МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» КАФЕДРА «ТЕХНОЛОГИЯ НЕФТЯНОГО АППАРАТОСТРОЕНИЯ» CFD-МОДЕЛИРОВАНИЕ В ANSYS CFX. ГИДРОДИНАМИКА ПАРОВОЙ СРЕДЫ НА МАССООБМЕНООЙ ТАРЕЛКЕ Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторной работы для магистрантов направления 18.04.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» Уфа 2019 В учебно-методическом пособии показано построение задачи прохождения паровой фазы через полотно массообменной тарелки. Показан процесс постановки граничных условий и способ наложения расчетной сетки. Сделаны акценты на особенностях задачи. Описаны решение задачи и анализ результатов. Пособие предназначено к выполнению лабораторной работы для магистрантов направления 18.04.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» очной и заочной форм обучения по дисциплине «Компьютерное моделирование гидродинамических и теплообменных процессов». Также может быть полезным аспирантам и научным сотрудникам, которые занимаются CFD-моделированием в ANSYSCFX. Составители: Туманова Е.Ю. , канд. техн. наук, доцент каф. ТНА Галкин П.А., магистрант группы ММА-17-01 Рецензенты: Ризванов Р.Г. профессор, д.т.н. каф. ТНА Четверткова О.В., преподаватель каф. ТНА ©Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2019 СОДЕРЖАНИЕ С. Введение 4 1 Расчет коэффициентов гидравлического сопротивления методом 5 конечно-элементного анализа для полного аппарата 2 Создание геометрической модели (CAD-модели) 11 3 Создание проекта 13 3.1 Fluid Flow (CFX) 13 3.2 Создание геометрии 13 3.3 Импорт геометрии 16 3.4 Создание сетки 16 3.5. Задание параметров расчетных областей 21 3.6. Задание свойства среды 22 3.7 Создание пористого слоя 22 3.8 Настройка взаимодействия доменов 24 3.9 Создание граничных условий 25 4 Расчет 27 4.1 Установка параметров расчета 27 4.2 Запуск расчета 27 5 Анализ результатов расчета 29 5.1 Вывод результатов 29 5.2 Построение плоскостей 29 5.3 Построение цветовых полей 31 5.4 Определение среднего значения давления на плоскости 33 Вывод 36 Список использованных источников 37 3 Введение В нефтегазовой отрасли широко применяются ректификационные колонны. Ректификационная тарельчатая колонна работает следующим образом. Куб постоянно подогревается, и кубовая жидкость кипит. Образующийся в кубе пар поднимается вверх по колонне. Исходная смесь, подлежащая разделению подается в зону питания колонны. С питательной тарелки она стекает на нижележащие тарелки, взаимодействуя на своем пути с, движущимся снизу вверх паром. В результате этого взаимодействия пар обогащается легколетучим компонентом, а стекающая вниз жидкость, объединяясь этим компонентом, обогащается труднолетучим. Важнейшим элементов тарельчатой ректификационной колонны является тарелка, поскольку именно на ней происходит взаимодействие пара с жидкостью. Работоспособность тарелки снижается в процессе эксплуатации в результате загрязнения ее поверхности и отверстий. Таким образом, эффективность массообменного процесса, зависит от степени загрязнения массообменной тарелки. Цель данной работы: моделирование движения потока паров через полотно массообменной тарелки и анализ зависимости перепада давления на тарелке от степени загрязнения ее отверстий. Построение точной полноразмерной модели с детальной отрисовкой всех отверстий в перфорированной поверхности для конечно-элементного анализа не оправдано, поэтому в лабораторной работе будут применены методы компьютерного прототипирования. Для обозначения в аппарате поверхности, которая соответствует перфорированной поверхности, будет использован модуль «пористый материал», позволяющий пропускать текучую среду, но оказывать ей сопротивление, аналогичное заменяемому материалу. 