CFD-моделирование характеристик водовоздушного эжектора для аэрации воды | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 12 декабря, печатный экземпляр отправим 16 декабря.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №13 (303) март 2020 г.

Дата публикации: 24.03.2020

Статья просмотрена: 74 раза

Библиографическое описание:

Мельникова, В. М. CFD-моделирование характеристик водовоздушного эжектора для аэрации воды / В. М. Мельникова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 13 (303). — С. 19-22. — URL: https://moluch.ru/archive/303/68336/ (дата обращения: 03.12.2020).



В работе описано численное моделирование течения двухфазного потока в водовоздушном эжекторе для модели турбулентности k-ε. Результаты моделирования представлены в виде линий токов пассивного и активного потоков и распределения давления внутри эжектора.

Ключевые слова: эжектор, аэрация, ANSYS CFX.

Водовоздушный эжектор относится к классу струйных аппаратов и предназначен для получения водовоздушной смеси при взаимодействии рабочей жидкости с воздухом [1].

Аэрирование воды при помощи эжекторных устройств получило широкое распространение благодаря простоте их конструкции, высокой надежности, экономичности применения. В проточной части этого устройства происходит смешение струй, находящихся в разных фазовых состояниях, с образованием смеси. При этом активным рабочим телом является жидкость, а пассивным — газ. Таким образом, аэрирование эжекторами основано на использовании энергии рабочей жидкости, движущейся линейно со скоростью 15–17 м/с через сопло, имеющее определенные форму и размеры, для получения перепада давления, создающего эжекцию газовой или жидкой фазы.

Для проведения численного моделирования работы водовоздушного эжектора в структурной схеме модуля Fluid Flow (CFX) была создана геометрическая модель проточной части эжектора (рис. 1).

На основе геометрической модели, подготовленной в блоке Geometry, создается сеточная, или конечно-элементная модель [2].

Рис. 1. Трехмерная модель водовоздушного эжектора

Для исследуемого водовоздушного эжектора была построена неструктурированная сетка (рис. 2 и 3) с количеством элементов (ячеек) равным 59853.

Результаты численного моделирования (сходимость расчета, точность моделирования физических процессов, погрешность расчета, время вычисления) во многом зависят от расчетной сетки. При этом необходимое качество конечно-элементной сетки является основополагающим критерием для успешного численного расчета.

Рис. 2. Неструктурированная сетка геометрической модели

Рис. 3. Ячейки неструктурированной сетки геометрической модели

Для численного моделирования двухфазного течения в эжекторе необходимы граничные условия, которые задаются в блоке Setup.

В расчетной области в качестве физической природы домена был выбран тип Fluid Domain — текучий домен используется для моделирования жидких и газообразных тел [2]. В качестве модели течения была выбрана k-Epsilon модель.

Для определения поведения среды на внешней границе рассматриваемой области задавались следующие граничные условия (рис. 4):

  1. water (тип граничного условия Inlet) — вход активного потока (воды).
  2. air (тип граничного условия Inlet) — вход пассивного потока (воздуха).
  3. wall (тип граничного условия Wall) — непроницаемая граница для потока среды.
  4. out (тип граничного условия opening) — выход водовоздушной смеси из диффузора эжектора.

Рис. 4. Расчетная модель водовоздушного эжектора

Анализ литературы [3, 4, 5] показал, что наиболее подходящей для подобного типа задач является k-ε модель турбулентности. В вычислениях принята модель с параметрами k = 0,05 и ε = 10 — для граничных условий water и air и k = 0,01и ε = 1 — для выходного сечения out.

На рис. 5 и 6 представлены результаты численного моделирования двухфазного течения в водовоздушном эжекторе.

Рис. 5. Траектории линий токов активного (воды) и пассивного (воздух) потоков в водовоздушном эжекторе

Рис. 6. Распределение давлений в водовоздушном эжекторе

Выводы: проведено численное моделирование течения двухфазного потока в водовоздушном эжекторе. Однако без достоверных результатов физических экспериментов и их сопоставления с результатами моделирования невозможно говорить об адекватности разработанных моделей. Поэтому дальнейшим шагом в изучении процесса смешения активного и пассивного потоков в водовоздушном эжекторе является проведение экспериментального исследования и верификация полученных данных с результатами численного моделирования. В случае совпадения контуров скорости, полученных в численном и вычислительном эксперименте, можно утверждать, что выбранные настройки решателя и константы модели турбулентности максимально точно описывают физический процесс.

Литература:

  1. Лямаев Б. Ф. Гидроструйные насосы и установки. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. 256 с.: ил.
  2. Шарай Е. Ю. Компьютерное моделирование многофазных течений при решении задач техносферной безопасности: учеб. пособие / Е. Ю. Шарай; под ред. В. А. Девисилова. — М.: ИНФРА-М, 2019. — 128 с.
  3. Long X., Han N. and Chen Q. Influence of nozzle exit tip thickness on the performance and flow field of jet pump // Journal of Mechanical Science and Technology. — 2008. — 22. — pp. 1959–1965.
  4. Xiao L. Z. [et al.] Numerical investigation on the cavitating flow in annular jet pump under different flow rate ratio // 27th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems. — 2014.
  5. Xiao L. Z. and Long X. L. Cavitating flow in annular jet pumps // International Journal of Multiphase Flow. — 2015. — 71. — pp. 116–132.
Основные термины (генерируются автоматически): эжектор, CFX, геометрическая модель, граничное условие, численное моделирование, неструктурированная сетка, активный поток, двухфазное течение, двухфазный поток, пассивный поток.


