Разрабатываем оптимальные подходы к математическому моделированию изделий

Подвод воздуха к дефлектору может осуществляться как прямолинейно (рис.1), так и сбоку (рис.2).

Рис. 1 Пример CAD модели для расчетного ПО

Рис. 2 Пример CAD модели для расчетного ПО

Инженерами компании Flow Engineering применяется современный комплекс ПО для вычислительной газодинамики ANSYS CFX. ANSYS CFX совмещает в себе передовую технологию решателя с современным пользовательским интерфейсом и адаптивной архитектурой, что делает этот инструмент доступным как для разработчиков, владеющих общими инженерными знаниями, так и для специалистов в области гидродинамики, работающими с моделью и ее свойствами на глубоком уровне.

CFX позволяет детально изучить оборудование и процессы изнутри, повысить эффективность, увеличить срок службы и оптимизировать процессы. Сердцем модуля ANSYS CFX является передовой алгебраический многосеточный сопряженный решатель, использующий технологию Coupled Algebraic Multigrid, являющуюся ключом к получению точных результатов в короткие сроки. Параметры решателя, граничные условия могут быть скорректированы во время выполнения расчета, при этом нет необходимости останавливать решатель.

Решатель ANSYS CFX использует схему дискретизации второго порядка по умолчанию, обеспечивая получение максимально точных результатов. Использование технологии сопряженных решателей ANSYS CFX дает значительные преимущества при проведении любого расчета, неважно, для вращающихся машин, многофазных потоков, горения или для любой другой физической модели и позволяет получить устойчивые и масштабируемые решения для задач динамики жидкостей и газов. Большинство промышленных потоков являются турбулентными, поэтому в модуле ANSYS CFX всегда уделялось особое внимание разработке современных моделей турбулентности для эффективного и точного расчета турбулентных процессов [1].

Нахождение линий токов и значений скорости в дефлекторах компании Flow Engineering было выполнено численным методом в программном комплексе ANSYS 2021 R2 CFX. Для решения данной задачи в ANSYS экспортировались модели вентиляционного короба в масштабе 1:1 и применялась одна из наиболее популярных общих RANS - моделей турбулентности k – epsilon.

При численном методе решения задач газовой динамики расчетные области необходимо разбивать на элементы конечного объема. Для конкретной задачи все расчеты выполнялись при характерном размере ячеек равным 5 мм в области щелевого диффузора. В областях, симулирующих объем комнаты и канал, подводящий воздух, характерный размер ячеек составляет 60 и 10 мм соответственно. Общее число ячеек при таком разбиении находится в диапазоне от 3 до 3,5 млн в зависимости от конфигурации дефлектора. Данные характерные размеры и общее количество ячеек позволяют получить результат, хорошо согласующийся с экспериментом.

Для получения экспериментальных данных применялся современный метод оптической диагностики потоков 2D PIV, обладающий хорошим пространственным и временным разрешением. Основным начальным условием в задаче является массовый расход, который принимается как правило в широком диапазоне значений.

При моделировании течения воздуха в вентиляционных коробах первоначальной конфигурации был выявлен ряд газодинамических проблем таких как неравномерность поля скоростей на выходе из щелевого диффузора и рассеивание линий тока. При попадании воздуха в вентиляционный короб из канала посредством диффузора происходит сильное вихреобразование, и распределительная пластина никак это не компенсирует. Линии тока воздуха на выходе из щелевого диффузора при прямолинейном и боковом подводе распадаются на неупорядоченные пучки (рис. 3,5) и хаотично расходятся по объему, симулирующему помещение. Профиль скорости на выходе из щелевого диффузора неравномерен (рис.4,6), что в свою очередь не удовлетворяет никаким климатическим стандартам офисного или жилого помещения.

Рис. 3 Линии тока воздуха в вентиляционном воздухораспределительном устройстве

Рис. 4 Распределение значений скорости в выходном сечении щелевого диффузора при прямолинейном подводе рабочего тела

Рис. 5 Линии тока воздуха в вентиляционной системе при боковом подводе рабочего тела

Рис. 6 Распределение значений скорости в выходном сечении щелевого диффузора при боковом подводе рабочего тела

Для устранения описанных выше проблем и соответственно осуществления качественной и эффективной вентиляции помещений, геометрия конструкции должна быть преобразована таким образом, чтобы линии тока воздуха на выходе были упорядочены и направлены по потоку, а профиль скорости был приближен к равномерному. Для достижения этой задачи были просчитаны разные геометрические конфигурации дефлектора и определены следующие поправки в конструкцию: щелевой диффузор и распределительную пластину рекомендуется продлить на всю длину вентиляционного короба, перед щелевым диффузором рекомендуется установить хонейкомб для ламинаризации выходного потока воздуха.

Данные поправки позволяют существенно уменьшить рассеивание линий тока (рис.7) и неравномерность значений скорости воздуха на выходе (рис.8). Очевидно, что некоторая неравномерность все же остается, но она может быть сведена на нет путем варьирования высоты и длины ребра хонейкомба.  

Рис. 7 Линии тока в модернизированном вентиляционном устройстве

Рис. 7 Линии тока в модернизированном вентиляционном устройстве

Определение значений потока по характерным сечениям проточной части и формирование таблицы параметров изделия.

Рис. 9 Определение характерных сечений в проточной части моделируемого устройства

На рисунке 9 цифрами показаны основные сечения, 1 – начальное сечение подводящего воздушного канала, 2 – область стыковки воздушного канала и камеры статического давления КСД, 3 – начальное сечение воздухораспределительной линейной решетки, 4 – выходное сечение воздухораспределительной решетки. В характерных сечениях параметры потока определяются посредством различных осреднений, например, осреднение по геометрии Area Average или осреднение параметров по расходу воздуха Mass Flow Average.

Рис. 10 Распределение характерных сечений для определения параметров дальнобойности воздушной затопленной струи

Рис. 11 Одно из продольных сечений распределения параметров скорости в случае сверхмалых расходов воздуха через изделие