ANSYS Advantage. Русская редакция 9'2008 by Denis Khitrykh

Ìîäåëèðîâàíèå ïðîöåññà ãîðåíèÿ â ïðîìûøëåííîì êîòëå

Îïòèìèçàöèÿ êîíñòðóêöèè íàñîñà-èçìåëü÷èòåëÿ

ЭКОЛОГИЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Ìîäåëèðîâàíèå ðàçðóøåíèÿ ïîäçåìíîãî ãàçîïðîâîäà

ОСЕНЬ 2008

ADVANTAGE

Содержание «ANSYS Advantage. Русская редакция» Инженерно*технический журнал

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

Выходит 4 раза в год Осень 2008 (9) Учредитель: ЗАО «ЕМТ Р»

Генеральный директор: Локтев Валерий

ANSYS AUTODYN Моделирование развития аварийных процессов при разрыве подземного магистрального газопровода ........................................................... 3

ANSYS Multiphysics Термопрочностной анализ инновационной конструкции солнечной панели ................................................................................................. 10

Над номером работали: Ларин Михаил Кабанов Юрий Хитрых Денис Юрченко Денис

Использование ANSYS Multiphysics для оптимизации конструкции термоэлектрического охладителя ....................................................................... 12

Переводчик: Юрченко Анна

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

Интернет группа: Николаев Александр

Многодисциплинарные расчеты морской ветроэнергетической установки .......................................................... 15

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 Адрес редакции 111672 Россия, Москва, ул. Суздальская, 46, Тел.: (495) 644-0608 Факс: (495) 644-0609

Численный анализ пожаровзрывоопасности объектов нефтегазовой отрасли, промышленности и строительства ............................. 29

Тираж 1500 экз. Цена свободная

Расчет характеристик турбомашин при запуске CFX в пакетном режиме............................................................................................... 36

Оптимизация конструкции насоса-измельчителя с использованием CFD ........................................................................................ 32

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

© 2008 ANSYS, Inc. © 2008 ЗАО «ЕМТ Р» Перепечатка опубликованных материалов только с письменного разрешения редакции, за исключением кратких цитат в материалах информационного характера. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов

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.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

Международная конференция ANSYS 2008 2 26-28 августа в Питсбурге (шт. Пенсильвания, США) прошла 14-я Международная конференция ANSYS — ANSYS 2008. За последние двадцать лет использование технологий компьютерного моделирования стало ключевым моментом в процессе разработки новых изделий, а, следовательно, возросла и значимость ежегодных международных конференций ANSYS. По сравнению 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 высокую эффективность автоматизированных многодисциплинарных решений ANSYS в условиях постоянного роста требований со стороны пользователей. Участники конференции получили возможность узнать о влиянии технологий ANSYS на различные отрасли промышленности, пообщаться с разработчиками и ведущими менеджерами компании ANSYS, Inc. «Мы считаем, что внедрение компьютерного моделирования ускоряет процесс проектирования. — сказал James Cashman, президент и исполнительный директор ANSYS, Inc. — И мы постоянно убеждаемся в своей правоте, обща-

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

www.ansyssolutions.ru

ясь с нашими клиентами со всего мира. Компании, применяющие компьютерное моделирование в процессе разработки продукции, получают существенные преимущества в условиях глобальной 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 (обсуждение технологий ANSYS и их применения в процессе производства продукции). В рамках General Session были заслушаны следующие доклады: «Перспективы стратегии Simulation Driven Product Development» президента и исполнительного директора ANSYS, Inc. James Cashman, «Планы и стратегия развития ПО ANSYS, Inc.» вице-президента, ANSYS, Inc. Dipankar Choudhury, «Использование CFD-технологий для получения преимуществ при разработке новых гоночных автомобилей» руководителя 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 компании ЕМТ Р в конференции стала встреча с основателем компании ANSYS, Inc. — доктором John Swanson (Джон Свонсон). В компании ANSYS, Inc. Дж. Свонсон занимал должность президента и исполнительного директора. После выхода на пенсию в 1999 году он стал ведущим научно-техническим консультантом компании. До основания компании ANSYS, Inc. Дж. Свонсон работал в научно-исследовательском центре Westinghouse Astronuclear Laboratory. В 1998 году доктор Свонсон получил награду Американского общества инженеров-механиков (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 удостоены Орвилл Райт, Александр Белл, Альфред Нобель, Томас Эдисон, Джордж Вестингхаус и др. Сегодня доктор Свонсон является авторитетным экспертом в области применения методов конечных элементов и возглавляет компанию Swanson Analysis Services, Inc.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

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 газопроводов высокого давления за счет распространения поражающих факторов в окружающей среде способны нанести существенный ущерб расположенным вблизи разрыва объектам и сооружениям. Анализ развития аварийных ситуаций при разрыве трубопровода с использованием численных технологий ANSYS в различных природных и геологических условиях и при различных технических решениях позволяет оценивать масштабы и уровни воздействия, вырабатывать наиболее эффективные принципы защиты для уменьшения воздействия поражающих факторов на оборудование и окружающую среду, предотвращать развитие 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, разрушение участка трубы и вскрытие грунтового массива, истечение газа в атмосферу, инициирование зажигания газо-воздушной смеси, диффузионное горение или переход режима распространения пламени в ударно-волновую форму. Особого внимания, из-за значительных объемов нанесенного ущерба, заслуживают разрывы, происходящие на многониточных газопроводах, узлах пересечений различных магистралей, а также в непосредственной близости от хранилищ, перерабатывающих предприятий, насосных станций и пр. В таких ситуациях существует вероятность вовлечения в аварию соседних объектов и возникновения 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.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии •

ударно-волновое воздействие, возникающее при разрыве трубы наполненной сжатым газом и распространяющееся в прилегающих к трубопроводу средах — в грунте или воде и в воздухе; осколочное воздействие разлетающихся • фрагментов труб и материалов, близко расположенных от места разрыва — частиц грунта, каменистых включений, льда и пр.; термическое и компрессионное воздей• ствие при воспламенении и струйном горении либо дефлаграционном взрыве газовоздушной смеси. В статье подробно рассматривается методика расчета нестационарной стадии прогрессирующего разрушения трубопровода с применением комплексов семейства Explicit — ANSYS AUTODYN и ANSYS LS-DYNA. Программные продукты ANSYS позволяют также выполнять расчетные исследования для всех стадий развития аварии. Квазистатические задачи прочности трубопроводов с различными дефектами могут быть наиболее эффективно решены программным комплексом ANSYS Mechanical методом конечных элементов с привлечением аппарата механики разрушений. После завершения формирования грунтовой воронки поток газа из трубы принимает квазистационарный характер. Для расчета течений многокомпонентных газовых сред и возможного горения газовоздушных смесей эффективнее применять программные комплексы ANSYS FLUENT и ANSYS CFX, которые в отличие от эйлеровых Explicit решателей, используют более точные полные уравнения газовой динамики НавьеСтокса. Методы трансляции результатов расчетов позволяют достаточно широко использовать результаты предыдущих этапов расчетов, например, преднагруженное состояние трубопроводов или геометрию воронки в грунте из ANSYS Implicit в LS-DYNA и из LS-DYNA в ANSYS CFX. Решение нестационарных задач деформирования труб, грунтового массива и течения газа из разрыва предпочтительнее проводить численными методами, основанными на явном методе 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 сплошной среды, а также возможность расчета материалов с прочностью в эйлеровых координатах, для быстропротекающих процессов дают Explicit методам несомненное преимущество перед «традиционной» связкой Implicit Mechanical и CFD.

www.ansyssolutions.ru

Рассмотрено несколько альтернативных подходов к постановке задач. Если для трубопроводов однозначно рекомендуется использовать оболочечную модель, то для грунтовой среды и природного газа существует несколько вариантов описания. Наиболее простой путь — моделирование грунта в лагранжевой постановке позволяет более точно описать контактное взаимодействие труба — грунт, а также использовать прямой импорт модели с преднагруженным состоянием из ANSYS Implicit или ANSYS CivilFEM. В отдельных случаях лагранжев метод может быть заменен произвольным лагранжево-эйлеровым методом ALE, позволяющим проводить операции сглаживания и выравнивания сетки в областях с большими деформациями. В отношении контактных взаимодействий метод ALE идентичен лагранжевому, т.к. операции выравнивания сетки выполнятся только для внутренних областей. При накоплении больших деформаций в зоне образовании воронки в грунте из-за возникающих сильных искажений элементов лагранжевы методы катастрофически теряют точность. Процедура удаления вырожденных элементов отчасти способствует повышению стабильности решения, но появление в системе чрезмерного нефизического дисбаланса массы может приводить к большим вычислительным ошибкам. Расчет грунтовой среды в эйлеровой постановке существенно повышает точность в описании областей, подвергаемых большим деформациям и разрывам при сохранении континуальной постановке в описании сплошной среды. В прикладных программах LS-DYNA и AUTODYN эйлеровы решатели реализованы в эйлеровом многокомпонентном методе ALE и методе конечных объемов Годунова, соответственно. К описанию газа можно также подойти по разному — с помощью динамического граничного условия, либо прямым моделированием газообразной среды, преимущественно в эйлеровой постановке. Ввиду того, что давление газа в трубе будет существенно меняться с деформациями трубы, моделирование нагружения трубы внутренним постоянным давлением справедливо лишь на начальной стадии разрыва и при незначительном объеме подземной газовой полости. Использование многокомпонентного эйлерова решателя для моделирования всех материалов, находящихся в расчетной области — газа, грунта и воздуха, позволяет на единой сетке рассчитывать течения физически разнородных сред при контактном взаимодействии всех материалов с трубопроводом. Методы линейной и кусочно-линейной аппроксимации границ раздела сред — PLIC (piecewise linear

