Исследование течения жидкости в лабораторном образце ленточного запорного органа регулятора воды при использовании САЕ-системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование течения жидкости в лабораторном образце ленточного запорного органа регулятора воды при использовании САЕ-системы

Работа посвящена исследованию проблемного вопроса ленточных регуляторов расхода и уровня воды в рисовых чеках, да и вообще регуляторов гидравлического принципа действия, а именно вопросу полного перекрытия проходного отверстия, исключающего нерегулируемые протечки [1, 2, 3, 4].

В работе, при использовании САЕ - системы FlowVision, решалась, в плоской постановке, задача моделирования потока воды, в том числе в момент полного закрытия лентой проходного отверстия регулятора.

Ленточный регулирующий орган, на котором осуществлялось моделирование, представлен в работах [5, 6] и на рисунке 1.

автоматизированный водораспределение полив регулятор

Рисунок 1. Эскиз ленточного регулятора расхода воды

Регулятор включает водовыпускную трубу 1 прямоугольного сечения с седлом 4. Внутри водовыпускной трубы 1 размещен запорный орган, выполненный в виде гибкой ленты 2, закрепленной одним концом к верхней стенке водовыпускной трубы 1, а другим - к основанию седла 4. Гибкая лента 2 образует с корпусом водовыпускной трубы 1 управляющую полость, вода из которой сбрасывается через сливное отверстие 3.

Ленточный регулирующий орган работает следующим образом: вода с верхнего бьефа через зазоры между кромками гибкой ленты 2 и боковыми стенками водовыпускной трубы 1 поступает в управляющую полость, и сбрасывается из неё через сливное отверстие 3. При этом гибкая лента 2 частично перекрывает проходное сечение седла 4, обеспечивая сброс воды через него в нижний бьеф. Изменение открытия проходного сечения седла 4 осуществляется путем регулирования сброса воды из управляющей полости. Отличительной особенностью исследуемого регулятора является отсутствие, каких-либо конструктивных приспособлений могущих, или способствующих решению вопроса полного перекрытия проходного отверстия, исключающего нерегулируемые протечки. По представленному запорному органу проведены, методом планирования экспериментов, гидравлические исследования, представленные в [7, 8, 9].

При использовании стандартной k-? модели турбулентности, осуществлено моделирование течения жидкости, в регуляторе и определены гидродинамические характеристики в рамках плоской модели турбулентного течения несжимаемой жидкости, что описывается нижеследующей системой уравнений:

,

,

,

,

где: ; ;

; .

Параметры:

, , , , .

Геометрические параметры расчетной модели представлены на рисунке 2, где в дальнейших расчетах рабочий напор - «h» см, открытие ленты по седлу - «a» мм.

Моделирование твердотельной расчетной модели осуществлено в программном комплексе Free CАD версия 0.15 Расчетная модель представлена на рисунке 3, при общих геометрических размерах модели на входе 100 х 100 мм. Исследование регулятора уровня осуществлялось при напорах водяного столба равных 18, 24 и 30 см, и открытии ленты в 1, 2 и 3 мм, при граничных условиях на выходе - свободный выход. Открытие ленты в 1, 2 и 3 мм выбрано из целей исследования, а именно перекрытия проходного отверстия, исключающего нерегулируемые протечки.

Рисунок 2. Геометрические параметры плоской модели

Рисунок 3. Расчетная плоская модель ленточного регулятора

Построение расчетной сетки конечных элементов, осуществлено ячейкой равной 40х1х40, а результат представлен на рисунке 4.



Рисунок 4. Сетка конечных элементов по расчетной модели

Результаты расчета движения жидкости, отображенные вспышкой скорости, представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Движение жидкости, представленное вспышкой скорости

Изополя в виде заливки распределения давлений жидкости (Па) и их числовые значения представлены на рисунке 6.

Рисунок 6. Изополя давлений

Двухмерный график давления жидкости по сечению в уровне плоскости седла представлен на рисунке 7.

Рисунок 7. Двухмерный график давления жидкости по сечению в уровне плоскости седла

Данные в форме листинга расхода жидкости, по ранее представленным конструктивно-технологическим параметрам модели, представлены на рисунке 8.

Рисунок 8. Данные по расходу жидкости

Двухмерные графики распределения модуля скорости жидкости по разрезам на отметках высот 0.00, 0.01, 0.02 м представлены на рисунке 9 (а, б, в) соответственно.

