FloEFD: Гидрогазодинамика. Пористые среды

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

Открытие модели

  1. Скопируйте папку A3 - Porous Media в свою рабочую директорию и убедитесь, что с файлов снят атрибут "только для чтения", т. к. FloEFD будет сохранять в них входные данные.
  2. Кликните Кнопка приложения > Открыть.
  3. В диалоговом окне Открыть файл перейдите к сборке catalyst.asm, расположенной в папке A3 - Porous Media и нажмите кнопку Открыть. Убедитесь, что FloEFD for Solid Edge активирован в диалоговом окне Диспетчер надстроек.
FloEFD Модель автомобильного каталитического нейтрализатора выхлопных газов
Модель автомобильного каталитического нейтрализатора выхлопных газов
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.

Создание проекта FloEFD

     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.

FloEFD Создание проекта
Создание проекта
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.

FloEFD Настройка проекта
Настройка проекта

     4. Откройте папку Газы, выберите Air и нажмите кнопку Добавить.

FloEFD Выбор текучей среды по-умолчанию
Выбор текучей среды по-умолчанию

     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.

Задание граничных условий

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

FloEFD Задание граничных условий
Задание граничных условий

     2. Выберите внутреннюю поверхность крышки на входе, как показано на рисунке.

FloEFD Выбор поверхности
Выбор поверхности

     3. Нажмите Расход/Скорость и выберите Скорость на входе.

     4. Задайте значение Скорости по нормали к поверхности равным 10 m/s.

FloEFD Задайте значение скорости на поверхности
Задайте значение скорости на поверхности

     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.

FloEFD Добавление граничных условий
Добавление граничных условий

     7. Нажмите Давление и выберите Статическое давление.

FloEFD Настройка граничных условий
Настройка граничных условий

     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.

Создание изотропной пористой среды в базе данных

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.

FloEFD Дерево базы данных
Дерево базы данных

     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.

FloEFD В качестве Перепада давления относительно расхода выберите Массовый расход
В качестве Перепада давления относительно расхода выберите Массовый расход

     
     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.

FloEFD Задайте линейную зависимость перепада давления от массового расхода
Задайте линейную зависимость перепада давления от массового расхода
FloEFD Задайте параметры длины и площади
Задайте параметры длины и площади

     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.

Задание пористой среды

     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.

FloEFD Создание пористой среды
Создание пористой среды

     4. Кликните OK.

Чтобы рассчитать перепад полного давления между входом и выходом модели, необходимо задать две Поверхностные цели, а на их основе - Цель-выражение.

Задание поверхностных целей

     1. В дереве анализа FloEFD кликните правой кнопкой мыши кликните по элементу Цели и из контекстного меню выберите Добавить поверхностные цели.

FloEFD Задание поверхностных целей
Задание поверхностных целей

     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.

FloEFD Настройка поверхностных целей
Настройка поверхностных целей

     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.

FloEFD Настройка поверхностных целей
Настройка поверхностных целей

     12. Кликните OK - появится новая цель ПЦ Выход Ср Полное Давление 1.

Задание цели-выражения

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.

FloEFD Добавление цель-выражение
Добавление 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.

FloEFD Добавление цель-выражение
Добавление цель-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.

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 не меняйте заданные по умолчанию задан Уровень начальной сетки и Минимальный зазор .

     4. Чтобы отобразить базовую сетку, кликните Показать базовую сетку.

     5. Кликните OK.

Запуск расчета

     1. Кликните Flow Analysis > Расчет > Запустить.

     2. Кликните Запустить.

После того, как расчет завершится, закройте диалоговое окно монитора.

FloEFD Запуск расчета
Запуск расчета

Просмотр целей

      1. В группе Результаты кликните правой кнопкой мыши по элементу Цели и из контекстного меню выберите Добавить.

FloEFD Добавление целей
Добавление целей

     2. В диалоговом окне Цели выберите Цель-выражение 1.

