Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном к

На втором этапе вычислительного эксперимента проводились расчеты многосекционной крыши по всем схемам нагружения (рис. 20.3). Торцевые секции крыши были усилены каркасом жесткости, конфигурация которого была подобрана на предыдущем этапе. В рамках численного эксперимента было необходимо провести две серии расчетов, в которых принимались различные толщины пенопластового слоя. В таблице приведены результаты вычислительных экспериментов многосекционной крыши по всем схемам нагружения и для двух конфигураций материала крыши.

Рис. 20.3. Твердотельная модель многосекционной крыши

Результаты расчета многосекционной крыши

221

Анализ коэффициентов запаса показал, что увеличение толщины пенопластового слоя незначительно влияет на прочностные характеристики крыши, а следовательно, экономически более целесообразен вариант с толщиной слоя пенопласта, равной 10 мм. По наиболее опасной схеме нагружения (схема 5) видно, что имеется более чем двукратный запас по прочности, что и требуется при эксплуатации.

При вычислении многосекционной крыши использовались

HPC (High Performance Computing) технологии. Поскольку при вычислении данной конструкции значительный рост ускорения счета наблюдался при использовании до четырех ядер на одном вычислительном узле, задачи запускались параллельно на нескольких узлах, что позволило существенно сократить общее время счета.

Также проводились испытания образцов материала с целью верификации полученных данных расчетного эксперимента. Образцы испытывались на трехточечный изгиб. Результаты испытаний показали, что максимальные отклонения не превышают 6,4 % от данных, заложенных в расчет, что является приемлемым для инженерного анализа

Список литературы

1. Композиционные материалы: справочник / В.В. Васильев [и др.]; под ред. В.В. Васильева. – М.: Машиностроение,

1990. – 510 с.

2. ABAQUS. Версия 6.10. Руководство пользователя / URL: www.abagus.com (дата обращения: 01.02.2009).

222

ГЛАВА 21. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ

ВКАНАЛЕ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ СО СТРУЯМИ ВОДЫ

ИВОЗДУШНЫМ ПОТОКОМ

Разработан комплекс инженерных методик по расчету нестационарных газогидродинамических рабочих процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов энергетических установок (ЭУ) [1].

Для решения таких задач используют специальные технические устройства (газоходы переменного сечения). При проведении технологий охлаждения и снижения скорости потока необходимо обеспечить эффективную работу газохода в широком диапазоне изменения рабочих параметров, обеспечить его защиту и исключить влияние на технические параметры всей системы.

При проведении работ с ЭУ имели место случаи нештатной, непрогнозируемой работы газохода, связанные с возникновением нестационарных режимов функционирования. Такие режимы могут привести к снижению уровня технической и экологической безопасности, а также к повреждению или разрушению материальной части газохода. Восстановление его работоспособности связанос большими материальными ивременными затратами.

Существуют различные методики расчета нестационарных газогидродинамических процессов в газоходе при отводе и охлаждении горячих газов ЭУ, однако их необходимо совершенствовать и проводить дополнительные исследования с целью создания новых подходов к расчету газогидродинамических процессов в газоходе.

Для повышения эффективности работы газохода важно рассматривать нестационарную и трехмерную постановку задачи, учесть многофазность течения с рассмотрением процессов

223

испарения воды, теплового и скоростного взаимодействия фаз между собой. Такая постановка задачи позволяет определить области допустимой работы газохода.

Здесь представлены результаты расчетов нестационарных газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов ЭУ.

Входе решения использованы метод конечных объемов, аналитические методы расчета эжекции и теплового баланса.

Вкачестве системы инженерного анализа выбран отечественный программный продукт для решения задач в области газо- и гидродинамики FlowVision.

Вканале переменного сечения газохода (рис. 21.1) осуществляются следующие процессы: прием горячих газов, их нейтрализация, сбор отработанного нейтрализатора не вступивших в реакцию горячих газов и выброс парогазовой смеси в атмосферу. Общее количество секций 6. В каждой секции имеются отверстия для подачи воды. Отверстия расположены равномерно по окружности и образуют пояса.

