину поведения

компонентов системы при указанном режиме

работы.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. ASME, ASME Boiler and Pressure Vessel Code,

Section III, Appendix I, The American Society of Mechanical Engineers, 2004.

Ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóð â òðóáå ïðè íàãðåâå è îõëàæäåíèè (ñëåâà íàïðàâî): 10, 30, 70, 100, 130 ñåêóíä. Ñèíèì öâåòîì ïîêàçàíû íèçêèå òåìïåðàòóðû, êðàñíûì öâåòîì — âûñîêèå òåìïåðàòóðû.

25



Данная работа посвящена описанию тех-

нологии оценки характеристик котлов

на пылеугольном топливе с использова-

нием методов вычислительной гидроди-

намики (CFD). В статье рассматриваются

основные этапы моделирования процес-

сов горения в топках энергетических кот-

лов, проводится сравнение результатов

натурных измерений и численного экс-

перимента, анализируются основные ог-

раничения и преимущества использова-

ния CFD-технологий при решении произ-

водственных задач. Исследуются струк-

тура течения и процессы горения в котле

высокого давления мощностью 120 МВт

с естественной циркуляцией. Кроме это-

го приводятся результаты оптимизации

конструкции одиночной горелки с целью

улучшения ее экологических характе-

ристик.

ВведениеВ топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) Рос-

сии в настоящее время доля угля составляет

примерно 10-12%. В перспективе доля угля в

ТЭБ будет повышаться, и спрос на уголь в Рос-

сии в связи с изменением структуры запасов ос-

новных энергоносителей будет возрастать.

С другой стороны, с каждым годом увеличи-

вается конкуренция со стороны альтернативных

возобновляемых источников энергии. В связи с

этим актуальными являются вопросы совер-

шенствования технологий сжигания и газифика-

ции твердого топлива (угля), разработки и ис-

следования методов сокращения выбросов ок-

сидов азота и углекислого газа в атмосферу,

а также исследование эффективных теплооб-

менных поверхностей.

Анализ отечественной и зарубежной ли-

тературы показал, что в последние десятиле-

тия во всем мире, а в России несколько позд-

нее, резко возрос интерес к применению CFD-

технологий для разработки эффективных ме-

тодов подготовки и сжигания твердого топлива

при минимальных выбросах вредных веществ.

При этом разрабатываемые математические

модели процессов в топках энергетических

котлов включают моделирование непосред-

ственно горения частиц твердого топлива, про-

цессов конвективного и радиационного тепло-

массопереноса в реагирующей среде и общей

структуры турбулентного течения в топочной

камере.

Результатами численного моделирования

являются поля температур и давления, концен-

трации топлива, окислителя и продуктов реак-

ции (CO, CO2, O2, NOx и т.д.), а также коэффи-

циенты конвективной теплоотдачи от горячих

продуктов сгорания к стенкам топочной каме-

ры, и конвективные и лучистые тепловые по-

токи.

Описание расчетной моделиПроведено численное моделирование аэроди-

намических процессов в 120 МВт котле с ес-

тественной тягой с учетом химических реак-

ций. Расчетная область представляет собой

топочную камеру с 12-ю горелками, установ-

ленными в один ряд на двух противоположных

плитах. Основным топливом является низкоре-

акционный полужирный (суббитуминозный)

уголь, состав и свойства которого представле-

Моделирование

процессов горения,

тепло и массообмена

в топках котлов

на пылевидном топливе

Денис Хитрых, ведущий инженер, ЗАО «ЕМТ Р»



26


ны в таблице 1. Этот уголь смешан с высокока-

чественным битуминозным углем в весовом

соотношении 4:1. Котел имеет следующие га-

бариты: 42×24×15 м. Диаметр горелок состав-

ляет 1 м.

Расчеты были выполнены на двух различ-

ных сетках. В первом случае задача решалась в

симметричной постановке (для 1/2 модели), во

втором случае была построена регулярная

структурированная сетка для полной модели

котла. Размерность базовой сетки составила

~210000 элементов. Вокруг отверстий, имитирую-

щих горелки, использовалась сетка типа «O»-

grid. Фрагменты расчетной сетки показаны на

рис. 1.

В настоящем исследовании моделирова-

лись следующие процессы и явления: турбулен-

тность в реагирующей среде, горение угля, дви-

жение частиц твёрдого топлива и лучистый теп-

лообмен. Моделирование газовой фазы (лету-

чие, кислород) проводилось в приближении Эй-

лера, а расчет траекторий движения твердых

частиц угля был выполнен в Лагранжевой поста-

новке. Использовалась RNG k-ε модель турбу-

лентности, хорошо зарекомендовавшая себя в

задачах с сильной кривизной линий тока. Дан-

ная модель справедлива для полностью разви-

того турбулентного течения, т.е. для высоких

чисел Рейнольдса, когда прямое влияние вяз-

кости на структуру турбулентности пренебрежи-

мо мало.

Òàáëèöà 1. Ñîñòàâ è ñâîéñòâà óãëÿ, èñïîëüçóåìîãî â êà÷åñòâå òîïëèâà

Âëàæíîñòü 21.3%

×èñòûé óãëåðîä 28.7%

Çîëà 21.1%

Ëåòó÷èå âåùåñòâà 29.4%

Ñåðà 6.0%

(ÌÄæ/êã) 18112

Горения угля можно рассматривать как два

последовательных процесса. Первая стадия —

гомогенная, так как реагирующие с кислородом

газофазные продукты (летучие) находятся в од-

ной фазе. На этой стадии тепло, поступающее к

твердой частице угля от окружающих топочных

газов, повышает ее температуру, и начинается

выделение значительного количества газофаз-

ных продуктов. Основные процессы, которые

при этом происходят (испарение, диффузия в

газовую фазу и горение), аналогичны процес-

сам, происходящим при горении капли жидкос-

ти. Затем начинается реакция окисления оста-

точных фракций твёрдого топлива (кокс). Это

гетерогенный процесс, так как реагенты нахо-

дятся в разных фазах. Гетерогенные реакции

намного медленнее гомогенных, поэтому боль-

шая часть времени сгорания частицы угля при-

ходится на выгорание твердого углерода, содер-

жащегося в коксе.

Моделирование горения летучих соедине-

ний требует предварительной оценки количест-

ва вещества, перешедшего в газовую фазу. Для

моделирования этого процесса используется

модель Badzioch и Hawksley [1]. В этой модели

скорость образования летучих компонентов под-

чиняется кинетическому уравнению первого по-

рядка и предполагается экспоненциальная тем-

пературная зависимость скорости реакции (з-н

Аррениуса).

Для моделирования горения летучих со-

единений применялась модель EDM (см., напри-

мер, Warnatz [2]), в основе которой лежит пред-

положение о том, что химические реакции очень

быстро переводят реагирующую смесь в равно-

весное состояние, т.е. скорость горения лими-

тируется временем смешения топлива и окис-

лителя.

Если предположить, что все компоненты

реагирующей смеси смешиваются одинаково,

то можно следить за изменениями только од-

ной скалярной переменной, называемой пере-

менной смешения. Вычисляя эту величину,

можно определить соотношения компонентов в

смеси.

Таким образом, все скалярные перемен-

ные (температура, массовые концентрации и

др.) являются известными функциями только од-

ной переменной смешения, что значительно уп-

рощает процесс расчета.

Если известна функция плотности вероят-

ности для переменной смешения, можно вычис-

лить средние значения скалярных величин.

