ВКР (1221017), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Проблемами МКЭ являются сходимость и оценка точности численного решения, зависимость решения не только от числа степеней свободы, но и от формы и соотношения размеров конечных элементов.
-
ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ТРУБОПРОВОДА СО СТЫКОМ И АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
-
Построение 3D модели трубопровода со стыком
Для проектирования углового участка трубопровода потребуются следующие инструменты программного пакета SolidWorks: Окружность, Линия, Поверхность по траектории и Придать толщину.
Линии будут выполнять роль направляющих. В плоскости эскиза линии располагаются по осевым линиям будущих отрезков труб, задается их длина.
Рисунок 2.1 – Эскиз направляющей линии
Затем, на конце одной из построенных линий задается смещенная плоскость, и в ней строится окружность диаметра равного внешнему диаметру строящейся трубы.
Рисунок 2.2 – Эскиз образующей
Для создания внешней оболочки используется инструмент Поверхность – По траектории. В качестве профиля для построения поверхности трубы используется окружность, расположенная в смещенной плоскости, а в качестве направляющих осевые линии отрезков труб. В завершении необходимо придать толщину стенкам трубы вовнутрь с помощью инструмента Придать толщину. Построенную модель можно увидеть на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Угловой участок трубопровода
На этом этап построения модели считается законченным. В следующем пункте будет представлен процесс задания параметров жидкого тела.
-
Моделирование движения потока с использованием инструмента SW Flow Simulation
-
Задание общих параметров потока
Создание потока жидкости начинается с задания общих параметров проекта. Для задания общих параметров проекта используется инструмент Мастер проекта, представленного на рисунке 2.4. В котором указываются имя нового проекта, комментарии к нему (при необходимости), систему единиц, тип задачи, в данном случае тип задачи – «Внутренняя», так как в задаче дипломного проектирования рассматривается течение внутри замкнутого объема.
Рисунок 2.4 – Окно Мастера проекта
В целях экономии вычислительных ресурсов из расчета были исключены теплопроводность в твердых телах, радиационный теплообмен, гравитация и вращение.
Затем указывается тип текучей среды – Water (Вода), и характеристики течения – ламинарное (без перемешивания слоев) и турбулентное (с наличием перемешивания слоев жидкости между собой).
В базе данных SolidWorks для задания элементов жидкостей используются следующие их характеристики: плотность, динамическая вязкость, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и эффект кавитации.
Каждая из перечисленных характеристик задается в базе данных SolidWorks через таблицу соответствия указанной характеристики и температуры, по которым строятся графики. Графики для воды представленные на рисунках 2.5 – 2.8.
Рисунок 2.5 – Параметр плотности
Рисунок 2.6 – Параметр динамической вязкости
За динамическую вязкость принимают силу сопротивления перемещению слоя жидкости площадью 1 см на 1 см со скоростью 1 см/с [11].
Рисунок 2.7 – Параметр удельной теплоемкости
Рисунок 2.8 – Параметр коэффициента теплопроводности
Подробнее стоит рассмотреть эффект кавитации. Кавитация – образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация). Кавитация в основном образуется при переходе ламинарного течения жидкости, в турбулентное течение. Наличие кавитации приводит к разрушению поверхности, или так называемой кавитационной эрозии. Если кавитационная волна встречает на своем пути препятствие, то она разрушает его поверхность. [6] Параметр эффекта кавитации для элементов жидкостей SolidWorks может наличествовать или отсутствовать.
В окне «Условия на стенках по умолчанию» указывается адиабатическая (теплонепроницаемая) и абсолютно гладкая стенку.
В окне «Начальные условия» задаются начальные давление, температура, скорость жидкости. Чем ближе начальные значения к конечным, тем меньше времени занимает расчет.
Затем в «Flow Simulation Дерево анализа» задаются входные данные для расчета и куда будут выводиться полученные результаты. Также здесь задаются границы расчетной области, т.е. объема, в котором будут производиться вычисления.
-
Задание граничных условий
Теперь необходимо задать граничные условия, т.е. значения таких параметров как давление, массовый, объемный расход или скорость на входе и выходе из расчетной области.
Начнем с входа. Для этого в дереве, в «Граничные условия» надо добавить граничное условие.
Для этого необходимо указать поверхность для граничного условия, это будет внутренняя грань Заглушки на верхнем конце участка трубы.
Для расчета модели необходимо задать два граничных условия: на входе и на выходе.
На входе граничным условием является скорость потока жидкости в метрах в секунду.
В области «Тип» выбирается «Расход/скорость» и «Скорость на входе».
За граничное условие при выходе из граничной области принимается статическое давление, равное 101325 Па по умолчанию. Для этого также создаётся для внутренней грани Заглушки на другом конце участка трубы граничное условие, типом для которого указывается «Давление», «Статическое давление».
