Файл: Учебное пособие для студентов высших учеб ных заведений, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов Нефтегазовое дело.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 382
Скачиваний: 11
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
При одной и той же средней по сечению температуре в случае нагревания жидкости ее температура у стенки будет больше, чем при охлаждении. Чем больше температура нефти, тем меньше ее вязкость. В результате при нагревании нефти скорость вблизи стенки больше, чем при охлаждении, и теплоотдача увеличивается.
При вязкостно-гравитационном режиме, помимо влияния изменения вязкости, распределение скоростей в сильной мере зависит от интенсивности и направления токов естественной конвекции, обусловленных разностью плотностей менее и более нагретых частиц жидкости.
В поперечном сечении трубы под влиянием естественной конвекции возникает поперечная циркуляция жидкости. При нагревании жидкости у стенки возникают восходящие токи и нисходящие — в середине трубы (в левой части рисунка 1.7); при охлаждении — наоборот (в правой части рисунка 1.7). В результате жидкость движется как бы по винтовой линии. За счет лучшего перемешивания жидкости теплоотдача в среднем увеличивается. Данное явление проявляется тем интенсивнее, чем ниже скорость потока.
Рисунок 1.7 – Циркуляция жидкости в поперечном сечении трубы
Сложность и многообразие процессов течения и теплообмена в трубах позволяет выделить громадное число конкретных задач, различающихся исходными дифференциальными уравнениями и условиями однозначности. Многие из этих задач решены. Решение наиболее полно поставленных задач из-за их сложности не может быть получено с достаточной точностью или неосуществимо. Применение специализированных программных комплексов вычислительной гидродинамики позволяет довести решение задач до получения числовых значений искомых переменных.
Согласно закону Фурье о распространении тепла путем теплопроводности, количество передаваемого тепла Q за промежуток времени τ через поверхность F выражается уравнением:
, (2.66)
где – коэффициент теплопроводности;
и – температура на поверхности стенки со стороны соответственно входа и выхода теплового потока;
– толщина слоя (знак минус указывает на то, что с увеличением толщины стенки температура убывает).
Очень часто расчеты ведут относительно удельного теплового потока . В таком случае:
. (2.67)
Нахождение температурного градиента в общем случае возможно лишь в результате решения дифференциального уравнения теплопроводности, которое приводится без вывода:
, (2.68)
где – коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость изменения температуры, ;
– производительность внутренних источников тепла;
– теплоемкость.
Глава 3. Программный пакет ANSYS/FLUENT
3.1 Общие сведения
В данном пособии рассматриваются задачи вычислительной гидродинамики, применительно к трубопроводному транспорту нефти и их решение в среде ANSYS/FLUENT, которая является частью программного пакета ANSYS и предназначена для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким диапазоном изменения теплофизических свойств посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью. Он дает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона моделируемых скоростных режимов. Изобилие физических моделей в пакете ANSYS/FLUENT позволяет с хорошей точностью предсказывать ламинарные и турбулентные течения, различные режимы теплопереноса, химические реакции, многофазные потоки и другие явления на основе гибкого построителя сеток и их адаптации к получаемому решению.
Вычислительная гидродинамика (CFD – Computational Fluid Dynamics) сегодня становится одной из составляющих процесса проектирования во множестве компаний, которые разрабатывают современное высокотехнологичное оборудование. Подобные расчеты позволяют получить характеристики устройства задолго до его изготовления и внедрения.
ANSYS/FLUENT является современным CFD решателем для моделирования сложных течений в диапазоне от малых чисел Маха, до трансзвуковых и сверхзвуковых режимов. Использование многочисленных настроек расчетной схемы и эффективный многосеточный метод дает оптимальное сочетание скорости сходимости и точности решения. Широкий выбор физических моделей пакета FLUENT позволяет проводить точное моделирование ламинарных и турбулентных течений, задач теплопереноса, многофазных течений и других физических явлений на различных расчетных сетках и в том числе с использованием адаптивных сеток.
Основные возможности ANSYS/FLUENT:
- 2D плоские, 2D осисимметричные, 2D осисимметричные с закруткой, 3D течения;
- Неструктурированные сетки (треугольные и четырехугольные элементы для 2D: тетраэдальные, гексаэдральные, полигексаэдральные, призматические и пирамидальные элементы для 3D);
- Установившиеся и нестационарные течения;
- Весь диапазон чисел Маха (от малых дозвуковых до гиперзвуковых течений);
- Невязкие, ламинарные и турбулентные течения;
- Ньютоновские и не-Ньютоновские жидкости;
- Широкий диапазон моделей турбулентности, в том числе: k-epsilon, k-omega, SST, DES, LES.