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 ортогональную расчетную сетку без ущерба точности 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 операции «FILL», в LS-DYNA — картой *INITIAL_ VOLUME_FRACTION_GEOMETRY. Предлагаемая методика расчета развития аварийной ситуации, позволяет учитывать следующие особенности: связанный расчет течения материалов в • трубах — газа или нефти, с учетом притока материала в расчетную область из удаленных участков трубопроводов; • расчет поведения грунтовой среды в рамках нелинейной упругопластической модели с возможностью моделирования больших деформаций, разрывов, дробления, учета реальной геологической структуры; • моделирование поведения труб в рамках оболочечной теории с возможностью пластического течения материала, упрочнения и разрушения по критерию исчерпания пластичности; • учет преднагруженного состояния системы под действием силы тяжести и внутреннего давления. По вычислительным возможностям для методов, используемых в данном классе задач, Explicit комплексы ANSYS AUTODYN и ANSYS LS-DYNA практически идентичны. LS-DYNA – программный комплекс имеющий непревзойденные характеристики по скорости выполнения счета, имеет широкие возможности связи и импорта с другими CAE системами, включает в себя большое количество решателей и их модификаций, в том числе некоторые специализированные — CFD, EFG, Implicit FE и пр. ANSYS AUTODYN, в свою очередь, располагает эйлеровым решателем более высокого порядка точности, интерактивным интерфейсом с широкими возможностями «горячего» рестарта, имеет более гибкие настройки по формированию модели материалов, включает библиотеку константных наборов. AUTODYN представляет собой полностью интегрированный комплекс, в котором подготовка, решение и просмотр результатов происходит в одном графическом интерфейсе (см. рис. 2). В препроцессоре ANSYS LS-DYNA нет поддержки эйлеровых решателей и некоторых

www.ansyssolutions.ru

типов материалов, поэтому формирование и решение задачи должно проводиться в несколько этапов — генерация сетки в препроцессоре ANSYS, корректировка модели препроцессором LS PrePost и запуск решателя LS-DYNA (см. рис. 3). Для подобного класса задач наибольшую сложность представляет выбор модели физико-механического поведения грунтовых сред, а также получение константных наборов для определенного класса грунтов. Основными свойствами грунтовых сред, которые необходимо учитывать при моделировании компрессионного воздействия на грунтовые массивы,

Ðèñ. 2. Ìîäåëèðîâàíèå ðàçðóøåíèÿ ïîäçåìíîãî ãàçîïðîâîäà â ANSYS AUTODYN. являются: наличие внутреннего трения, необратимость объемных и сдвиговых деформаций, пластическое течение и разрушение скелета грунта. В работе используется модель упругопластической сжимаемой среды с теорией пластического течения Прандтля-Рейсса, учитывающая нелинейные процессы сдвигового и объемного деформирования. Основные определяющие соотношения этой модели зависимости предела текучести от давления и давления от объемной деформации схематически проиллюстрированы на рис. 5. Подобная достаточно простая упругопластическая модель с критерием пластичности типа Друккера-Прагера успешно использовалась для расчета поведения грунтов, подвергаемых сильному компрессионному воздействию в условиях больших деформаций [2]-[4]. В рамках решения тестовых задач разрыва одиночной трубы в двумерной плоской постановке оценивались наиболее значимые факторы влияющие на процесс разрушения и нагружения грунтового массива, такие как тип грунта, глубина заложения трубы, конфигурация разрыва, учет притока газа в зону разрушения из тру-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

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 ðåøàòåëåì ANSYS/LS-DYNA

4. Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ â LS-PREPOST

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

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

бы и пр. Предварительные результаты, полученные в комплексе LS-DYNA (см. рис. 6), позволили сделать вывод о существенном качественном влиянии на процесс всех выше перечисленных факторов. На технологическом уровне подобраны оптимальные типы решателей и определены необходимые параметры пространственной дискретизации задачи. Полноценный анализ прогнозирования каскадного эффекта при аварии на узле пересечения может быть проведен только в трехмерной постановке. Рассматривалась ситуация разрыва только нижней трубы при пересечении магистральных трубопроводов диаметром до 1,4 м под углом в 90°. Для корректного моделирования НДС трубопроводов, особое внимание следует уделять описанию удаленных участков трубоп-

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

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Ðèñ. 6. Ìîäåëèðîâàíèå ðàçðóøåíèÿ ãàçîâîé òðóáû è îáðàçîâàíèå âîðîíêè â ãðóíòå â äâóìåðíîé ïëîñêîé ïîñòàíîâêå. роводов и модели притока газа из магистрали. В случае пренебрежении транспортным движением газа по трубам имеется возможность использовать 1/2 или 1/4 симметрию. Как в AUTODYN, так и в LS-DYNA решение задачи должно проводиться в два этапа: первый — квазистатический расчет преднагруженного состояния системы трубопрободы-газ-грунт, второй — инициирование трещины и непосредственный расчет развития аварии. Расчетным путем установлено чрезвычайно сильное влияние места расположения первоначального разрыва и его конфигурации на условия нагружения грунтового массива и соседнего трубопровода. В рамках данной постановки расчет скорости роста магистральной трещины не проводился. Распространение трещины учитывалось принудительной генерацией разрыва с постоянной скоростью, соответствующей экспериментальным данным. Предполагалось, что трещина распространяется на длину двух сварных участков трубы общей длиной 12 м и затем останавливается. Как продемонстрировано на рис. 7, наихудшие условия нагружения для соседней трубы будут реализовываться при инициировании разрыва непосредственно в эпицентре пересечения. При иных условиях результаты, полученные для модели с ростом трещины и мгновенным разрывом, практически идентичны. Главным фактором, определяющим нагрузки на грунтовой массив и соседний трубоп-

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

www.ansyssolutions.ru

ровод, будет являться импульс воздействия сжатого газа, который прямо пропорционален времени существования подземной газовой полости до момента вскрытия грунта, после которого происходит резкий сброс давления и установление режима квазистационарного истечения газа в атмосферу. Как продемонстрировано на рис. 8, расположение точки инициирования трещины в трубе существенно влияет на механизм и характерное время вскрытия грунта. При верхней конфигурации трещины газовая полость интенсивно 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 высокоскоростные ударные воздействия осколков и прочих предметов на верхнюю трубу маловероятны, ее нагружение происходит преимущественно вырывающимся из разрыва газовым потоком. Принципиально иная ситуация наблюдается 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 «обхода» трубы, когда диаметр подземной полости будет составлять уже 2-3 исходных диаметра, либо за счет вертикального смещения всего слоя грунта, совместно с трубами. Участок разорванной трубы воздействует на верхнюю трубу через прослойку грунта и в дальнейшем отрывается от основной магистрали. Как видно из рис. 8 б, даже после прорыва газовой полости, оторванный кусок нижней трубы продолжает экранировать газовый поток, увеличивая нагрузку на верхнюю трубу. По сравнению с предыдущей ситуацией, время вскрытия грунта, а соответственно и действующий импульс, увеличивается примерно в 2-3 раза. При глубине заложения нижней трубы 3 м, это время будет составлять около 0,3 с и 0,8 с, соответственно. Пластические деформации материала верхней трубы при нижнем расположении тре-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

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

www.ansyssolutions.ru

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

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

щины приближаются к опасному уровню. Специфика развития аварии при боковом разрыве практически совпадает с верхним. Таким образом, при равновероятном расположении первичного очага разрушения, вероятность развития аварии по наиболее опасному механизму нижнего вскрытия будет составлять около 25%. Анализ результатов показал, что с увеличением прочностных свойств грунта и глубины заложения аварийной трубы уровни воздействий, как и вероятность возникновения каскадного эффекта увеличиваются. В связи с этим, наиболее перспективным принципом минимизации ущерба на узлах пересечений при авариях может являться искусственное ослабление прочностных свойств грунта, засыпаемого в траншею после укладки газопроводов в местах их пересечений. Пути дальнейших исследований и совершенствования методики могут направлены на уточнение критерия разрушения трубных сталей путем введения кинетической модели зарождения и накопления микроповреждений, уточнения условий притока природного газа с учетом вол-

ны разряжения, распространяющейся по магистрали от места разрыва, учета реальных геологических 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 Федерации Ассоциация «Башкирская Ассоциация Экспертов» (г. Уфа) при поддержке Управления по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по Республике Башкортостан и Министерства промышленности, инвестиционной и инновационной политики Республики объявляют открытый конкурс «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах». Основной целью конкурса является выявление наиболее актуальных и перспективных разработок в области промышленной и экологической безопасности. На конкурс принимаются проекты по 5 номинациям, в том числе одна номинация непосредственно касается решений компании ANSYS, Inc.: «ANSYS в решении задач промышленной и экологической безопасности» (Номинация №5). Компания ЗАО «ЕМТ Р» примет участие в данном мероприятии в качестве информационного партнера и соорганизатора. Кроме этого, на

www.ansyssolutions.ru

нее возложена роль экспертизы исследовательских проектов, выдвигающихся на Номинацию №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 согласия 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 описание 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: bashexpert@mail.ru.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

Термопрочностной анализ инновационной конструкции солнечной панели

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

Сегодня эффективными источниками возобновляемой энергии являются термоэлектрические солнечные элементы, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую. Однако внешний вид солнечных панелей не всегда вписывается в дизайн здания. Компании Open Energy Corp. (Солона Бич, Калифорния, США) удалось решить данные проблемы с помощью панелей SolarSave® , которые размещаются на крыше таким образом, что их практически не заметно между черепицей. Панели спроектированы для установки вместе с обычной черепицей так, чтобы они не выделялись на общем фоне крыши. Таким образом, панели 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 эффективность работы солнечных панелей, менедже-

ры Open Energy обратились в компанию Stein Design с целью оптимизации конструкции панели. Проектная длина новой панели должна была составить ~1,22 м (4 фута∗), при этом согласно техническому заданию необходимо было сократить количество используемых электрических схем, распределительных щитов и другого оборудования по сравнению с предыдущей более короткой моделью (~0,91 м или 3 фута). При проведении расчетов специалисты Stein Design использовали программное обеспечение ANSYS DesignSpace. Первым этапом была оценка конструкции старой трехфутовой панели. Трехмерная CADмодель импортировалась из SolidWorks® в ANSYS DesignSpace для проведения расчета напряженно-деформированного состояния. Учитывались следующие нагрузки: 1. 14,4 кПа, что соответствует проектным и строительным нормам по снеговым нагрузкам в США и Канаде;

