Мастер-класс: CFD расчет химического реактора #3.

Сегодня я публикую третью часть нашего мастер-класса по расчету химического реактора. В заключительной части мы расставим граничные условия и запустим задачу на решение.

Геометрия расчетной области в виде цилиндра показана на рисунке ниже. Все размеры даны в относительных величинах, привязанных к характерному размеру d = 10 мм. В статье, которую мы взяли в качестве основы для решения нашей задачи, выполнено моделирование для реактора с предсмешением, в котором два потока с разным химическим составом подводятся через кольцевой канал и круглую трубу диаметром 12 мм, соответственно. А вся геометрическая модель образмеривается относительно диаметра этой внутренней трубки.

В нашем случае никакого предсмешения нет, и поток поступает в зону реакции через обычный круглый канал диаметром 10 мм. Еще одно отличие нашей геометрии от референсной заключается в длине реактора. Мы искусственно увеличили ее почти в 2 раза. Все другие размеры практически совпадают.

geometry

Данную задачу можно решать как в полной трехмерной постановке, так и с условиями циклосимметрии. Все зависит от вычислительных ресурсов, которыми вы располагаете.

Какие сложности могут у вас возникнуть при генерации расчетной сетки?  Рассмотрим вариант задачи с циклосимметрией. На рисунке ниже я показал основные проблемы, которые могут возникнуть при разбиении сетки в режиме «по-умолчанию».

mesh

Первая проблема — это скошенные элементы на поверхностях симметрии и о во всем объеме расчетной сетки. Лечится это довольно просто. Для этого надо дополнительно декомпозировать геометрическую модель в местах пересечения входных и выходных каналов с основной расчетной областью.

Вторая проблема — это наличие призматических элементов на оси реактора по всей его длине. Избавится от  призм можно двумя способами. В первом случае необходимо с помощью виртуальных узлов, ячеек, ребер и пр. (Virtual Topology) построить L-топологию на входном и выходном каналах, соответственно . Другой вариант — вручную декомпозировать расчетную область на sweepable-объемы, как показано на рисунке ниже.

sweepable

Когда все проблемы решены, можно смело нажимать кнопку [Generate].

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

Мастер-класс: CFD расчет химического реактора #2.

reactorНебольшая вводная информация. Все, кто хочет мне написать лично, пишите на новый адрес внизу. Многие ваши письма попадают в спам, и я их не вижу.

Продолжаем заниматься расчетами химических реакторов в ANSYS CFX. Прошлый наш разговор мы закончили описанием инструментов  ANSYS CFX для задания элементарных реакций. Напомню, что для вызова панели [Reaction] используется иконка reaction1, которая находится в верхнем контекстном меню.  Для определения реакции (Insert Reaction и далее вбиваете имя реакции) вы последовательно проходите все закладки этой панели (слева-направо): Basic Settings→ Reactants→ Products→ Reaction Rates.

Чтобы упростить вам жизнь, я заранее подготовил CCL-файл с библиотекой всех реакций. Для его активации вы должны выполнить команду File→ Import→ CCL… Файл с реакциями вы можете скачать по этой ссылке

.

В закладке Reactants мы указываем исходные реагенты, в закладке Products — конечные реагенты (продукты реакции). А в закладке Reaction Rates мы определяем кинетику соответствующей реакции. Все реагенты, которые участвуют у нас в реакциях (а это начальные, промежуточные и конечные продукты), мы должны заранее определить с помощью инструмента materialMaterial . После этого все действующие реагенты нам станут доступны через список Materials List.

С помощью инструмента Material мы определяем теплофизические свойства реагентов (как и в обычной газодинамической задаче). Это достаточно трудоемкий процесс, так как нам необходимо создать 16 новых «материалов»: Cl2, Cl, CH3Cl, CH2Cl, HCl, CH2Cl2, CHCl2, CHCl2CH2Cl, CCl3, CCl3CCl3, CHCl2CHCl2, CHCl3, CCl3CH2Cl, CCl3CHCl2, CCl4, N2). Пример задания свойств хлора показан на рисунке ниже.

clГотовую библиотеку материалов для проекта, сохраненную в формате CCL, вы можете скачать здесь

.