а) б)

в)

Рисунок 9. Двухмерный график модуля скорости воды при h = 18 см, и a = 1 мм

С целью анализа гидродинамических характеристик потока воды, осуществлено последовательно сопоставление изменений модулей скоростей и давлений вначале при открытии ленты на 1 мм, затем на 2 и 3 мм, при напоре равном 18 см, затем соответственно при напорах 24 и 30 см, на разных уровнях на входе в регулятор, начиная с отметки 0.00 м на седле, а далее на уровнях 0.01 и 0. 02 м, результаты чего представлены ниже, на рисунках 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 и 18.

а) б)

Рисунок 10. Модуль скорости потока жидкости (а) и давления (б) при истечении через проходное сечение седла регулятора в 1 мм, при давлении на входе «h» 18 см, и соответствующих плоскостях сечений 0.000; 0.010 и 0.020 м

а) б)

Рисунок 11. Модуль скорости потока жидкости (а) и давления (б) при истечении через проходное сечение седла регулятора в 1 мм, при давлении на входе «h» 24 см и соответствующих плоскостях сечений 0.000; 0.010 и 0.020 м

а) б)

Рисунок 12. Модуль скорости потока жидкости (а) и давления (б) при истечении через проходное сечение седла регулятора в 1 мм, при давлении на входе «h» 30 см и соответствующих плоскостях сечений 0.000; 0.010 и 0.020 м

а) б)

Рисунок 13. Модуль скорости потока жидкости (а) и давления (б) при истечении через проходное сечение седла регулятора в 2 мм, при давлении на входе «h» 18 см и соответствующих плоскостях сечений 0.000; 0.010 и 0.020 м

а) б)

Рисунок 14. Модуль скорости потока жидкости (а) и давления (б) при истечении через проходное сечение седла регулятора в 2 мм, при давлении на входе «h» 24 см и соответствующих плоскостях сечений 0.000; 0.010 и 0.020 м

а) б)

Рисунок 15. Модуль скорости потока жидкости (а) и давления (б) при истечении через проходное сечение седла регулятора в 2 мм, при давлении на входе «h» 30 см и соответствующих плоскостях сечений 0.000; 0.010 и 0.020 м

а) б)

Рисунок 16. Модуль скорости потока жидкости (а) и давления (б) при истечении через проходное сечение седла регулятора в 3 мм, при давлении на входе «h» 18 см и соответствующих плоскостях сечений 0.000; 0.010 и 0.020 м

а) б)

Рисунок 17. Модуль скорости потока жидкости (а) и давления (б) при истечении через проходное сечение седла регулятора в 3 мм, при давлении на входе h 24 см и соответствующих плоскостях сечений 0.000; 0.010 и 0.020 м

а) б)

Рисунок 18. Модуль скорости потока жидкости (а) и давления (б) при истечении через проходное сечение седла регулятора в 3 мм, при давлении на входе h 30 см и соответствующих плоскостях сечений 0.000; 0.010 и 0.020 м

а) при h = 18 см б) при h = 24 см в) при h = 30 см

Рисунок 19. Модули скорости потока внутри регулятора при открытиях ленты на 1, 2 и 3 мм, при напорах «h» 18, 24, 30 см, в сечении на отметке 0.00 м

С целью сопоставительного исследования распределения давления потока внутри регулятора при открытиях ленты на 1, 2 и 3 мм, при напорах «h» 18, 24, 30 см представлены графики на рисунке 20, в одном сечении, на отметке 0.00 м.

а) при h = 18 см б) при h = 24 см

в) при h = 30 см

Рисунок 20. Распределение давлений потока внутри регулятора при открытиях ленты на 1, 2 и 3 мм, при напорах «h» 18, 24, 30 см, в сечении на отметке 0.00 м

С целью сопоставительного исследования распределения модулей скоростей потока внутри регулятора при открытиях ленты на 1, 2 и 3 мм, при напорах «h» 18, 24, 30 см представлены графики на рисунке 21, в одном сечении, на отметке 0.01 м.

а) при h = 18 см б) при h = 24 см

в) при h = 30 см

Рисунок 21. Модули скоростей потока внутри регулятора при открытиях ленты на 1, 2 и 3 мм, при напорах «h» 18, 24, 30 см, в сечении на отметке 0.010 м

С целью сопоставительного исследования распределения давлений потока внутри регулятора при открытиях ленты на 1, 2 и 3 мм, при напорах «h» 18, 24, 30 см представлены графики на рисунке 22, в одном сечении, на отметке 0.01 м.

а) при h = 18 см б) при h = 24 см

в) при h = 30 см

Рисунок 22. Распределение давлений потока внутри регулятора при открытиях ленты на 1, 2 и 3 мм, при напорах «h» 18, 24, 30 см, в сечении на отметке 0.010 м

С целью сопоставительного исследования распределения модулей скоростей потока внутри регулятора при открытиях ленты на 1, 2 и 3 мм, при напорах «h» 18, 24, 30 см представлены графики на рисунке 23, в одном сечении, на отметке 0.02 м.

