analiza numerica cfd a curgerii in bazinul de reactie

8/16/2019 Analiza Numerica CFD a Curgerii in Bazinul de Reactie

http://slidepdf.com/reader/full/analiza-numerica-cfd-a-curgerii-in-bazinul-de-reactie 1/9

CAPITOLUL 6

Analiza numerică CFD a curgerii bazinului de reacţie

Din punct de vedere tehnic, un sistem e definit ca un obiect sau ansamblu de entităţi deelemente interconectate ce interacţionează într -un anumit mod pentru a realiza un obiectiv, un

scop cu anumite performanţe. În particular, în automatică, obiectele din lumea reală,fenomenele, procesul, instalaţia, procesul tehnologic se numeşte sistem. Tot ceea ce nu aparţinesistemului face parte din lumea exterioară (mediu).

În domeniul ştiinţelor tehnice, experimentul şi observaţia constituie aspecte esenţiale pentru un sistem ce se elaborează iterativ. În ultimă instanţă, elaborarea unei teorii reprezintăconstruirea unui model verbal sau matematic al realităţii.

Modelul este reprezentarea cunoştinţelor, a aspectelor esenţiale ale unui sistem într -oformă utilizabilă.

Există mai multe tipuri de modele şi anume:

modele fizice (empirice sau la scară redusă- de exemplu se elaborează o tehnologie îndomeniul chimiei, un micropilot, se încearcă procesul tehnologic pe acest model fizic şise trag concluzii);

modele fenomenologice (conceptuale - sistemele respective sunt descrise prin anumite

legi);

modele funcţionale (formale - sistemul e reprezentat prin relaţii funcţionale, schemefuncţionale);

modele matematice (analitice).

Spre deosebire de sistemele de desenare asistată de calculator, prin care utilizatorulmanipulează forme bidimensionale, sistemele de modelare geometrică simulează ,mediulnatural în care este creat şi manevrat modelul fizic.

Produsele software din această categorie permit utilizatorului să adauge, să deformeze şisă elimine porţiuni din modelul vizual pentru a obţine forma finală a piesei.

Primele sisteme de modelare apărute aproximau forma 3D printr -o reţea de linii şi curbecaracteristice, de accea formele complexe erau adeseori ambigui.

Descrierea matematică a acestora nu includea informaţii privind volumul creat sausuprafeţele care îl delimitau, ceea ce făcea imposibil calculul proprietăţilor masice.

De asemenea nu er a posibilă modelarea cu elemente finite. Sistemele evaluate utilizează modelarea solidelor, prin interpretarea din punct de vedere

matematic inclusiv a volumelor obiectelor generate.

O altă categorie cuprinde funcţii care creează un solid prin deplasarea unei suprafeţefinite. La construirea conturului plan utilizatorul poate impune constrângeri geometrice între

elementele acestuia- cum ar fi paralelismul a două segmente, tangenţa dintre un segment şi unarc, coincidenţa a doua puncte reprezentând extremitaţile unor segmente

Programul va genera astfel forma exactă respectând datele dimensionale. Modificarile constrângerilor sau a dimensiunilor vor conduce la un contur planar diferit,

ceea ce va modifica aspectul volumului

rezultat. Această abordare poartă numele de modelare parametrizată, parametrii fiindreprezentaţi de valorile dimensionale şi de costantele implicate în constrangerile geometrice.

Metoda este total opusă modelarii 2D, unde dimensionarea este opţională, fară ea, odatăce a fost plasată, să mai aibă vreo relaţie cu elementul corelat.

Simularea este o metodă experimental-aplicativă prin care se realizează, se

implementează de obicei pe un calculator un model al unui sistem real în vederea analizeiindirecte a acestuia.

Modelarea şi simularea sunt instrumente de analiză a sistemului.



Simularea este utilă în special în cazurile în care analiza directă este imposibilă (deexemplu sistemul nu are încă o existenţă reală, sistemul nu poate fi pus la dispoziţia analistului

pentru experimentări directe, există pericolul producerii unor pagube prin experimentare

directă, sistemul este caracterizat prin evoluţii foarte lente în timp, nu pot fi generate directcondiţiile de experimentare).

Dezavantajele simulării:

-

nu se pot obţine soluţii foarte exacte pentru că în principial modelele sunt imperfecte,modelele fiind aproximări ale lumii reale, materiale;

- există erori în precizarea datelor, a parametrilor, a condiţiilor de simulare care nu pot ficompensate.

Se realizează amestecul a 2 fluide: apă uzata şi aer la temperatura de 25º C şi la presiunea de 1 atm.

Modelul geometric (fig 6.2.) s-a realizat cu ajutorul programului SolidWorks şi cu

programul Ansys Design Modeler.

Etapele realizării modelului geometric:

Se deschide o nouă schiţă (Start→Mechanical design→Part design) şi se creează un profil după dimensiunile calculate în capitolul anterior şi anume diametrul interior alrezervorului, înalţimea părţii elipsoidale şi înălţimea părţii dreptunghiulare.

Procesul de modelare a unui sistem poate fi divizat în patru etape de bază(fig 6.1.)

Fi 6.1. De la sistem la simulare



Fig. 6.2 .Modelul geometric

Modelul geometric 3D al ministatiei de epurare este prezentat în figura 6.3.