Теперь на модели можно видеть места втекания и вытекания жидкости из расчетной области, для большей наглядности они показаны стрелками (рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 – Граничные условия
-
Запуск расчета и построение линий тока
Расчет в Flow Simulation запускается кнопкой «Запустить» в главном меню. При запуске расчетов появляется окно Солвера (Решателя), где производится мониторинг хода вычислений при решении задачи.
После того, как расчеты были произведены становится возможным построить траектории потока. Для этого в дереве анализа FlowSimulation, в Результатах необходимо выбрать Траектории потока и в качестве стартовых точек указать внутреннюю грань заглушки с входной стороны, стороны с граничным условием скорости потока на входе (рисунок 2.10).
Рисунок 2.10 – Граничное условие на входе
-
Распределение давления жидкости внутри трубопровода
Полученные траектории потоков для каждой рассматриваем модификации модели с указанием давлений в жидкости представлены на рисунках 2.11 – 2.22.
| | |
| Рисунок 2.11 – Изометрия 50м/с, 1500м | Рисунок 2.12 – Вид спереди 50м/с, 1500м |
На рисунках 2.11 и 2.12 видно, что при прохождении углового участка трубопровода давление в жидкости возрастает, достигая своих максимальных значений, затем давление в ней начинает падать, при втекании жидкости в прямолинейный участок, но, затем снова увеличивается, при постепенном движении по прямолинейному участку трубопровода.
Рисунок 2.13 – Траектории потока
В точке, показанной на рисунке 2.13, в плоскости изгиба трубопровода SolidWorks выдает такие значения давления жидкости и скорости потока:
Таблица 1 – Параметры жидкости на стыке
| Координаты точки | Давление [Пa] | Скорость [м/с] | ||||
| X [м] | Y [м] | Z [м] | ||||
| -0,324175835 | -0,313186824 | 0 | 2233834,035 | 40,70854939 | ||
| | |
| Рисунок 2.14 – Изометрия 20м/с, 2500м | Рисунок 2.15 – Вид спереди 20м/с, 2500м |
На рисунках 2.14 и 2.15 наблюдается резкая смена давления в жидкости, при прохождении участка с изломом поверхности.
В этом случае в той же точке, что и на предыдущей модели, наблюдаются следующие значения:
Таблица 2 – Параметры жидкости на стыке
| Координаты точки | Давление [Пa] | Скорость [м/с] | ||||
| X [м] | Y [м] | Z [м] | ||||
| -0,324175835 | -0,313186824 | -5,55112E-17 | 365215,8189 | 13,80459031 | ||
| | | ||||||||||||||||||||
| Рисунок 2.16 – Изометрия 100м/с, 1500м | Рисунок 2.17 – Вид спереди 100м/с, 1500м | ||||||||||||||||||||
| Таблица 3 – Параметры жидкости на стыке
На рисунках 2.16 и 2.17 представлео изображение потока для предельного случая с входной скоростью жидкости 100 м/с. Очевидно, что в этом случае значения давления жидкости и скорости потока в исследуемой точке принимают самые высокие значения.Интересно, что в этом случае наблюдается наибольшая из рассмотренных случаев потеря скорости при достижении места изгиба, составившая около 32 м/с. | |||||||||||||||||||||
| | | ||||||||||||||||||||
| Рисунок 2.18 – Изометрия 20м/с, 1500м | Рисунок 2.19 – Вид спереди 20м/с, 1500м | ||||||||||||||||||||
| Как видно из рисунков 2.18 и 2.19 в этом случае давление жидкости в трубопроводе не велико и не претерпевает больших изменений на траектории своего движения. Следовательно, можно предположить, что в данном случае потеря прочности твердого тела будет отсутствовать. Значения давления жидкости и скорости потока в исследуемой точке для этого случая следующие: Таблица 3 – Параметры жидкости на стыке
| |||||||||||||||||||||
| | | ||||||||||||||||||||
| Рисунок 2.20 – Изометрия 20м/с, 2000м | Рисунок 2.21 – Вид спереди 20м/с, 2000м | ||||||||||||||||||||
| Таблица 4 – Параметры жидкости на стыке
| |||||||||||||||||||||
| | | ||||||||||||||||||||
| Рисунок 2.22 – Изометрия 50м/с, 2000м | Рисунок 2.23 – Вид спереди 50м/с, 2000м | ||||||||||||||||||||
| Таблица 5 – Параметры жидкости на стыке
| |||||||||||||||||||||
Проанализировав значения скорости потока жидкости и ее давления для всех случаев, можно заметить, что в месте излома поверхности поток жидкости замедляет свою скорость, в то время как давление жидкости в этом месте достигает своих максимальных значений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