- Течения с теплопереносом (вынужденная, естественная и смешанная конвекция), сопряженный теплообмен, радиационный перенос (в том числе и солнечное излучение);
- Модели химических реакций (модели гомогенного и гетерогенного горения, модели реакционного осаждения);
- Течения со свободной поверхностью и многофазные модели с учетом теплопереноса и массопереноса;
- Модели фазового перехода для задач таянья/затвердеванья, модели кавитации, модели влажного пара;
- Пористые среды с неизотропной проницаемостью, моделью гидравлического сопротивления, каркасной теплопередачей и возможностью вычисления эффективной скорости;
- Динамически перестраиваемые сетки для моделирования течения вокруг движущихся тел;
- Возможность стыковки расчетных областей с различными системами отчета и скользящие сетки для подвижных областей;
- Объемные источники массы, импульса, энергии и концентрации;
- База данных по материалам;
- Дополнительные блоки для моделирования топливных элементов, магнитогидродинамики и др.;
- Возможность написания собственных подпрограмм.
В состав ANSYS/FLUENT включены ламинарные и турбулентные модели гидродинамики, теплопередачи, фазовых переходов и радиации. Также имеются модели для расчета кавитации, течения сжимаемых сред, теплообмена, теплопроводности, реальных газов и модуль для расчета влажного пара. Возможность использования динамической сетки существенно расширяют область применения FLUENT: потоки в цилиндрах, клапаны и др. Динамические сетки могут рассматриваться совместно с моделями горения, многофазного потока и др.
На данный момент программный комплекс ANSYS/FLUENT работает в интегрирующей среде ANSYS Workbench. Создание геометрии, задание физических моделей, решение и постпроцессинг — все это объединено в общий процесс разработки. Последовательная структура проекта облегчает работу и упрощает внедрение данной технологии и включает следующие этапы:
Геометрия (DesignModeler) → Генерация сетки (Meshing – ANSYS ICEM CFD) → Препроцессор → Решатель (Solver) → Постпроцессор (CFD-Post).
Модуль ANSYS DesignModeler создан для геометрического препроцессинга модели. Используя прямые интерфейсы к CAD-системам, DesignModeler позволяет работать с параметрическими моделями, обеспечивая двустороннюю связь между расчетной и CAD-моделью. Возможность вносить изменения в геометрию позволяет привести исходную CAD-модель к требованиям расчетной системы, например, удалить мелкие элементы и ликвидировать нестыковки поверхностей. В дальнейшем эта геометрия может быть использована для всех видов расчета в ANSYS, что упрощает постановку связанных задач.
Одним из условий получения корректных CFD-результатов является создание высококачественной расчетной сетки. ANSYS, Inc. предлагает два решения для CFD: модуль ANSYS CFX-Mesh и универсальный сеточный пакет ANSYS ICEM CFD. Все эти решения доступны под интегрирующей средой ANSYS Workbench.
ANSYS/FLUENT использует современный, интуитивно понятный интерфейс для задания всех граничных условий и физических моделей, необходимых для создания файла для решателя. Импорт расчетной сетки возможен из большинства сеточных генераторов.
Большинство промышленных потоков являются турбулентными, и ANSYS/FLUENT содержит достаточное число моделей турбулентности, позволяющих учесть все нюансы течения. В качестве хорошо зарекомендовавших себя моделей используются модели k-ε и SST с автоматической функцией стенки. Для более сложных течений, с большой степенью анизотропности турбулентности, применяются модели напряжений Рейнольдса (RSM). Среди зональных моделей турбулентности, помимо LES-и DES-формулировок, есть модель DES-SST, более корректно учитывающая пристенные эффекты.
Оптимизация теплообмена между потоком и твердым телом является типичной задачей во многих отраслях промышленности. Возможности ANSYS/FLUENT позволяют решать подобные задачи в 3х-мерной постановке с учетом сопряженного теплообмена и теплопроводности твердого материала.
В ANSYS в интуитивно понятном интерфейсе содержатся мощные средства постпроцессинга, в том числе анализ качественных и количественных результатов. Мощные средства отображения графической информации дают возможность проанализировать структуру потока с помощью изоповерхностей, сечений, векторов, траекторий и многих других методов. Анализ количественных результатов с помощью встроенных функций позволяет получить более точное представление о характеристиках исследуемой модели.
ANSYS/FLUENT использует при расчете метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ – сеточный метод, при котором модель объекта задаётся системой дифференциальных уравнений в частных производных с заданными краевыми условиями. Решение системы уравнений, описывающих конкретную модель турбулентности, производится за счет её замыкания.
3.2 Расчетные сетки
Построение сетки относится к одному из ключевых моментов численного эксперимента. Сетки различаются идеологией построения и методами решения модельных уравнений (регулярные, блочные, неструктурированные, гибридные).