Моделирование течения жидкости в запорной арматуре с помощью KompasFlow

В КОМПАС-3D v18 интегрировано приложение KompasFlow - инструмент для моделирования течений жидкостей и газов.

Функциональность KompasFlow, представляет собой, адаптрированную для конструктора, версию программного комплекса FlowVision (KompasFlow и FlowVision разработаны в инжиниринговой компании ТЕСИС (http://tesis.com.ru/))

Пользователи  КОМПАС-3D имеют возможность попробовать использование KompasFlow для решения собственных гидродинамических задач в рамках открытого бета-тестирования новой версии КОМПАС-3D v18.

В данной статье рассматривается моделирование течения воды с известным расходом 1,55 кг/с через водопроводный кран с помощью системы гидродинамического экспресс-анализа KompasFlow.

GeometryVectors in KompasFlow

Официальный сайт КОМПАС-3D: http://kompas.ru/

Web- документация по KompasFlow: https://flowvision.ru/webhelp/kf-v18-ru

 

Подготовка геометрической модели расчетной области

На рис. 1 представлена твердотельная модель водопроводного крана, в виде сборки, построенной в КОМПАС-3D.

Geometry
Рис.1. Исходная твердотельная модель водопроводного крана, в виде сборки, построенной в КОМПАС-3D

В системе KompasFlow расчетной областью является объем жидкости или газа внутри (или вокруг) элементов конструкции. Поэтому для расчета необходимо выделить данную область внутри корпуса крана как самостоятельный замкнутый объем. При этом, внутри расчетной области могут присутствовать объемы обтекаемых тел, таких как детали штока крана.

Поэтому для решения данной задачи при помощи стандартных инструментов КОМПАС-3D была проведена операция выделения проточной части и, в итоге, получена сборка, состоящая только из двух тел (рис.2):

  • одно из них представляет внутренний объем полостей корпуса крана
  • другое – это результат объединения деталей штока

Geomery - 2 bodies

Рис.2. Геометрическая модель для KompasFlow в виде сборки двух тел

В действительности, проточная часть гидравлической системы не ограничивается штуцерами крана, а включает в себя также подключенные к нему трубопроводы. Кроме того, исходя из требований к корректности задания расчетной модели для гидродинамического анализа, граничные условия должны быть расположены на некотором удалении. Поэтому для окончательного формирования геометрической модели были добавлены «элементы выдавливания» (рис. 3) длиной 100мм для области выхода и 50 мм для области входа.

Geometry for modelling

Рис. 3. Геометрическая модель расчетной области

Для удобства проведения нескольких расчетов с различным положением штока была создана переменная* H, представляющая ход штока в диапазоне от 2мм (кран закрыт) до 15 мм (кран открыт). На первом шаге будет проведено моделирование для H=10мм.

При передаче геометрической модели, состоящей из нескольких тел в KompasFlow, происходит их распределение по следующему алгоритму:

  • тело с наибольшими габаритами определяется как объем расчетной области «Регион»
  • остальные тела – как тела для встраивания в расчетную область (обтекаемые твердые тела).

При необходимости, можно переопределять назначения тел (контекстное меню «Выбор тел» в элементе дерева «Геометрия расчетной области»).

(* - чтобы показать панель «переменные» - отметьте её для отображения в меню «настройка»/панели/)

Подготовка проекта и проведение расчета в KompasFlow

Глобальные параметры

Для данного проекта задаются опорное значение давления Pref=101000 Па (атмосферное давление).

Вещество

В качестве рабочей среды задается вода со следующими свойствами:

  • Плотность 1000 Кг/м^3
  • Молярная масса 0.018 кг/моль
  • Вязкость 0.001 кг/м·с
  • Теплопроводность 0.6 Вт/м·К
  • Удельная теплоемкость 4217 Дж/кг·К

Набор решаемых уравнений

Поскольку в данном примере моделируется турбулентное движение жидкости, то вместе с уравнениями движения необходимо использовать модель турбулентности. В данном примере используется стандартная k-e модель турбулентности (k-epsilon standard).

Граничные условия

На рис. 4 представлены использованные граничные условия

Boundary conditions

Рис. 4. Расстановка граничных условий

На входе задается нормальная массовая скорость W, соответствующая известному расходу через кран: W=расход/площадь = 1000 кг/м2·с.

Так как можно предположить, что до выхода могут доходить большие вихри, образовавшиеся в зоне штока и, соответственно, через данное ГУ возможен локальный вток жидкости, то для этого сечения лучше назначить ГУ «Вход/Выход» с указанием полного давления, чем использовать «Свободный выход». Значение относительного давления - 0 Па, так как моделируется истечение жидкости через кран в атмосферу, а атмосферное давление уже задано выше в качестве опорного.

Начальные условия

Для ускорения сходимости решения к стационарному в проекте задается начальное приближение в виде следующих начальных условий: скорость по оси Х равна 1 м/с, что соответствует расходу жидкости в сечении входа.