4 1 Расчет коэффициентов гидравлического сопротивления методом конечно-элементного анализа для полного аппарата Для анализа и визуализации гидродинамики потока пара в аппарате построена полномасштабная компьютерная модель одной массообменной тарелки аппарата. Интерес представляет, как гидродинамика чистого аппарата, так и изменение сопротивления поверхности в процессе работы, т.е. при наличии загрязнений. Загрязнения могут быть различного характера, но в любом случае загрязнения закрывают часть отверстия или отверстие целиком, уменьшая доступное для прохождения потока сечение. Для математического описания этого процесса понадобятся понятия пористости и степени загрязнения. Моделирование течения жидкости/газа через малые отверстия, диаметр которых не превышает 20-30 мм, при диаметре аппарата 1000-3000 мм требует большого, более 107, количества элементов, т.е. значительных затрат вычислительных ресурсов и, практически, невозможно с применением современных персональных компьютеров. Поэтому для моделирования течения через пластины с отверстиями их можно заменить областями, обладающими аналогичным сопротивлением потоку. В ANSYS такие области могут быть смоделированы пористыми доменами (Porous domain). Для того чтобы использовать в расчете пористые домены необходимо задать их свойства: пористость, интенсивность сопротивления. Пористость – это отношение объема пор к общему объему, занимаемому поверхностью массообменной тарелки. Vотв Fотв s π dо' 2 π dо' 2 ε , Vт Fт s 4 2 d о 2 16 d о 2 5 (1) где d′о – диаметр отверстия, в зависимости от степени его перекрытия, м; dо – диаметр отверстия чистого полотна, м. Рисунок 1 – Модель массообменной тарелки Степень загрязнения – это доля уменьшения площади проходного сечения отверстий, которая выражается формулой: 2 ' d о' f отв η 1 1 1 d 2 , f отв dо где ′ fотв – площадь (2) проходного сечения отверстий, с учетом загрязнений, м2; fотв – площадь проходного сечения отверстий чистого полотна, м2; Δd – доля диаметра отверстия, по мере загрязнения поверхности полотна. 6 d 'о d dо (3) Для чистой поверхности Δd=1, а для полностью загрязненной Δd=0. Таким образом, степень загрязнения чистой поверхности η=0, а для полностью загрязненной η=1. При моделировании будет степень загрязнения от 0% до 90 %, что соответствует уменьшению диаметра отверстия от 0% до 70 %. Для определения коэффициентов сопротивления поверхности массообменной тарелки была применена следующая методика. 1. Скорость набегания потока на полотно, как отношение производительности к площади поверхности тарелки υт где Q , 3600 Fт (4) Q – производительность, м3/ч; Fф – площадь поверхности тарелки, м2 2. Площадь поверхности массообменной тарелки R 2т R 2т sin D 2т Sт 2 4 2 360 где (5) Dт – диаметр массообменной тарелки, м; Rт – радиус сегмента массообменной тарелки, м; α – угол при вершине вырезанного сегмента тарелки, м. Теоретический перепад давления на тарелке υ2т ρ P ξ1 2 , (6) 7 где ξ1– коэффициент гидравлического сопротивления поверхности тарелки; ρ – плотность жидкости, кг/м3 0,75 1,375 2 f 2 f0 f0 f0 ξ1 0,5 1 τ 1 1 λ δ 1 , f 0 f1 f1 f1 где (7) f0 – площадь одного отверстия в полотне тарелки, м2; f1 – площадь поверхности тарелки, соответствующей одному отверстию, м2; τ – коэффициент, определяемый уравнением. τ 2,4 l 10 φ где (8) φ – коэффициент, определяемый уравнением. φ 0,25 0,535 δ8 0,05 δ7 (9) λ – коэффициент трения, 0,02. δ – безразмерный параметр отверстия, определяемый соотношением толщины массобменной тарелки к диаметру отверстия, δ = sт/d0; d0 – диаметр отверстий фильтрующей поверхности, м; sт – толщина фильтрующей поверхности, м. 3. Проницаемость массообменной тарелки Кф = Q∙ν∙ρ∙s ∆P ∙ Fт 8 (10) Потеря импульса (скорости) в пористой области может быть задана с использованием коэффициентов проницаемости и сопротивления следующим образом (для изотропной пористой среды): SM,x SM,y SM,z где K perm K perm K perm U x K loss U U x ; 2 U y K loss U U y ; 2 U z K loss U U z . 