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

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Ðàñïðåäåëåíèå íàïðÿæåíèé è äåôîðìàöèÿ îò íàãðóçêè ïðè õîäüáå ïî òðåõôóòîâîé ïàíåëè. 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 использовании нагрузки в 300 кПа. Результаты расчетов показали, что трехфутовая пластиковая конструкция была достаточно прочной, чтобы выдерживать нагрузки от передвижения по ней, а также снеговые нагрузки. Однако возникла необходимость в дополнительном анализе четырехфутовой панели, поскольку 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 лучей летом и суровых климатических условиях зимой. Для учета данных факторов, необходи-

мо было разделить пластиковую раму на две части с расширительным соединением и добавить 10% наполнителя, что привело бы к уменьшению разницы линейных расширений между стеклом и четырехфутовой пластиковой рамой до 1/3 аналогичного показателя старой трехфутовой рамы. Целью следующего этапа моделирования было уменьшение толщины конструкции и изменение конфигурации стенок и ребер рамы для экономии материала, сокращения времени цикла литья и, соответственно, затрат на производство. Номинальная толщина стенки трехфутовой панели составляла 0,53 см, толщина ребра — 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 четырехфутовой, а запас прочности рамы увеличился втрое (до 63 МПа). Результаты расчетов показали, что при изготовлении четырехфутовой рамы расходуется меньше материала, а время производства сокращается на треть. Использование программного комплекса ANSYS DesignSpace сыграло ключевую роль в оптимизации конструкции панели, поскольку инженеры получили возможность быстро и легко выполнять тепловой расчет и анализ напряженно-деформированного состояния конструкции. Кроме этого, данный комплекс широко интегрирован с большинством CAD-пакетов, что обеспечивает ассоциативность и удобный импорт геометрических моделей различных форматов. Таким образом, применение технологий ANSYS позволяет найти оптимальное решение, соответствующее современным техническим нормам и способствующее выполнению проекта в максимально сжатые сроки. * 1 фут = 0,3048 м

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.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

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 механической прочности и тепловых характеристик новых термоэлектрических охладителей. В термоэлектрических охладителях (TEC) в процессе охлаждения используются полупроводники в закрытом корпусе без подвижных частей. Благодаря бесшумной работе и не-

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.

www.ansyssolutions.ru

большим размерам устройство широко используется для местного охлаждения электронных компонентов в оборудовании, используемом в аэрокосмической, оборонной, медицинской, телекоммуникационной и других отраслях. В экстремальных условиях, например, в спутниках и телескопах, TEC устанавливаются друг на друга с целью достижения необходимых температур с холодной стороны теплообменника. При традиционном расположении термоэлементов (в форме пирамиды) набор элементов получается слишком высоким и часто возникают проблемы с их размещением в ограниченном пространстве. Для решения данных проблем специалисты Marlow Industries разработали проект ново-

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

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

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). го плоского многоступенчатого TEC, разместив термоэлементы параллельно, без нагромождения. В связи с кардинальными конструктивными изменениями, специалисты обратились к программному комплексу ANSYS Multiphysics для проведения в сжатые сроки анализа термоэлектрических характеристик и термомеханических напряжений в устройстве. Компания Marlow Industries не случайно выбрала программный комплекс ANSYS Multiphysics. Данный комплекс считается единственным коммерческим пакетом для выполнения расчетов методом конечных элементов с возможностью моделирования трехмерных термоэлектрических эффектов с заданной степенью точности. При использовании ПО ANSYS можно проводить связанное термоэлектрическое моделирование при расчете плотностей и температур электрического тока TEC с учетом джоулева нагрева и электротермического эффекта Пельтье. Инженеры компании Marlow ис-

пользовали полученные при термоэлектрическом анализе температурные данные для расчета статического НДС конструкции. Затем полученные результаты использовались для прогноза термических напряжений в термоэлектрических материалах с учетом разницы температур в корпусе TEC. В результате термоэлектрического моделирования планировалось получить распределение температур в устройстве. При создании модели была задана постоянная температура на нижней границе припоя, а в области холодной керамической границы было задано граничное условие радиационного теплообмена. Тепловая нагрузка (в процессе моделирования рассматривалось охлаждаемое теплогенерирующее устройство) задавалась на холодной стороне TEC, а на электрических зажимах пропускался постоянный ток для достижения термоэлектрического охлаждения. В результате моделирования были получены минимальная температура холодной стороны, перепад напряжений и электрическое сопротивление TEC. Полученное распределение температур в корпусе TEC использовалось при его статическом температурном анализе. Для имитации рабочих условий ТЕС припой на горячей стороне устройства располагался на нижней поверхности. Для сравнения различных проектов TEC задавалось максимальное основное напряжение, что особенно актуально в случае использования хрупких материалов, таких как теллурид висмута. Инженеры компании Marlow задавали максимальное основное напряжение на термоэлементе, и впоследствии корректировали расчетную сетку на данном участке для получения полной сходимости. Используя график распределения максимальных основных напряжений в стандартном термоэлементе с наибольшей величиной напряжения, команда инженеров пришла к выводу, что максимальное напряжение будет локализоваться на углах термоэле-

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

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии жение на наиболее высоконапряженном термоэлементе. Результаты исследования показали, что уровни максимального основного напряжения плоского устройства сопоставимы с аналогичными показателями традиционных устройств. Тепловые характеристики были почти эквивалентны. Соответствие между показателями напряжений традиционного и нового устройств убедило специалистов в целесообразности использования плоского многоступенчатого устройства. Проведение подобных исследований не было бы возможным без использования программных средств ANSYS Multiphysics.

Как работает термоэлектрический охладитель?

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. мента, что подтвердило более раннюю гипотезу специалистов Marlow о причине поломок в термоэлементах. Инженеры компании Marlow также провели сравнение уровней механических напряжений эквивалентных в термоэлектрическом плане традиционного и нового устройств, каждое из которых в свою очередь состояло из трех эквивалентных ступеней. В модели рассматривались три различных по величине тока, и было зафиксировано максимальное основное напря-

Работа термоэлектрического охладителя основывается на так называемом эффекта Пельтье, согласно которому охлаждение происходит, когда малый электрический ток проходит в месте соединения двух разнородных термических материалов: полупроводника р-типа с недостаточным количеством электронов в атомах и полупроводника n-типа с избытком электронов. Ток проходит по проводникам, соединенным полупроводниками, между материалами находятся керамические пластины. Когда на термоэлементах n-типа задается малое позитивное напряжение постоянного тока, электроны переходят из материала pтипа к материалу n-типа, и в связи с поглощением тепла температура на холодной стороне падает. Поглощение тепла (охлаждение) зависит от силы тока и количества термоэлементов. Затем тепло передается горячей стороне охладителя и рассеивается в окружающую среду.

Вопрос-ответ Планирует ли компания ANSYS, Inc. выпустить новый продукт взамен снятого с продажи программного продукта BladeGen Plus? В настоящее время компания ANSYS, Inc. предлагает альтернативные решения под общим названием Vista. Это семейство программных продуктов для предварительной оценки характеристик насосов и центробежных компрессоров, которое ранее разрабатывалось компанией PCA Engineers. В текущей версии эти программные продукты доступны непосредственно через BladeGen: File→New→Vista Centrifugal Compressor/Pump Design.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

Многодисциплинарные расчеты морской ветроэнергетической установки Fabian 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

В последние годы все больше стран инвестируют в разработку возобновляемых источников энергии, в частности, в развитие ветровой энергетики в шельфовых районах. Однако строительство ветряных турбин в морской среде сопряжено с определенными техническими трудностями. Например, при проектировании несущих конструкций ветровых турбин, работающих в морской среде (OWT), должна учитываться эксплуатация на большой глубине. Кроме этого, вследствие частых штормов, больших волнений на море, воздействия соленой воды и порывов ветра, турбины и их несущие конструкции испытывают значительные перегрузки. Использование

методов компьютерного моделирования позволяет проектировать сравнительно недорогие и надежные ветровые турбины, предназначенные для работы на шельфе.

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).

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

Ìîäåëèðîâàíèå âîëíîâûõ íàãðóçîê â ANSYS ASAS. Для определения усталости конструкций и прогноза срока службы необходимо провести детальный 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 необходимо учесть целый ряд факторов, в частности, ветровые нагрузки при турбулентных режимах обтекания, систему контроля турбины, воздействие волновых нагрузок и течения, отклик несущей конструкции, а также характеристики грунта на глубине забивки свай. Для выполнения комплексного моделирования OWT со всеми несущими конструкциями инженеры 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 помощью этого программного продукта инженеры CWMT определили влияние окружающей среды (действие ветра, структура и тип волны, волнение моря и поведение океанических течений) и конструктивного взаимодействия грунт-свая на функциональные возможности OWT.

www.ansyssolutions.ru

Программное обеспечение ADCoS разрабатывается компанией Aero Dynamic Consult Ingenieurgesellschaft, и используется при проектировании OWT для изучения действующих на нее нагрузок и получения конечных динамических характеристик. Следует отметить, что подробная информация обо всех источниках нагрузок и их взаимодействии существенно повышают надежность и экономичность ветровых турбин, предназначенных для работы на шельфе морей. Для определения реакции опорного основания турбины на волновые нагрузки инженеры CWMT создали конечноэлементную модель всей опоры. В частности, для создания балочной модели несущих конструкций использовалось программное обеспечение ANSYS Mechanical. Затем с помощью специального интерфейса ANSYS-toASAS инженеры CWMT перенесли модель в ANSYS ASAS. Инженеры CWMT использовали программный продукт ASAS-WAVE для расчета влияния волновых нагрузок на несущую конструкцию. С помощью ASAS-WAVE учитывались линейные и нелинейные нагрузки, а также состояния нерегулярного волнения. Нагрузки были рассчитаны с использованием уравнения Морисона, а за-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