Следующий процесс, который необходи-

мо моделировать, — это окисление углерода,

который в большом количестве содержится в

коксе. Это наиболее медленный процесс при

горении частицы в топочной камере. При отно-

Ðèñ. 1 (à-á). Ôðàãìåíòû «ãðóáîé» ðàñ÷åòíîé ñåòêè (~130 òûñ. ýëåìåíòîâ).

27


сительно низкой температуре (<1000°C) ско-

рость горения в целом определяется кинетикой

химической реакции на поверхности частицы.

Однако при повышении температуры скорость

химической реакции становится настолько зна-

чительной, что процесс горения уже лимитиру-

ется скоростью подвода (диффузии) окислите-

ля к поверхности. То есть скорость горения при

указанных условиях зависит от структуры те-

чения в камере (относительной скорости пото-

ка) и размера (площади поверхности) твердых

частиц.

В данной работе для моделирования ука-

занного процесса использовалась модель, пред-

ложенная Field [3] и реализованная в текущей

версии ANSYS CFX.

Кроме этого, при моделировании процес-

сов горения в топочной камере котла также не-

обходимо рассчитывать траектории движения

твердых частиц угля с учетом обратного влияния

дискретной фазы на основной поток. Весь спектр

частиц топлива разбивался на N-ое число групп.

При этом вводилось допущение, что поведение

каждой отдельной группы частиц может быть

описано поведением одной частицей-маркером.

Таким образом, в данной работе отслеживались

траектории движения порядка 7000 частиц-мар-

керов. Для описания распределения пылеуголь-

ных частиц по размерам использовалось рас-

пределение Розина-Раммлера [4], которое хоро-

шо отражает действительное распределение

частиц по размерам.

И, наконец, в топках котлов при горении

образуются излучающие вещества, при этом

значительная доля общего теплосъема прихо-

дится на стенки топочной камеры. Лучистый

теплообмен в топке представлен в рамках ме-

тода дискретного переноса, который показы-

вает хорошие результаты применения к пыле-

угольным топкам.

Во время процесса выхода летучих моле-

кулы, содержащие азот, расщепляются, и обра-

зуются радикалы, такие как CN, HCN, NH2. Они

обладают более высокой реакционной способ-

ностью, чем молекулярный азот воздуха. Поэто-

му они вносят более значительный вклад в об-

щую массу образующихся оксидов азота, чем

N2. Эта часть выбросов NOx называется «тер-

мической», так как она образуется при очень

высокой температуре, порядка 1700-1800°C.

Для моделирования образования оксидов

азота в топке котла при горении пылеугольного

топлива использовалась модель Зельдовича в

сочетании с моделью Фенимора («быстрые»

NO) [2].

Граничные условияНа входе задавалась степень турбулентности

потока, равная 0,07. А масштаб турбулентности,

который определяется геометрией исследуемой

области, был принят равным диаметру горелки.

Смесь подается равномерно по всем 12 горел-

кам со скоростью 5 м/с в каждой горелке при Ðèñ. 2. Îáùàÿ ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ â òîïî÷íîé êàìåðå.

Ðèñ. 3. Ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû â òîïêå 120 ÌÂò êîòëà.



28


температуре 87°С. В качестве окислителя пода-

ется обычный воздух. На стенках топки задава-

лось условие прилипания, а также степень ше-

роховатости поверхности и степень черноты по-

верхности. В качестве критерия сходимости

было выбрано среднеквадратичное отклонение

значений (root mean square — RSM), равное

1×10-5.

Результаты расчетаВыполненное моделирование показало, что на

организацию процессов горения в топке котла

значительное влияние оказывают условия пода-

чи топливовоздушной смеси в топку. Глубина

пережима в верхней части котла (так называе-

мый аэродинамический выступ) является доста-

точной для формирования мощной рециркуля-

ционной зоны, которая способствует возврату

продуктов сгорания в область горения. Внизу

котла поток организуется таким образом, что

частицы золы осаждаются на дно камеры под

горелочными устройствами (см. рис. 2). Распре-

деление температуры внутри топки показано на

рис. 3. Максимальная температура в зоне горе-

ния не превышает 1680°С.

Кроме этого нами были выполнены работы

по оптимизации конструкции и рабочих характе-

ристик одиночной горелки для котла, модерни-

зируемого по технологии низкоэмиссионного

сжигания топлива.

Полученные в работе результаты числен-

ного моделирования многофазных потоков в

котле показали преимущества выбранного под-

хода к проектированию, а также позволили

объяснить положительный эффект модерниза-

ции существующей конструкции котла. Некото-

рые результаты моделирования показаны на

рис. 5-6.

Дополнительную информацию вы можете

получить, отправив запрос автору статьи по ад-

ресу [email protected]

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. Badzioch S., Hawksley P., Kinetics of thermal

decomposition of pulverized coal partickes, Industrial Eng Process Design and Development, 9. pp. 521 ss., 1970.

2. Warnatz J., Maas U., Dibble R, Combustion, Springer, 1996.

3. Field M., Hawksley P., Combustion of pulverized coal, BCURA, 1967.

4. P. Rosin and E. Rammler, The Laws Governing the Fineness of Powdered Coal, Inst. Fuel, vol. 7, no. 31, pp. 29-36, 1933.

Ðèñ. 4. Ðàñïðåäåëåíèå ìàññîâîé êîíöåíòðàöèè NO â ïðîäîëüíîì ñå÷åíèè òîïêè.

Ðèñ. 5. Ñòðóêòóðà çàêðó÷åííîãî ïîòîêà íà âûõîäå èç ãîðåëêè è ðàñïðåäåëåíèå ìàññîâîé êîíöåíòðàöèè NO.

Ðèñ. 6. Ïîëå òåìïåðàòóð îäèíî÷íîé ãîðåëêè.

29




Современные CFD-комплексы обладают

развитыми средствами (математически-

ми моделями) для исследования сложных

процессов, протекающих в устройствах

для сжигания, а так же для оценки пожар-

ной безопасности промышленных объек-

тов и последствий разнообразных аварий-

ных ситуаций. В этой статье мы опишем

ряд производственных задач из области

промышленной безопасности, которые

были решены нами с использованием тех-

нологий компьютерного моделирования.

Анализ пожара на станции метрополитенаДля начала рассмотрим пример численного мо-

делирования пожара на станции Московского

метрополитена. В последние десятилетия во

всем мире резко возросло число случаев возго-

рания подвижного состава метрополитена. На-

пример, можно вспомнить пожар на станции

метро в г. Тэгу (Южная Корея) в феврале 2003

года, в результате которого по официальным

данным погибло 52 человека, 155 пропали без

вести и 138 были госпитализированы. В момент

возгорания на станции пассажиров находилось

около 400 человек.

Использование средств численного моде-

лирования при анализе рисков возникновения

пожара и моделировании последствий подоб-

ных аварийных ситуаций является перспектив-

ным методом разработки эффективных и рацио-

нальных мер предотвращения подобных траги-

ческих случаев.

Кроме этого, CFD-технологии, могут ока-

заться полезными и при разработке устройств

(систем) обнаружения дыма, различных систем

пожаротушения и пр.