2 (11) Kperm – коэффициент проницаемости, м2; Kloss – квадратичный коэффициент сопротивления, м-1; μ – динамический коэффициент вязкости, Па∙с; U – скорость потока, м/с. Линейная чисть уравнения описывает вязкие потери, а квадратичная – инерционные потери. Альтернативно для определения параметров сопротивления пористой среды могут быть заданы коэффициенты сопротивления: СR K loss . 2 Kт (12) В таблице 1 приведены расчеты коэффициента сопротивления для компьютерного моделирования массообменной тарелки при различной степени загрязнения. 9 Таблица 1 – Расчетные параметры для определения коэффициента сопротивления Параметр Диаметр отверстия d0, м Доля диаметра Шаг расположения отверстий Площадь одного отверстия в поверхности тарелки Площадь поверхности тарелки, соответствующей одному отверстию Δd, % Пористость ε Коэффициент гидравлического сопротивления Общая площадь фильтра Скорость фильтрации Расчетный перепад давления на фильтрующей поверхности Проницаемость фильтра Коэффициент сопротивления пористого материала Степень загрязнения поверхности массообменной тарелки 0% 36 % 58 % 75 % 84 % 91 % 0,01 0,008 0,007 0,005 0,004 0,003 100 % 80 % 75 % 50 % b, м f0, м 30% 0,0025 2 0, 000079 0,000050 0,00003 8 f1, м2 ξ1 (1) 0,000020 0,000013 0,145 0,093 0,071 0,036 0,023 0,013 66 166 287 1118 2767 8947 0,497 υф, м/с 1,7304 ΔP, Па К, м2 0,000007 0,000541 Fф, м2 СR 40% 59 149 256 1000 2473 7996 3,50E-9 1,39E-9 8,07E-10 2,07E-10 8,35E-11 2,58E-11 3,41E+3 8,59E+3 1,48E+4 5,78E+4 1,43E+5 4,62E+5 10 2 Создание геометрической модели (CAD-модели) Для моделирования процесса гидродинамики потока пара необходимо создать геометрическую модель (CAD-модель), которая будет отображать область течения пара до и после массообменной тарелки, а также область полотна тарелки, через которую будет проходить пар. Построение геометрической модели может быть выполнено как в специальном модуле из пакета ANSYS, так и в любой другой программе для трехмерного моделирования. На рисунке 2 представлены построенные модели. а 11 б а – геометрическая модель для парового пространства, б – пространство полотна тарелки Рисунок 2 – Геометрические модели В случае построения геометрической модели в сторонней программе, не входящей в пакет ANSYS необходимо сохранить модель в одном из форматов-конвертеров, например в формате *.x_t для импортирования геометрии модели в программу Ansys Workbench. 12 3 Создание проекта 3.1 Fluid Flow (CFX) Открываем Workbeanch. Из списка слева перетягиваем Fluid Flow (CFX) в окно проекта (рисунок 3). Создаем проект и сохраняем на английской раскладке. Путь к проекту также должен быть на английском языке. Рисунок 3 – Создание проекта 3.2 Создание геометрии Модель будет состоять из трех частей: паровое пространство над тарелкой (fluid domain), паровое пространство под тарелкой (fluid domain), пространство в отверстиях тарелки (porous domain). Создаем новую геометрию: Geometry (A2) – New Space Claim Geometry (Рисунок 4). 13 Рисунок 4 – Создание геометрии Импортируем геометрию модели в формате *.x_t. Для этого во вкладке «Insert» нажимаем иконку «File» и выбираем нужную геометрию модели из списка (рисунок 5). Рисунок 5 – Импорт геометрии модели Импорт остальных частей модели проводится аналогично. 