тем сохранены как эквивалентные узловые нагрузки в текстовый файл. Впоследствии, по рекомендации Американского института нефтепродуктов (American Petroleum Institute), было произведено нелинейное моделирование с использованием P–Y методики, 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-

ченной в ASAS-SPLINTER и волновых нагрузок из ASAS-WAVE. Моделирование несущей конструкции, расчет волновых нагрузок и оценка взаимодействия грунт-свая выполнялись с использованием одного командного файла в пакетном режиме. В процессе всего исследования инженеры CWMT использовали программные комплексы ANSYS Mechanical для создания конечноэлементной модели конструкции и ANSYS ASAS Offshore — для определения гидродинамических нагрузок и характеристик грунта. Адаптивная архитектура указанных программных комплексов позволила им успешно взаимодействовать с ADCoS. В результате инженеры CWMT получили историю нагружения и характеристики усталостной прочности. Специалисты CWMT смогли оптимизировать конструкцию ответственных деталей турбин. Это позволит в будущем сделать работу ветровых электростанций в морской среде более надежной и экономичной. Статья подготовлена к публикации Михаилом Лариным

Áëîê-ñõåìà ïðîöåññà ìîäåëèðîâàíèÿ àýðîãèäðîóïðóãîñòè ñ èñïîëüçîâàíèåì ANSYS è ADCoS. вия материала грунта. Результаты моделирования использовались при создании матриц жесткости для каждой сваи. Специалисты CWMT использовали полученные матрицы в сочетании с нагрузками, определенными ранее в ANSYS ASAS. Конечное моделирование аэрогидроупругости было выполнено инженерами CWMT в программном комплексе ADCoS. При этом использовались данные из модели ANSYS Mechanical, с учетом матрицы жесткости, полу-

Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ.

www.ansyssolutions.ru

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-50038060, 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.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

Программный комплекс CivilFEM with ANSYS 11.0. 18

Обзор возможностей модуля проектирования и расчета мостовых пролетных конструкций. Юрий Кабанов, ведущий инженер, ЗАО «ЕМТ Р»

Объекты строительного проектирования в Москве и других крупных городах и мегаполисах с каждым годом становятся все более сложными с конструктивной точки зрения. Особенно остро стоит задача решения транспортной проблемы: реконструкция существующих дорог и мостов, строительство новых магистралей, автомобильных путепроводов и развязок. 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 технологичности проводимых работ. В статье рассмотрен один из модулей программного комплекса CivilFEM with ANSYS 11.0 для проектирования и расчета мостовых пролетных строений — Bridge and Civil Non-Linearities, а также пример его практического применения совместно со специалистами института МосИнжПроект (г. Москва) для поверочного расчета криволинейного предварительно напряжённого пролётного строения автодорожной эстакады. Программный комплекс CivilFEM with ANSYS 11.0 позволяет выполнять весь спектр строительных задач, стоящих перед современными проектировщиками — от расчета сложных пространственных надземных конструкций до решения геотехнических задач, таких как расчет крепления котлованов, различных фундаментов, устойчивости склонов и откосов, фильтрационные 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 настоящей статье расчеты были выполнены специа-

www.ansyssolutions.ru

листами ЗАО «ЕМТ Р» и МосИнжПроект в рамках совместных проектов НИОКР, а также адаптации расчетных процедур CivilFEM with ANSYS 11.0 к нормам проектирования и условиям РФ.

Новые возможности комплекса CivilFEM with ANSYS 11.0 Перед тем, как приступить к рассмотрению модуля проектирования и расчета пролетных строений, необходимо осветить возможности последней версии программного комплекса для более полного понимания всех особенностей данного инженерного инструмента. В программном комплексе CivilFEM with ANSYS 11.0 реализованы следующие возможности, ранее недоступные в предыдущих версиях программы: 3D-препроцессор; • поддержка 64-битной архитектуры Windows • x64, благодаря которой появляется возможность 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 кручение); 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-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

• • •

нерация процессов рождения и смерти элементов; 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).

Ðèñ. 2. Ñïëîøíîå ñå÷åíèå ìîñòà.

Ðèñ. 1. Ìàñòåð ïðîåêòèðîâàíèÿ òîííåëåé.

Модуль проектирования и расчета пролетных строений Bridge and Civil Non-Linearities Данный модуль включает в себя все необходимые 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);

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 3. Êîðîá÷àòîå ñå÷åíèå ìîñòà. •

генерация вариантов нагружения для проектируемых мостов. Программный комплекс CivilFEM with ANSYS 11.0 создает модель моста, используя следующие типы конечных элементов из библиотеки ANSYS (см. таблицу): SOLID45, SOLID95, SURF154 Beam BEAM44 Mesh only element MESH200 Ýëåìåíòû, ïîääåðæèâàþùèå ãåíåðàöèþ íàãðóçîê 3D Solid Model SURF154 Beam Model BEAM3, BEAM4, BEAM44, BEAM54 Solid 3D

Другие типы элементов не применяются в CivilFEM with ANSYS 11.0 для создания моделей мостов, однако могут быть взяты из стандартной библиотеки элементов ANSYS при последующих расчетах.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

Ðèñ. 4. Áåòîííûé ïîäâåñíîé ìîñò. Øàáëîí.

Ðèñ. 8. Áåòîííûé âàíòîâûé ìîñò. Ðåçóëüòàò ìîäåëèðîâàíèÿ.

Ðèñ. 5. Ñòàëüíîé ïîäâåñíîé ìîñò. Øàáëîí.

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

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

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

Ðèñ. 11. Ïðåäñòàâëåíèå íàãðóçîê ïðè ðàñ÷åòå.

Ðèñ. 7. Áåòîííûé âàíòîâûé ìîñò. Øàáëîí.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Общий порядок выполнения типового анализа мостового пролетного строения в ANSYS 1. Создание геометрии расчетной модели. 1.1 Определение геометрических характеристик поперечных сечений. 1.2 Определение внешнего вида моста (плоское 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.

•

Поверхностные нагрузки (прочностные, от транспорта, снег и др.). Предварительные нагрузки в любом на• правлении. Собственный вес. • Нагрузки входят в LoadStates (LS), которые затем группируются в семейства и позже — в комбинации (рис. 11). Редактор транспортных нагрузок позволяет создавать новые виды нагрузок, импортировать из библиотеки, редактировать, копировать, удалять и просматривать список нагрузок (рис. 12).

Шаблоны создания типовых мостовых пролетных строений Генераторы мостов осуществляют создание трехмерных моделей следующих видов: Бетонные подвесные мосты (Concrete Sus• pension Bridges). • Стальные подвесные мосты (Steel Suspension 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, созданные в CivilFEM). − Стальные (+трехмерные шаблоны сечений из стали). − Типовые (с широко известными поперечными 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 постоянные, свойства балок и оболочек, мостовые пролеты или характеристики поперечных сечений моста. Основные шаблоны создания типовых конструкций мостовых пролетных строений и результаты их работы, приведены на рис. 4-10.

Ðèñ. 12. Ãåíåðàöèÿ ïîäâèæíûõ íàãðóçîê.

Расчет потерь предварительного напряжения Для предварительно напряженных мостовых пролетных строений 11-я версия CivilFEM with ANSYS позволяет учитывать термическое расширение при анализе тепловых явлений. Кроме этого, ведется учет упругих деформаций бетона, длительных и мгновенных потерь, подробнее о которых будет рассказано во второй части данной статьи. Таким образом, данный модуль обеспечивает решение довольно сложных строительных задач.

Задание нагрузок на мостовые пролетные строения В процессе анализа конструкции мостов, генерируется большое количество шагов нагрузок и их комбинаций. Типы нагрузок: • Подвижные (транспорт, пешеходы и др.).

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 13. Ðàñ÷åò ïðåäâàðèòåëüíî íàãðóæåííîé êîíñòðóêöèè.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

Технологии ANSYS Workbench упрощают расчеты с FSI

Myung Jo Jhung, руководитель научно-исследовательской группы, Korea Institute of Nuclear Safety, Тэджон, Южная Корея

Правила техники ядерной безопасности призваны защищать население и окружающую среду от радиационного загрязнения, возможного при производстве и использовании ядерной энергии. Сотрудники Корейского института ядерной безопасности (Korea Institute of Nuclear Safety — KINS) занимаются разработкой и внедрением программ по ядерной безопасности, в том числе обследованием безопасности, разработкой регулятивных норм и контролем радиоактивности окружающей среды на территории Южной Кореи. Однако для поддержания и улучшения уровня радиационной безопасности необходимо постоянное внедрение инновационных технологий. Вопрос ядерной безопасности особенно актуален в свете того, что компоненты в системах ядерных реакторов во время работы испытывают огромные нагрузки, которые могут приве-

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

www.ansyssolutions.ru

сти к отказу оборудования. С помощью технологий FSI (Fluid-Structure Interaction) определяются условия, при которых может случиться отказ компонента. В частности, применяя FSI, можно использовать результаты моделирования гидродинамики с конвективным теплообменом как нагрузки при расчете напряженно-деформированного состояния. Ранее из-за ограниченных возможностей программного обеспечения и аппаратных ресурсов расчет гидродинамики и напряженно-деформированного состояния проводился отдельно. Однако последние достижения в этих областях позволяли унифицировать процесс моделирования, объединив суммарные эффекты взаимосвязанных физических явлений. В данном проекте специалисты KINS проводили совместный теплогидравлический анализ и расчет напряженно-деформированного состояния трубы с двумя отводами. Исследовались нестационарный нагрев и охлаждение входной трубы контура реактора, по которой теплоноситель первого контура реактора попадает в пространство между тепловыделяющими сборками в тяжеловодном водо-водяном ядерном реакторе (CANDU). Полученные результаты использовались при последующем анализе ресурса трубы. Для создания конечноэлементной модели исследователи использовали программный комплекс ANSYS Mechanical. При расчете прочности конструкции одновременно учитывались давление и температура при создании нормально действующих нагрузок. Общее время нагрева и охлаждения составило 180 секунд. Задав внутреннее давление 10 МПа, специалисты KINS выяснили, что максимальный уровень суммарного напряжения и интенсивности напряжений приходились на внутреннюю поверхность первого и второго отвода трубы. Кроме того, оказалось, что изменение значений по периметру трубы в

