В данном примере FloEFD рассматривается автомобильный каталитический нейтрализатор выхлопных газов. Каталитический нейтрализатор представляет собой два пористых тела, которые служат катализаторами для преобразования токсичной окиси углерода в диоксид углерода.
При проектировании каталитического нейтрализатора отработавших газов инженеры сталкиваются со следующей проблемой: необходимо уменьшить гидравлическое сопротивление нейтрализатора, увеличив при этом площадь поверхности контакта выхлопных газов и нейтрализатора, т. е. его длина и площадь внутренней поверхности должны быть как можно больше.
Чем равномернее распределяются выхлопные газы по поперечному сечению нейтрализатора, тем он работоспособнее.
Подробнее о FloEFD: http://cad-is.ru/floefd
Вы можете пропустить создание проекта и запустить на расчет готовый проект FloEFD, созданный в соответствии с этим примером. Для этого Вам необходимо открыть сборку catalyst.asm, расположенную в папке A3 - Porous Media\Ready To Run, и запустить на расчет нужные проекты.
1. На ленте инструментов кликните Flow Analysis > Проект > Мастер проекта. В диалоговом окне Мастер проекта введите имя проекта: Isotropic. В списке Конфигурация, в которую необходимо добавить проект выбран элемент Использовать текущую. Внесения изменений не требуется.
Мастер проекта поможет Вам пошагово задать основные свойства и характеристики проекта. На всех этапах, кроме двух (там, где определяются текучие среды и материал по умолчанию), есть некоторые предопределенные значения. Вы можете принять эти настройки, ничего не меняя и нажав Далее, или изменить значения по своему усмотрению. Такими предопределенными настройками являются: система единиц измерения – SI, тип задачи – внутренняя, физических моделей не выбрано, условия на стенках – адиабатическая стенка начальные условия – давление - 1 atm, температура - 293.2 K. Изменения заданных по умолчанию настроек не требуется. Все, что необходимо - выбрать воздух (Air) в качестве текучей среды. Используем панель Навигатора для того, чтобы избежать прохождения всех шагов и получить быстрый доступ к нужным страницам Мастера проекта.
2. Справа нажмите на стрелку >>.
3. На панели Навигатор кликните Текучая среда.
4. Откройте папку Газы, выберите Air и нажмите кнопку Добавить.
5. Т. к. менять другие свойства не требуется, Мастер проекта можно закрыть. На панели Навигатора кликните Завершить.
Нажать кнопку Завершить Вы можете в любой момент. Но если Вы попытаетесь это сделать, не задав обязательные свойства (такие как текучие среды проекта), Мастер проекта не закроется, а страница, на которой необходимо задать свойство, будет помечена восклицательным знаком.
FloEFD сразу же создаст новый проект с прикрепленными данными FloEFD.
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, как показано на рисунке.
3. Нажмите Расход/Скорость и выберите Скорость на входе.
4. Задайте значение Скорости по нормали к поверхности равным 10 m/s.
5. Кликните OK.
Для FloEFD это означает, что в соответствующее отверстие воздух втекает со скоростью 10 m/s.
6. В дереве анализа FloEFD правой кнопкой мыши кликните по элементу Граничные условия и из контекстного меню выберите Добавить граничное условие. Выберите внутреннюю поверхность крышки на выходе, как показано на рисунке.
7. Нажмите Давление и выберите Статическое давление.
8. Не изменяйте заданные по умолчанию Термодинамические параметры, Параметры турбулентности, Параметры пограничного слоя и Опции.
9. Кликните OK.
Для FloEFD это означает, что из соответствующего отверстия модели поток вытекает в область статического атмосферного давления.
Теперь необходимо задать пористые среды. Для начала в Инженерной базе данных необходимо создать новый элемент пористой среды и указать его свойства (пористость, тип проницаемости и т. д.), а затем задать этот элемент на соответствующих компонентах модели.
Нужный материал уже есть в Инженерной базе данных в папке Предопределенные. Вы можете не создавать новую пористую среду, а впоследствии, когда будете назначать материал компоненту, просто выбрать предопределенный материал "Isotropic".
