Учебное пособие 1799
.pdfМИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
Кафедра нефтегазового оборудования и транспортировки
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к проведению практических занятий и самостоятельной работы для студентов направления
21.04.01 «Нефтегазовое дело» (программа магистерской подготовки «Моделирование
и оптимизация рабочих процессов в энергетических системах газонефтепроводов») всех форм обучения
Воронеж 2021
УДК 621.311(07)
ББК 31.16я7
Составители: проф. С. Г. Валюхов, ассистент Е. М. Оболонская
Актуальные вопросы импортозамещения энергетического оборудования: методические указания к проведению практических занятий и самостоятельной работы для студентов направления 21.04.01 «Нефтегазовое дело» (программа магистерской подготовки «Моделирование и оптимизация рабочих процессов в энергетических системах газонефтепроводов») всех форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост.: С. Г. Валюхов, Е. М. Оболонская. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2021. 37 с.
В методических указаниях содержатся описания этапов выполнения практических работ и иллюстративный материал.
Предназначены для студентов первого курса направления 21.04.01 «Нефтегазовое дело» (программа магистерской подготовки «Моделирование и оптимизация рабочих процессов в энергетических системах газонефтепроводов») всех форм обучения.
Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле МУ_ПЗ_АВИЭО.pdf.
Ил. 39. Библиогр.: 3 назв.
УДК 621.311(07)
ББК 31.16я7
Рецензент – С. А. Повеквечных, канд. экон. наук, генеральный директор АО «Научно-исследовательский институт лопастных машин» (г. Воронеж)
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
2
ВВЕДЕНИЕ
Одним из видов энергетического оборудования являются лопастные гидромашины. В настоящий момент для создания конкурентноспособного оборудования активно используются методы гидродинамического моделирования трехмерного течения жидкости, что позволяет в краткие сроки проводить работы по проектированию и оптимизации их проточных частей.
При отсутствии модельных характеристик спрогнозировать параметры лопастной гидромашины возможно по результатам расчета течения жидкости в ее проточной части. Общий случай движения вязкой жидкой среды описывается уравнениями Навье –Стокса, однако их решение, ввиду их сложности, возможно лишь с существенными упрощениями.
В последнее десятилетие лучшие из разработанных методов моделирования и расчета течения жидкости и газа в областях произвольной геометрической конфигурации, в том числе в проточных частях гидромашин, были реализованы в виде пакетов прикладных программ. Наиболее известными из них являются: Ansys CFX, StarCCM+, NumecaFineTurbo,
FlowVision, AutodeskSimulationCFDи другие.
Подготовка моделирования и расчета течения жидкости в лопастных гидромашинах с использованием современных программных продуктов, предполагает следующую последовательность действий: выбор математической модели исследуемой проточной части, создание геометрической модели, построение расчетной сетки, задание граничных условий и параметров расчета.
Результаты расчетов и их интерпретация целиком и полностью зависят от правильности выполнения указанных этапов.
3
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ № 1 И № 2 ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ПРОГРАММНЫМИ МОДУЛЯМИ
ANSYS CPD И ANSYS BLADEGEN.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
Цель работы:
1.Ознакомиться с интерфейсом программного продукта
Ansys CPD.
2.Спроектировать рабочее колесо центробежного насоса на заданные параметры.
3.Ознакомиться с интерфейсом программного продукта
Ansys BladeGen.
4.Построить 3D модель и задать расчетную область для спроектированного рабочего колеса.
5.Составить отчет по работе.
Перечень результатов, которые необходимо полу-
чить:
−Результаты проектировочного расчета;
−Внешний вид 3D модели.
При проведении инженерных анализов часто приходится использовать несколько программных продуктов. В том числе используются CAD-пакеты для создания геометрической модели, препроцессор со специальными программами, генерирующими конечно-элементную сетку и организовывающими задание граничных условий, решатель и постпроцессор для отображения результатов расчета. Если программные продукты самостоятельны, то приходится организовывать передачу данных между ними. Решение многих задач резко усложняется, особенно при решении задач параметрического анализа и оптимизации.
Интеграцию программ и приложений в единый расчет-
4
ный комплекс осуществляет специально разработанная компанией ANSYS платформа ANSYSWorkbench.
