В статье поставлена задача изучения течения жидкости в трубах с турбулизацией потока. Задача решена с помощью метода конечных элементов.
Ключевые слова: численное моделирование, метод конечных элементов, число Рейнольдса, гидродинамика, турбулизация.
В основные установки энергетической и химической промышленности входят такие элементы, как топки, теплообменники, конденсаторы и реакторы, в которых имеют место течения жидкостей и газов и теплообмен [1].
Главная сфера использования метода конечных элементов (МКЭ) — анализ на прочность и расчёт деформации. Однако этот метод быстро завоевал популярность и для решения инженерных задач, связанных с гидро-, аэродинамикой, электроникой, радиоанализом. С его помощью можно решить задачи: механики жидкости, сплошных сред, статики, динамики.
Сейчас МКЭ является одним из наиболее популярных инструментов исследования характеристик инженерных конструкций, подвергаемых различным нагрузкам. Традиционные методы, предполагающие строгое теоретическое обоснование, могут использоваться только для ограниченного класса задач и особых условий нагрузки. Они часто нуждаются в модификации, причём приходится контролировать их применимость к решению поставленной задачи.
МКЭ позволяет конструктору решать задачи расчёта сложных деталей путём разбиения их на более мелкие части — конечные элементы. Эти элементы иногда называю дискретными, процесс их выделения- дискретизацией формы детали.
После разбивки дальнейшие расчёты проводятся для отдельных конечных элементов, каждый из них вносит свой вклад в характеристику прочности детали. Точки, ограничивающие элемент, называются узлами, и вместе с проходящими через линии образуют конечную элементную сетку.
Для 2d областей наиболее часто используются элементы в форме треугольника и четырёхугольника. При этом элементы могут иметь как прямо, так и криволинейные границы, что позволяет с достаточной степенью точности аппроксимировать границу любой формы. Для 3D областей наиболее употребляемые элементы в форме тетраэдра и параллелепипеда, которые также могут иметь прямо — и криволинейные границы.
В данной работе численное исследование поводилось для трубок со следующими характеристиками: внутренний диаметр трубок — 20 мм; длина трубки 100 мм.
Рис. 1. Геометрия труб с граничными данными (а) и нанесение сеток методом конечных элементов (МКЭ) (б).
Рис. 2. Результаты численного эксперимента: графики зависимости, а) давления, б) скорости и в) числа Рейнольдса от длины трубы.
Полученные данные доказывают, что, метод целенаправленной искусственной турбулизации потока в пристенной зоне, основанный на периодическом создании небольших вихревых зон около стенки, являющихся источником дополнительной турбулизации потока.
В расчётах была использована модель Incompressible Fluid (Несжимаемая жидкость), которая предназначена для моделирования течения газа (жидкости) при больших (турбулентных) числах Рейнольдса и при малых изменения плотности, которая даёт наиболее точные данные решения задач гидродинамики
Литература:
- S. Patankar «Numerical heat transfer and fluid flow». Hemisphere Publishing Corporation, New York, 1980.
- Рахманов Н. М., Муртазаев К. М. Технологическое оборудование градирен и методы интенсификации тепломассообменных процессов // Материалы международной научно-технической конференции «Современное состояние и актуальные проблемы развития энергетики». — Ош. 2008. — С.120–121.