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Òåìïåðàòóðíûå äàííûå â öèêëàõ íàãðåâà è îõëàæäåíèÿ òðóáû. радиусе внутренней поверхности превышало аналогичный показатель на наружной поверхности. Для моделирования гидродинамики тяжеловодного теплоносителя и получения распределения температур внутри стальной трубы ис-

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.

www.ansyssolutions.ru

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.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

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. пользовался программный комплекс ANSYS CFX. Инженеры задали начальные условия как в неподвижной среде, температура жидкости внутри трубы и температура самой трубы составляла 20°С. Когда тяжелая вода пропускалась по трубе, температура трубы увеличивалась вследствие теплообмена между трубой и жидкостью. Опорное давление было задано постоянным и равным 10 МПа. В процессе моделирования с изменением температуры тяжелой воды и трубы изменялись свойства материала. Результаты, полученные при моделировании гидродинамики, использовались при последующем структурном моделировании. Инженеры KINS смоделировали задачи изменения суммарного напряжения при нагреве (30 секунд) и охлаждении (100 секунд). Проанализировав результаты и сравнив фазы нагрева и охлаждения, они выяснили, что наибольшее осевое и кольцевое напряжения фиксировались на наружной поверхности при нагреве и на внутренней поверхности при охлаждении. Максимальные температурные напряжения были выявлены на внутренней поверхности отвода трубы. Наибольшие значения температурных напряжений, зафиксированные при охлаждении, использовались для определения максимального суммарного напряжения, которое составило около 19 МПа. Согласно кривой усталости для

www.ansyssolutions.ru

углеродистой стали [1], срок действия увеличивается более чем на 106 циклов, что значительно превышает ожидаемый период эксплуатации входной трубы контура. Таким образом, исследователи KINS пришли к выводу, что при подобном рабочем сценарии суммарный коэффициент использования почти равен бесконечности, и температурная усталость трубы, вызванная нагревом и охлаждением в течение указанного времени, имеет второстепенное значение. С помощью программного обеспечения ANSYS специалисты KINS успешно провели совместный теплогидравлический анализ и расчет напряженно-деформированного состояния входной трубы контура тяжеловодного водо-водяного ядерного реактора (CANDU). Благодаря объединению суммарных эффектов взаимосвязанных физических явлений также снизились финансовые и временные затраты на моделирование двух отдельных процессов. Кроме этого, данный подход обеспечил возможность получить более реалистичную картину поведения компонентов системы при указанном режиме работы. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1. ASME, ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Appendix I, The American Society of Mechanical Engineers, 2004.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

Моделирование процессов горения, тепло и массообмена в топках котлов на пылевидном топливе Денис Хитрых, ведущий инженер, ЗАО «ЕМТ Р»

Данная работа посвящена описанию технологии оценки характеристик котлов на пылеугольном топливе с использованием методов вычислительной гидродинамики (CFD). В статье рассматриваются основные этапы моделирования процессов горения в топках энергетических котлов, проводится сравнение результатов натурных измерений и численного эксперимента, анализируются основные ограничения и преимущества использования CFD-технологий при решении производственных задач. Исследуются структура течения и процессы горения в котле высокого давления мощностью 120 МВт с естественной циркуляцией. Кроме этого приводятся результаты оптимизации конструкции одиночной горелки с целью улучшения ее экологических характеристик.

Введение В топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) России в настоящее время доля угля составляет примерно 10-12%. В перспективе доля угля в ТЭБ будет повышаться, и спрос на уголь в России в связи с изменением структуры запасов основных энергоносителей будет возрастать. С другой стороны, с каждым годом увеличивается конкуренция со стороны альтернативных возобновляемых источников энергии. В связи с этим актуальными являются вопросы совершенствования технологий сжигания и газификации твердого топлива (угля), разработки и исследования методов сокращения выбросов оксидов азота и углекислого газа в атмосферу,

www.ansyssolutions.ru

а также исследование эффективных теплообменных поверхностей. Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что в последние десятилетия во всем мире, а в России несколько позднее, резко возрос интерес к применению CFDтехнологий для разработки эффективных методов подготовки и сжигания твердого топлива при минимальных выбросах вредных веществ. При этом разрабатываемые математические модели процессов в топках энергетических котлов включают моделирование непосредственно горения частиц твердого топлива, процессов конвективного и радиационного тепломассопереноса в реагирующей среде и общей структуры турбулентного течения в топочной камере. Результатами численного моделирования являются поля температур и давления, концентрации топлива, окислителя и продуктов реакции (CO, CO2, O2, NOx и т.д.), а также коэффициенты конвективной теплоотдачи от горячих продуктов сгорания к стенкам топочной камеры, и конвективные и лучистые тепловые потоки.

Описание расчетной модели Проведено численное моделирование аэродинамических процессов в 120 МВт котле с естественной тягой с учетом химических реакций. Расчетная область представляет собой топочную камеру с 12-ю горелками, установленными в один ряд на двух противоположных плитах. Основным топливом является низкореакционный полужирный (суббитуминозный) уголь, состав и свойства которого представле-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

ны в таблице 1. Этот уголь смешан с высококачественным битуминозным углем в весовом соотношении 4:1. Котел имеет следующие габариты: 42×24×15 м. Диаметр горелок составляет 1 м. Расчеты были выполнены на двух различных 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, имитирующих горелки, использовалась сетка типа «O»grid. Фрагменты расчетной сетки показаны на рис. 1. В настоящем исследовании моделировались следующие процессы и явления: турбулентность в реагирующей среде, горение угля, движение частиц твёрдого топлива и лучистый теплообмен. Моделирование газовой фазы (летучие, кислород) проводилось в приближении Эйлера, а расчет траекторий движения твердых частиц угля был выполнен в Лагранжевой постановке. Использовалась RNG k-ε модель турбулентности, хорошо зарекомендовавшая себя в задачах с сильной кривизной линий тока. Данная модель справедлива для полностью развитого турбулентного течения, т.е. для высоких чисел Рейнольдса, когда прямое влияние вязкости на структуру турбулентности пренебрежимо мало. Òàáëèöà 1. Ñîñòàâ è ñâîéñòâà óãëÿ, èñïîëüçóåìîãî â êà÷åñòâå òîïëèâà Âëàæíîñòü ×èñòûé óãëåðîä Çîëà Ëåòó÷èå âåùåñòâà Ñåðà (ÌÄæ/êã)

21.3% 28.7% 21.1% 29.4% 6.0% 18112

Горения угля можно рассматривать как два последовательных процесса. Первая стадия — гомогенная, так как реагирующие с кислородом газофазные продукты (летучие) находятся в одной фазе. На этой стадии тепло, поступающее к твердой частице угля от окружающих топочных газов, повышает ее температуру, и начинается выделение значительного количества газофазных продуктов. Основные процессы, которые при этом происходят (испарение, диффузия в газовую фазу и горение), аналогичны процессам, происходящим при горении капли жидкости. Затем начинается реакция окисления остаточных фракций твёрдого топлива (кокс). Это гетерогенный процесс, так как реагенты находятся в разных фазах. Гетерогенные реакции намного медленнее гомогенных, поэтому боль-

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 1 (à-á). Ôðàãìåíòû «ãðóáîé» ðàñ÷åòíîé ñåòêè (~130 òûñ. ýëåìåíòîâ). шая часть времени сгорания частицы угля приходится на выгорание твердого углерода, содержащегося в коксе. Моделирование горения летучих соединений требует предварительной оценки количества вещества, перешедшего в газовую фазу. Для моделирования этого процесса используется модель Badzioch и Hawksley [1]. В этой модели скорость образования летучих компонентов подчиняется кинетическому уравнению первого порядка и предполагается экспоненциальная температурная зависимость скорости реакции (з-н Аррениуса). Для моделирования горения летучих соединений применялась модель EDM (см., например, Warnatz [2]), в основе которой лежит предположение о том, что химические реакции очень быстро переводят реагирующую смесь в равновесное состояние, т.е. скорость горения лимитируется временем смешения топлива и окислителя. Если предположить, что все компоненты реагирующей смеси смешиваются одинаково, то можно следить за изменениями только одной скалярной переменной, называемой переменной смешения. Вычисляя эту величину, можно определить соотношения компонентов в смеси. Таким образом, все скалярные переменные (температура, массовые концентрации и др.) являются известными функциями только одной переменной смешения, что значительно упрощает процесс расчета. Если известна функция плотности вероятности для переменной смешения, можно вычислить средние значения скалярных величин. Следующий процесс, который необходимо моделировать, — это окисление углерода, который в большом количестве содержится в коксе. Это наиболее медленный процесс при горении частицы в топочной камере. При отно-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

сительно низкой температуре (<1000°C) скорость горения в целом определяется кинетикой химической реакции на поверхности частицы. Однако при повышении температуры скорость химической реакции становится настолько значительной, что процесс горения уже лимитируется скоростью подвода (диффузии) окислителя к поверхности. То есть скорость горения при указанных условиях зависит от структуры течения в камере (относительной скорости потока) и размера (площади поверхности) твердых частиц. В данной работе для моделирования указанного процесса использовалась модель, предложенная Field [3] и реализованная в текущей версии ANSYS CFX. Кроме этого, при моделировании процессов горения в топочной камере котла также необходимо 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.