«Подключаете» к проекту вы ее также, как и библиотеку реакций.

На сегодня это все. Я думаю, что в следующий раз мы займемся построением расчетной CAD-модели и и поговорим о расчетной сетке для данной задачи.

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

Мастер-класс: CFD расчет химического реактора

reactorСегодня мы с вами смоделируем задачу, связанную с расчетом химического реактора для производства хлороформа. В промышленности хлороформ обычно производят хлорированием метана или хлорметана.

Упрощенный (редуцированный) химический механизм превращения хлорметана в хлороформ включает 16 реагентов (исходных и конечных) и 21 реакцию, которые показаны в таблице ниже. В этой же таблице в двух крайних правых столбцах представлены значения для энергии активации E и предэкспоненциального фактора A, необходимые для задания температурной зависимости констант скоростей элементарных реакций в препроцессоре ANSYS CFX (или в другом газодинамическом пакете) при описании цепного механизма реакций.

reaction-mechanism_21_reaction

Более детально химический процесс образования хлороформа описывается 152 реакциями, в которых участвуют 38 реагентов (химических соединений). Описание этого механизма вы можете найти в работе Jimmy J. Shah  и Rodney O. Fox из Iowa State University: «Computational Fluid Dynamics Simulation of Chemical Reactors…» (1999).

Прежде чем перейти к постановке задачи в препроцессоре ANSYS CFX, вспомним несколько базовых понятий и законов химической кинетики, которые помогут вам лучше понять все наши дальнейшие действия.

  1. Что изучает химическая кинетика? Химическая кинетика изучает закономерности развития химических реакций.
  2. Почему описание даже относительно простого  химического процесса, например, горения водорода включает почти 40 элементарных реакций? Формально горение водорода выражается одной глобальной реакцией: 2H2 + O2 = 2H2O. Т. е. можно предположить, что в результате одного столкновения этих трех молекул (двух молекул водорода и одной молекулы кислорода) образуется две молекулы воды. С позиции теории вероятности такое событие является маловероятным (точнее невозможным). Поэтому реакция горения водорода протекает поэтапно (в несколько стадий) через промежуточное образование атомов водорода, кислорода и радикалов.  Реакции такого типа называются цепными или суммарными. Цепные реакции являются последовательностью большого числа элементарных реакций, выявлением и изучением которых занимаются химики и физики.
  3. Стехиометрическое уравнение (или уравнение реакции). Стехиометрическое уравнение представляет собой краткое выражение материального баланса реакции. Например, уравнение 2H2 + 1O2 = 2H2O означает, что всякий раз, как в процессе реакции затрачиваются две молекулы водорода, одновременно расходуется ровно одна молекула кислорода и образуются две молекулы воды. Коэффициенты перед реагентами называются стехиометрическими коэффициентами. Если реакция состоит из ряда стадий, то получается система из n стехиометрических уравнений.
  4. Закон Аррениуса. Для химических реакций характерна сильная нелинейная зависимость констант скорости k от температуры. Эта температурная зависимость описывается достаточно простой формулой — законом Аррениуса: k = Aexp(-Ea/RT).  Здесь Ea — это энергия активации (она имеет размерность [Дж/моль] и A — предэкспоненциальный фактор (или частотный фактор). Размерность A совпадает с размерностью k. Обратите внимание, что в ANSYS CFX  предэкспоненциальный фактор имеет размерность [time^-1 (mol m^-3)^(1-n)], где n — суммарный порядок реакции.
  5. Быстрая или медленная химия. В теории горения есть критерий подобия — число Дамкелера Dm, который определяет отношение скорости течения химической реакции к скорости физического процесса. Если Dm→0, то время протекания химической реакции намного больше характерного времени физического процесса. Т. е. можно не учитывать химические реакции и считать смесь газов химически инертной (как-бы «замороженной»). Другими словами, реакция развивается намного медленнее (среда не успевает измениться) по сравнению с изменениями гидродинамических параметров. Второй предельный случай противоположен первому (Dm→∞): в каждой точке потока очень быстро устанавливаются такие концентрации реагентов, которые соответствуют равновесному составу. Оценив значение числа Дамкелера, можно в первом приближении выбрать соответствующую модель горения: для «быстрой» химии — это модель EDM, для «медленной» химии — это модель FRC.