Геометрия исследуемой области показана

на рис. 1а. Задача решалась в нестационарной

постановке, процесс развития пожара на станции

отслеживался в течение 480 сек. Область возго-

рания (вагон) была разбита на три отдельные

зоны и моделировалась соответствующими объ-

емными источниками тепла. Кроме этого, одной

из целей моделирования было исследование

возможных путей распространения дыма по плат-

форменным залам станции во время пожара. Как

известно, «дым» в основном состоит из углерода

(90-96%) и смеси соединений, включающих водо-

род и кислород. Поэтому расчет полей относи-

тельных массовых концентраций с большой точ-

ностью можно выполнять для двухкомпонентной

газовой смеси, где одна компонента — это чис-

тый углерод, а другая — атмосферный воздух.

На рис. 2 показана изоповерхность концентрации

углерода в момент времени t = 120 сек.

Численный анализ

пожаровзрывоопасности

объектов нефтегазовой

отрасли, промышленности

и строительства

Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

Ðèñ. 1à. Ãåîìåòðèÿ èññëåäóåìîé îáëàñòè — ñòàíöèÿ ïàññàæèðîâ.



30


Моделирование утечки газа на морской нефтяной платформеОдним из наиболее очевидных источников опас-

ности для персонала морских платформ являет-

ся возможность взрывов и пожаров в результате

утечки газа или выделения паров, способных

образовывать с воздухом пожаро- и взрыво-

опасные смеси. Даже незначительная разгерме-

тизация трубопроводов или хранилища газа мо-

жет привести к катастрофическим последст-

виям. Благодаря применению систем вентиля-

ции снижается вероятность возникновения

взрывоопасной ситуации: горючие газы и пары

либо просто удаляются, или их концентрация в

воздухе уменьшается до безопасного уровня.

На рис. 4-5 показаны результаты числен-

ного моделирования утечки газа и образования

взрывоопасной смеси на морской нефтяной

платформе с учетом внешней аэродинамики

платформы.

Характерная скорость ветра на высоте 20

метров была принята равной 12 м/с. Высотный

профиль скорости ветра был задан по модели

Монина-Обухова для нейтральной стратифика-

ции атмосферы, в которой температура воздуха

считается постоянной и не зависит от высоты.

В ANSYS CFX было промоделировано 8 различ-

ных сценариев развития аварии для разных углов

атаки набегающего воздушного потока. Атмос-

ферная турбулентность описывалась двумя па-

раметрами: кинетической энергией турбулентно-

го движения и скоростью ее диссипации. Поверх-

ность моря моделировалась заданием опреде-

ленной степени шероховатости ограничивающей

поверхности. На рис. 4 показаны изоповерхность

концентрации метана и поле скорости на высоте

10 м от поверхности «моря».

В целом можно говорить о том, что сегодня

комбинация натурных экспериментов и средств

вычислительной гидродинамики, является бес-

ценным инструментом для определения эффек-

тивности систем вентиляции морских сооруже-

ний.

Моделирование теплового воздействия горящей метановоздушной смеси на объекты в зоне разрушения газопроводаСегодня на долю магистральных газопроводов

приходится подавляющее число крупных аварий

Ðèñ. 1á. Ôðàãìåíò ðàñ÷åòíîé ñåòêè, ïîñòðîåííîé â ñåòî÷íîì ïðåïðîöåññîðå ICEM CFD.

Ðèñ. 2. Èçîïîâåðõíîñòü êîíöåíòðàöèè óãëåðîäà â ìîìåíò âðåìåíè t = 120 ñåê (CFX-Post).

Ðèñ. 3. Âèçóàëèçàöèÿ ñòðóêòóðû âîçäóøíûõ ïîòîêîâ íà ñòàíöèè (CFX-Post).

Ðèñ. 4. Ìîäåëèðîâàíèå óòå÷êè ãàçà è îáðàçîâàíèÿ âçðûâîîïàñíîé ñìåñè íà ìîðñêîé íåôòÿíîé ïëàòôîðìå.

31


и отказов по всей газовой промышленности.

При этом сами газопроводы являются потенци-

ально опасными объектами и обладают колос-

сальным энергетическим потенциалом, доста-

точно сказать, что высота диффузионного факе-

ла (при факельном выбросе газа) может состав-

лять ~150-200 м, а зона теплового поражения

иметь радиус более десятка метров.

Пример практического моделирования по-

жара на магистральном газопроводе с учетом

рельефа местности показан на рис. 5-6. Приве-

денные результаты были получены с использо-

ванием программного комплекса ANSYS CFX в

приближении равновесной («быстрой») химии и

равенстве коэффициентов диффузии компо-

нентов.

Кроме этого, учитывалась геометрия крате-

ра, а также характер повреждения газопровода,

поскольку они во многом определяют форму и

структуру факела. Как правило, реализуется са-

мый худший сценарий разрушения трубопрово-

да, так называемый «гильотинный» разрыв, т.е.

разрушение трубопровода на полное сечение.

В нашем случае, источник истечения газа, был

представлен в виде ромбовидного отверстия раз-

мером 10×0,8 м, утопленного в «грунт» на 1,5 м.

По результатам моделирования было полу-

чено распределение удельного теплового пото-

ка на площади ~200 тыс. м2, что соответствует

размерам расчетной области, заданной в виде

полусферы с радиусом 250 м. Максимальная

температура горения составила 1980 К, что хо-

рошо согласуется с результатами натурных экс-

периментов.

Дополнительную информацию вы можете

получить, отправив запрос автору статьи по ад-

ресу [email protected].

Ðèñ. 5. Ïðèìåð ìîäåëèðîâàíèÿ êîòëîâàííîãî ôàêåëà: a-ã — ãåîìåòðèÿ ôàêåëà â ðàçëè÷íûå ìîìåíòû âðåìåíè.

À Á

Â Ã

Ðèñ. 6. Âíåøíèé âèä ðàñ÷åòíîé ìîäåëè.



32


Компания Vaughan является известным разра-

ботчиком насосного оборудования. Главный

офис компании расположен в штате Вашингтон.

Vaughan занимается проектированием и произ-

водством целой линейки специализированных

центробежных насосов-измельчителей. Они от-

личаются от традиционных насосов наличием

эффекта измельчения на входе в лопаточное

колесо. Подобные насосы появились еще в

1960-х годах, они были разработаны для ис-

пользования на молокозаводах для перекачки

навоза в резервуары. С тех пор насосы-измель-

чители компании Vaughan постоянно совер-

шенствовались, было получено множество па-

тентов на разработки. В наши дни такие насо-

сы-измельчители получили широкое распро-

странение в областях, где есть необходимость

перекачивать жидкость с твердыми включения-

ми: это и очистка сточных вод в муниципальном

и промышленном секторах, и производство

пищи, отходы целюлозно-бумажной промыш-

ленности и т.п.

Преимущество насосов-измельчителей

Vaughan перед обычными антизасорными и

шламовыми насосами заключается в уменьше-

нии размера твердых включений, которые со-

держатся в жидкости. Уникальное сочетание

измельчающего и всасывающего эффектов в

насосах Vaughan не позволяет использовать

стандартные методики проектирования лопа-

точного колеса с целю получения требуемой на-

порной характеристики. Существующие мето-

дики позволяют определить расход и напор в

оптимальных условиях, однако, они дают боль-

шую погрешность при расчете расхода и напора

для других точек напорной характеристики на-

соса, а также при оценке КПД насоса в неопти-

мальных условиях.