FloEFD Настройка целей
Настройка целей

     3. Кликните OK.

Откроется таблица Excel с результатами целей. На первом листе находится таблица окончательных значений цели.

Перепад полного давления составляет примерно Pa.

FloEFD Расчет перепада давления
Расчет перепада давления

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.


Просмотр траекторий потока

     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.

FloEFD Настройка траекторий потока
Настройка траекторий потока

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.

FloEFD Отображение траектории потока внутри пористой среды
Отображение траектории потока внутри пористой среды

Теперь выполним расчет проекта, в котором проницаемость пористой среды будет однонаправленной. Затем сравним эффективность нейтрализаторов с однонаправленной и изотропной проницаемостью.

Клонирование проекта

     1. Кликните Flow Analysis > Проект > Клонировать проект.

     2. В поле Имя проекта введите Unidirectional.

FloEFD Клонирование проекта
Клонирование проекта

     3. Кликните OK.

Создание однонаправленной пористой среды в базе данных

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.

FloEFD Создание однонаправленной пористой среды
Создание однонаправленной пористой среды

     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.

FloEFD Создание однонаправленной пористой среды
Создание однонаправленной пористой среды

     9. Сохраните изменения и выйдите из инженерной базы данных.

Теперь созданную пористую среду можно применить к монолитам.

Задание пористой среды с однонаправленной проницаемостью

     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.

FloEFD Задание пористой среды с однонаправленной проницаемостью
Задание пористой среды с однонаправленной проницаемостью
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.

Сравнение нейтрализаторов с изотропной и однонаправленной проницаемостью

По окончании расчета создайте цель, выбрав Цель-выражение 1.

FloEFD Сравнение нейтрализаторов с изотропной и однонаправленной проницаемостью
Сравнение нейтрализаторов с изотропной и однонаправленной проницаемостью

Отобразите траектории потока, как это было описано выше.

FloEFD Траектории потока проходящие через пористые тела с изотропной и однонаправленной проницаемостью
Траектории потока проходящие через пористые тела с изотропной и однонаправленной проницаемостью

Сравнив траектории потока, проходящие через пористые тела с изотропной и однонаправленной проницаемостью, можно сделать следующие выводы:

  • Входящий поток является неравномерным, т.к. входное отверстие выхлопной трубы расположено несимметрично по отношению к той ее части, где установлен каталитический нейтрализатор. В силу неравномерности входящего потока поток внутри первого пористого тела также является неравномерным.
  • Тип проницаемости нейтрализатора (изотропная или однонаправленная) влияет незначительно на входящий поток и заметнее на поток внутри нейтрализатора (особенно первого пористого тела). В обоих случаях поток выхлопных газов поступает в первое пористое тело ближе к стенке, находящейся напротив входного отверстия. В случае с изотропной проницаемостью поток более приближен к ней, чем в случае с однонаправленной проницаемостью.
  • В начальной части первого пористого тела (около одной трети длины тела) поток более неравномерен в случае, когда проницаемость пористого тела изотропна.
  • В первом случае вследствие изотропной проницаемости основной поток газа в нейтрализаторе расширяется. Во втором случае однонаправленная проницаемость препятствует расширению потока. Поэтому в случае изотропной проницаемости в остальной части первого пористого тела (две трети его длины) поток равномернее, чем в его начальной части.
  • Т.к. расстояние между пористыми телами довольно мало, в объеме между ними поток газов не успевает стать равномернее. Хотя в случае однонаправленной проницаемости изменения в этом направлении становятся заметны. Таким образом, на входе во второе пористое тело поток также является неравномерным. Как видно, неравномерность потока во втором пористом теле остается неизменной.

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.

По вопросам приобретения, бесплатного тестирования и любым другим вопросам, пожалуйста, обращайтесь:
📨  info@cad-is.ru 📞 7 (495) 175-571-4 или через форму обратной связи: https://www.cad-is.ru/forms/price

Дополнительные статьи по теме