Диссертация (Повышение надежности и экологической безопасности систем очистки сточных вод предприятий радиоэлектронной промышленности), страница 10

д.Помимоисследованияиспользования программыважнойсоставляющейдля моделирования как средстваявляетсяметодисследования.Методсопутствует научному познанию на всех этапах его продвижения вперёд ипредставляетсобойпредписаниепопоследовательностипознавательных66операций, соответствующих предмету и цели научного поиска и позволяет свысокойвероятностьюполучитьдостовернуюинформациюкасательноизучаемого объекта. Метод или субметод, которым руководствуются примоделировании, в значительной степени определяется теми средствами, которымипользуется исследователь.Используя эффективный познавательный метод можно успешно решитьбольшое количество задач.

Поэтому в данной статье мы уделяем большоевниманиеметоду,которомумыследовалиприрешениивнутреннейгидродинамической задачи.Общий план решения внутренней гидродинамической задачи с помощьюFlow Simulation для выполнения расчётного анализа с помощью Flow Simulationнеобходимо:•Создать твердотельную модель в Solidworks•Создать проект исследования• Задать граничные условия моделирования• Задать цели проекта• Запустить и провести расчёт• Просмотреть и проанализировать результаты, определить точностьполученного решенияСоздание твердотельной модели исследуемого объекта в Solidworks. Наэтом этапе создаётся твердотельная оболочка, внутри которой будет течьжидкость (если задача исследования внутренняя) или поверхности моделируемогообъекта которую будет обтекать жидкость (если задача исследования течениявнешняя).Фактическицельюданногоэтапаявляетсязаданиенеобходимыхгеометрических условий однозначности, которые, по мнению исследователя,будут существенно влиять на гидродинамическую обстановку.

Рекомендуется67создавать твердотельную модель непосредственно в Solidworks, поскольку этодаёт возможность производить необходимые изменения над твердотельнойсоставляющей модели даже на более поздних этапах моделирования в пределахсамой программы. Будет создан новый файл детали, которая может представлятьсобой весь необходимый для расчёта твердотельный объект или являтьсясоставной частью твердотельного объекта, в случае его многокомпонентности.СозданиедеталейвSolidworksвыполняетсянаосновеопераций,производимых над плоскостными эскизами.ВыводыПолученные в результат расчёта данные не противоречат теоретическимпредставлениям о поведении жидкостей и газов при их движении в ограниченныхпространствах и сужающих устройствах, в частности. Следовательно, пакет FlowSimulation можно использовать для решения внутренних гидродинамическихзадач химической технологии.

Это позволит существенно сократить затратывремени на этапах изучения, проектирования, внедрения и эксплуатации новых иинтенсификации уже существующих химико- технологических процессов.68ГЛАВА. 4 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВГИДРОДИНАМИКЕ И ГИДРОМЕХАНИКЕ4.1Построение 3-D модели динамического миксера.Прочностнойанализ элементов конструкции миксера при разных скоростях работыВыполним моделирование динамического миксера в программе Solid worksи рассмотрим установившийся турбулентный режим перемешивания жидкости ваппарате с миксером.3-D модель построена в строгом соответствии геометрии и размеров собразцом, изготовленным на ПО БМТ г.

Владимир.Рис. 6 Миксер, изготовленный на ПО БМТ г. Владимир69Рис. 7 Модель миксера, выполненная в программе SolidworksПосле построения модели необходимо построитьГ отовый результат представлен на рисунке 8.Рис. 8 Область вращения динамического миксераобласть вращения.70Выполним сборку стойки миксера с областью вращения.Рис. 9 Сборка стойки динамического миксера с областью вращенияВ программе Flow simulation зададим конечные условия для решениязадачи:Тип задачи - внутренняя;Общее время задачи - 2 сек;Временной шаг выдачи результатов - 0.01 сек;Текучая среда проекта - вода плюс примеси;Температура 20 оС;Материал - нержавеющая сталь AISI 321;Скорость вращения 200 оборотов в минуту71В результате анализа получаем изображение движения потока.Рис.

10 Изображение движения потоков жидкости в ёмкости при работединамического миксераПроведём статическое исследование на прочность. Получаем картинуисследования динамического миксера на прочность конструкции. Синим цветомвыделены области наиболее устойчивые к механическому разрушению. Краснымцветом выделены наиболее критичные области. Все области отчётливо показанына шкале деформации.72Рис. 11деформацииСтатическоеисследованиемиксера на прочность.ШкалаПопробуем увеличить скорость вращения миксера до 500 оборотов вминуту.