Поскольку энергоносители постоянно

растут в цене, создание насосов с высоким

КПД становится все более актуальной задачей

Оптимизация

конструкции

насоса-измельчителя

с использованием CFD

CFD-моделирование позволяет создавать

виртуальные стенды для насосного оборудования.

Glenn Dorsch P.E., вице-президент,

Kent Keeran, ведущий инженер,

Vaughan Company Inc., США

Ðèñ. 1. Â íàñîñàõ-èçìåëü÷èòåëÿõ Vaughan ìåæëîïàòî÷íûå êàíàëû ïðîñòèðàþòñÿ âïëîòü äî îñè êðûëü÷àòêè, à âõîäíàÿ îáëàñòü íàñîñà ñîäåðæèò äâå íåïîäâèæíûå ïåðåãîðîäêè, ñîåäèíÿþùèåñÿ ñ îñüþ êðûëü÷àòêè. Ïðîõîæäåíèå ëîïàòîê âáëèçè íåïîäâèæíûõ ïåðåãîðîäîê ñîïðîâîæäàåòñÿ èçìåëü÷åíèåì ëþáûõ òâåðäûõ âêëþ÷åíèé, êîòîðûå çàñàñûâàþòñÿ â íàñîñ.

33


для разработчиков и производителей насосно-

го оборудования.

Компания Vaughan уже несколько лет ис-

пользует программный комплекс Fluent для мо-

делирования сопловых систем перемешивания

в резервуарах. Численное моделирование поз-

воляет проводить как оптимизацию перемеши-

вающих систем, так и визуализировать заказчи-

кам процессы, происходящие внутри резервуа-

ра. После успешного расчета сотен перемеши-

вающих систем программный комплекс Fluent с

технологией множественных вращающихся сис-

тем координат стал использоваться и для совер-

шенствования конструкций насосов-измельчи-

телей.

Поскольку среда трехмерного геометри-

ческого моделирования Pro/ENGINEER® ис-

пользуется в компании Vaughan с 1997 года,

инженеры использовали уже готовые цифровые

модели насосов различных конструкций. При

помощи Pro/ENGINEER довольно просто пост-

роить область решения для CFD-модели, а так-

же создать дополнительные области на входе и

выходе насоса. Геометрия крыльчатки насоса и

режущего аппарата импортировалась в ANSYS

DesignModeler. Расчетная сетка для крыльчатки

и режущего аппарата строилась отдельно и

склеивалась непосредственно в программном

комплексе Fluent, где также задавались и гра-

ничные условия. Численный расчет проводился

при помощи решателя Fluent, а просмотр и ана-

лиз результатов осуществлялся в постпроцес-

соре ANSYS CFD.

Среда ANSYS Workbench значительно об-

легчила весь процесс моделирования, начиная

от импорта геометрии и заканчивая визуализа-

цией результатов расчета.

Результаты численного CFD-моделирова-

ния дополнили натурные испытания и помогли

улучшить эффективность насосов-измельчите-

лей.

Крыльчатки для исследований можно изго-

тавливать различными способами: с помощью

литья, на станках с ЧПУ или сборкой из отде-

льных деталей, однако, все эти способы значи-

тельно дольше и дороже чем виртуальное про-

тотипирование при помощи CFD-моделирова-

ния. Было получено настолько хорошее согласо-

вание между результатами CFD-моделирования

и натурных экспериментов, что было принято

решение отказаться от практики физического

прототипирования. Все вновь разрабатываемые

прототипы обязательно проходят этап CFD-мо-

делирования, на котором происходит доводка их

геометрии и параметров, лишь после этого изго-

тавливают физический прототип.

Основным стремлением компании Vaughan

относительно насосов-измельчителей является

увеличение КПД уже существующих моделей.

Для исследуемого насоса проводится численное

Ðèñ. 2. Ïîãðóæíîé íàñîñ-èçìåëü÷èòåëü Vaughan íàõîäèòñÿ íà äíå ÿìû çàïîëíåííîé âîäîé è ìóñîðîì, îí ïåðåêà÷èâàåò âîäó ñ òâåðäûìè âêëþ÷åíèÿìè ìóñîðà ê ïîñëåäóþùåìó îáîðóäîâàíèþ.

Ðèñ. 3. Ãåîìåòðèÿ êðûëü÷àòêè è ðåæóùåãî àïïàðàòà íàñîñà-èçìåëü÷èòåëÿ Vaughan.

Ðèñ. 4. Ðåçóëüòàòû ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ïðåäñòàâëåíû â ïîñòïðîöåññîðå ANSYS CFD.



34


моделирование течения в тракте насоса, далее

полученные результаты сравниваются с резуль-

татами натурных испытаний.

При исследовании характеристик реаль-

ных насосов клапан на входе монотонно откры-

вается или закрывается. Таким образом, при

каждом положении клапана снимаются такие

характеристики насоса как давление и расход.

По этим данным вычисляется полный скоро-

стной напор, мощность и КПД. Процесс CFD-

моделирования проводится подобным обра-

зом. Производится несколько расчетов с раз-

личным значением расхода при прочих равных

условиях. Расчет производительности осу-

ществляется при помощи постпроцессора

ANSYS CFD, там же строятся соответствующие

зависимости.

Для новых конструкций крыльчаток также

проводится CFD-моделирование, строится кри-

вая производительности и сравнивается с ре-

зультатами CFD-моделирования уже сущест-

вующей крыльчатки.

Изначально, геометрия лопаток крыльчат-

ки создавалась в Pro/ENGINEER®. Однако,

в связи с постоянной модификацией это оказа-

лось слишком трудоемким процессом, поэтому в

дальнейшем стал использоваться программный

комплекс ANSYS BladeModeler — среда для со-

здания геометрии лопаточных машин (рис. 6).

Ðèñ. 5. Êðèâàÿ ïðîèçâîäèòåëüíîñòè íåäàâíî óñîâåðøåíñòâîâàííîãî 6-äþéìîâîãî íàñîñà (ìîäåëü 6U). Â ýòîì ðàñ÷åòå ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ íåñêîëüêî çàíèæàþò ïîëíûé ñêîðîñòíîé íàïîð, òàê êàê ãåîìåòðèÿ êðûëü÷àòêè áûëà ïîëó÷åíà ìåòîäîì îáðàòíîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ èç îòëèâêè. Ýòî âûçâàëî íåêîòîðîå îòëè÷èå â ãåîìåòðèè ðåàëüíîãî è ìîäåëèðóåìîãî èçäåëèÿ.

Ðèñ. 6. Ãðàôè÷åñêîå îêíî ñðåäû 3d-ïðîåêòèðîâàíèÿ BladeModeler.

35


Эта программа позволяет легко создавать раз-

личные формы лопаток по заданным специфи-

кациям и экспортировать полученные контроль-

ные кривые в Pro/ENGINEER®.

С целью повышения точности, геометрия

новой области решения строится непосред-

ственно в Pro/ENGINEER, а производительность

модернизированной крыльчатки обязательно

исследуется на натурном стенде.

Производительность насосов-измельчи-

телей, полученная при помощи CFD-моделиро-

вания, хорошо согласуется с натурными испы-

таниями для всех семи моделей насосов, рас-

считанных на данный момент. Подобные ре-

зультаты ожидаются еще для двух моделей,

которые модернизируются в настоящий мо-

мент.