1. Кликните Flow Analysis > Инструменты > Инженерная база данных.
2. В Дереве базы данных выберите Пористые среды / Заданы пользователем.
3. На панели инструментов кликните Новый элемент. Появится незаполненная таблица Свойства элемента. Для того, чтобы задать какое-либо значение, дважды кликните в соответствующей ячейке.
4. Присвойте новой пористой среде имя Изотропная.
5. В поле Комментарии нажмите кнопку <…> и введите необходимые комментарии. Поле Комментарии не является обязательным для заполнения.
6. Значение Пористости задайте равным 0.5.
В данном случае пористость - это эффективная пористость среды, которая определяется как отношение объема, который занимают поры, к общему объему пористой среды. Пористость определяет скорость потока в каналах пористой среды. Скорость газов, в свою очередь, определяет, как долго выхлопные газы находятся в нейтрализаторе. Следовательно, этот параметр влияет на эффективность нейтрализатора.
7. В качестве Типа проницаемости выберите Изотропная.
Сначала рассмотрим пористую среду, проницаемость которой является Изотропной, т. е. не зависит от направления в среде. Затем рассмотрим другой вариант - среду с Однонаправленной проницаемостью, т. е. среду, проницаемую только в одном направлении.
8. В качестве Формы задания сопротивления выберите Перепад давления, расход, размеры.
Для задания сопротивления было выбрано Перепад давления, расход, размеры, т. е. сопротивление среды было задано как k = P×S /(m×L) (измеряемое в s-1). Здесь S, L - площадь поперечного сечения и длина исследуемого образца пористой среды, m - массовый расход выхлопных газов в заданном направлении, P - перепад давления между противоположными сторонами образца в заданном направлении. Для данного проекта примем перепад давления P = 20 Pa при массовом расходе m = 0.01 kg/s (P = 0 Pa при m=0 kg/s), площадь зададим равной S = 0.01 m2, а длину - L = 0.1m. Таким образом, k = 200 s-1. Зная площадь поперечного сечения S и длину L нейтрализатора, добавленного в модель, а также массовый расход выхлопных газов m через него, можно рассчитать примерное значение потерь давления на нейтрализаторе как P = k×m×L/S.
9. В качестве Перепада давления относительно расхода выберите Массовый расход. Нажмите кнопку <…>, чтобы перейти на вкладку Таблицы и графики.
10. В таблице Свойства задайте линейную зависимость перепада давления от массового расхода, как показано на рисунке.
11. Вернитесь на вкладку Свойства элемента.
12. Задайте Длину равной 0.1 m и Площадь равной 0.01 m2.
13. Кликните Сохранить.
14. Кликните Файл > Выход для того, чтобы выйти из базы данных.
Теперь применим созданную пористую среду к компонентам, которые заменяют пористые тела в модели.
Обратите внимание, что пористую среду можно применить только к тому компоненту, который не обрабатывается FloEFD как твердое тело. По умолчанию все компоненты в сборке обрабатываются как твердые тела. Для того, чтобы определить какой-либо компонент не как твердое тело, необходимо отключить его в диалоговом окне Управление компонентами. Когда Вы задаете какие-либо тела как пористые, т. е. применяете к ним условие Пористая среда, они отключаются автоматически, и делать это вручную не приходится.
1. Кликните Flow Analysis > Добавить > Условия > Пористая среда.
2. В дереве Навигатор выберите монолит (компонент Monolith).
3. Раскройте список Заданы пользователем и выберите Изотропная. Если Вы не стали создавать новую пористую среду, выберите материал Isotropic из списка Предопределенные.
4. Кликните OK.
Чтобы рассчитать перепад полного давления между входом и выходом модели, необходимо задать две Поверхностные цели, а на их основе - Цель-выражение.
1. В дереве анализа FloEFD кликните правой кнопкой мыши кликните по элементу Цели и из контекстного меню выберите Добавить поверхностные цели.
