2. Анализ аэродинамической эффективности существующей схемы участка сопряжения «дымосос – газоход»

Существует несколько методов решения поставленной задачи. Первый метод – проведение экспериментальных аэродинамических исследований на физических моделях. Это метод надежен и позволяет с достаточной точностью смоделировать процессы, протекающие на участке сопряжения «дымосос-газоход» при течении уходящих газов, однако проведение физического эксперимента требует разработки и выполнения аэродинамической модели, наличия мощных тягодутьевых механизмов и специализированного приборного парка, а так же проведения объемных расчетов при обработке результатов исследований. Таким образом, в условиях ВКР данный метод не применим.

Существует менее затратный метод аэродинамических исследований, основанный на использовании специализированных программных средств расчетной гидрогазодинамики. В настоящее время существует большое количество прикладных программных комплексов, позволяющих моделировать трехмерные течения, а так же процессы, сопровождающие их (горение, свободная поверхность, тепломассообмен и т.д.). Наиболее известными являются: Ansis Fluent и CFX, Flow Simulation (Solid Works), Flow Vision.

В рамках данной ВКР в качестве инструмента моделирования был выбран программный комплекс Flow Vision^® 2.5.

Программный продукт FlowVision^® 2.5  предназначен для моделирования трехмерных течений жидкости и газа в технических и природных объектах, а также визуализации этих течений методами компьютерной графики.

Моделируемые течения включают в себя стационарные и нестационарные, сжимаемые, слабосжимаемые и несжимаемые потоки жидкости и газа. Использование различных моделей турбулентности и адаптивной расчетной сетки позволяет моделировать сложные движения жидкости, включая течения с сильной закруткой, горением, течения со свободной поверхностью.

FlowVision основан на конечно-объемном методе решения уравнений гидродинамики и использует прямоугольную адаптивную сетку с локальным измельчением. Для аппроксимации криволинейной геометрии с повышенной точностью FlowVision использует технологию подсеточного разрешения геометрии. Эта технология позволяет импортировать геометрию из систем САПР и обмениваться информацией с системами конечно-элементного анализа. Использование этой технологии позволило решить проблему автоматической генерации сетки – чтобы сгенерировать сетку, достаточно задать всего лишь несколько параметров, после чего сетка автоматически генерируется для расчетной области, имеющей геометрию любой степени сложности. Основной задачей FlowVision является численное решение уравнений вычислительной гидродинамики.

Рассмотрим основные этапы моделирования течения уходящих газов на примере существующего участка сопряжения дымососа с газоходом нитки А.

На первом этапе была разработана геометрическая модель участка сопряжения «дымосос-газоход» (рис. 8).

При разработке геометрических моделей были учтены следующие требования:

• объемы, составляющие геометрическую модель, должны быть замкнуты;

• объемы, составляющие геометрическую модель, должны быть вложены друг в друга и не пересекаться.

Модель включает в себя выходной кольцевой диффузор дымососа, участок сопряжения «дымосос-газоход» и прямолинейный участок, необходимый для исключения возможных ошибок при моделирование, связанных с образованием вихрей на выходном граничном условии.

Рис. 8. Геометрическая модель участка сопряжения «дымосос-газоход»: 1 – выходной диффузор дымососа; 2 – участок сопряжения «дымосос-газоход»; 3 – прямолинейный участок.

На втором этапе осуществляется загрузка геометрической модели в FlowVision для дальнейшей физической постановки задачи. Результат переноса модели в FV приведен на рис. 9.

Рис. 9. Результат переноса геометрической модели в FV.

Далее задается физическая модель течения уходящих газов в газоходе. Задание физической модели осуществляется путем задания вещества, фазы и модели течения.

В данной работе решалась однофазная задача внутреннего течения (т.е. течения в ограниченном канале) однокомпонентной среды, поэтому задавалось только одно вещество – воздух. Фаза была задана непрерывной. В связи с тем, что число Маха в газоходах не превышает 0,3, в качестве модели течения газов была выбрана модель турбулентного течения несжимаемой жидкости. В качестве модели турбулентности выбрана стандартная k-e модель.

На третьем этапе задавались граничные условия. В общем случае процедура граничных условий включает в себя следующие этапы:

• создание граничных условий;

• расстановка граничных условий;

• задание параметров граничных условий.

Были созданы следующие граничные условия:

• на входном сечении модели создано граничное условие «Вход/Выход», в качестве параметра выбрана нормальная скорость;

• на выходном сечении (выход из прямолинейного участка) создано граничное условие «Выход», тип «Свободный выход» (переменная - давление);

• на стенках газохода было создано граничное условие “Cтенка”. Шероховатость стенок, выполненных из металла, была выбрана равной 0,05 мм.

На четвертом этапе была произведена генерация расчетной сетки. Пример расчетной сетки модели представлен на рис. 10. Общее количество расчетных ячеек было выбрано с учетом предварительных исследований на сеточную сходимость. Итоговое число расчетных ячеек, необходимое для разрешения геометрии и особенностей структуры течения, составило порядка 123000 элементов. Данное количество было получено исходя из условия, что дальнейшее измельчение сетки не приводило к ощутимому увеличению точности результата. На данном этапе также задавались параметры, управляющие расчетом (шаг по времени задавался числом Куранта-Фридрихса-Леви, равным 100).

Рис. 10. Пример расчетной сетки в FV.

В ходе выполнения расчета сходимость решения определялось по величине невязок скорости на выходном сечении и полном давлении на входном сечении модели.

Необходимость окончания расчета оценивалась по величине невязки искомой величины, в качестве которой выступал коэффициент сопротивления моделируемого участка газохода.

Коэффициенты сопротивления на участке “дымосос – газоход”, определялся по формуле:

где, Р^П_вх и Р^Д_вх – полное и динамическое давления на входе в модель; Р^П_вых – полное давление на выходе из модели.

Оценка аэродинамической эффективности существующей схемы участка сопряжения «дымосос – газоход» выполнена визуально, используя средства визуализации программного комплекса FV и количественно по значению коэффициента сопротивления данного участка. Пример визуализации слоя по переменной «скорость» в продольном сечении модели приведена на рис. 11.

Рис. 11. Пример визуализации слоя «скорость».

Из рис. 10 видно, что на выходе из осевого дымососа имеет место резкое расширение сечения, что приводит к образованию обширного отрыва потока (вихря). При этом длина стабилизационного участка (L_стаб) оказывается весьма значительной (L_стаб ≈ 10·D_экв, где D_экв – эквивалентный диаметр прямого участка газохода). Из условия компоновки непосредственно за участком сопряжения расположен поворот газохода (рис. 6). В результате этого поток дымовых газов не успевает стабилизироваться и на входе в поворот он имеет неравномерный профиль скоростей, что еще больше увеличивает сопротивление внешних газоходов и способствует образованию вихревых зон.

Аэродинамические исследования показали, что сопротивление рассматриваемого участка зависит от его длины. Далее приведены результаты расчета коэффициента сопротивления участков сопряжения дымососов с газоходами ниток А, Б, В блока №9.

Наименование параметра	Нитка А	Нитка Б	Нитка В
Длина диффузор-перехода, Lдп(м)	6,7	5,7	3,7
Коэффициент сопротивления ξ	0,05	0,053	0,057