а) при h = 18 см б) при h = 24 см

в) при h = 30 см

Рисунок 23. Модули скоростей потока внутри регулятора при открытиях ленты на 1, 2 и 3 мм, при напорах «h» 18, 24, 30 см, в сечении на отметке 0.020 м

С целью сопоставительного исследования распределения давлений потока внутри регулятора при открытиях ленты на 1, 2 и 3 мм, при напорах «h» 18, 24, 30 см представлены графики на рисунке 24, в одном сечении, на отметке 0.02 м.

а) при h = 18 см б) при h = 24 см

в) при h = 30 см

Рисунок 24. Распределение давлений потока внутри регулятора при открытиях ленты на 1, 2 и 3 мм, при напорах «h» 18, 24, 30 см, в сечении на отметке 0.020 м

Представленные графические материалы позволяют осуществить всесторонний гидравлический анализ течения жидкости в лабораторном образце ленточного запорного органа регулятора воды, при небольших открытиях ленты, находящейся в процессе полного закрытия истечения из регулятора.

Расчеты в программном комплексе FlowVision позволили получить нижеследующие значения величин расхода регулятора от действующего рабочего напора и открытия ленты на седле, которые далее представлены в виде матрицы. В свою очередь для построения графиков поверхности, линий уровня и сечений функции отклика воспользовались программным комплексом wxMaxima.

Исходные данные для решения подготовлены в виде файла. Для его считывания осуществлена загрузка пакета numericalo, который также используется и для записи матричных данных: load («numericalio»).

В памяти данные представляются матрицей, для чего функция пакета numericalo - read_matrix считывает матрицу из файла: data:read_matrix («D:/matris/bes_wist.txt»).

Для линейного и нелинейного оценивания параметров различных моделей с использованием метода наименьших квадратов предусмотрен пакет lsquares, основная функция которого lsquares_estimates. В данном случае: data - матрица; [h, P, A, Q] - список переменных, дающий названия для каждого столбца матрицы data (даже для столбцов, которые не входят в анализ).

Общий вид модели, параметры которой оцениваются, может быть представлен в следующем виде:

Q=a+b*h+c*A+d*h*A+e*h^2+f*A^2;

где [a, b, c, d, e, f] - список параметров, содержащий названия параметров, для которых отыскиваются оценки.

s:lsquares_estimates (data, [h, P, A, Q],

Q=a+b*h+c*A+d*h*A+e*h^2+f*A^2; [a, b, c, d, e, f]);

[[a=259/450; b=181/400; c=229/150; d=91/1200; e=-89/21600; f=-37/300]]; float(%);

[[a=0.57555; b=0.4525; c=1.52666; d=0.075833; e=-0.00412037;

f=-0.123333]];

Для расчёта невязок в уравнении, при подстановке в него данных содержащихся в матрице, можно использовать функцию lsquares_residuals (D, x, e, a).

lsquares_residuals (data, [h, P, A, Q], Q=a+b*h+c*A+d*h*A+e*h^2+f*A^2, first(s));

[-0.083888; 0.274444; - 0.190555; - 0.045555; - 0.122222; 0.167777; 0.129444; - 0.152222; 0.022777];

F (x, y):=0.5756+0.4525*x+1.5267*y+0.0785*x*y - 0.0041*x^2 - 0.1233*y^2;

Plot 3d ([F (x, y), [x, 18,30], [y, 1,3]];

[x label, «Напор h»]; [y label, «Открытие а»];

[z label, «Расход Q»], [plot_format, gnuplot]; [gnuplot_preamble, «set hidden3d»]);

Рисунок 25. График поверхности функции отклика Q = f (h, a)

Для построения графика линий уровня функции отклика Q = f (h, a) воспользуемся следующим аппаратом:

contour_plot (F (x, y), [x, 18,30], [y, 1,3];

[x label, «Напор h»], [y label, «Открытие a»],

[gnuplot_preamble, «set cntrparam levels 12»])$.

Далее на рисунке 26 представлен график линий уровня функции отклика Q = f (h, a).

Рисунок 26. График линий уровня функции отклика Q = f (H, a)

Для построения сечений поверхности отклика при открытии ленты на 1; 2; 3 мм, представленных на рисунке 27, выполняются следующие расчеты:

F (x, 1); F (x, 2); F (x, 3); Тогда: F (x, 1) = - 0.0041*x^2+0.531*x+1.979;

F (x, 2) = - 0.0041*x^2+0.6095*x+3.1358;

F (x, 3) = - 0.0041*x^2+0.688*x+4.0459;

Plot 2d ([F (x, 1), F (x, 2), F (x, 3)], [x, 18,30], [y, 10,22];

[x label, «Напор H»], [y label, «Расход Q»];

[plot_format, gnuplot]; [gnuplot_preamble, «set grid;»])$.