2. Для того, чтобы выделить внутреннюю поверхность крышки на входе, в дереве анализа FloEFD выберите элемент Скорость на входе 1.
3. В таблице Параметр поставьте галочку Ср в поле Полное давление.
4. Не снимайте галочку Исп. для сход., чтобы эта цель использовалась для контроля сходимости.
5. В группе Имя шаблона в нижней части диалогового окна окна Поверхностные цели нажмите Вход.
6. Кликните OK - появится новая цель ПЦ Вход Ср Полное давление 1.
7. Кликните правой кнопкой мыши по элементу Цели и из контекстного меню выберите Добавить поверхностные цели.
8. Для того, чтобы выделить внутреннюю поверхность крышки на выходе, в дереве анализа FloEFD выберите элемент Статическое давление 1.
9. В таблице Параметр поставьте галочку Ср в поле Полное давление.
10. Не снимайте галочку Исп. для сход., чтобы эта цель использовалась для контроля сходимости.
11. В группе Имя шаблона в нижней части диалогового окна окна Поверхностные цели Выход.
12. Кликните OK - появится новая цель ПЦ Выход Ср Полное Давление 1.
Цель-выражение - это цель, которая задается в виде аналитической функции существующих целей и/или параметров условий входных данных. Такую цель, как и остальные, можно отслеживать в процессе расчета, а также выводить ее значение в виде результатов. В качестве переменных можно использовать созданные цели, в том числе и цели-выражения (кроме тех, что зависят от других целей-выражений), а также входные данные проекта (общие начальные или внешние условия, граничные условия, вентиляторы, тепловые источники, локальные начальные условия). В определении цели-выражения Вы также можете использовать константы.
1. Кликните правой кнопкой мыши по элементу Цели и из контекстного меню выберите Добавить цель- выражение.
2. На панели в нижней части экрана нажмите кнопку Добавить цель.
3. Из списка Добавить цель выберите цель ПЦ Вход Ср Полное давление 1 и кликните Добавить. Выбранная цель появится в поле Выражение.
4. На калькуляторе нажмите кнопку минус "-".
5. Из списка Добавить цель выберите цель ПЦ Выход Ср Полное давление 1 и кликните Добавить. В поле Выражение появится полученное результирующее выражение.
Для определения Цели-выражения Вы можете использовать цели (включая ранее созданные Цели-выражения), входные данные и константы. Если в выражении какие-либо физические параметры (например, длина, площадь и т.д.) являются константами, следует убедиться, что они задаются в той системе единиц, которая была выбрана для проекта. FloEFD не имеет представления о физическом значении констант, которые Вы используете, поэтому размерность Цели-выражения необходимо задавать вручную.
В качестве переменной в формулу можно добавить площадь или объем элементов модели (поверхностей, компонентов и т.д.). Для этого необходимо предварительно создать соответствующую цель на нужных поверхностях или компонентах по одному из следующих параметров: Площадь (смачиваемая поверхность), Площадь (твердое тело), Объем (смачиваемая поверхность), Объем (твердое тело), а затем добавить созданную цель в формулу в качестве переменной.
6. Убедитесь, что из списка Размерность выбрано Давление и напряжение.
7. Кликните OK. В дереве анализа FloEFD появится новая цель Цель-выражение 1.
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 не меняйте заданные по умолчанию задан Уровень начальной сетки и Минимальный зазор .
4. Чтобы отобразить базовую сетку, кликните Показать базовую сетку.
5. Кликните OK.
1. Кликните Flow Analysis > Расчет > Запустить.
2. Кликните Запустить.
После того, как расчет завершится, закройте диалоговое окно монитора.
1. В группе Результаты кликните правой кнопкой мыши по элементу Цели и из контекстного меню выберите Добавить.
2. В диалоговом окне Цели выберите Цель-выражение 1.
3. Кликните OK.
Откроется таблица Excel с результатами целей. На первом листе находится таблица окончательных значений цели.
Перепад полного давления составляет примерно Pa.
Далее необходимо построить траектории потока, стартовые точки которых равномерно распределены по поверхности входа. С их помощью можно будет увидеть неравномерность распределения массового расхода потока газов по поперечному сечению нейтрализатора.
