Мастер-класс: CFD расчет химического реактора #4.

reactorСегодня я опубликую последнюю (крайнюю) часть моего мастер-класса по расчету химического реактора в ANSYS CFX. Ранее мы с вами научились определять многоступенчатые реакции в CFX на основе предопределенных шаблонов; построили геометрическую модель реактора; сгенерировали расчетную сетку и пр. И нам осталось только определить граничные условия и настройки решателя. Чем мы сейчас и займемся.

На входе мы задаем массовый расход, параметры турбулентности и температуру реагентов.

2016-12-26_17-04-54

2016-12-26_17-05-42

Турбулентность мы определим через относительную интенсивность, равную 0.05, что эквивалентно Tu = 5%. Массовый расход = 0.6 кг/с и статическая температура = 333 К.

Кроме того, необходимо задать компонентный состав на входе в соответствии с таблицей, показанной ниже.

2016-12-26_17-26-55

Если просуммировать массовые доли всех компонентов на входе, то мы получим величину, равную 0.9868 (вместо 1). Пугаться не стоит: «недостающиеся» доли  (1-0.9868 = 0.0132) приходятся на «замороженный» (constraint) азот, для которого не решается уравнение переноса (см. рис. ниже).

Для определения «замороженного» компонента вам необходимо отредактировать свойства расчетного домена. Откройте закладку Fluid Models и укажите для азота N2 опцию Constraint. Для всех других компонент по-умолчанию будет установлена опция Transport Equation.

transport

Не выходя из режима редактирования свойств расчетного домена, задайте величину опорного давления (Reference Pressure) равной 0.35 МПа. В закладке Fluid Models для Heat Transfer укажите Thermal Energy; Turbulence = SST и Combustion = FRC (модель, описывающая скорости химических реакций — «антагонист» модели «быстрой» химии). В Material выбираем ранее созданный материал Chloroform.

На выходе определяем статическое давление, равное 0.0 Па. И, наконец, на стенках определяем граничное условие первого рода T = const = 800 К.

Для начальной инициализации оставляем все настройки по-умолчанию. Задаем максимальное количество итераций = 400. Шаг по времени = 0.1 сек. И критерий сходимости RMS = 1e-04.

На этом все. Запускаем задачу на решение.

С уважением, Денис П. Хитрых,
Директор АО «СимуЛабс».
2016-11-21_16-58-13

Как «смоделировать» ветрогенератор в ANSYS CFD

Несколько лет назад я сделал доклад на тему использования ANSYS в альтернативной энергетике. За это время профессиональные инженеры и инженеры-любители разработали и запатентовали большое количество разнообразных устройств для извлечения энергии из ветра, волн, солнца и пр. Но лишь немногие из них ожили в металле, пластике или новомодном композитном материале. С другой стороны, некоторые оригинальные идеи и конструкции заслуживают второй жизни, и могут быть использованы в переработанном виде при разработке современных ветрогенераторов, морских турбин и т. п.

Поэтому на следующей неделе мы рассмотрим с вами наиболее интересные варианты конструкций ветряных турбин. И научимся моделировать в ANSYS CFD аэродинамику классического осевого «ветряка».

Для начала немного истории. На фотографиях снизу изображен один из первых отечественных ветрогенераторов времен СCCP. Он был спроектирован в ЦАГИ и введен в эксплуатацию в 1931 году. Мощность станции — 100 кВт (при скорости ветра 10 м/с); место установки — Балаклава, Крым. В 1943 году ветряная станция была разрушена. Сейчас на высоте Горной можно найти следы фундамента опор этой станции.
turbina

По современным меркам 100 кВт — это немного, но в начале 30-х годов прошлого века эта цифра заслуживала уважения. Например, немцы и датчане в это же время строили ветроэлектростанции меньшей мощности и с меньшим диаметром лопастей. Примечательно, что мачта Балаклавской станции была построена по проекту Владимира Шухова (автора знаменитых строительных гиперболоидов). А сама станция питала энергией Севастопольский трамвайчик.

Позже я подробнее вам изложу красивую легенду о послевоенной жизни этого замечательного технического объекта.

windturbine

А это турбина, которую мы с вами рассчитаем в ANSYS CFX или ANSYS Fluent. Размер расчетной области здесь показан условно.

До скорой встречи.

С уважением, Денис Хитрых (АО «СимуЛабс»).

Что и где почитать о «скелетных» или «редуцированных» механизмах реакций

reaction-logoВ январе 2014 года компания ANSYS, Inc. объявила о завершении процесса поглощения компании Reaction Design — разработчика специализированного ПО (CHEMKIN-PRO) для моделирования химически реагирующих потоков.

Компания Reaction Design занимается также разработкой детальных кинетических механизмов реакций и алгоритмов их редуцирования (упрощения) для использования в коммерческих пакетах вычислительной гидродинамики, в частности, ANSYS Fluent.

Об этом мы сегодня и поговорим.

Использование детальных кинетических механизмов важно для точного и полного моделирования таких процессов как, воспламенение и погасание пламени, образование загрязняющих агентов  при горении (углеводородов, окислов азота и углерода), моделирования неравновесных химических процессов.