14 Теперь необходимо расположить части модели относительно друг друга. Для этого необходимо сместить по оси Z , добавляемую часть на расстояние равное толщине отстроенной модели (рисунок 6). Рисунок 6 – Размещение частей модели После размещения всех частей сохраняем полученную модель в формате *.x_t. 15 3.3 Импорт геометрии Импортируем созданную геометрию модели в дерево проекта (рисунок 7). Рисунок 7 – Импорт геометрии 3.4 Создание сетки Открываем модуль Mesh для создания сетки расчетной модели (рисунок 8). Рисунок 8 – Создание сетки расчетной модели 16 При создании геометрии модели описанным путем, взаимодействие поверхностей задаются автоматически (рисунок 9). Рисунок 9 – Контактируемые поверхности Тип сетки – свободная, размер тетраэдра от 2,5 мм до 25 мм (рисунок 10). Рисунок 10 – Параметры сетки 17 В пристенных слоях, с помощью команды «inflation» создано измельчение сетки для точности математического решения поставленной задачи (рисунок 11). Рисунок 11 – Создание измельчения сетки Рисунок 12 – Параметры задания пристенного измельчения Ввиду того что толщина массообменной тарелки значительно меньше толщины парового пространства, автоматическое построение задается в ее поперечном сечении одной ячейкой. Это приводит к остановке решения задачи, так как контактирующие поверхности не должны лежать на границах одной ячейки. Что бы избежать этого, для построения сетки полотна массообменной тарелки необходимо использовать метод «sweep» (рисунок 13). 18 Рисунок 13 – Создание сетки полотна тарелки В открывшемся окне задаем выбираем метод «sweep», задаем размер элемента равным 3,3333 мм (рисунок 14). Рисунок 14 – Задание параметров метода «sweep» 19 На рисунке 15 показана сетка в области полотна тарелки. Рисунок 15 – Сетка в области полотна На рисунке 16 представлена сгенерированная сетка. Рисунок 16 – Сетка расчетной модели 20 3.5. Задание параметров расчетных областей Из контекстного меню ячейки Setup (A4) – Edit открываем окно препроцессора CFXPre (рисунок 17). Рисунок 17 – Модуль Setup На вкладке Analysis Type и установим тип моделирования – стационарный (рисунок 18). Рисунок 18 – Тип моделирования 21 3.6. Задание свойства среды Свойства среды выбираем из библиотеки программы (рисунок 19). Рисунок 19 – Выбор параметров среды 3.7 Создание пористого слоя Для определения пористого слоя создаем новый домен (рисунок 20), определяем его геометрию и задаем свойства (рисунок 21). 22 Рисунок 20 – Создание домена Рисунок 21 – Параметры пористого слоя 23 Пространства до и после тарелки могут принадлежать одному домену, поэтому для парового пространства аналогично создаем домен, но уже для жидкой среды (рисунок 22). Рисунок 22 – Параметры парового пространства 3.8 Настройка взаимодействия доменов Выше было описано, что контакты поверхностей задаются автоматически (рисунок 19), однако необходимо проверить параметры взаимодействия: тип взаимодействия, поверхности взаимодействия. Модель взаимодействия General connection – поток может проходить через поверхность сопряжения. 24 На рисунке 23 представлены требуемые параметры . Рисунок 23 – Задание взаимодействия поверхностей Рисунок 24 – Параметры взаимодействия поверхностей 3.9 Создание граничных условий Необходимо задать вход паровой среды в нижней части модели с заданным давлением (рисунок 25) и выход в верхней с заданным массовым расходом (рисунок 26). На остальных поверхностях оставим граничное условие стенка, созданное по умолчанию. 25 Рисунок 25 – Параметры входа пара Рисунок 26 – Параметры выхода пара 26 4 Расчет 4.1 Установка параметров расчета В дереве OutlineоткроемSolver Control и установим следующие параметры: максимальное количество итераций 300, целевое значение невязок (Residual Target) 0,000001, целевое значение дисбаланса (Conservation Target) не более 0,0001 (рисунок 27). Рисунок 27 – Параметры расчета 4.2 Запуск расчета Из контекстного меню ячейки Solution (A5) – Edit открываем окно препроцессора CFXPre (рисунок 28). 27 Рисунок 28 – Модуль Solution В появившемся окне нажимаем Start run и запускаем расчет. 