FloEFD: Гидродинамика. Определение гидравлических потерь

Гидравлические потери в трубопроводных системах обычно разделяют на две составляющие:

  • линейные потери, возникающие вследствие трения вдоль прямолинейных отрезков труб;
  • местные потери, возникающие в результате местных сопротивлений (отводов, тройников, различных вентилей, кранов, задвижек и т.д.).

Полные гидравлические потери представляют собой сумму линейных и местных потерь. Потери на трение определяются с помощью формул, полученных в результате теоретических или практических исследований. Определение местных потерь является более сложной задачей, т.к. для этого доступны только экспериментальные данные. Существует большое разнообразие конфигураций трубопроводных систем, следовательно, различны причины возникновения местных сопротивлений. Структура потока также может быть довольно сложной. Поэтому применение экспериментальных данных ограничено. FloEFD предлагает иной подход к решению подобных задач и позволяет с высокой точностью определить потери давления практически на любом участке трубопроводной системы.

Открытие модели

Скопируйте папку B1 - Hydraulic Loss в свою рабочую директорию и убедитесь, что с файлов снят атрибут "только для чтения", т.к. FloEFD будет сохранять в них входные данные.

Кнопка приложения > Открыть. В диалоговом окне Открыть файл перейдите к модели Valve.asm, расположенной в папке B1 - Hydraulic Loss, и кликните Открыть.Убедитесь, что FloEFD for Solid Edge активирован в диалоговом окне Диспетчер надстроек.

Вы можете пропустить создание проекта и запустить на расчет готовый проект FloEFD, созданный в соответствии с этим примером. Для этого Вам необходимо открыть модель Valve.asm, расположенную в папке B1 - Hydraulic Loss\Ready To Run, и запустить на расчет нужные проекты.

Описание модели

Данная модель представляет собой шаровой кран, который открывается и закрывается поворотом рукоятки.

Потери давления в шаровом кране зависят от площади минимального проходного сечения. Проходное сечение, в свою очередь, зависит от угла поворота крана, а также от его геометрических размеров, а именно от соотношения диаметров шарика и трубы:

Сначала необходимо рассчитать величину полных потерь давления, т.е. разность между давлением на входе в местное гидравлическое сопротивление (шаровой кран в данном случае) и давлением на значительном расстоянии от выхода из него, где поток снова становится невозмущенным. Затем, для того, чтобы определить только местные потери давления, необходимо из величины измеренных полных потерь вычесть величину потерь давления на трение.

В данном случае рассчитаем потери давления в шаровом кране при угле его поворота, равном 40o. Такая задача является типичной внутренней задачей FloEFD.

Внутренними являются течения внутри труб, различных емкостей, систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) и т.д. Поток поступает в модель и выходит из нее через отверстия.


Для решения внутренней задачи все отверстия модели необходимо закрыть крышками, чтобы внутреннее пространство модели было замкнуто. На входах и выходах следует задать соответствующие граничные условия. Крышки представляют собой дополнительные элементы, с помощью которых можно закрыть отверстия. В данном примере крышки для удобства сделаны полупрозрачными.

Убедитесь, что модель полностью замкнута. Для этого выполните Flow Analysis > Инструменты > Проверка геометрии. В группе Тип задачи выберите Внутренняя. Затем, для того, чтобы определить объемы твердого тела и текучей среды, нажмите кнопку Проверить. Если объем текучей среды равен нулю, значит модель не замкнута.


Чтобы визуализировать объем, занимаемый текучей средой, нажмите кнопку Показать объем текучей среды.

Закройте диалоговое окно Проверка геометрии.

Опция Проверка геометрии позволяет рассчитать объемы, занимаемые твердыми телами и текучей средой, проверить модель на наличие возможных проблем (т.е. недопустимых контактов) и отобразить области текучей среды и твердого тела в виде отдельных моделей.

Теперь можно приступать к созданию проекта FloEFD.

Создание проекта FloEFD

     1. Кликните > Мастер проекта. Мастер проекта поможет Вам по шагам создать новый проект FloEFD.

     2. В диалоговом окне Имя проекта введите имя нового проекта: Project 1.