Компания Vaughan использует как Fluent,

так и Pro/ENGINEER® Wildfire™ для эффектив-

ной разработки и исследования моделей насо-

сов прямо на рабочем месте. Относительно низ-

кая стоимость таких исследований позволяет

опробовать большое количество различных

форм лопаток крыльчатки. Также этот подход

облегчает процесс оптимизации и открывает

широкие возможности получения различной ин-

формации, не только распределения давления и

напорной характеристики, но и компонент силы

для лучшей оптимизации всей конструкции на-

соса. Такая оптимизация включает как гидрав-

лическую, так и механическую. Например, вы-

бор подшипников по данным поля нагрузки на

крыльчатку.

Группа технической поддержка ANSYS, Inc.

оказала неоценимую помощь при создании

адекватной модели насоса, а CFD-комплекс

Fluent доказал свою достоверность и эффектив-

ность при расчете технических устройств пос-

редством экономически выгодного CFD-модели-

рования.

Статья подготовлена к публикации

Денисом Юрченко, ЗАО «ЕМТ Р».

Ðèñ. 7. Ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ CFD-ìîäåëèðîâàíèÿ ñóùåñòâóþùåé êîíñòðóêöèè êðûëü÷àòêè (ìîäåëü 6U) è ðåçóëüòàòîâ CFD-ìîäåëèðîâàíèÿ óñîâåðøåíñòâîâàííîé êðûëü÷àòêè (ìîäåëü 6V) ïîêàçûâàåò, ÷òî íîâàÿ ìîäåëü êðûëü÷àòêè èìååò êðèâóþ ïîëíîãî ñêîðîñòíîãî íàïîðà ïðàêòè÷åñêè èäåíòè÷íóþ îðèãèíàëüíîé ìîäåëè. Â ñâÿçè ñ òåì, ÷òî CFD-ìîäåëèðîâàíèå ÿâëÿåòñÿ äîâîëüíî ýêîíîìè÷íûì ñðåäñòâîì ïðîåêòèðîâàíèÿ, ïîÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü èññëåäîâàòü ìíîæåñòâî ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ ãåîìåòðèè ëîïàòîê è âûáðàòü íàèáîëåå îïòèìàëüíóþ èç íèõ. Îæèäàåòñÿ, ïðèáëèçèòåëüíî 8%-å óâåëè÷åíèå ÊÏÄ â øèðîêîì äèàïàçîíå ðàñõîäîâ äëÿ íîâîé ìîäåëè.

Ðèñ. 8. Ñðàâíåíèå ìåæäó ðåçóëüòàòàìè CFD-ìîäåëèðîâàíèÿ è íàòóðíûõ èñïûòàíèé ìîäåðíèçèðîâàííîé êðûëü÷àòêè (6V) ïîêàçûâàåò õîðîøåå ñîãëàñîâàíèå ïîëíîãî ñêîðîñòíîãî íàïîðà. ÊÏÄ ïðåâûøàåò îæèäàíèå, âåðîÿòíî èç-çà î÷åíü êîíñåðâàòèâíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ â êîòîðîì íåñêîëüêî çàâûøåííîé îêàçûâàåòñÿ òðåáóåìàÿ ìîùíîñòü.

Ðèñ. 9. Ïðè ñðàâíåíèè ïðîèçâîäèòåëüíîñòè îðèãèíàëüíîãî íàñîñà è åãî ìîäåðíèçèðîâàííîé âåðñèè, ïîëíûé ñêîðîñòíîé íàïîð áëèçîê, îäíàêî, ÊÏÄ íà 8-9% âûøå âäîëü âñåé õàðàêòåðèñòèêè.



36


Для инженеров, занимающихся проектированием

лопаточных машин, чаще всего интересны не

только параметры агрегата на отдельных режи-

мах его работы, но и их зависимости от частоты

вращения, расхода, температуры и давления ра-

бочего тела. Такие характеристики можно полу-

чить при решении задачи в нестационарной пос-

тановке, задав изменение граничных условий

(ГУ) по времени счёта. Но эту проблему можно

решить намного проще, построив характеристику

по нескольким точкам, как правило, 8-10 точек.

На расчёт одной такой точки для задачи

средней сложности требуется от 10 до 50 минут.

После окончания расчёта предыдущей точки не-

обходимо изменить ГУ и вновь запустить зада-

чу. Для двухпараметрической характеристики,

например, по частоте вращения и расходу, коли-

чество точек возрастает до 40-50, а время счё-

та — до нескольких суток. При этом каждый раз

приходится вручную изменять ГУ. К счастью, за-

дача может быть автоматизирована стандарт-

ными средствами ANSYS CFX с применением

специально созданной надстройки.

ПростотаРешатель ANSYS CFX допускает запуск из ко-

мандной строки задачи с указанием файла-оп-

ределения (*.def):

«C:\Program Files\ANSYS Inc\v110\CFX\bin\

cfx5solve.exe» -def vent7.def

Запустив пакетный bat-файл — список та-

ких команд, мы заставим CFX решать постав-

ленные задачи одну за другой. По умолчанию

расчёт не отображается, но мониторинг процес-

са решения можно запустить принудительно в

Solver Manager с помощью команды Monitor Run

in Progress.

Используя дополнительные ключи, можно

задать имя файла результатов (-name vent7_5),

указать файл начальных условий (-ini vent7_4.

res), задать параллельный расчёт (-part 2), а так-

же указать способ распараллеливания (-start-

method «MPICH Local Parallel for Windows»).

Завершение счёта происходит по достиже-

нии заданного в def-файле уровня невязок, мак-

симального числа итераций или времени счёта,

а также при превышении максимального време-

ни выполнения расчёта (с ключом -maxet «50

[min]»). В итоге мы получаем множество res-

файлов — точек характеристики.

Обработку результатов расчета также удоб-

но осуществлять при работе постпроцессора

CFX-Post в пакетном режиме (с ключом -batch):

«C:\Program Files\ANSYS Inc\v110\CFX\bin\

cfx5post.exe» -batch vent.cse vent7.res

Здесь vent.cse — имя файла-макроса, ко-

торый управляет работой постпроцессора. Его

можно создать вручную, используя описание ко-

манд CFX-Post, или сгенерировать автоматичес-

ки с помощью команды Session→New Session→Start Recording.

КачествоРасчёт всех точек характеристики происходит

автономно и «вслепую». Поэтому к описываемо-

му методу предъявляются особые требования

по надежности. Устойчивость и быстрота реше-

ния гарантируется многоступенчатым измене-

нием шага по времени, с минимального значе-

ния при запуске (TimeScaleFactor = 0.01 для ре-

жима AutoTimeScale) до большого значения при

устойчивой задаче (вплоть до TimeScaleFactor =

100). Размер и число таких ступеней временно-

го шага определяются пробными запусками кон-

кретной задачи в Solver Manager.

Для исключения возможных ошибок про-

цесс подготовки def-файлов, обработки res-фай-

лов и создания bat-файла автоматизирован с

помощью специально созданной дополнитель-

ной надстройки. При ее использовании отпадает

необходимость создания def-файла для каждой

отдельной задачи. Вместо этого можно много-

Расчет характеристик

турбомашин при запуске

CFX в пакетном режиме

Леонид Шаблий, инженер кафедры ТДЛА,

Самарский государственный аэрокосмический университет

37


кратно использовать один отлаженный файл, в

который перед расчётом вводятся необходимые

граничные условия (см. рис. 1).