Платформа объединяет графический интерфейс приложений и обеспечивает их работу с базами данных в рамках одного проекта. Например, для работы с геометрией, генерации расчетной сетки, решения задач оптимизации ANSYS Workbench включает несколько специализированных модулей,
таких как ANSYS DesignModeler, ANSYS Meshing и ANSYS
DesignXplorer. Это позволяет создавать, связывать, проводить повторно расчеты в ANSYS CFX или ANSYS FLUENT, проводить параметрические исследования, легко выбирать тип анализа. Концепция расчета многодисциплинарных задач в единой рабочей платформе с поддержкой связи с CAD-системой уникальна и не имеет аналогов в иных программных продуктах.
Этапы проектирование и численного исследования рабочего колеса (РК) центробежного насоса (ЦН):
1.Определение геометрических параметров рабочего колеса центробежного насоса с помощью Ansys Vista CРD.
2.Построение геометрии лопаток рабочего колеса
впрограммном модуле BladeGen.
3.Создание структурированной сеточной модели с помощью сеточного генератора ANSYS TurboGrid.
4.Создание расчетной модели проточной части ЦН (ANSYS СFX-Pre) (задание доменов ротор, статор; наложение расчетных условий; задание граничных условий; определение интерфейсов).
5.Расчет трехмерного течения в проточной части ЦН (ANSYS СFX Solver) и анализ полученных результатов
(ANSYS СFX-Post).
Исходными данными при проектировании РК ЦН являются:
−проектные данные и параметры среды на входе (объем-
5
ный расход, частота вращения привода, напор, плотность среды);
−геометрические ограничения (количество лопаток, относительная толщина лопатки и др.).
В результате работы программы определяются следующие данные:
−геометрические параметры РК, необходимые для построения (диаметр на выходе, диаметр покрывного диска на входе, ширина РК на выходе и др.),
−параметры среды на выходе РК (окружная скорость, относительная скорость, меридиональная составляющая абсолютной скорости, мощность).
Методические указания по выполнению задания
1.Начало работы в Ansys
Платформа Workbench интегрирует программные пакеты ANSYS в единую рабочую среду, обеспечивает взаимосвязь и передачу информации между отдельными блоками с разными видами анализа. Запуск платформы производится последовательным выполнением команд:
Пуск>Все программы> Ansys>Workbench.
После загрузки появляется рабочее окно программы, показанное на рис. 1.
6
Рис. 1. Рабочее окно программы Workbench
2.Запуск Ansys CРD
Слева в перечне имеющихся в Ansys программных модулей необходимо выбрать модуль Vista CРD и перетащить его мышкой на рабочее поле.
Рис. 2. Рабочее окно программы Workbench с модулем Vista
CРD
7
После двойного нажатия левой клавишей мышки на поле
Blade Design запустится модуль Vista CPD.
Зададим следующие исходные данные на вкладке Operating conditions:
Rotational speed – скорость вращения ротора, об/мин; Volume flow rate – объемный расход, м3/ч;
Density – плотность перекачиваемой среды, кг/м3;
Head rise – напор, м.
На вкладке Geometry зададим: Number of vanes – количество лопаток 7.
Остальные параметры оставляем по умолчанию.
Рис. 3. Вкладка исходных данных модуля Vista CРD
Для вычисления геометрических параметров необходимо нажать на кнопку Calculate.
8
Рис. 4. Меридиональное сечение данных модуля Vista CРD
Справа появилось меридиональное сечение рабочего ко-
леса.
На вкладке Results можно увидеть результаты проектировочного расчета диаметры, скорости, углы, ширины и т.д. Закрываем модуль, нажав крестик в правом верхнем углу.
9
Рис. 5. Вкладка результатов расчета модуля Vista CРD
3. Построение 3D модели и задание расчетной области в программном модуле BladeGen
В этом модуле описывается не только геометрия лопатки, но и границы расчетной области, создаваемой при численном моделировании процессов гидродинамики в проектируемом насосе. Входные и выходные границы расчетной области можно изменить на меридиональном сечении рабочего колеса в верхнем левом углу окна программы. В правом верхнем углу программa BladeGen по умолчанию строит геометрию лопатки
по пяти сечениям по высоте. Но модель можно настроить
10