Каждый проект FloEFD связан с объектом семейства Solid Edge. Вы можете поставить проект на текущем объектом семейства Solid Edge или на новом объекте семейства Solid Edge, основанном на текущем.


Кликните Далее.

     3. В диалоговом окне Система единиц измерения Вы можете выбрать нужную систему единиц измерения,      которая будет использоваться как для входных, так и для      выходных данных (результатов). В данном      проекте удобно использовать заданную по умолчанию Международную систему единиц SI.

Кликните Далее.

     4. В диалоговом окне Тип задачи необходимо выбрать тип задачи: Внутренняя или Внешняя. Для того,      чтобы пренебречь внутренними замкнутыми областями, которые не задействованы в данной внутренней      задаче, следует выбрать Исключить полости без условий течения. Базовая ось глобальной системы      координат (X, Y или Z) используется для того, чтобы данные можно было задать в виде таблиц или формул      в цилиндрической системе координат с указанной осью вращения.

В качестве типа задачи выберите Внутренняя и, не меняя других настроек, кликните Далее.

     5. Текучей средой в данном проекте является вода, поэтому из группы Жидкости выберите.

В Инженерной базе данных хранятся всевозможные справочные данные и технические характеристики:
• характеристики различных газов, жидкостей, материалов, поверхностей радиационного теплообмена, пористых сред и т.д.;
• кривые вентиляторов (зависимости объемного или массового расхода от перепада давления). Количество представленных промышленных вентиляторов довольно велико;
• системы единиц измерения и т.д.

• Вы можете выбрать предопределенные элементы или создать свои собственные (вещества, единицы измерения, кривые вентиляторов, а также пользовательские параметры для отображения).

Кликните Далее.

     6. В данной задаче нет необходимости рассчитывать теплопроводность в твердых телах, и соответствующая      опция не была включена. Поэтому тепловое условие,      задаваемое в диалоговом окне Условия на стенках      по умолчанию, будет относиться ко всем стенкам модели, контактирующим с текучей средой.

В данном проекте корректным является условие Адиабатическая стенка, заданное по умолчанию и означающее, что все стенки модели являются теплоизолированными.

Кликните Далее.

     7. В диалоговом окне Начальные условия необходимо задать начальные значения параметров течения. Если      внутренняя задача является стационарной, то      предпочтительнее задавать значения, близкие      предполагаемым. Это позволит уменьшить время, необходимое для достижения сходимости.

При решении стационарных задач FloEFD выполняет итерации до тех пор, пока решение не сойдется. Решение нестационарных задач требует ровно столько физического времени, сколько было задано.

Для данного проекта не будем менять заданные по умолчанию значения.

Кликните Завершить.

В дереве анализа FloEFD все входные данные и результаты представлены в удобной форме. Вы также можете использовать дерево анализа FloEFD для изменения или удаления каких-либо элементов FloEFD.


Сразу же после создания проекта в графической области появляется полупрозрачный параллелепипед, обозначающий границы расчетной области.

Расчетная область представляет собой параллелепипед, охватывающий область, внутри которой проводятся расчеты течения и теплообмена.


Следующим шагом является задание Граничных условий. Граничные условия необходимы для указания параметров течения на входах и выходах (во внутренней задаче) или на поверхностях модели (во внешней задаче).

Задание граничных условий

     1. В дереве анализа FloEFD правой кнопкой мыши кликните по элементу Граничные условия и из      контекстного меню выберите Добавить граничное условие.

     2. Выберите внутреннюю поверхность крышки на входе (компонент Inlet Lid). Выделенные поверхности      появятся в поле Поверхности для задания граничного условия.

     3. Из списка Тип граничного условия выберите Скорость на входе.

     4. Нажмите Скорость по нормали к поверхности и задайте ее значение равным 1 m/s (введите только      значение, единица измерения появится автоматически).

     5. Изменения других параметров не требуется.

Кликните OK.

Это означает, что вода поступает в кран со скоростью 1.0 m/s.

     1. Выберите внутреннюю поверхность крышки на выходе (компонент Outlet Lid).

     2. Кликните Flow Analysis > Добавить > Граничное условие. Появится диалоговое окно Граничное условие.      Выделенная поверхность будет находиться в поле Поверхности для задания граничного условия.