После расчёта всей характеристики про-

изводится автопроверка полученных файлов

результатов на наличие несошедшихся реше-

ний. Постпроцессинг выполняется только для

коррект ных res-файлов. А для исключения оши-

бок при составлении bat-файла, используется

специальная утилита, которая по данным инже-

нера (путь к файлу задачи, интервалы измене-

ния ГУ, необходимые параметры решателя)

формирует последовательность команд.

ОпытОписанный метод был опробован при расчёте ха-

рактеристик соплового аппарата малоразмерной

турбины (рис. 2). А затем доказал свою состоя-

тельность при расчёте характеристик осевого вен-

тилятора с целью выбора оптимального варианта

ротора. Представленные на рис. 3 характеристики

были получены для трёх различных роторов при

изменении угла установки лопаток от –10° до +10°

с шагом 5° в диапазоне расхода (18…30) м3/ч.

Расчёт одной точки на «двухядерной» ма-

шине занял ~30 минут, а общее время решения

вместе с постановкой задачи и анализом резуль-

татов составило 35 часов, из них 25 машинных.

BAT-file started at 02.09.2008 10:52:24,87 ----------------------------------------------Update(s) in “vent7.def”: Mass Flow Rate = 1.5 [kg s^-1] (BOUNDARY: outlet) Starting CFX5solver at 02.09.2008 10:52:29,92 for vent7_1.5 ----------------------------------------------Update(s) in “vent7.def”: Mass Flow Rate = 1.7 [kg s^-1] (BOUNDARY: outlet) Starting CFX5solver at 02.09.2008 11:45:14,35 for vent7_1.7 ----------------------------------------------Update(s) in “vent7.def”: Mass Flow Rate = 1.9 [kg s^-1] (BOUNDARY: outlet) Starting CFX5solver at 02.09.2008 12:15:25,03 for vent7_1.9 ----------------------------------------------Last solver was finished at 02.09.2008 12:45:45,13 vent7_1.5 — Max Iteration vent7_1.7 — Residuals vent7_1.9 — Residuals ****** Warning! 1 Bad file(s) exist(s) in current directory!

Ðèñ. 1. Îêíî âûïîëíåíèÿ ïðîãðàììû-íàäñòðîéêè.

Ðèñ. 2. Õàðàêòåðèñòèêà êîýôôèöèåíòà ñêîðîñòè ñîïëîâîãî àïïàðàòà φ = f(Ì1s).

Ðèñ. 3. Õàðàêòåðèñòèêè ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ âåíòèëÿòîðà: à — ñòåïåíü ïîâûøåíèÿ äàâëåíèÿ, á — ê.ï.ä.

À

Á

Ðèñ. 5. Ñðûâíûå çîíû âåíòèëÿòîðà.

Ðèñ. 4. Âíåøíèé âèä ðàñ÷åòíîé ìîäåëè.


38

Мастер класс


Настоящей статьей мы заканчиваем цикл

статей, посвященных использованию ме-

тодов вычислительной гидродинамики

для проектирования лопаточных машин.

В этой статье мы расскажем о результа-

тах моделирования явлений аэроупруго-

сти в ANSYS CFX. Будет рассмотрена за-

дача статической аэроупругости лопаток

радиальной турбины, а также описана

технология моделирования динамичес-

кой аэроупругости на примере расчета

автоколебаний (флаттера) трехмерного

крыла в воздушном потоке.

ВведениеАэроупругость изучает поведение упругих тел в

потоке жидкости. Одной из интересных задач в

аэроупругости является задача о динамической

неустойчивости, когда малые внешние возму-

щения в потоке, носящие случайный характер,

могут вызвать сильные колебания конструкции.

Например, флаттер лопаток турбин, самолетов

или конструкций мостов (рис. 1-3). Задача о

флаттере аэроупругой конструкции сводится к

определению критической скорости течения,

при которой конструкция становится нейтрально

устойчивой, т.е. её реакция на конечное возму-

Численное

моделирование

аэроупругости

в ANSYS CFX

Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

Ðèñ. 1. Àýðîäèíàìèêà ëîïàñòè âåòðîýíåðãåòè÷åñêîé óñòàíîâêè. Ñðûâ êîíöåâûõ ïîòîêîâ.

Ðèñ. 3. Ïðèìåð ðàñ÷åòà âåòðîâîé íàãðóçêè íà êîíñòðóêöèè ìîñòà.

Ðèñ. 2. Àýðîóïðóãîñòü äåðåâà.

39


щение конечна, либо она теряет устойчивость, и

ее реакция на конечное возмущение становится

неопределенной. Таким образом, задачи устой-

чивости и задачи реакции упругой системы на

внешнее воздействие являются взаимосвязан-

ными.

В аэроупругости, в основном, имеют дело с

двумя компонентами силы — это подъемная

сила и сила лобового сопротивления, и одним

компонентом момента, перпендикулярным к на-

правлению движения и к вектору подъемной

силы. Поскольку аэроупругие колебания обычно

поддерживаются аэродинамическими силами,

обусловленными самой конструкцией, то вопрос

об их распределении по поверхности обтекае-

мого тела является очень важным.

Аэроупругие колебания могут быть обус-

ловлены периодическим срывом вихрей. Часто-

та срыва вихрей зависит от формы тела и скоро-

сти набегающего потока. Если частота близка к

собственным частотам тела, то возникает меха-

нический резонанс и происходит разрушение

конструкции. Классическим примером реализа-

ции подобных сценариев является разрушение

Тэкомского моста в ноябре 1940 года. Другим

видом самовозбуждающихся колебаний, для ко-

торого не характерны срывы потока, является

флаттер. Вообще, возможны разные формы

флаттера и их комбинаций. Поэтому важным яв-

ляется вопрос о выборе критичных для данной

конструкции форм флаттера. Далее мы рассмот-

рим пример расчета флаттера лопаток радиаль-

ной турбины в ANSYS CFX. Все исходные файлы

для этой задачи можно скачать с сайта www.

ansys.msk.ru (раздел «Демо-зона»).

Расчет аэродинамического воздействия на лопатки радиальной турбиныДля начала на основе существующей геометрии

крыльчатки турбины построим расчетную ко-

нечно-элементную сетку. Для этого загрузим

файл с именем «Radial_Turbine_FSI_Structural.

wbdb». Перед генерацией сетки убедитесь, что

расчетная область, описывающая проточную

часть турбины, имеет статус supress, т.е. отклю-

чена.

На странице проекта слева дважды на-

жмите на файл «Radial_Turbine_FSI_Structural.

dsdb». Далее в дереве проекта Simulation пе-

рейдите в строку Mesh и выберите метод гене-

рации сетки Hex Dominant Method (рис. 6).

Далее выполните команду Body Sizing→Insert→Sizing для задания размера базового

элемента. В поле Element Sizing укажите 20 мм.

После этого выполните команду Generate Mesh.

Внешний вид сгенерированной сетки показан на

рис. 7.

Далее необходимо указать тип расчета и

его опции. Для анализа переходных динамичес-

ких процессов, т.е. для исследования поведения

конструкции при воздействии на нее изменяю-

щихся во времени нагрузок, необходимо исполь-

зовать тип Flexible Dynamic. Затем задаем шаг

по времени, равный 1e-5 с (рис. 8). Этот шаг со-

Ðèñ. 4. Àâòîêîëåáàíèÿ ëîïàòîê îñåâîãî êîìïðåññîðà.

Ðèñ. 5. Òâåðäîòåëüíàÿ ìîäåëü êðûëü÷àòêè òóðáèíû.