Рис. 21.1. Конструктивная схема газохода

Сформулирована следующая физическая модель: процессы рассматриваются в трехмерной динамической постановке; поток рассматривается многофазным: несущая фаза – вязкий

224

сжимаемый газ, несомая фаза – несжимаемая жидкость; учитываются процессы нагревания и испарения капель воды; учитывается динамика движения капель воды; учитывается взаимное влияние фаз: несущая фаза определяет траектории капель, капли, в свою очередь, оказывают влияние на течение несущей фазы через источниковые члены.

При формировании физической модели были приняты следующие допущения.

1.Несомая фаза представлена монодисперсными каплями воды. Это объясняется тем, что нет точных данных по геометрическим характеристикам капель воды, поступающих в газоход.

2.Смесь горячих газов и воды принимается неравновесной по скорости и температуре.

3.Стенки канала непроницаемые, нетеплопроводные (продолжительность работы установки в вычислительном эксперименте намного меньше, чем время прогрева стенки) и гладкие (принимается, что все выступы элементов, шероховатости лежат внутри вязкого слоя).

4.Теплоперенос внутри капель воды происходит бесконечно быстро, ввиду малости их геометрических размеров.

5.До достижения температуры кипения испарение происходит в конвективном режиме.

6.После достижения температуры кипения испарение происходит в режиме кипения, так как при этом испарение воды

вконвективном режиме пренебрежимо мало и не учитывается.

7.Не учитываются процессы дробления и коагуляции капель, так как принимается, что скорости этих (противоположных) процессов равны.

8.Не учитывается конденсация пара на поверхности капель ввиду того, что газогидродинамические процессы рассчитываются в пределах газохода, а процессы конденсации в основном протекают за пределами газохода.

9.Не учитывается осаждение капель воды на стенку. Предполагается упругий отскок.

225

10.Не учитывается процесс окисления горячих газов в эжектируемом воздухе. Результаты вычислительных экспериментов хорошо согласуются с результатами натурных экспериментов, поэтому нет необходимости учитывать химические реакции при взаимодействии горячих газов ивоздуха.

11.Расчеты проводились без учета гравитации, так как предварительные вычислительные эксперименты показали, что результаты расчетов с учетом и без учета гравитации близки.

12.В ходе предварительных вычислительных экспериментов по расчету газогидродинамических процессов в канале газохода не обнаружено циркуляций потока вокруг оси канала. Поэтому представляется возможным моделирование сектора газохода. Это позволитсократитьвременные ивычислительные ресурсы.

Всоответствии с принятой физической моделью разработана математическая модель, которая базируется на законах сохранения массы, импульса, энергии и замыкается уравнениями состояния идеального сжимаемого газа и турбулентности, а также начальными и граничными условиями [2,4,5].

Математическое описание процесса газожидкостной эжекции в указанной постановке включает в себя следующие соотношения:

уравнение сохранения массы газа

где P – давление; g – вектор силы тяжести; Qик – источниковый член, выражающий силу, скоторой каплидействуют нагаз,

226

227

Источниковые члены рассчитываются по следующим формулам:

CD = 21,12 + 6,3Re−0,5 + 0, 25 . Re

Уравнение сохранения массы капли

228

где Yпнас – массовая концентрация пара, соответствующая насыще-

нию при данных температуре и давлении; Тк – температура капли. Числа Шервуда и Нуссельта рассчитываются по модели

Клифта:

где Pr – число Прандтля.

229

где σε =1,3 ; C1 =1, 44 ; C2 =1,92 – константы.

Уравнение турбулентной вязкости вычисляется по формуле Колмогорова– Прандтля

µт = Сµ ρг Kε2 ,

где Сµ = 0,09 – константа.

230