Перед началом расчета FloEFD проверит, корректно ли заданы граничные условия. Должен соблюдаться баланс массового расхода: полный массовый расход на входе должен быть равен полному массовому расходу на выходе. Если это требование не выполняется, значит граничные условия заданы неверно, и в таком случае расчет не начнется. Обратите внимание, что массовый расход рассчитывается в зависимости от заданных значений скорости или объемного расхода. Для того, чтобы ошибок в задании граничных условий не возникало, рекомендуется хотя бы на одном отверстии задать условие Давления. Тогда массовый расход на этом отверстии определится автоматически так, чтобы выполнялся закон сохранения массы.

     3. Кликните Давление и в качестве Типа граничного условия выберите Статическое давление.

     4. Значения Статического давления "Р" (101325 Pa), Температуры "Т" (293.2 K) и других параметров не      требуют изменений.

     5. Кликните OK .


Это означает, что давление потока воды на выходе из шарового крана составляет 1 atm.
Гидравлические потери определяются следующим образом:

где ΔP - разность полных давлений между входом и выходом, ρ - плотность среды, а V - скорость течения. Скорость течения известна (ее значение было задано равным 1 m/s), плотность воды при заданной температуре 293.2 K составляет 998.1934 kg/m3. Неизвестным остается только значение полного давления на входе и выходе. Самый простой и быстрый способ определить эти параметры - задать соответствующую расчетную цель.

Для того, чтобы задать поверхностные цели:
     1. В дереве анализа FloEFD кликните правой кнопкой мыши кликните по элементу Цели и из контекстного      меню выберите Добавить поверхностные цели.

      2. Выберите внутренние поверхности крышек на входе и выходе (компоненты Inlet Lid и Oulet Lid). Для      этого, удерживая клавишу CTRL, выделите соответствующие       граничные условия в дереве анализа      FloEFD.

     3. Для того, чтобы создать цели на каждой поверхности в отдельности, поставьте галочку Создать цель на      каждой поверхности.

     4. В таблице Параметр поставьте галочку Ср в поле Полное давление.

     5. Не снимайте галочку Исп. для сход., чтобы эта цель использовалась для контроля сходимости.

     6. Кликните OK. В дереве анализа FloEFD появятся два элемента ПЦ Ср Полное Давление 1 и ПЦ Ср      Полное Давление 2.


Теперь проект FloEFD готов к расчету. FloEFD завершит расчет, когда средние значения полного давления на входе и выходе шарового крана станут установившимися.


Задание настроек сетки

     1. В дереве анализа FloEFD дважды кликните правой кнопкой мыши по элементу Cетка > Глобальная сетка.

     2. По умолчанию выбран Автоматический режим.

     3. В группе Настройки по умолчанию задан Уровень начальной сетки.

     4. Нажмите кнопку Минимальный зазор. В поле Минимальный зазор введите значение 0.04 m.

FloEFD определяет минимальный зазор и минимальную толщину стенки, исходя из геометрических размеров модели, расчетной области, а также размеров поверхностей, на которых задаются условия и цели. Однако этого может быть недостаточно для разрешения узких зазоров и тонких стенок. В таких случаях необходимо вручную задать Минимальный зазор и Минимальную толщину стенки.

      5. Кликните OK.


Запуск на расчет

     1. Кликните Flow Analysis > Расчет> Запустить. Появится диалоговое окно Запустить.

     2. Для того, чтобы начать расчет, нажмите кнопку Запустить.


FloEFD автоматически сгенерирует расчетную сетку. Вся расчетная область будет разбита на части, которые в дальнейшем будут подразделяться на ячейки. Если возникнет необходимость, ячейки будут дробиться и далее для более подробного разрешения геометрии модели. Вы можете наблюдать за этим процессом в диалоговом окне Генерация сетки.

Наблюдение за расчетом

Вся информация о ходе расчета доступна в Окне монитора. Вы можете отслеживать изменения целей, а также просматривать предварительные результаты.