Ðèñ. 6. Ïàíåëü âûáîðà ìåòîäà ãåíåðàöèè ñåòêè è çàäàíèÿ ðàçìåðà ýëåìåíòîâ.


40



ответствует изменению положения крыльчатки

на 2°.

После этого необходимо выбрать интер-

фейсные поверхности, к которым будет прикла-

дывать нагрузка, передаваемая из ANSYS CFX.

В нашем случае будут перемещаться только

узлы поверхностных элементов, принадлежа-

щие лопатке и ступице (рис. 9). Сохраняем про-

ект в формате командного файла ANSYS (*.inp).

Далее можно переходить к определению задачи

аэроупругости в препроцессоре CFX-Pre.

Для начала загрузим файл «Radial_

Turbine_FSI_Fluid.wbdb», содержащий геомет-

рию проточной части турбины. После этого с

помощью средств CFX-Mesh необходимо пост-

роить расчетную сетку для исходной геометрии.

В нашем случае мы пропустим этот этап и вос-

пользуемся уже готовой сеткой, созданной ра-

нее и сохраненной в файл с именем «Radial_

Turbine_FSI_Fluid.cmdb». Обратим внимание

на три важных момента: во-первых, при генера-

ции данной сетки для получения идентичных се-

ток на отдельных поверхностях предварительно

была выполнена операция Virtual Topology. Во-

вторых, на поверхностях лопатки необходимо

отдельно задать размер треугольного элемента.

И, наконец, вокруг лопаток необходимо сгенери-

ровать несколько слоев призматических эле-

ментов для корректного использования метода

пристеночных функций.

После этого открываем препроцессор CFX-

Pre и загружаем в него сгенерированную сетку.

Определение данной задачи за исключением от-

дельных дополнительных настроек полностью

повторяет задачу, описанную в предыдущем но-

мере журнала (см. статью «Проектирование ло-

паточных машин. Часть 2»).

Во-первых, необходимо отредактировать

свойства закладки Simulation Type (рис. 10).

В настройках опции External Solver Coupling не-

обходимо вместо None указать ANSYS MultiField.

В строке ANSYS Input File указываем путь до

Ðèñ. 7. Íåñòðóêòóðèðîâàííàÿ ÊÝ-ñåòêà äëÿ êðûëü÷àòêè òóðáèíû.

Ðèñ. 8. Âûáîð òèïà ðàñ÷åòà è íàñòðîéêà îïöèé ðåøàòåëÿ.

Ðèñ. 9. Âûáîð èíòåðôåéñíûõ ïîâåðõíîñòåé (Fluid Solid Interface).

À Á

41


командного файла ANSYS — файл «Radial_

Turbine_FSI.inp». Кроме этого необходимо за-

дать шаг по времени, идентичный шагу, кото-

рый мы определили ранее в Simulation.

Во-вторых, следует отредактировать свой-

ства расчетного домена. Так как в процессе рас-

чета сетка будет деформироваться, то необхо-

димо в опциях Mesh Deformation выбрать Regions

of Motion Specified.

Кроме этого, требуется внести изменения

в три граничных условия, определенных на по-

верхностях лопатки, ступицы и бандажа (рис.

11). Для лопатки и ступицы в настройках опции

Mesh Motion выбираем ANSYS MultiField, для

бандажа указываем Unspecified.

Так же в настройках панели Solver Control в

закладке External Coupling необходимо указать

число внутренних итераций для процесса обме-

на данными между двумя решателями. Укажите

значение параметра Max. Itarations равное 5.

В результате выполнения всех описанных

выше действий мы подготовили модель, кото-

рую можно запустить на расчет. Сохраняем

файл-определения CFX и загружаем Solver

Manager. Нажимаем на кнопку Start Run.

На рис. 12-13 показаны результаты моде-

лирования аэроупрогого взаимодействия в

ANSYS CFX. Видно, что максимальные эквива-

лентные напряжения по Мизесу в конструкции

достигают 350 МПа, что не превышает предела

текучести материала крыльчатки (760 МПа).

Максимальные перемещения наблюдаются на

конце лопатки и не превышают 1 мм.

Расчет флаттера трехмерного крылаВыполнено математическое моделирование ав-

токолебаний (флаттера) крыла на основе чис-

ленного решения уравнений Навье-Стокса для

области с подвижными границами. Расчет форм

и частот собственных колебаний был проведен в

модуле Simulation ANSYS Workbench. Для расче-

та аэродинамического давления на поверхности

крыла использовался программный комплекс

ANSYS CFX.

Колебания крыла в потоке могут иметь

много различных форм. Однако при критичес-

кой скорости потока флаттер принимает толь-

Ðèñ. 10. Íàñòðîéêà èòåðàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ðåøàòåëåé ANSYS è CFX.

Ðèñ. 11. Ðåäàêòèðîâàíèå îïöèè Mesh Motion â íàñòðîéêàõ ÃÓ.

Ðèñ. 12. Ðàñïðåäåëåíèå ýêâèâàëåíòíûõ íàïðÿæåíèé ïî Ìèçåñó.

Ðèñ. 13. Ðàñïðåäåëåíèå äåôîðìàöèé â êîíñòðóêöèè.


42



ко определенную форму. Вблизи критической

скорости другие формы колебания, если они

случайно возбуждаются, обладают сравни-

тельно большим демпфированием и быстро

затухают.

Колебательное движение крыла, который

подвержен флаттеру, включает как изгибный,

так и крутильный компоненты (рис. 15-18). Коле-

бательное движение может сохраняться или

возрастать в более или менее широком диапа-

зоне скоростей потока в зависимости от кон-

струкции крыла.

Флаттер крыла может проявляться в виде

резких скачков напряжений, которые в отдель-

ных случаях могут приводить не только к пов-

реждению, но и к разрушению крыла.

Исследования явления флаттера были

проведены для аэроупрогого крыла AGARD

445.6. Конфигурация крыла с указанием основ-

ных размеров показана на рис. 14. Это крыло с

симметричным профилем NACA 65A004 и углом

стреловидности передних кромок χ = 45°. Расчё-

ты были выполнены для угла атаки α = 0° при

числах Маха Mn = 0,5 и Mn = 0,96. Масса крыла

равняется 1,87 кг. Крыло выполнено из матери-

ала со следующими упругими свойствами: мо-

дуль Юнга — 3150×107 Н/м2, модуль сдвига —

0,41×107 Н/м2, коэффициент Пуассона — 0,31,

плотность — 410 кг/м3. В таблицу 1 сведены ре-

зультаты сравнения экспериментальных и рас-

четных данных.

Òàáëèöà 1. Ñðàâíåíèå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ è ðàñ÷åòíûõ äàííûõ

Íîìåð òîíà (ãàðìîíèêè)

1 [Ãö] 2 [Ãö] 3 [Ãö] 4 [Ãö]

Ýêñïåðèìåíò 9.60 38.10 50.70 98.50

Ðàñ÷åò 9.40 38.90 49.10 92.30

Небольшое несоответствие эксперимен-

тальных и расчетных данных можно объяснить

недоучетом в расчете явления демпфирования

в структуре, т.е. рассеивания энергии в структу-

ре при движении.

Дополнительную информацию вы можете полу-

чить, отправив запрос автору статьи по адресу

[email protected].

Ðèñ. 14. Êîíôèãóðàöèÿ êðûëà AGARD 445.6.