28 5 Анализ результатов расчета 5.1 Вывод результатов Из контекстного меню ячейки Results (A6) – Edit открываем окно препроцессора CFXPre (рисунок 29). Рисунок 29 – Модуль Results 5.2 Построение плоскостей Для анализа результатов необходимо построить плоскости на которых будет исследовано распределение перепада давления на тарелке. На панеле инструментов вкладка location – plane (рисунок 30). 29 Рисунок 30 – Создание плоскости Далее даем название плоскости и нажимаем ОК. В появившемся окне необходимо задать пространственное размещение плоскости (рисунок 31). Рисунок 31 – Размещение плоскости в пространстве Для анализа результатов были построены три плоскости, одна параллельная плоскости YZ и проходящая через ось симметрии модели (для визуализации распределения давления) и две параллельные плоскости XY, 30 находящиеся до и после полотна тарелки (для расчета значения среднего давления). На рисунке 32 представлено расположение плоскостей. Рисунок 32 – Расположение плоскостей 5.3 Построение цветовых полей В дереве проекта открываем вкладку созданной плоскости. В открывшемся окне во вкладке Mode выбираем Variable. Ниже во вкладке Variable выбираем Total Pressure. Теперь плоскость будет окрашена в зависимости от распределения давления. Для лучшей визуализации зададим минимальное и максимальное значение отображаемого давления (рисунок 33). 31 Рисунок 33 – Создание цветового поля На рисунке 34 представлено распределение давления на плоскости. Рисунок 34 – Распределение давления 32 5.4 Определение среднего значения давления на плоскости На цветовом поле заметен перепад давления на массообменной тарелке, для определения значения перепада определим среднее значения на плоскостях до и после тарелки. На панели инструментов выбираем вкладку Function Calculator (рисунок 35). Рисунок 35 - Function Calculator В появившемся окне во вкладке Function устанавливаем параметр ave. Во вкладке location выбираем нужную плоскость и во вкладке variable устанавливаем параметр Total Pressure (рисунок 36). Рисунок 36 – Расчет среднего значения давления на плоскости По полученным данным определено значение перепада давления на массообменной тарелки. 33 Аналогичные расчеты проведены для тарелки с различной степенью загрязнения отверстий. Полученные данные представлены в таблице 2. Таблица 2 – Результаты моделирования Параметр Перепад давления на ΔP, аппарате Па Степень загрязнения 36 % 58 % 75 % 84 % 273 419 1461 3556 0% 134 91 % 11455 По полученным данным построен график зависимости перепада давления от степени загрязнения. График приведен на рисунке 37. 14000 12000 Перепад давления, Па 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Степень загрязнения Рисунок 37 – График зависимости перепада давления от степени загрязнения 34 По рисунку 37 видно, что характер падения давления на фильтре зависит от степени загрязнения. Функция, описывающая эту закономерность следующая: ΔР 2,5 где 1 1 η 2,5η , (13) η – степень загрязнения фильтра, т.е. доля уменьшения площади проходных отверстий. 35 Вывод В работе показано моделирование гидродинамики потока пара проходящего через полотно массообменной тарелки, с использованием домена «пористый слой». По результатам расчета получена визуализация гидродинамики на полотне тарелки. ПК ANSYS позволяет исследовать гидродинамику и получать значения перепада давления на тарелке в любой точке расчетной области. Для визуализации и анализа гидродинамики на полотне тарелки использованы заливки по плоскости. С помощью встроенного в программу калькулятора определены средние значения давления по плоскостям. Изменяя степень загрязнения полотна тарелки (т.е. изменяя параметры «пористого слоя»), была получена зависимость перепада давления от степени загрязнения. 36 Список использованных источников 1 ANSYS [Электронный ресурс]: сайт разработчика ANSYS. – Режим доступа: http://www.ansys.com/. 37