Figura 6.3. Modelul geometric 3D al ministatiei de epurare

Pentru optimizarea paramentrilor organelor de lucru se vor efectua o serie de cercetăriCFD în mediul Ansys-CFX de aceea am recurs la definirea lor pentru anumite condiţii optimede funcţionare.

Programul Ansys – CFX cuprinde 3 module:

1. Ansys – CFX Pre (pre-procesare) care este destinat pentru stabilirea condiţiilor la limită alemodulului de rezolvare (solver). În acest modul primul pas este importarea fişierului Meshdupă care se specifică mediul de lucru şi se stabilesc condiţiile la limită.Operaţiile realizate în acest modul sunt următoarele:

-

Se importă modelul geometric al rezervorului ministatiei de epurare

- Se creează domenii (de rotaţie şi staţionar)- Se impun condiţiile la limită care vor genera: o intrare prin care aerul pătrunde în

rezervor si o ieşire.

Condiţia la limită pentru intrarea aerului este reprezentată în figura 6.4.



Figura 6.4. Condiţia la limită pentru intrarea aerului

Pentru intrarea aerului în sistem se impun condiţii la limită pentru aer şi pentru apă. Fracţia volumică pentru apă se setează 1 iar pentru apă 0.

Se setează valorile iniţiale pentru ambele fluide (apă şi aer) şi anume fracţia volumică va fi 0 pentru ambele fluide (figura 6.5).

Se setează mărimile care sunt necesare pentru modulul Ansys - CFX Solver( fig 6.6.).



Figura 6.5. Valorile iniţiale ale apei

Figura 6.6 . Convergenţa soluţiei



2. Ansys – CFX Solver - în acest modul ecuaţiile Navier – Stokes care descriu procesul sunt

discretizate pentru a ajunge la ecuaţii nelineare, în dependenţă de modelul de turbuleţa alesşi condiţiile la limită setate în modulul anterior. Procesul de soluţionare al setului de ecuaţii poate fi de lungă durată în funcţie decomplexitatea problemei şi a preciziei de calcul.Rezultatele obţinute vor fi depozitate într -un fişier sau transmise direct modulului de post-

procesare.

3. Ansys - CFX Post. Etapa de post procesare este destinată,în general, pentru analiză,

vizualizarea proceselor de simulare şi prezentarea interactivă a rezultatelor cercetării. Este posibilă şi animarea proceselor de interacţiune. Rezultatele obţinute în urma simulării (fig. 6.7. si fig. 6.8.).

Figura 6.7. Convergenţa soluţie

a) b)

Figura 6.8. Convergenţa soluţiei a) Turbulenţă; b) Fracţia volumică



82

Prin efectuarea experimentelor de simulare am studiat curgerea unui amestec de fluide

(format din apă şi aer) în rezervorul de reacţii.A fost creat un model 3D in Solid Works in mediul Anys (fig.6.9, fig 6.10.) unde s-a realizat

reteaua de elemente finite-Mesh, realizandu-se o simulare a procesului de aerare.

Fig.6.9. Proiectare 3D – Solid Works Fig.6.10. Re ţ eaua de elemente finite – CFX Mesh

Ecuatiile care definesc modelul matematic sunt:

- ecuatiile de miscare Navier-Stokes:

- ecuatia continuitatii:

- ecuatia de conservare a cantitatii de miscare:

Rezultatele obţinute prin simulare, la condiţiile stabilite anterior, sunt prezentate in figurileurmătoare (fig 6.9 a,b,c) S-a urmărit astfel comportarea modelului studiat (distribuţia presiunii,fracţiei volumice a aerului, energiei cinetice turbulente, vitezei apei în rezervor, şi altele) încondiţiile date.

v f pvvt

vm

1)(

0)()(

iii

ii vC

t

C

imiiiiiiiii T f C vC vvC t

))(()(



83

a) b) c )

Fig. 6.9. Distribuţia energiei in interiorul bazinului

Rezultatele obţinute prin crearea unui plan pentru fiecare caz sunt următoarele:

- Distribuţie viteza AER in plan de sectiune XZ

Analiza curgerii fluidelor şi procesul de amestecare au fost analizate cu ajutorul simulării

numerice.

Utilizarea mediilor de analiză CFD, în cazul dat ANSYS CFX, în cadrul cercetării curgeriiapei uzate în rezervor, permite determinarea parametrilor. Acest fapt permite aprecierea

performanţei obiectului studiat fără cheltuieli considerabile cu efort minim şi maximă operativitate. Concluzii:

Modelul geometric al rezervorului ministatiei de epurare s-a realizat cu ajutorul programului

SolidWorks şi cu programul Ansys Design Modeler.

Simularea şi experimentele s-au făcut pentru rezervorul de reacţii al ministatiei. Prin

efectuarea experimentelor de simulare am studiat curgerea unui amestec de fluide (format din apă şiaer) în rezervorul de reacţii.Cu ajutorul calculelor s-a realizat dimensionarea rezervorului, calculul debitului. Utilizarea

programului de simulare Ansys CFX in cazul cercetarii curgerii apei uzate in statiile de epurare

permite determinarea unor parametrii importanti: distributia vitezelor fazelor de amestec, presiunii

pe peretele bazinelor, aprecierea performantei rotoarelor.

analiza numerica cfd a curgerii in bazinul de reactie

Documents