Ðèñ. 15. Ïåðâàÿ èçãèáíàÿ ôîðìà êîëåáàíèé êðûëà (f1-B = 9.4 Ãö).

Ðèñ. 16. Ïåðâàÿ êðóòèëüíàÿ ôîðìà êîëåáàíèé êðûëà (f1-T = 38.9 Ãö).

Ðèñ. 17. Âòîðàÿ èçãèáíàÿ ôîðìà êîëåáàíèé (f2-B = 49.1 Ãö).

Ðèñ. 18. Âòîðàÿ êðóòèëüíàÿ ôîðìà êîëåáàíèé (f2-T = 92.3 Ãö).

43



Вы спрашивали —

мы отвечаем


Как в постпроцессоре ANSYS CFX задать произвольную ориентацию вида модели?В постпроцессоре ANSYS CFX изменять ориен-

тацию вида модели можно с помощью горячих

клавиш клавиатуры, например, комбинация кла-

виш «Shift+x» ориентирует модель по оси X.

Кроме этого, использование комбинации кла-

виш «Shift» и навигации (влево/вправо, вверх/

вниз), позволяет вращать модель с дискретным

шагом, равным 15 градусов. Для задания произ-

вольной ориентации модели необходимо ис-

пользовать специальный макрос, листинг кото-

рого приводится ниже.

# Macro GUI begin# macro name = viewangles# macro subroutine = angles# macro parameter = Angle1# type = Real# range = -180, 180# default = 0# macro parameter = Angle2# type = Real# range = -180, 180# default = 0# macro parameter = Angle3# type = Real# range = -180, 180# default = 0# Macro GUI end! sub angles {! my ( $a1, $a2, $a3 ) = @_;VIEW:View 1Camera Mode = User SpecifiedCAMERA:Option = Pivot Point and Rotation

Pivot Point = 0, 0, 0Rotation = $a1, $a2, $a3Send To Viewer = TrueENDEND!}

Выберите из главного меню раздел Tools и

далее Macro Calculator. Затем загрузите тексто-

вый файл, содержащий все необходимые коман-

ды. На экране появится новая панель (рис. 1),

которую можно использовать в дальнейшей ра-

боте.

Как в CFX-Post построить кривую изменения силы от времени при нестационарном расчете?Для того чтобы построить, например, кривую из-

менения внешних суммарных нагрузок на судно

во времени, необходимо выполнить следующую

последовательность действий:

1. Создать выражение, рассчитывающее

суммарную внешнюю нагрузку на судно вида:

Hull = Force_x()@Hull.

2. Создать новый график (Chart) и выбрать

Time в поле Type.

Дополнительные возможности

пре- и постпроцессора ANSYS CFXДенис Хитрых, ведущий инженер ЗАО «EMT P»

Ðèñ. 1. Ïàíåëü óïðàâëåíèÿ íàñòðîéêàìè îðèåíòàöèè ìîäåëè.


44



3. Перейти в закладку Chart Line и в поле

Method указать Expression.

4. И, наконец, обновить график, нажав на

кнопку «Refresh» в верхнем левом углу диалого-

вого окна Chart Viewer.

Как определить в постпроцессоре CFX координаты точки с максимальным значением какой-либо переменной? Для этого необходимо выполнить следующую

последовательность команд. Для начала созда-

дим точку с помощью команды Insert →Location→ Point. Далее в поле Method указы-

ваем Variable Maximum, а в списке напротив поля

Variable выбираем нужную переменную. Нажи-

маем клавишу «Apply». На экране появятся

своеобразные крестообразные волоски, запол-

няющие область, в которой содержится точка с

максимальным значением искомой переменной.

Теперь с помощью Function Calculator следует

определить координаты этой точки. В поле

Function указываем Probe, в Location — Point 1, в

Variable — X, Y или Z, соответственно. Нажи-

маем кнопку «Calculate».

Как в препроцессоре CFX определить свойства материала, зависящие от результатов решения?Это можно сделать двумя способами: создать

пользовательскую функцию или использовать

полином. Например, пусть свойства материала

зависят от температуры. Создадим пользова-

тельскую функцию sh_pol вида:

FUNCTION: sh_polOption = InterpolationOption = One DimensionalArgument Units = [K]Result Units = [J kg^-1 K^-1]INTERPOLATION DATA:Data Pairs =293.15,400,373.15,401,473.15,402,523.15,403.5,573

.15,404,623.15,404.5,673.15,405Extend Max = OffExtend Min = OffEND

Далее воспользуемся этой функцией для

задания теплоемкости материала, зависящей от

температуры. По умолчанию, если мы опреде-

ляем теплоемкость как функцию от температу-

ры, CFX генерирует таблицу энтальпий H =f(T),

которая соответствует диапазону температур от

100 до 5000 K. Если мы используем более узкий

диапазон температур, то его надо отдельно про-

писать в свойствах материала:

MATERIAL: material1Material Group = UserOption = Pure Substance

Thermodynamic State = SolidPROPERTIES:Option = General MaterialTABLE GENERATION:Minimum Temperature = 300 [K]Maximum Temperature = 650 [K]ENDEQUATION OF STATE:Density = 870 [kg m^-3]Molar Mass = 68.0 [kgkmol^-1]Option = ValueENDSPECIFIC HEAT CAPACITY:Option = ValueReference Temperature = 350.0 [K]Specific Heat Capacity = sh_pol(T)Specific Heat Depends On = TemperatureENDTHERMAL CONDUCTIVITY:Option = ValueThermal Conductivity = 500 [W m^-1 K^-1]ENDEND

Сколько требуется оперативной памяти для генерации сетки определенной размерности?Это достаточно сложный вопрос, поскольку

объем используемой сеточным препроцессо-

ром памяти зависит от многих факторов. И это

в первую очередь касается метода генерации

сетки: Octree, Quick, Tgrid и др. Наиболее ре-

сурсоемким методом является метод Octree, в

котором изначально вся расчетная область, ог-

раниченная параллелепипедом, разбивается

на тетраэдрические элементы одного размера,

а затем происходит «обрезание» и локальное

измельчение сетки в определенных областях

геометрии. Соответственно, объем памяти, ко-

торый необходим для разбития этого ограничи-

вающего параллелепипеда, в некоторых слу-

чаях может в несколько раз превосходить объ-

ем памяти, выделяемой для генерации конеч-

ной сеточной модели. Ниже мы приводим неко-

торые теоретические расчеты требуемой опе-

ративной памяти для случая генерации тетра-

эдрической/гексаэдрической сетки без призма-

тических слоев в ICEM CFD или CFX-Mesh:

CFX-Mesh — 80 байт/элемент, ICEMCFD Tetra —

80 байт/элемент, ICEMCFD Hexa — 65 байт/эле-

мент.

На практике требуется чуть больше памя-

ти, например для куба были получены следую-

щие данные по используемой оперативной па-

мяти: CFX-Mesh (1.13 млн. элементов) — 110 Mб

= 97 байт/элемент, CFX-Mesh (2.7 млн. элемен-

тов) — 230 Mб = 85 байт/элемент, ICEM Tetra

(2 млн. элементов) — 176 Мб = 88 байт/элемент,

ICEM Tetra (15 млн. элементов) — 1300 Мб =

87 байт/элемент, ICEM Hexa (8 млн. элемен-

тов) — 530 Мб = 66 байт/элемент.

Documents

ANSYS Advantage. Русская редакция 9'2008