На нижней панели окна Текущая информация выводятся сообщения? предупреждающие об ошибках, которые могут привести к неверным результатам. В ходе расчета данной задачи появляется сообщение “Возникновение обратного течения на границе”. Оно предупреждает, что на том отверстии, где было задано граничное условие давления, помимо вытекающего потока, образуется обратное течение. В данной задаче обратное течение проникает и во входящий, и в выходящий потоки. Когда образуется обратное течение, точность получаемых результатов снижается. Более того, в некоторых случаях сходимость целей может быть вообще не достигнута (т.е. значение цели не станет установившимся). В любом случае, когда на границе возникает обратное течение, точность результатов гарантировать нельзя.

Если предупреждение не исчезает, следует остановить расчет. Затем необходимо увеличить длину трубы на выходе шарового крана так, чтобы на границе не возникало обратного течения. Также целесообразно увеличить длину трубы на входе шарового крана. т.к. это позволит избежать распространения возмущения потока от препятствия ко входу.

Т.к. предупреждающее сообщение продолжает существовать, кликните Файл> Закрыть для того, чтобы остановить расчет выйдите из Окна монитора. Вы можете просто увеличить длину труб, подходящих к крану и отходящих от него, изменив для соответствующих элементов расстояния смещения плоскостей. Также можно склонировать проект в предварительно созданный объект семейства 40 degrees - long valve.

Клонирование проекта

     1. Кликните Flow Analysis > Проект >Клонировать проект.

     2. В поле Имя проекта введите Project 2.

     3. В списке Конфигурация, в которую необходимо добавить проект выберите Выбрать.

     4. В списке Конфигурации выберите 40 degrees - long valve.

     5. Кликните OK.

     6. Появятся два предупреждающих сообщения FloEFD о том, что модель была изменена. В каждом из них      нажмите Да.

Новый проект FloEFD, соответствующий объекту семейства , имеет такие же настройки, как и предыдущий 40 degrees - short valve.

В дереве анализа FloEFD правой кнопкой мыши кликните по имени проекта Project 2 и из контекстного меню выберите Запустить. Затем, чтобы начать расчет, нажмите кнопку Запустить.

После завершения расчета закройте Окно монитора.

Теперь исследуем обратное течение, обнаруженное FloEFD в процессе расчета, а также рассчитаем потери полного давления в кране.

Просмотр картин в сечении

     1. Правой кнопкой мыши кликните по элементу Картины в сечении и из контекстного меню выберите      Добавить. Появится диалоговое окно Картина в сечении.

Картина в сечении позволяет отобразить на плоскости распределение какого-либо параметра. В качестве плоскости отображения можно использовать плоскости или плоские поверхности модели (с дополнительным смещением, если необходимо). Распределение значений параметров может быть представлено в виде заливки, изолиний, векторов или их сочетанием (например, векторов поверх заливки).


     2. В дереве Навигатор выберите плоскость Front (xz). Эта плоскость появится в поле Выделите плоскость      или плоскую поверхность.

     3. В диалоговом окне Картина в сечении в дополнение к Заливке выберите Вектора.

     4. В качестве отображаемого параметра в группе Заливка выберите Скорость (X).

     5. В группе Вектора значение Расстояние задайте равным 0.012 m, а Размер стрелок - 0.02 m.

     6. В диалоговом окне Картина в сечении кликните OK.

В дереве анализа FloEFD появится новый элемент Картина в сечении 1.

Чтобы рассмотреть получившуюся картину, необходимо сделать модель полупрозрачной. Для этого кликните Flow Analysis > Результаты > Показать > Геометрия.

     1. В дереве анализа FloEFD правой кнопкой мыши кликните по элементу Расчетная область и из      контекстного меню выберите Скрыть.

Вы увидите картину распределения скорости и вектора скорости.

Для лучшей визуализации обратного течения можно изменить масштаб:

     1. В дереве анализа FloEFD правой кнопкой мыши кликните по элементу Картина в сечении 1 и из      контекстного меню выберите Изменить.

     2. В группе Вектора нажмите Корректировать минимум и максимум и для Минимума задайте значение 2      m/s.

При изменении значения Минимума меняется диапазон длин векторов. Таким образом можно отобразить вектора, длина которых меньше первоначально заданного значения Минимума. Это позволит более подробно визуализировать области с низкой скоростью.

     3. Кликните OK, чтобы сохранить изменения и выйти из диалогового окна Картина в сечении. Картина в      сечении сразу же обновится.