1. Правой кнопкой кликните по элементу Траектории потока и из контекстного меню выберите Добавить.
2. Для того, чтобы выделить внутреннюю поверхность крышки на входе, в дереве анализа FloEFD выберите элемент Скорость на входе 1.
3. В группе Представление из списка Раскрасить по, выберите Скорость.
4. Кликните Корректировать минимум/максимум и количество уровней и задайте значение Максимума равным 12 m/s.
5. Кликните OK.
Чтобы увидеть траектории потока внутри пористой среды, необходимо сделать модель прозрачной.
1. На ленте инструментов кликните Вид > Каркас.
Вы увидите картину как на рисунке ниже.
Теперь выполним расчет проекта, в котором проницаемость пористой среды будет однонаправленной. Затем сравним эффективность нейтрализаторов с однонаправленной и изотропной проницаемостью.
1. Кликните Flow Analysis > Проект > Клонировать проект.
2. В поле Имя проекта введите Unidirectional.
3. Кликните OK.
Такой материал уже существует в Инженерной базе данных в папке Предопределенные. Вы можете пропустить этот шаг, и впоследствии, когда будете назначать материал компоненту, просто выбрать предопределенный материал "Unidirectional".
1. Кликните Flow Analysis > Инструменты > Инженерная база данных.
2. В дереве Инженерной базы данных выберите Пористые среды / Заданы пользователем.
3. На вкладке Элементы выберите элемент Изотропная.
4. Кликните Копировать.
5. Кликните Вставить . В списке появится новый элемент Копия Isotropic (1).
6. Выберите элемент Копия Isotropic (1) и перейдите на вкладку Свойства элемента.
7. Переименуйте этот элемент в Однонаправленная.
8. Измените Тип проницаемости на Однонаправленная.
9. Сохраните изменения и выйдите из инженерной базы данных.
Теперь созданную пористую среду можно применить к монолитам.
1. Правой кнопкой мыши кликните по элементу Пористая среда 1 и из контекстного меню выберите Изменить.
2. Если Вы пропустили создание новой пористой среды, выберите материал Unidirectional из списка Предопределенные.
3. Из списка Направление выберите ось Z Глобальной системы координат.
Для пористой среды с однонаправленной проницаемостью необходимо задать направление проницаемости как ось выбранной системы координат (в данном случае ось Z Глобальной системы координат).
4. Кликните OK.
Т.к. остальные условия и цели остаются теми же, можно сразу же запустить расчет.
По окончании расчета создайте цель, выбрав Цель-выражение 1.
Отобразите траектории потока, как это было описано выше.
Сравнив траектории потока, проходящие через пористые тела с изотропной и однонаправленной проницаемостью, можно сделать следующие выводы:
Теперь рассмотрим скорость потока внутри нейтрализатора. Ее несложно оценить, т.к. траектории потока окрашены по этому параметру в соответствии с выбранной палитрой. Для того, чтобы можно было произвести сравнение результатов, полученных в двух случаях (когда проницаемость пористых тел является изотропной и однонаправленной), на палитре необходимо задать одинаковый диапазон значений скорости. Это связано с тем, что максимальное значение, определяющее диапазон, в двух случаях по умолчанию является различным. Как видно, скорости потока как в первом, так и во втором варианте являются практически одинаковыми. Таким образом, время нахождения выхлопных газов в нейтрализаторе является одинаковым в обоих случаях.
Итак, можно сделать вывод, что нейтрализатор с изотропной проницаемостью эффективнее нейтрализатора с однонаправленной проницаемостью (при одинаковом сопротивлении). Это объясняется тем, что поток в нем является более равномерным. Однако, несмотря на то, что было задано одинаковое сопротивление нейтрализаторов, в случае использования нейтрализатора с однонаправленной проницаемостью, потери полного давления на % ниже. Это объясняется тем, что в двух случаях степень неравномерности потока как внутри пористых тел, так и за их пределами является разной.
Нас читают уже более 1 000 инженеров