Читать далее

Анонс мастер-классов на сайте cfd-blog-ru на 2016 год.

Дорtimeогие друзья и коллеги!

До конца текущего года мы планируем подготовить четыре мастер-класса по применению программного комплекса ANSYS CFD для моделирования многофазных потоков и решения нестационарных задач (мы рассмотрим основные проблемы, с которыми сталкиваются начинающиеся пользователи, и немного погрузимся в мир программирования и кастомизации ПО).

Кроме того, мы научимся определять многоступенчатые реакции для моделирования химических процессов в промышленных химических реакторах. Исследуем капиллярные эффекты и продегустируем молодое вино.

И, наконец, доведем до логического завершения наш мастер-класс по расчету ветрогенератора.

Надеемся, что ничто не помешает нашим grandиозным планам.

Напоминаю всем, что по техническим причинам у нас временно не работала форма «Обратной связи».

С уважением, Денис П. Хитрых,
АО «СимуЛабс».

ANSYS предлагает сотрудничество стартап-проектам

start-up

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»).

Инфографика: Сопло Лаваля

В рамках образовательных инициатив специалисты компании АО «СимуЛабс» разработали учебную инфографику, посвященную истории создания сопла Лаваля. Методический материал ориентирован в первую очередь на школьников старших классов и студентов технических ВУЗов (общетехнических специальностей). Поэтому используемая в инфографике терминология немного отличается от общепринятой в классической гидродинамике жидкостей и газов.

Немного о сопле Лаваля
Чтобы разогнать газ от полностью заторможенного до сверхзвукового необходим специальный канал, который сначала сужается, а затем расширяется. В самом узком сечении этого канала, число Маха должно равняться единице. Такой канал получил название сопла Лаваля. Особенности режимов течения для сопла Лаваля можно установить с помощью упрощенных диаграмм. Для этого необходимо знать соотношение параметров торможения на входе в сопло и параметров среды, в которую истекает струя на выходе из сопла. Зная параметры торможения на входе и закон профилирования сопла вдоль его оси можно рассчитать газодинамические параметры потока по всей длине сопла.

В реальных условиях течения рабочей среды через сопло Лаваля из-за влияния пограничного слоя, через дозвуковую область которого возмущения могут переносится и вниз по потоку, характер скачка в расширяющейся части может приобретать сложные формы, которые невозможно предсказать аналитическими методами и можно исследовать только с помощью экспериментальных методов или с применением численных технологий (CFD).

Мы надеемся, что объем информации, заложенный в нашу инфографику, поможет вам сделать первые шаги на пути освоения технологий вычислительной гидродинамики (CFD). И первым вашим смоделированным техническим устройством будет именно сопло Лаваля.

Что такое сопло Лаваля

На сайте размещена черновая версия инфографики. Все замеченные опечатки устранены в печатной версии плаката. Первые 200 копий инфографики будут бесплатно розданы всем участникам пользовательской конференции ACUM-2016 (Москва, 25-27 октября). Вы также можете подъехать за плакатом к нам в офис, который располагается на ул. Суздальская, дом. 46.

Если Вы заинтересованы в сотрудничестве по созданию и распространению подобных информационных материалов, то пишите мне лично на форму обратной связи на этом сайте.

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