Вывод: На полученном изображении мы видим, что вся конструкциясталакритичнойкмеханическомуразрушению.Следовательно,данноеоборудование не рекомендуется использовать на высоких скоростях вращенияперемешивающих лопастей.Приматематическоммоделированиигидродинамическихпроцессов,происходящих при использовании перемешивающего миксера, в программе Flowиспользуется теория подобия.Два процесса подобны,еслиописываютсятождественными уравнениями с тождественными граничными условиями ипротекают в геометрически подобной обстановке. Зная условия подобия, можноисследоватьиспытаниймодельныйнареальныйгидромеханическогобезразмерному виду.аппарат,машину,проектируемыйподобияа потомобъект.преобразуемперенестиДляуравнениерезультатывыявленияусловийНавье— Стоксак73L - масштаб длины;хU - масштаб длины;ux = ux/ UT - масштаб длины;t = t/Ug - масштаб длины;X = X} gà p : - масштаб длины;p = p/àp0sv=x/Lsvfт TУ = y/LzÜy = üy/ üuz = uz/ Usv=z/L/vf TT(4.1)Здесь величины, отмеченные волнистой линией, безразмерные.

Проведяматематические преобразования, получим (после вынесения масштабов из-под2знаков дифференциала умножим все слагаемые на L / U )(4.2)Где, безразмерные коэффициенты Sh, Fr, Eu, Re называются числамиподобия (иногда — критериями подобия) и носят имена ученых: Sh— числоСтрухаля; Fr—число Фруда; Еu — число Эйлера; Re — число Рейнольдса.Равенства чисел подобия в уравнении (4.2)и геометрическое подобие модели иобъекта достаточно для обеспечения подобия гидромеханических процессов.Поскольку каждое из слагаемых уравнения Навье— Стокса характеризуетодну из сил, действующих в жидкости, то числа подобия характеризуют ихотношения. Так,FrEu —vtp .Re = - ^f'rpF u-n — сила инерции, вызванная локальным ускорением;F u.k — сила инерции, вызванная конвективным ускорением;F M— массовая сила;F mp— сила вязкостного трения;(4.3)74F p — сила давления.Полную модель для объекта не всегда удается получить.Например, пусть L ç /L M =10 (индексы: о - объект; м - модель).

Тогда из99лсравенства чисел Фруда Uo /(gL 0) = UM/ ( g L M) следует, что W U M= (Lo/ L M) =10; изравенства чисел РейнольдсаUqLqvO. VQ__ Ю 3VM VM(4-4)испытания модели надо проводить в среде, вязкость которой значительнонижевязкостисредыобъекта,чтоневсегда удаетсяреализовать.Приинтегрировании дифференциальных уравнений в определенных пределах решениевсегда содержит лишь ту или иную комбинацию коэффициентов уравнения играничные условия.дуПоясним это на легко решаемом примере. Дано уравнение^- = а 0 4- а гх иначальное условие при х = х 0 у = у о .Вычислить y1 при х =хуПосле введениямасштабов х 0 и у 0и приведения уравнения к безразмерной форме нетрудно найти,что решение задачи имеет вид(4.5)Илиа д,Уо ' хо ' Уо ’ Уо_ о(4.6)/"По аналогии можно утверждать, что и решение уравнения Навье— Стоксаможно записать F(Sh; Fr; Eu; Re; r j ; Г2; ...)=О, где r j ; Г 2— отношения различныхразмеров объекта к масштабу L, определяющие его геометрию (геометрическиесимплексы).75Покажем, что применение уравнения движения в безразмерном видесущественно сокращает объем экспериментальных исследований, необходимыхдля уточнения вида искомой функции.

Рассмотрим несколько примеров:установившееся ламинарное течение в жидкости в горизонтальной трубе. Вкачестве масштабов при решении этой задачи можно принять L = d, U = v ( d —диаметр трубы; v — средняя расходная скорость). Поскольку — - = 0 иХ=0, тоуравнение (4.2) существенно упростится и его можно привести к виду(4.7)т. е. получим уравнение с одним коэффициентом Eu*Re. Решение следуетискать в виде F(Eu*Re; l/d=0), где l — длина трубы, или Eu*Re=f(l/d). Физическиочевидно, чтоà p ■'1 .7 . ÿ. f ( 'l1= С-- и расчетное уравнение содержит только одиннеизвестный коэффициент С:(4.8)установившееся турбулентное течение в горизонтальной трубе.

