Анализ течения рабочей жидкости через сопло гидрорезной установки в программе ANSYS

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ течения рабочей жидкости через сопло гидрорезной установки в программе ANSYS

В.Г. Гусев

С использованием программной среды ANSYS проанализированы скорости течения и распределение давления рабочей жидкости в соплах с различным продольным профилем. Полученные данные необходимы при проектировании сопла гидрорезной установки, обеспечивающего максимальную производительность обработки.

Ключевые слова: рабочая жидкость, профиль сопла, гидрорезание, скорость течения, распределение давления, программная среда ANSYS, струя жидкости. жидкость сопла ansys

Оснастка, спроектированная для любого технологического оборудования, в том числе и оборудования для гидроабразивной обработки, должна обеспечивать высокую эффективность выполнения операций. При появлении CAD/CAM/CAE - систем данная задача стала реализовываться на более высоком уровне. Анализ течения рабочей жидкости через струеформирующее сопло позволит оценить картину формирования высоконапорной струи рабочей жидкости еще на стадии его проектирования и вовремя внести необходимые коррективы в конструкцию сопла, с целью обеспечения высокой производительности операции гидроабразивного резания.

При выполнении конечно-элементного анализа приняты следующие допущения: рабочая жидкость является ньютоновской, то есть чистой, не содержащей посторонних примесей и включений; рабочая жидкость не испытывает фазовых переходов, то есть находится в одном агрегатном состоянии; краевая задача постоянна.

При выполнении анализа необходимо указать: а) является ли поток рабочей жидкости ламинарным (по умолчанию) или турбулентным; б) рабочая жидкость несжимаема (по умолчанию) или сжимаема по определенному закону (алгоритму).

Проанализируем течение рабочей жидкости через три вида сопел, имеющих профиль: катеноидальный, коноидальный, конический сходящийся. Текущий радиус R внутренней поверхности сопла описывается следующими уравнениями:

- катеноидальный профиль

, (1)

- коноидальный профиль

, (2)

- конический сходящийся с углом 140:

, (3)

где: - начальный радиус сопла; - радиус выходного отверстия сопла; - текущая координата; - длина сходящейся части сопла; - основание натурального логарифма.

Для создания модели использовали следующие данные: плотность воды св = 998,2063 кг/м3; динамическая вязкость воды мв = 0,001 Пас. Процедуру моделирования и конечно-элементного анализа проводим в ниже излагаемой последовательности.

После запуска программы устанавливаем класс решаемых задач (в нашем случае - это решение задач гидро-газодинамики), для чего активируем команду Preferences меню ANSYS Main Menu. Решение задачи начинается с установки типа конечных элементов. Для решения задач гидрогазодинамики в ANSYS предусмотрены два типа конечных элементов: FLOTRAN 141 (для решения задач в двухмерной постановке) и FLOTRAN 142 (для решения задач в трехмерной постановке). В нашем случае выбираем FLOTRAN 141.

Рис. 1. Расчетная схема конического сходящегося сопла: зона 1- вход жидкости, зона 2 - переходная зона, зона 3 - выход жидкости.

После установки типа конечного элемента строим схему конечно-элементного анализа в соответствии с рис. 1. Для этого необходимо построить ключевые точки, линии и поверхности.

Построение ключевых точек в активной системе координат выполняем в последовательности команд в ANSYS Main Menu: PREPROCESSOR > MODELING > CREATE > KEYPOINTS > IN ACTIVE CS. В появившемся диалоговом окне, в разделе NPT Keypoint number задаем номер ключевой точки. В окнах X, Y, Z, Location in active CS указываем координаты ключевых точек.Для построения модели требуется восемь ключевых точек. Построение линий в активной системе координат выполняем в последовательности команд в ANSYS Main Menu: PREPROCESSOR > MODELING > CREATE > LINES > IN ACTIVE COORD, а построение поверхностей - в последовательности команд в ANSYS Main Menu: PREPROCESSOR > MODELING > CREATE > AREAS >ARBITRARY > BY LINES.

Полученную модель разбиваем на конечные элементы путем активирования команд в ANSYS Main Menu: PREPROCESSOR >MESHING > MECH TOOL, после чего PREPROCESSOR закрываем. Вся дальнейшая работа происходит в SOLUTION.

Следующий этап решения задачи состоит в наложении граничных условий. Первое граничное условие - это условие непроницаемости, которое реализуется набором команд в ANSYS Main Menu: SOLUTION > DEFINE LOADS > APPLY > FLUID/CFD > VELOCITY > ON NODES. Задаем значения скоростей Vx=0, Vy=0, после чего определяем скорость потока рабочей жидкости на входе в канал на основании известного ее давления p=300 МПа. Этому давлению соответствует скорость потока Vx=767 м/с.