Ðèñ. 3. Ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû â òîïêå 120 ÌÂò êîòëà. Таким образом, в данной работе отслеживались траектории движения порядка 7000 частиц-маркеров. Для описания распределения пылеугольных частиц по размерам использовалось распределение Розина-Раммлера [4], которое хорошо отражает действительное распределение частиц по размерам. И, наконец, в топках котлов при горении образуются излучающие вещества, при этом значительная доля общего теплосъема приходится на стенки топочной камеры. Лучистый теплообмен в топке представлен в рамках метода дискретного переноса, который показывает хорошие результаты применения к пылеугольным топкам. Во время процесса выхода летучих молекулы, содержащие азот, расщепляются, и образуются радикалы, такие как CN, HCN, NH2. Они обладают более высокой реакционной способностью, чем молекулярный азот воздуха. Поэтому они вносят более значительный вклад в общую массу образующихся оксидов азота, чем N2. Эта часть выбросов NOx называется «термической», 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 условия

Ðèñ. 2. Îáùàÿ ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ â òîïî÷íîé êàìåðå.

www.ansyssolutions.ru

На 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 горелкам со скоростью 5 м/с в каждой горелке при

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

Ðèñ. 4. Ðàñïðåäåëåíèå ìàññîâîé êîíöåíòðàöèè NO â ïðîäîëüíîì ñå÷åíèè òîïêè. температуре 87°С. В качестве окислителя подается обычный воздух. На стенках топки задавалось условие прилипания, а также степень шероховатости поверхности и степень черноты поверхности. В качестве критерия сходимости было выбрано среднеквадратичное отклонение значений (root mean square — RSM), равное 1×10-5.

Результаты расчета Выполненное моделирование показало, что на организацию процессов горения в топке котла значительное влияние оказывают условия подачи топливовоздушной смеси в топку. Глубина пережима в верхней части котла (так называемый аэродинамический выступ) является доста-

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

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 6. Ïîëå òåìïåðàòóð îäèíî÷íîé ãîðåëêè. точной для формирования мощной рециркуляционной 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). Распределение температуры внутри топки показано на рис. 3. Максимальная температура в зоне горения не превышает 1680°С. Кроме этого нами были выполнены работы по оптимизации конструкции и рабочих характеристик одиночной горелки для котла, модернизируемого по технологии низкоэмиссионного сжигания топлива. Полученные в работе результаты численного моделирования многофазных потоков в котле показали преимущества выбранного подхода к проектированию, а также позволили объяснить положительный эффект модернизации существующей конструкции котла. Некоторые результаты моделирования показаны на рис. 5-6. Дополнительную информацию вы можете получить, отправив запрос автору статьи по адресу denisk@emt.ru Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1. 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.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

Численный анализ пожаровзрывоопасности объектов нефтегазовой отрасли, промышленности и строительства Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

Современные CFD-комплексы обладают развитыми средствами (математическими моделями) для исследования сложных процессов, протекающих в устройствах для сжигания, а так же для оценки пожарной безопасности промышленных объектов и последствий разнообразных аварийных ситуаций. В этой статье мы опишем ряд производственных задач из области промышленной безопасности, которые были решены нами с использованием технологий компьютерного моделирования.

Анализ пожара на станции метрополитена Для начала рассмотрим пример численного моделирования пожара на станции Московского метрополитена. В последние десятилетия во всем мире резко возросло число случаев возгорания подвижного состава метрополитена. Например, 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 моделирования при анализе рисков возникновения пожара и моделировании последствий подобных аварийных ситуаций является перспективным методом разработки эффективных и рациональных мер предотвращения подобных трагических случаев. Кроме этого, CFD-технологии, могут оказаться полезными и при разработке устройств (систем) обнаружения дыма, различных систем пожаротушения и пр.

www.ansyssolutions.ru

Геометрия исследуемой области показана на рис. 1а. Задача решалась в нестационарной постановке, процесс развития пожара на станции отслеживался в течение 480 сек. Область возгорания (вагон) была разбита на три отдельные зоны и моделировалась соответствующими объемными источниками тепла. Кроме этого, одной из целей моделирования было исследование возможных путей распространения дыма по платформенным залам станции во время пожара. Как известно, «дым» в основном состоит из углерода (90-96%) и смеси соединений, включающих водород и кислород. Поэтому расчет полей относительных массовых концентраций с большой точностью можно выполнять для двухкомпонентной газовой смеси, где одна компонента — это чистый углерод, а другая — атмосферный воздух. На рис. 2 показана изоповерхность концентрации углерода в момент времени t = 120 сек.

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

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

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).

Моделирование утечки газа на морской нефтяной платформе Одним из наиболее очевидных источников опасности для персонала морских платформ является возможность взрывов и пожаров в результате утечки газа или выделения паров, способных образовывать с воздухом пожаро- и взрыво-

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 4. Ìîäåëèðîâàíèå óòå÷êè ãàçà è îáðàçîâàíèÿ âçðûâîîïàñíîé ñìåñè íà ìîðñêîé íåôòÿíîé ïëàòôîðìå. опасные смеси. Даже незначительная разгерметизация трубопроводов или хранилища газа может привести к катастрофическим последствиям. Благодаря применению систем вентиляции 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 численного 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 стратификации атмосферы, в которой температура воздуха считается постоянной и не зависит от высоты. В ANSYS CFX было промоделировано 8 различных сценариев развития аварии для разных углов атаки набегающего воздушного потока. Атмосферная турбулентность описывалась двумя параметрами: кинетической энергией турбулентного движения и скоростью ее диссипации. Поверхность моря моделировалась заданием определенной 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 бесценным инструментом для определения эффективности систем вентиляции морских сооружений.

Моделирование теплового воздействия горящей метановоздушной смеси на объекты в зоне разрушения газопровода Сегодня на долю магистральных газопроводов приходится подавляющее число крупных аварий

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Á 31

Ðèñ. 5. Ïðèìåð ìîäåëèðîâàíèÿ êîòëîâàííîãî ôàêåëà: a-ã — ãåîìåòðèÿ ôàêåëà â ðàçëè÷íûå ìîìåíòû âðåìåíè. и отказов по всей газовой промышленности. При этом сами газопроводы являются потенциально опасными объектами и обладают колоссальным энергетическим потенциалом, достаточно сказать, что высота диффузионного факела (при факельном выбросе газа) может составлять ~150-200 м, а зона теплового поражения иметь радиус более десятка метров. Пример практического моделирования пожара на магистральном газопроводе с учетом рельефа местности показан на рис. 5-6. Приведенные результаты были получены с использованием программного комплекса ANSYS CFX в приближении равновесной («быстрой») химии и равенстве коэффициентов диффузии компонентов. Кроме этого, учитывалась геометрия кратера, а также характер повреждения газопровода, поскольку они во многом определяют форму и структуру факела. Как правило, реализуется самый худший сценарий разрушения трубопровода, так называемый «гильотинный» разрыв, т.е. разрушение трубопровода на полное сечение. В нашем случае, источник истечения газа, был представлен в виде ромбовидного отверстия размером 10×0,8 м, утопленного в «грунт» на 1,5 м.

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 6. Âíåøíèé âèä ðàñ÷åòíîé ìîäåëè. По результатам моделирования было получено распределение удельного теплового потока 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 хорошо согласуется с результатами натурных экспериментов. Дополнительную информацию вы можете получить, отправив запрос автору статьи по адресу denisk@emt.ru.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

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

Компания Vaughan является известным разработчиком насосного оборудования. Главный офис компании расположен в штате Вашингтон. Vaughan занимается проектированием и производством целой линейки специализированных центробежных насосов-измельчителей. Они отличаются от традиционных насосов наличием эффекта измельчения на входе в лопаточное колесо. Подобные насосы появились еще в 1960-х годах, они были разработаны для использования на молокозаводах для перекачки навоза в резервуары. С тех пор насосы-измельчители компании Vaughan постоянно совершенствовались, было получено множество патентов на разработки. В наши дни такие насосы-измельчители получили широкое распространение в областях, где есть необходимость перекачивать жидкость с твердыми включениями: это и очистка сточных вод в муниципальном и промышленном секторах, и производство пищи, отходы целюлозно-бумажной промышленности и т.п. Преимущество насосов-измельчителей Vaughan перед обычными антизасорными и шламовыми насосами заключается в уменьшении размера твердых включений, которые содержатся в жидкости. Уникальное сочетание измельчающего и всасывающего эффектов в насосах Vaughan не позволяет использовать стандартные методики проектирования лопаточного колеса с целю получения требуемой напорной характеристики. Существующие мето-

www.ansyssolutions.ru

дики позволяют определить расход и напор в оптимальных условиях, однако, они дают большую погрешность при расчете расхода и напора для других точек напорной характеристики насоса, а также при оценке КПД насоса в неоптимальных условиях. Поскольку энергоносители постоянно растут в цене, создание насосов с высоким КПД становится все более актуальной задачей

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.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

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. для разработчиков и производителей насосного оборудования. Компания Vaughan уже несколько лет использует программный комплекс Fluent для моделирования сопловых систем перемешивания в резервуарах. Численное моделирование позволяет проводить как оптимизацию перемешивающих систем, так и визуализировать заказчикам процессы, происходящие внутри резервуара. После успешного расчета сотен перемешивающих систем программный комплекс Fluent с технологией множественных вращающихся систем координат стал использоваться и для совершенствования конструкций насосов-измельчителей. Поскольку среда трехмерного геометрического моделирования Pro/ENGINEER® используется в компании Vaughan с 1997 года, инженеры использовали уже готовые цифровые модели насосов различных конструкций. При помощи Pro/ENGINEER довольно просто построить область решения для CFD-модели, а также создать дополнительные области на входе и

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

www.ansyssolutions.ru

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 граничные условия. Численный расчет проводился при помощи решателя Fluent, а просмотр и анализ результатов осуществлялся в постпроцессоре ANSYS CFD. Среда ANSYS Workbench значительно облегчила весь процесс моделирования, начиная от импорта геометрии и заканчивая визуализацией результатов расчета. Результаты численного CFD-моделирования дополнили натурные испытания и помогли улучшить эффективность насосов-измельчителей. Крыльчатки для исследований можно изготавливать различными способами: с помощью литья, на станках с ЧПУ или сборкой из отдельных деталей, однако, все эти способы значительно дольше и дороже чем виртуальное прототипирование при помощи CFD-моделирования. Было получено настолько хорошее согласование между результатами CFD-моделирования и натурных экспериментов, что было принято решение отказаться от практики физического прототипирования. Все вновь разрабатываемые прототипы обязательно проходят этап CFD-моделирования, на котором происходит доводка их геометрии и параметров, лишь после этого изготавливают физический прототип. Основным стремлением компании Vaughan относительно насосов-измельчителей является увеличение КПД уже существующих моделей. Для исследуемого насоса проводится численное

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

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

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. моделирование течения в тракте насоса, далее полученные результаты сравниваются с результатами натурных испытаний.