Чтобы визуализировать обратное течение, x-компоненту скорости необходимо отобразить на двухцветной палитре. Для цветов следует задать значения, симметричные относительно нуля.

     1. В графической области дважды кликните по палитре. Вы также можете кликнуть по ней правой клавишей      мыши и из контекстного меню выбрать Изменить.

     2. В группе Настройки с помощью ползунка установите Количество уровней равным 3.

     3. В поле Максимум введите 1.

     4. В поле Минимум введите -1.

5. Кликните OK.

Теперь распределение параметра Скорость (X) показано в красно-синей палитре. Красный цвет означает положительные значения скорости, синий- отрицательные. Таким образом, области синего цвета - это зона обратного течения.


Теперь отобразим распределение полного давления в кране.

Настройка списка параметров

Полное давление по умолчанию не включено в список параметров, доступных для отображения. Чтобы сделать какой-либо параметр доступным или недоступным для отображения, следует воспользоваться опцией Настроить список параметров.

     1. На палитре кликните в поле с именем отображаемого параметра и из списка выберите Добавить      параметр.

     2. В открывшемся диалоговом окне Настроить список параметров раскройте группу Нагрузки и поставьте      галочку Полное давление.

     3. Кликните OK, чтобы сохранить изменения.

     4. В графической области дважды кликните по палитре. В открывшемся диалоговом окне в качестве      параметра выберите Полное давление.

     5. В группе Настройки с помощью ползунка установите значение Количества уровней равным 30.

     6. Кликните OK, чтобы сохранить изменения и выйти из диалогового окна Палитра.

Картина обновится, и Вы увидите распределение полного давления в заданной плоскости крана.

Итак, картина течения в кране была исследована. Теперь с помощью целей необходимо определить значения полного давления на входе и выходе, и следовательно, рассчитать гидравлические потери.


Просмотр целей

Постпроцессорный элемент Цели позволяет изучить, как значение цели менялось в процессе расчета. FloEFD выводит данные о цели в документ Excel, который создается автоматически. Данные о каждой цели отображаются на отдельном листе. Установившиеся значения цели выводятся на лист Сводный отчет.
  1. В дереве анализа FloEFD в группе Результаты правой кнопкой мыши кликните по элементу Цели и из контекстного меню выберите Добавить. Появится диалоговое окно Цель.
  2. Выберите Все.

       3. Кликните OK. Будет создан документ Excel Цели 1.

С помощью этого документа можно исследовать, как значение цели менялось в процессе расчета. На листе Сводный отчет представлены значения полного давления.


Значение гидравлических потерь можно было бы рассчитать с помощью Цели-выражения, задав в качестве выражения разность между давлением на входе и выходе. Но для того, чтобы продемонстрировать широкие возможности FloEFD, рассчитаем гидравлические потери другим способом - с помощью газодинамического Калькулятора.

Калькулятор содержит различные гидродинамические формулы, которые могут быть использованы в инженерных расчетах. Калькулятор является удобным инструментом для приблизительной оценки результатов, а также для расчета различных важных характеристик и характерных величин. Все расчеты в Калькуляторе по умолчанию проводятся в Международной системе единиц SI. Все введенные значения преобразуются в соответствии с этой системой единиц. Единицы измерения, заданные пользователем в проекте FloEFD, в Калькуляторе не действуют.

Работа с калькулятором

     1. Кликните Flow Analysis > Инструменты > Калькулятор.

     2. В таблице Калькулятора правой кнопкой мыши кликните в ячейке A1 и из контекстного меню выберите      Новая формула. Появится диалоговое окно Новая      формула.

     3. В дереве Выберите имя новой формулы раскройте группу Давление и температура и поставьте галочку      Потери полного давления.

     4. Кликните OK. В таблице Калькулятора появятся элементы, необходимые для расчета потерь полного      давления.

В столбце Результат (столбец A) находится название формулы, в следующих столбцах (B, C и т.д.) - элементы формулы (переменные и константы). Вы можете ввести значения этих элементов в соответствующие ячейки системе единиц SI или скопировать их из таблицы Целей, построенной в Excel.

     1. Задайте значения, как показано ниже:

Плотность = 998.1934 (плотность воды при температуре 293.2 K), Скорость = 1.


     2. Откройте документ Excel Цели1 и скопируйте Значение цели ПЦ Ср Полное Давление 1 в буфер обмена.