Рисунок 27. Сечения поверхности отклика при открытии ленты на седле регулятора на 1; 2; 3 мм

Для построения сечений поверхности отклика при рабочем напоре в регуляторе 18, 24 и 30 см, представленных на рисунке 28, выполняются следующие расчеты:

F (18, y); F (24, y); F (30, y); F1 (x):=-0.1233*x^2+2.9397*x+7.39219;

F2 (x):=-0.1233*x^2+3.4107*x+9.0739;

F3 (x):=-0.1233*x^2+3.8817*x+10.4606;

Plot 2d ([F1 (x), F2 (x), F3 (x)], [x, 1,3], [y, 10,22];

[x label, «Открытие a»], [y label, «Расход Q»];

[plot_format, gnuplot]; [gnuplot_preamble, «set grid;»])$.

Рисунок 28. Сечения поверхности отклика при рабочем напоре в регуляторе 18, 24 и 30 см

Представленное позволяет всесторонне проанализировать работу ленточного запорного органа, как гидравлически действующего устройства во всех режимах основных факторов и, в дальнейшем, будет способствовать решению вопроса изучения степени влияния внесенных конструктивно-технологических изменений в конструкции регуляторов по работам [10, 11].

Литература

1. Дегтярев, Г.В. Теоретические основы характеристик системы автоматического регулирования рисового чека и регулятора уровня/ Г.В. Дегтярев, Н.В. Коженко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2013. - Вып.5 (44). - С. 252-255.

2. Дегтярев, В.Г. Технологические аспекты систем автоматического регулирования (САР) уровня, для трубчатых водовыпусков рисовых чеков / В.Г. Дегтярев, Г.В. Дегтярев // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2012. - Вып.3 (36). - С. 315-318.

3. Дегтярев, Г.В. Обоснование мембранного чувствительного элемента для ленточных регуляторов расхода воды/ Г.В. Дегтярев, Н.В. Коженко., Дегтярева О.Г. // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2013. - Вып.5 (44). - С. 256-262.

4. Дегтярев, В.Г. Теоретический анализ и экспериментальные исследования адаптивного датчика регулятора расхода воды/ В.Г. Дегтярев, Г.В. Дегтярев // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2012. - Вып.3 (36). - С. 300-303.

5. Пат. 2519508 Российская Федерация, МПК G05D7/01. Регулятор расхода воды/ Дегтярев В.Г., Дегтярев Г.В.; заявитель и патентообладатель Кубанский государственный аграрный университет (RU). - №2012149515; заявл. 20.11.2012; опубл. 10.06.2014, Бюл. №16.

6. Пат. 2520068 Российская Федерация, МПК G05D7/01. Стабилизатор расхода воды/ Дегтярев В.Г., Дегтярев Г.В.; заявитель и патентообладатель Кубанский государственный аграрный университет (RU). - №2012148643; заявл. 15.11.2012; опубл. 20.06.2014, Бюл. №17.

7. Дегтярев, В.Г. Ленточный регулятор расхода с адаптивными характеристиками для рисовых чеков / В.Г. Дегтярев, Г.В. Дегтярев // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2012. - Вып.3 (36). - С. 336-340.

8. Дегтярев, Г.В. Исследование расходных характеристик регулирующего органа ленточного регулятора расхода воды, методом планирования эксперимента/ Г.В. Дегтярев, Н.В. Коженко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2014. - Вып.1 (46). - С. 212-218.

9. Коженко, Н.В. Исследование расходных характеристик задатчика ленточного регулятора расхода, для рисовых чеков /Н.В. Коженко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2014 г. - Вып. №3 (48). - С. 158-163.

10. Пат. 2549396 Российская Федерация, МПК G05D7/01. Регулятор расхода воды/ Коженко Н.В.; заявитель и патентообладатель Кубанский государственный аграрный университет (RU). - №2014112846; заявл. 02.04.2014; опубл. 27.04.2015, Бюл. №12.

11. Пат. 2559680 Российская Федерация, МПК G05D7/01; F16K 7/17. Стабилизатор расхода воды/ Коженко Н.В., Дегтярев Г.В.; заявитель и патентообладатель Кубанский государственный аграрный университет (RU). - №2014113064/06; заявл. 03.04.2014; опубл. 10.08.2015, Бюл. №22.

Размещено на Allbest.ru

...