Детальные кинетические механизмы для описания горения  углеводородов состоят из сотен веществ и тысяч элементарных реакций, поэтому их непосредственное использование в многомерных численных расчетах реагирующих потоков является затруднительным и требует огромных вычислительных ресурсов.

Проблема решается применением упрощенных редуцированных механизмов реакций.  За последние два десятилетия предложено большое количество методов для уменьшение вычислительной сложности задач с горением, которые можно разделить на два класса.

В методах первого класса из детального механизма реакций исключаются несущественные в конкретных условиях вещества и реакции, получается т. н. «скелетный» (skeletal) механизм.

В методах второго класса генерируется т. н. «глобальный» механизм, состоящий из ограниченного количества брутто-реакций, скорости которых рассчитаны на основе элементарных реакций.

Ниже приводятся несколько источников, в которых дается более подробное описание как детальных кинетических механизмов, так и «скелетных» и «редуцированных».

Читать далее

Ошибка в Fluent при расчете коэффициента поглощения с использованием метода WSGG

Фото с сайта www. unews.utah.edu.

Фото с сайта www. unews.utah.edu.

Теплообмен излучением играет важную роль в передаче тепловой энергии в процессах, связанных с горением твердых, жидких и газообразных топлив. Например, в угольных топках доля лучистого теплообмена может достигать 90 и более процентов.

Численное моделирование процесса лучистого теплообмена в Fluent или CFX является очень сложной и ресурсоемкой задачей. Это связано с тем, что в отличие от других процессов теплопереноса,  при которых обмен энергии происходит локально, при лучистом теплообмене каждая точка среды взаимодействует со всем пространством.

Существует большое количество различных математических методов и алгоритмов решения задач лучистого теплопереноса.  Их условно можно разделить на несколько групп: Pn приближения метода сферических гармоник; методы дискретного переноса и дискретных направлений; зональные методы и статистические методы Монте-Карло.

Для вычисления коэффициента поглощения газовой смеси  в газодинамических пакетах ANSYS используется несколько моделей: Gray (приближение «серого» газа),  Multiband (полосные модели) и WSGG (Weighted Sum of Gray Gases) – метод взвешенной суммы серых газов.

Читать далее

Моделирование процесса кавитации в шнековом насосе

cavitattionКавитация, если говорить по-простому,  – это процесс образования в движущейся жидкости парогазовых полостей с последующим их «схлопыванием/взрывом». Можно так же рассматривать процесс кавитации как разрыв капельной жидкости под действием растягивающих напряжений, которые возникают при разряжении в рассматриваемой точке жидкости.

В зонах, где давление жидкости P становится ниже некоторого критического Pкр, образуются каверны – кавитационные пузырьки. В зависимости от разных факторов их эволюция идет по-разному.

В самом начале процесс кавитации рассматривался только как негативный, поскольку он приводил к износу оборудования, вызывал шум, вибрации и пр. Намного позже, когда ученые и инженеры стали изучать явление суперкавитации, открылась положительная сторона этого явления.

Сегодня инженеры проектируют суперкавитирующие гребные винты, торпеды и пр.

Читать далее

Расчет гидродинамики промышленного шумоглушителя в ANSYS CFX

С сайта www.phillipsandtemro.com

С сайта www.phillipsandtemro.com

Канадская фирма Cowl (г. Виннипег, провинция  Манитоба), входящая в концерн Phillips&Temro, более 40 лет занимается проектированием и производством промышленных шумоглушителей различного назначения,  в том числе глушителей для дизельных и газотурбинных двигателей большой мощности (до 10.000 л. с.).

При разработке новых конструкций глушителей инженеры компании активно используют CFD пакеты ANSYS, Inc. для выполнения гидравлических и тепловых расчётов.

Для уменьшения размерности задачи и ускорения процесса проектирования инженеры компании отказались от моделирования полных моделей и перешли на расчетные модели с условиями циклической периодичности.

Читать далее

Роберт Бунзен и его горелка

Горелка Бунзена.

Горелка Бунзена.

Ровно 160 лет назад 14 июня 1854 года скромный, но выдающийся немецкий химик и ученый Роберт Бунзен изобрел замечательное устройство, названное его именем, — горелку Бунзена.

На этом его достижения не закончились. Мы также можем быть благодарны ему за заполнение пустых пятен в таблице Менделеева, поскольку он является первооткрывателем таких химических элементов как, цезий и рубидий.

Что же представляет собой горелка Бунзена? Это простое по исполнению устройство, имеющее инжектор, который установлен в металлической трубке с отверстиями для подачи атмосферного воздуха. Вертикальная трубка закреплена на массивной подставке с боковым отводом для подачи в трубку газа (например, метана). Проходное сечение отверстий регулируется специальной заслонкой.

Горелка Бунзена очень часто используется в студенческих лабораториях, и является хорошим объектом для калибровки и верификации моделей горения и механизмов химических реакций.

В самое ближайшее время мы планируем достойно отметить это юбилейное событие и подготовим для Вас небольшой воркшоп, посвященный Роберту Бунзену и его креативной горелке.

Роберт Бунзен в расцвете сил.

Роберт Бунзен в расцвете сил.

 

Результаты моделирования горелки Бунзена в ANSYS CFX.

Результаты моделирования горелки Бунзена в ANSYS CFX.