Ключевые слова

аэрация, эжектор, ANSYS CFX

Похожие статьи

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной...

Численное моделирование нестационарных турбулентных течений жидкости со свободной поверхностью: диссертация... кандидата

эйлеровы методы, лагранжевы методы, численные методы, расчетная сетка, свободная поверхность, VOF, МАС, алгоритм реконструкции.

Идентификация математической модели обтекания крыльевого...

Поэтому численное моделирование обтекания подобных авиационных профилей является важным

Численное моделирование в CAE системах, в т. ч. и в ANSYS CFX можно разделить на

1. Создание геометрической модели. 2. Импортирование геометрии в CAE систему...

Численное исследование двухфазной жидкости | Статья...

Рассматривается математическая модель двухфазной фильтрации. Построены разностные схемы дифференциальных уравнений и начальных и граничных условий, соответствующих этим дифференциальным уравнениям. Результаты полученные при реализации выбранной...

Общие вопросы расчета и проектирования струйных аппаратов

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной... Ключевые слова: эйлеровы методы, лагранжевы методы, численные методы

Численное моделирование при использовании коммерческого гидродинамического пакета Ansys CFX 14.5 с применением кластера в СПбПУ.

Верификация программного комплекса ANSYS CFX на задачах...

Зная уровни потока жидкости перед обтекаемым телом и за ним можно определить силу сопротивления, а по эпюре

Для построения сеток использован модуль CFX-Mesh в ANSYS Workbench. Данный модуль позволяет создавать преимущественно тетраэдрическую сетку с...

Проведение замеров параметров потока в условиях трёхмерного...

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной... Эйлеров подход в описании движения заключается в определении

Рис. 2. Модель для расчёта в программном комплексе для 3-D численного моделирования ANSYS 12.1 CFX с углом установки.

Лагранжевы методы моделирования потоков со свободной...

Частицы моделируемого потока жидкости не связаны между собой линиями сетки и не ограничены в

Численное моделирование нестационарных турбулентных течений жидкости со

Базовая дискретная модель балки состоит из изотропных однородных КЭ 1-го порядка...

Методика расчета высотных зданий на воздействие ветровой...

Согласно [1] Расчеты ветровых потоков и воздействий на высотные здания и комплексы сводятся к решению трехмерных нестационарных нелинейных уравнений гидрогазодинамики с учетом вязкости в постановке Навье-Стокса. Прямое решение уравнений с учетом вихрей всех...

Моделирование двумерных и пространственных течений...

Моделирование турбулентных течений в местных сопротивлениях и дроссельном клапане

Для выбора предпочтительной модели турбулентности и характерных размеров сетки был

Для сравнения различных моделей турбулентности было рассмотрено течение в канале с...

Похожие статьи

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной...

Численное моделирование нестационарных турбулентных течений жидкости со свободной поверхностью: диссертация... кандидата

эйлеровы методы, лагранжевы методы, численные методы, расчетная сетка, свободная поверхность, VOF, МАС, алгоритм реконструкции.

Идентификация математической модели обтекания крыльевого...

Поэтому численное моделирование обтекания подобных авиационных профилей является важным

Численное моделирование в CAE системах, в т. ч. и в ANSYS CFX можно разделить на

1. Создание геометрической модели. 2. Импортирование геометрии в CAE систему...

Численное исследование двухфазной жидкости | Статья...

Рассматривается математическая модель двухфазной фильтрации. Построены разностные схемы дифференциальных уравнений и начальных и граничных условий, соответствующих этим дифференциальным уравнениям. Результаты полученные при реализации выбранной...

Общие вопросы расчета и проектирования струйных аппаратов

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной... Ключевые слова: эйлеровы методы, лагранжевы методы, численные методы

Численное моделирование при использовании коммерческого гидродинамического пакета Ansys CFX 14.5 с применением кластера в СПбПУ.

Верификация программного комплекса ANSYS CFX на задачах...

Зная уровни потока жидкости перед обтекаемым телом и за ним можно определить силу сопротивления, а по эпюре

Для построения сеток использован модуль CFX-Mesh в ANSYS Workbench. Данный модуль позволяет создавать преимущественно тетраэдрическую сетку с...

Проведение замеров параметров потока в условиях трёхмерного...

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной... Эйлеров подход в описании движения заключается в определении

Рис. 2. Модель для расчёта в программном комплексе для 3-D численного моделирования ANSYS 12.1 CFX с углом установки.

Лагранжевы методы моделирования потоков со свободной...

Частицы моделируемого потока жидкости не связаны между собой линиями сетки и не ограничены в

Численное моделирование нестационарных турбулентных течений жидкости со

Базовая дискретная модель балки состоит из изотропных однородных КЭ 1-го порядка...

Методика расчета высотных зданий на воздействие ветровой...

Согласно [1] Расчеты ветровых потоков и воздействий на высотные здания и комплексы сводятся к решению трехмерных нестационарных нелинейных уравнений гидрогазодинамики с учетом вязкости в постановке Навье-Стокса. Прямое решение уравнений с учетом вихрей всех...

Моделирование двумерных и пространственных течений...

Моделирование турбулентных течений в местных сопротивлениях и дроссельном клапане

Для выбора предпочтительной модели турбулентности и характерных размеров сетки был

Для сравнения различных моделей турбулентности было рассмотрено течение в канале с...

Задать вопрос