     3. Переключитесь в Калькулятор, кликните в ячейку B2 и нажмите Ctrl+V, чтобы вставить скопированное      значение.

     4. Вернитесь в Excel, скопируйте Значение цели ПЦ Ср Полное Давление 2. Переключитесь в Калькулятор,      кликните в ячейку C2 и нажмите Ctrl+V. Кликните в      любую пустую ячейку. В ячейке Результат сразу же      появится значение Потерь полного давления.


     5. Кликните Файл > Сохранить.

     6. В диалоговом окне Сохранить как перейдите в папку, в которой находится используемая в этом примере      модель шарового крана, введите имя файла ball valve и      кликните Сохранить.

     7. Кликните Файл > Выход, чтобы выйти из Калькулятора.

Чтобы рассчитать величину местных потерь, необходимо из полученного значения потерь полного давления вычесть потери на трение в прямой трубе такой же длины и диаметра. Для этого необходимо провести такие же расчеты в модели шарового крана при угле его поворота 0o. Нужная конфигурация уже существует - 00 degrees - long valve.

Условия в объектах семейства 40 degrees - long valve00 degrees - long valve должны быть одинаковы, поэтому необходимо просто скопировать уже существующий проект FloEFD в объект семейства 00 degrees - long valve.

Склонируйте текущий проект в объект семейства 00 degrees - long valve.

Когда угол поворота крана равен нулю, течение воды осуществляется просто через прямую трубу. Поэтому нет необходимости делать Минимальный зазор меньше значения, определенного автоматически (исходя из геометрических размеров поверхностей модели, на которых заданы граничные условия). Обратите внимание, что задание меньшего значения зазора приведет к построению более подробной сетки, и, следовательно, для расчета потребуется больше процессорного времени и памяти. Чтобы решить задачу наиболее эффективным способом, рекомендуется задать оптимальные настройки.

Изменение настроек сетки

Убедитесь в том, что активным является проект Project 3.

     1. В дереве анализа FloEFD дважды кликните правой кнопкой мыши по элементу Cетка > Глобальная сетка.

     2. Нажмите кнопку Минимальный зазор, чтобы отменить заданное вручную значение.

     3. Кликните OK.

Кликните Flow Analysis > Расчет> Запустить. Для того, чтобы начать расчет, нажмите кнопку Запустить.

После окончания расчета создайте Цель. Будет создан новый документ Excel Цели 2. Перейдите в Excel, затем выберите обе ячейки в столбце Значение и скопируйте их в буфер обмена.

Теперь можно рассчитать потери полного давления в прямой трубе.

     1. Кликните Flow Analysis > Инструменты > Калькулятор.

     2. В меню Калькулятора кликните Файл > Открыть. Перейдите в папку, куда Вы ранее уже сохраняли файл      калькулятора для этого примера, и выберите этот файл      ball valve.fwc. Кликните Открыть.

     3. Кликните в ячейку B4 и на панели инструментов калькулятора нажмите кнопку, чтобы вставить данные из      буфера.

     4. Сохраните существующее значение потерь полного давления: кликните в ячейку A2, нажмите кнопку ,      затем кликните в ячейку A7 и нажмите кнопку .

     5. Дважды кликните в ячейку Имя 7 и введите 40 градусов.

      6. Правой кнопкой мыши кликните в ячейке Полное давление в точке 1 и из контекстного меню выберите      Добавить связь.

     7. Кликните в ячейке B4. Теперь значение полного давления будет извлекаться из ячейки B4.

     8. Правой кнопкой мыши кликните в ячейке Полное давление в точке 2 и из контекстного меню выберите      Добавить связь.

     9. Кликните в ячейке B5. Теперь значение полного давления будет извлекаться из ячейки B5. Сразу же будут      рассчитаны потери полного давления.

Теперь можно определить местные потери в шаровом кране при угле поворота 40 градусов.

Подробнее о FloEFD: http://cad-is.ru/floefd

По вопросам приобретения, бесплатного тестирования и любым другим вопросам, пожалуйста, обращайтесь: 📨  info@cad-is.ru 📞 7 495 740 05 10

Вебинар

Рекомендуем прочитать

No items found.