Приведемпоследнее к безразмерному виду, при ^= О(4.9)Это уравнение содержит два независимых коэффициента Ей и Re и его1решение следует искать в виде (Eu; Re; d) = Оили76Eu=f(Re)d, илиДp = f (fie) - p v J(4.10)установившийся турбулентный режим перемешивания жидкости в аппаратес мешалкойРис. 12 Схема аппарата с лопастной мешалкойВ отличие от предыдущей задачи в уравнении сохраняется слагаемое F r _1Xи решение следует искать в виде{D HЬ h\F (£ u ;fle; F r ; - ; - ; - ; - ; n ) = 0(4.11)где n — число лопастей.Выберем масштабы: L = d; и = ù)d; Др— средний перепад давлений налопасти.

Сила F, действующая на и лопастей, пропорциональна ,A p f b d n , амощность N на перемешивание жидкости N ~Fwd, т. е.N d 1ДV f w d 3 b n(4.12)77С учетом выбранных масштабов числа подобия примут вид„ù i â ,3 г ,ù i ^ d j-,jd1ЛГR e = ---- ;F t = ---- ; Е и = к к - -где к ж = — —-vgpcû3 d 3Ьп(4.13)Подставив в(4.11)преобразованное число Ей, решим его относительно кж{UD iHl bЪ rih\к „ = f\u ;R e -.F г - - ; - - ; * )(4.14)Вид этой зависимости чаще всего раскрывают на основе экспериментальныхисследований.Некоторые задачи гидромеханики удается решить точнымиметодами.4.2Построение 3-D модели сливной трубы системы очистки стоковгальванического производства.Анализ функциональной зависимостискорости движения потоков воды по трубе от степени загрязнённостисточной водыВ цехе по очистке стоков гальванического производства стоит такаяустановка.Рис. 13производстваУстановка,очищающаясточныеводыгальванического78Создадим 3-D модель сливной трубы в точном соответствии с её геометриейи размерами.Рис.

14 Сливная труба очистной установки гальванического производстваЗададимграничныеусловиявпрограммеSolidworks.Припомощиприложения Flow simulation проведём анализ скорости потока воды в различныхместах сливной трубы сложной геометрии.79Рис. 15 Сливная труба очистной установки во Flow simulationСкорость [m/s]Построим графики изменения скорости от минимума к максимуму.Рис. 16 Динамика изменения скорости потока воды в различных местахсливной трубы сложной геометрии80В презентации показана анимационная версия данного исследования. Далеерассмотрим функциональную зависимость изменения скорости движения воды потрубе от степени концентрации загрязняющих примесей.Данные берём изсреднестатистических степеней допустимой пдк вредных примесей в сточныхводах гальванического производства и проведённого инженерного анализа.Рис.

17 График зависимости изменения скорости движения воды по трубеот степени концентрации загрязняющих примесейВывод:Функциональнаязависимостьизмененияскоростидвижениясточной воды по сливной трубе обратно пропорциональна степени концентрациизагрязняющих примесей.814.33-D моделирование и инженерный анализ мембранного фильтраРассматриваемыйнамифильтрРучеек-Б1 -2-2.0представляетсобойрукавный фильтр для механической очистки сточных вод. Производительвыпускаетегосдвумятипамифильтрующейповерхности-гладкойигофрированной. Рейтинг фильтрации 5-200 мкм.

Рабочее давление до О.8 МПа,что составляет 8 бар. Рабочая температура до 100 о С. Производительность 6.3-19-5м / час (в зависимости от модели). Фильтроэлемент имеет диаметр 836/175 мм.ЛГабариты 1120/300 мм. Площадь фильтрации от О.4 до 2 м (в зависимости отмодели).Конструкция и принцип действияФильтрационный узел объединяет в себе корпус, сменный рукавный фильтри приборы контроля давления опционально. Фильтровальный рукав надевается напостоянный сердечник корпуса складками наружу и уплотняется по манжетамрезиновыми кольцами.