При исследовании характеристик реальных насосов клапан на входе монотонно открывается или закрывается. Таким образом, при каждом положении клапана снимаются такие характеристики насоса как давление и расход. По этим данным вычисляется полный скоростной напор, мощность и КПД. Процесс CFDмоделирования проводится подобным образом. Производится несколько расчетов с различным значением расхода при прочих равных условиях. Расчет производительности осуществляется при помощи постпроцессора ANSYS CFD, там же строятся соответствующие зависимости. Для новых конструкций крыльчаток также проводится CFD-моделирование, строится кривая производительности и сравнивается с результатами CFD-моделирования уже существующей крыльчатки. Изначально, геометрия лопаток крыльчатки создавалась в Pro/ENGINEER®. Однако, в связи с постоянной модификацией это оказалось слишком трудоемким процессом, поэтому в дальнейшем стал использоваться программный комплекс ANSYS BladeModeler — среда для создания геометрии лопаточных машин (рис. 6).

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

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

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. Эта программа позволяет легко создавать различные формы лопаток по заданным спецификациям и экспортировать полученные контрольные кривые в Pro/ENGINEER®.

Ðèñ. 8. Ñðàâíåíèå ìåæäó ðåçóëüòàòàìè CFDìîäåëèðîâàíèÿ 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.

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 9. Ïðè ñðàâíåíèè ïðîèçâîäèòåëüíîñòè îðèãèíàëüíîãî íàñîñà è åãî ìîäåðíèçèðîâàííîé âåðñèè, ïîëíûé ñêîðîñòíîé íàïîð áëèçîê, îäíàêî, ÊÏÄ íà 8-9% âûøå âäîëü âñåé õàðàêòåðèñòèêè. С целью повышения точности, геометрия новой области решения строится непосредственно в Pro/ENGINEER, а производительность модернизированной крыльчатки обязательно исследуется на натурном стенде. Производительность насосов-измельчителей, полученная при помощи CFD-моделирования, хорошо согласуется с натурными испытаниями для всех семи моделей насосов, рассчитанных на данный момент. Подобные результаты ожидаются еще для двух моделей, которые модернизируются в настоящий момент. Компания Vaughan использует как Fluent, так и Pro/ENGINEER® Wildfire™ для эффективной разработки и исследования моделей насосов прямо на рабочем месте. Относительно низкая стоимость таких исследований позволяет опробовать большое количество различных форм лопаток крыльчатки. Также этот подход облегчает процесс оптимизации и открывает широкие возможности получения различной информации, не только распределения давления и напорной характеристики, но и компонент силы для лучшей оптимизации всей конструкции насоса. Такая оптимизация включает как гидравлическую, так и механическую. Например, выбор 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 эффективность при расчете технических устройств посредством экономически выгодного CFD-моделирования. Статья подготовлена к публикации Денисом Юрченко, ЗАО «ЕМТ Р».

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Технологии

Расчет характеристик турбомашин при запуске CFX в пакетном режиме

Леонид Шаблий, инженер кафедры ТДЛА, Самарский государственный аэрокосмический университет

Для инженеров, занимающихся проектированием лопаточных машин, чаще всего интересны не только параметры агрегата на отдельных режимах его работы, но и их зависимости от частоты вращения, расхода, температуры и давления рабочего тела. Такие характеристики можно получить при решении задачи в нестационарной постановке, 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 необходимо изменить ГУ и вновь запустить задачу. Для двухпараметрической характеристики, например, по частоте вращения и расходу, количество точек возрастает до 40-50, а время счёта — до нескольких суток. При этом каждый раз приходится вручную изменять ГУ. К счастью, задача может быть автоматизирована стандартными средствами ANSYS CFX с применением специально созданной надстройки.

Простота Решатель ANSYS CFX допускает запуск из командной строки задачи с указанием файла-определения (*.def): «C:\Program Files\ANSYS Inc\v110\CFX\bin\ cfx5solve.exe» -def vent7.def Запустив пакетный bat-файл — список таких команд, мы заставим CFX решать поставленные задачи одну за другой. По умолчанию расчёт не отображается, но мониторинг процесса 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-

www.ansyssolutions.ru

же указать способ распараллеливания (-startmethod «MPICH Local Parallel for Windows»). Завершение счёта происходит по достижении заданного в def-файле уровня невязок, максимального числа итераций или времени счёта, а также при превышении максимального времени выполнения расчёта (с ключом -maxet «50 [min]»). В итоге мы получаем множество resфайлов — точек характеристики. Обработку результатов расчета также удобно 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, который управляет работой постпроцессора. Его можно создать вручную, используя описание команд CFX-Post, или сгенерировать автоматически с помощью команды Session→New Session→ Start Recording.

Качество Расчёт всех точек характеристики происходит автономно и «вслепую». Поэтому к описываемому методу предъявляются особые требования по надежности. Устойчивость и быстрота решения гарантируется многоступенчатым изменением шага по времени, с минимального значения при запуске (TimeScaleFactor = 0.01 для режима AutoTimeScale) до большого значения при устойчивой задаче (вплоть до TimeScaleFactor = 100). Размер и число таких ступеней временного шага определяются пробными запусками конкретной задачи в Solver Manager. Для исключения возможных ошибок процесс подготовки def-файлов, обработки res-файлов и создания bat-файла автоматизирован с помощью специально созданной дополнительной надстройки. При ее использовании отпадает необходимость создания def-файла для каждой отдельной задачи. Вместо этого можно много-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

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!

À 37

Ðèñ. 1. Îêíî âûïîëíåíèÿ ïðîãðàììû-íàäñòðîéêè. кратно использовать один отлаженный файл, в который перед расчётом вводятся необходимые граничные условия (см. рис. 1). После расчёта всей характеристики производится автопроверка полученных файлов результатов на наличие несошедшихся решений. Постпроцессинг выполняется только для корректных res-файлов. А для исключения ошибок при составлении bat-файла, используется специальная утилита, которая по данным инженера (путь к файлу задачи, интервалы изменения ГУ, необходимые параметры решателя) формирует последовательность команд.

Ðèñ. 3. Õàðàêòåðèñòèêè ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ âåíòèëÿòîðà: à — ñòåïåíü ïîâûøåíèÿ äàâëåíèÿ, á — ê.ï.ä. Расчёт одной точки на «двухядерной» машине занял ~30 минут, а общее время решения вместе с постановкой задачи и анализом результатов составило 35 часов, из них 25 машинных.

Опыт Описанный метод был опробован при расчёте характеристик соплового аппарата малоразмерной турбины (рис. 2). А затем доказал свою состоятельность при расчёте характеристик осевого вентилятора 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.

Ðèñ. 4. Âíåøíèé âèä ðàñ÷åòíîé ìîäåëè.

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

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 5. Ñðûâíûå çîíû âåíòèëÿòîðà.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Мастер класс

Численное моделирование аэроупругости в ANSYS CFX

Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

Настоящей статьей мы заканчиваем цикл статей, посвященных использованию методов вычислительной гидродинамики для проектирования лопаточных машин. В этой статье мы расскажем о результатах моделирования явлений аэроупругости в ANSYS CFX. Будет рассмотрена задача статической аэроупругости лопаток радиальной турбины, а также описана технология моделирования динамической аэроупругости на примере расчета автоколебаний (флаттера) трехмерного крыла в воздушном потоке. Ðèñ. 2. Àýðîóïðóãîñòü äåðåâà.

Введение Аэроупругость изучает поведение упругих тел в потоке жидкости. Одной из интересных задач в аэроупругости является задача о динамической неустойчивости, когда малые внешние возмущения в потоке, носящие случайный характер,

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

www.ansyssolutions.ru

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-

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

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

щение конечна, либо она теряет устойчивость, и ее реакция на конечное возмущение становится неопределенной. Таким образом, задачи устойчивости и задачи реакции упругой системы на внешнее воздействие являются взаимосвязанными. В аэроупругости, в основном, имеют дело с двумя компонентами силы — это подъемная сила и сила лобового сопротивления, и одним компонентом момента, перпендикулярным к направлению движения и к вектору подъемной силы. Поскольку аэроупругие колебания обычно поддерживаются аэродинамическими силами, обусловленными самой конструкцией, то вопрос об их распределении по поверхности обтекаемого тела является очень важным.

Ðèñ. 5. Òâåðäîòåëüíàÿ ìîäåëü êðûëü÷àòêè òóðáèíû. 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. отключена. На странице проекта слева дважды нажмите на файл «Radial_Turbine_FSI_Structural. dsdb». Далее в дереве проекта Simulation перейдите в строку Mesh и выберите метод генерации сетки Hex Dominant Method (рис. 6).