Расчетная сетка

Для создания равномерной по всем осям расчетной сетки задана начальная сетка (рис. 5) со следующим кол-вом ячеек по осям:

X: 200

Y: 60

Z: 40

Initial mesh
Рис.5. Начальная сетка

Параметры солвера

Обычно, данный класс задач, можно решать с хорошей точностью при относительно больших значениях шага по времени. В данном примере задан CFL=25 и ограничение на максимальный шаг по времени равное 0.1. Моделируемое время было принято равным 10с, однако ниже показано, что для данной задачи, с достаточной точностью можно говорить о сходимости результата к моменту времени 6с (см. рис.6).

Результаты

Одной из целей данного моделирования является определение давления на срезе входного штуцера крана. Для того чтобы определить среднее давление P в этом сечении и контролировать динамику его изменения в ходе расчета, был создан «Результат» в плоскости среза входного штуцера (расстояние - минус 50мм от входного ГУ, рис. 6).

Plot - average pressure in plane
Рис.6. Создание плоскости и график «Результата» по среднему давлению в контрольном сечении

Кроме того, этот график позволяет судить о достижении сходимости всего решения. В результате решения можно видеть, что после 5с значение среднего по сечению относительного давления колеблется около P=7870 Па. Соответственно, легко посчитать, что среднее по сечению абсолютное давление равно: Pabs=Pref+P= 101000 Па + 7870 Па =108870 Па.

Визуализационные слои

В ходе решения отображались векторы скорости (рис. 7) и распределение относительного давления (рис. 8), построенные в плоскости симметрии крана.

Layer - Vectors

Рис.7. Визуализационный слой «Векторы» для переменной скорость в плоскости симметрии крана с раскраской по модулю скорости в диапазоне от 0 до 4 м/с

Layer - Pressure in plane

Рис.8. Визуализационный слой «Заливка» для переменной давление в диапазоне от 0 до 9000 Па в плоскости симметрии крана

Отметим, что для ускорения основной продолжительности вычислений, можно использовать функцию «Отключить слои», тогда время на получение данных и отрисовку каждого слоя визуализации не будет затрачиваться. А когда появляется необходимость отобразить слои, имеется возможность возобновить их построение, отключив эту функцию.

Модификация проекта для проведения аналогичного расчета при другом значении параметров

В ходе данной работы проводилось также моделирование для другого положения штока. Выше было отмечено, что для этого создана специальная переменная H в КОМПАС-3D, представляющая ход штока. В качестве второй расчетной точки было проведено моделирование для вдвое меньшего значения этой переменной H=5 мм (вместо H=10 мм, использованного в первом расчете, рис.9).

Geometry - Stock movement

Рис. 9. Изменение положения штока с помощью заранее созданной переменной H (чтобы показать панель «переменные» - отметьте её для отображения в меню «настройка»/панели/)

После изменения значения переменной, модель была перестроена (клавиша «F5») и расчет KompasFlow перезапущен сначала. На рис. 10. представлен график «Результата» для среднего по контрольному сечению относительному давлению. Можно видеть, что среднее по сечению относительное давление составило около P=12 кПа. На рис.11 представлены векторы скорости, построенные в плоскости симметрии крана.

Plot - Averaage pressure in pane, H=5 mm

Рис.10. График «Результата» по среднему давлению в контрольном сечении

Layer - Vectors in plane, H=5mm

Рис.11. Визуализационный слой «Векторы» для переменной скорость в плоскости симметрии крана с раскраской по модулю скорости в диапазоне от 0 до 4 м/с
Отметим, что при данном положении штока, зазор на седле затвора уже достаточно мал и поперек минимального сечения располагается только несколько ячеек сетки, что можно видеть, построив слой «Сечение расчетной сетки» в плоскости симметрии (рис. 12а).

Layer - Computation mesh (with adaptation)
Рис. 12. Слой «Сечение расчетной сетки»: а - без адаптаций; б – с адаптацией по ГУ, созданному для нижней плоскости штока

При необходимости моделировать ещё меньший зазор, а так же если нужно повысить точность данного анализа, следует построить более подробную сетку, по крайней мере в области минимального проходного сечения. Для этого можно воспользоваться функционалом «Адаптация», который разбивает расчетные ячейки. В данном случае, адаптацию можно применить к граничным условиям, которые созданы на поверхностях, образующих минимальное проходное сечение (например рис. 12б).

Выводы

KompasFlow позволяет быстро создать расчетную модель на основе геометрии, созданной в КОМПАС-3D и провести анализ течения жидкости в проточных каналах устройства.

Возможно быстрое проведение серии расчетов, отличающихся параметрами геометрической модели. Для этого необходимо просто изменить геометрию в КОМПАС-3D и перезапустить расчет в KompasFlow.

Приложение

К данной статье приложен архив с файлами проекта «Valve-KompasFlow.zip». Для работы необходимо открыть в КОМПАС-3D подготовленный файл «Кран Расчетная модель.m3d», с положением штока H=10 мм. Далее:

  • для работы с готовой расчетной моделью KompasFlow (со всеми настройками расчета) нужно нажать «Открыть» в инструментальной панели "Команды KompasFlow";
  • для создания нового расчетного проекта для данной геометрической модели, необходимо нажать «Создать» в инструментальной панели "Команды KompasFlow".

Скачать, ZIP (~3.5MB)

Об авторе
Виктор Акимов
Author: Виктор Акимов
Инженер первой категории
к.т.н., МГТУ им. Баумана Экспертиза в областях: CFD, двигатели внутреннего сгорания, суперкомпьютеры