Ðèñ. 4. Àâòîêîëåáàíèÿ ëîïàòîê îñåâîãî êîìïðåññîðà. Аэроупругие колебания могут быть обусловлены периодическим срывом вихрей. Частота срыва вихрей зависит от формы тела и скорости набегающего потока. Если частота близка к собственным частотам тела, то возникает механический резонанс и происходит разрушение конструкции. Классическим примером реализации подобных сценариев является разрушение Тэкомского моста в ноябре 1940 года. Другим видом самовозбуждающихся колебаний, для которого не характерны срывы потока, является флаттер. Вообще, возможны разные формы флаттера и их комбинаций. Поэтому важным является вопрос о выборе критичных для данной конструкции форм флаттера. Далее мы рассмотрим пример расчета флаттера лопаток радиальной 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 турбины Для начала на основе существующей геометрии крыльчатки турбины построим расчетную ко-

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 6. Ïàíåëü âûáîðà ìåòîäà ãåíåðàöèè ñåòêè è çàäàíèÿ ðàçìåðà ýëåìåíòîâ. 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 динамических процессов, т.е. для исследования поведения конструкции при воздействии на нее изменяющихся во времени нагрузок, необходимо использовать тип Flexible Dynamic. Затем задаем шаг по времени, равный 1e-5 с (рис. 8). Этот шаг со-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Мастер класс

Ðèñ. 7. Íåñòðóêòóðèðîâàííàÿ ÊÝ-ñåòêà äëÿ êðûëü÷àòêè òóðáèíû. ответствует изменению положения крыльчатки на 2°. После этого необходимо выбрать интерфейсные поверхности, к которым будет прикла-

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

дывать нагрузка, передаваемая из ANSYS CFX. В нашем случае будут перемещаться только узлы поверхностных элементов, принадлежащие лопатке и ступице (рис. 9). Сохраняем проект 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 геометрию проточной части турбины. После этого с помощью средств CFX-Mesh необходимо построить расчетную сетку для исходной геометрии. В нашем случае мы пропустим этот этап и воспользуемся уже готовой сеткой, созданной ранее и сохраненной в файл с именем «Radial_ Turbine_FSI_Fluid.cmdb». Обратим внимание на три важных момента: во-первых, при генерации данной сетки для получения идентичных сеток на отдельных поверхностях предварительно была выполнена операция Virtual Topology. Вовторых, на поверхностях лопатки необходимо отдельно задать размер треугольного элемента. И, наконец, вокруг лопаток необходимо сгенерировать несколько слоев призматических элементов для корректного использования метода пристеночных функций. После этого открываем препроцессор CFXPre и загружаем в него сгенерированную сетку. Определение данной задачи за исключением отдельных дополнительных настроек полностью повторяет задачу, описанную в предыдущем номере журнала (см. статью «Проектирование лопаточных машин. Часть 2»). Во-первых, необходимо отредактировать свойства закладки Simulation Type (рис. 10). В настройках опции External Solver Coupling необходимо вместо None указать ANSYS MultiField. В строке ANSYS Input File указываем путь до

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

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Ðèñ. 12. Ðàñïðåäåëåíèå ýêâèâàëåíòíûõ íàïðÿæåíèé ïî Ìèçåñó. Ðèñ. 10. Íàñòðîéêà èòåðàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ðåøàòåëåé ANSYS è CFX. командного файла ANSYS — файл «Radial_ Turbine_FSI.inp». Кроме этого необходимо задать шаг по времени, идентичный шагу, который мы определили ранее в Simulation. Во-вторых, следует отредактировать свойства расчетного домена. Так как в процессе расчета сетка будет деформироваться, то необходимо в опциях Mesh Deformation выбрать Regions of Motion Specified. Кроме этого, требуется внести изменения в три граничных условия, определенных на поверхностях 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 обмена данными между двумя решателями. Укажите значение параметра Max. Itarations равное 5. В результате выполнения всех описанных выше действий мы подготовили модель, которую можно запустить на расчет. Сохраняем файл-определения CFX и загружаем Solver Manager. Нажимаем на кнопку Start Run. На рис. 12-13 показаны результаты моделирования аэроупрогого взаимодействия в

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

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 13. Ðàñïðåäåëåíèå äåôîðìàöèé â êîíñòðóêöèè. ANSYS CFX. Видно, что максимальные эквивалентные 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 крыла Выполнено математическое моделирование автоколебаний (флаттера) крыла на основе численного решения уравнений Навье-Стокса для области с подвижными границами. Расчет форм и частот собственных колебаний был проведен в модуле Simulation ANSYS Workbench. Для расчета аэродинамического давления на поверхности крыла использовался программный комплекс ANSYS CFX. Колебания крыла в потоке могут иметь много различных форм. Однако при критической скорости потока флаттер принимает толь-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Мастер класс

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

Ðèñ. 14. Êîíôèãóðàöèÿ êðûëà AGARD 445.6. ко определенную форму. Вблизи критической скорости другие формы колебания, если они случайно возбуждаются, обладают сравнительно большим демпфированием и быстро затухают. Колебательное движение крыла, который подвержен флаттеру, включает как изгибный, так и крутильный компоненты (рис. 15-18). Колебательное движение может сохраняться или возрастать в более или менее широком диапазоне скоростей потока в зависимости от конструкции крыла. Флаттер крыла может проявляться в виде резких скачков напряжений, которые в отдельных случаях могут приводить не только к повреждению, но и к разрушению крыла.

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

Ðèñ. 18. Âòîðàÿ êðóòèëüíàÿ ôîðìà êîëåáàíèé (f2-T = 92.3 Ãö). Исследования явления флаттера были проведены для аэроупрогого крыла AGARD 445.6. Конфигурация крыла с указанием основных размеров показана на рис. 14. Это крыло с симметричным профилем NACA 65A004 и углом стреловидности передних кромок χ = 45°. Расчёты 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 материала со следующими упругими свойствами: модуль Юнга — 3150×107 Н/м2, модуль сдвига — 0,41×107 Н/м2, коэффициент Пуассона — 0,31, плотность — 410 кг/м3. В таблицу 1 сведены результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных. Òàáëèöà 1. Ñðàâíåíèå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ è ðàñ÷åòíûõ äàííûõ Íîìåð òîíà (ãàðìîíèêè) Ýêñïåðèìåíò Ðàñ÷åò

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

www.ansyssolutions.ru

1 [Ãö]

2 [Ãö]

3 [Ãö]

4 [Ãö]

9.60 9.40

38.10 38.90

50.70 49.10

98.50 92.30

Небольшое несоответствие экспериментальных и расчетных данных можно объяснить недоучетом в расчете явления демпфирования в структуре, т.е. рассеивания энергии в структуре при движении. Дополнительную информацию вы можете получить, отправив запрос автору статьи по адресу denisk@emt.ru.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Мастер класс

Вы спрашивали — мы отвечаем Дополнительные возможности пре- и постпроцессора ANSYS CFX Денис Хитрых, ведущий инженер ЗАО «EMT P»

Как в постпроцессоре ANSYS CFX задать произвольную ориентацию вида модели? В постпроцессоре ANSYS CFX изменять ориентацию вида модели можно с помощью горячих клавиш клавиатуры, например, комбинация клавиш «Shift+x» ориентирует модель по оси X. Кроме этого, использование комбинации клавиш «Shift» и навигации (влево/вправо, вверх/ вниз), позволяет вращать модель с дискретным шагом, равным 15 градусов. Для задания произвольной ориентации модели необходимо использовать специальный макрос, листинг которого 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 1 Camera Mode = User Specified CAMERA: Option = Pivot Point and Rotation

www.ansyssolutions.ru

Pivot Point = 0, 0, 0 Rotation = $a1, $a2, $a3 Send To Viewer = True END END !} Выберите из главного меню раздел Tools и далее Macro Calculator. Затем загрузите текстовый файл, содержащий все необходимые команды. На экране появится новая панель (рис. 1), которую можно использовать в дальнейшей работе.

Ðèñ. 1. Ïàíåëü óïðàâëåíèÿ íàñòðîéêàìè îðèåíòàöèè ìîäåëè.

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

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008

Мастер класс

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 диалогового окна Chart Viewer.

Как определить в постпроцессоре CFX координаты точки с максимальным значением какойлибо переменной? Для этого необходимо выполнить следующую последовательность команд. Для начала создадим точку с помощью команды Insert → Location→ Point. Далее в поле Method указываем Variable Maximum, а в списке напротив поля Variable выбираем нужную переменную. Нажимаем клавишу «Apply». На экране появятся своеобразные крестообразные волоски, заполняющие 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. Нажимаем 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 пользовательскую функцию sh_pol вида: FUNCTION: sh_pol Option = Interpolation Option = One Dimensional Argument 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 .15,404,623.15,404.5,673.15,405 Extend Max = Off Extend Min = Off END Далее воспользуемся этой функцией для задания теплоемкости материала, зависящей от температуры. По умолчанию, если мы определяем теплоемкость как функцию от температуры, 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 прописать в свойствах материала: MATERIAL: material1 Material Group = User Option = Pure Substance

www.ansyssolutions.ru

Thermodynamic State = Solid PROPERTIES: Option = General Material TABLE GENERATION: Minimum Temperature = 300 [K] Maximum Temperature = 650 [K] ENDEQUATION OF STATE: Density = 870 [kg m^-3] Molar Mass = 68.0 [kgkmol^-1] Option = Value END SPECIFIC HEAT CAPACITY: Option = Value Reference Temperature = 350.0 [K] Specific Heat Capacity = sh_pol(T) Specific Heat Depends On = Temperature END THERMAL CONDUCTIVITY: Option = Value Thermal Conductivity = 500 [W m^-1 K^-1] END END

Сколько требуется оперативной памяти для генерации сетки определенной размерности? Это достаточно сложный вопрос, поскольку объем используемой сеточным препроцессором памяти зависит от многих факторов. И это в первую очередь касается метода генерации сетки: Octree, Quick, Tgrid и др. Наиболее ресурсоемким методом является метод Octree, в котором изначально вся расчетная область, ограниченная параллелепипедом, разбивается на тетраэдрические элементы одного размера, а затем происходит «обрезание» и локальное измельчение сетки в определенных областях геометрии. Соответственно, объем памяти, который необходим для разбития этого ограничивающего параллелепипеда, в некоторых случаях может в несколько раз превосходить объем памяти, выделяемой для генерации конечной сеточной модели. Ниже мы приводим некоторые теоретические расчеты требуемой оперативной памяти для случая генерации тетраэдрической/гексаэдрической сетки без призматических слоев в ICEM CFD или CFX-Mesh: CFX-Mesh — 80 байт/элемент, ICEMCFD Tetra — 80 байт/элемент, ICEMCFD Hexa — 65 байт/элемент. На практике требуется чуть больше памяти, например для куба были получены следующие данные по используемой оперативной памяти: CFX-Mesh (1.13 млн. элементов) — 110 Mб = 97 байт/элемент, CFX-Mesh (2.7 млн. элементов) — 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. элементов) — 530 Мб = 66 байт/элемент.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Осень 2008