Противодавление на выходе рабочей жидкости задаем последовательностью команд в ANSYS Main Menu: SOLUTION > DEFINE LOADS > APPLY FLUID/CFD > PRESSURE DOF > ON NODES. Задаваемая величина противодавления на выходе рабочей жидкости из канала равна нулю. Это соответствует установленному в ANSYS давлению 105 Па (референтный уровень). В данном случае величина давления больше нуля воспринимается как избыточное давление (манометрическое).

Следующим этапом конечно-элементного анализа является определение физических свойств жидкости и параметров потока (поток адиабатный, турбулентный, несжимаемый).

Для определения параметров потока в ANSYS Main Menu активизируем команды раздела FLOTRAN SET UP. В этом окне определяем, что поток несжимаемый, адиабатный и турбулентный, для чего назначаем следующую последовательность команд в ANSYS Main Menu: SOLUTION > FLOTRAN SET UP > SOLUTIONS OPTIONS.

Физические свойства рабочей жидкости определяем командами в ANSYS Main Menu: SOLUTION > FLOTRAN SET UP > FLUID PROPERTIES. Указываем плотность (раздел DENSITY) и вязкость (раздел VISCOSITY), остальные параметры установлены по умолчанию. Определяем параметры итерационного процесса, т. е. указываем число итераций и условия выхода из этого процесса. После выполнения указанных процедур модель готова к расчету.

Для запуска процесса расчета активируем команды в ANSYS Main Menu: SOLUTION > RUN FLOTRAN. После окончания расчета в левом верхнем углу появляется сообщение SOLUTION IS DONE! Обрабатываем результаты расчета для двухмерной модели.

Сопло с катеноидальным профилем:

Рис. 2. Распределение скоростей в потоке рабочей жидкости.

Сопло с коноидальным профилем:

Рис. 3. Распределение скоростей в потоке рабочей жидкости.

Сопло с коническим сходящимся профилем:

Рис. 4. Распределение скоростей в потоке рабочей жидкости.

В результате конечно-элементного анализа течения рабочей жидкости через струеформирующее сопло в программной среде ANSYS получаем важную качественную и количественную информацию о распределении скоростей в потоке жидкости и ее давления непосредственно в самом сопле. Так как выходной диаметр во всех видах сопел одинаков, то можно сравнить полученные результаты по распределению давлений и полю скоростей и выбрать наилучшее сопло по всем показателям. Рассмотрев рисунки 2, 3, 4 в векторной форме распределения скоростей в потоке рабочей жидкости, расположим сопла в порядке уменьшения скорости потока жидкости: коноидальное, коническое сходящееся, катеноидальное. Учтем направление скорости потока рабочей жидкости в сопле. Из рисунка 4 видно, что поле максимальной скорости потока рабочей жидкости имеет наименьшую длину, что в свою очередь уменьшает длину начального участка струи lн, и снижает производительность данного сопла по отношению к другим видам сопел.

Наибольшая протяженность поля максимальной скорости характерно для рис. 2 и 3, но на рис. 3 угол распыления имеет наименьшее значение, следовательно, сопло с катеноидальным профилем по результатам анализа в среде ANSYS имеет наибольшую производительность при p=300 МПа. Также по рисункам можно сделать вывод о том, что в соплах с катеноидальным и коноидальным профилем наблюдается более плавный переход давлений от минимального к максимальному значению, что в свою очередь обеспечивает максимальную длину lн начального участка струи. В порядке уменьшения производительности обработки сопла располагаются в последовательности: катеноидальное, коноидальное, коническое сходящееся.

Результаты конечно-элементного анализа проверяем путем экспериментального определения гидродинамических характеристик струи [1].

Для определения протяженности lн начального участка струи применяется метод электропроводности струи, основанный на измерении ее электрического сопротивления. Этот метод заключается в том, что в пределах начального участка, где не нарушено сплошное ядро струи, электрическое сопротивление медленно возрастает при перемещении от сопла электрода (сетки) по оси струи за счет уменьшения площади поперечного сечения струи, а за пределами lн сопротивление резко возрастает.

Сравнив экспериментальные данные с результатами конечно-элементного анализа, устанавливаем, что в зоне перехода профилированной части катеноидального профиля в цилиндрическую часть, при турбулентном течении рабочей жидкости, наблюдается плавный переход давления и изменение скорости Uo центрального течения и скорости Ux пограничного слоя согласно зависимости:

(4)

Все это обеспечивает наибольшую длину lн нераспавшегося участка струи рабочей жидкости и наименьший угол ее распыления, а, следовательно, максимальную производительность процесса обработки. Длина начального участка рабочей струи

, (5)

где dc - диаметр сопла; св - плотность воды; dп - коэффициент поверхностного натяжения воды; Vp - скорость истечения струи, соответствующая ее осесимметричному распаду; V - начальная скорость истечения струи (767 м/с); g - ускорение земного тяготения; мв - коэффициент вязкости воды.

При использовании программного продукта ANSYS невозможно количественно определить длину lн нераспавшегося участка струи рабочей жидкости и наименьший угол ее распыления , вследствие чего для полной характеристики ее параметров результаты расчета следует дополнить экспериментальными данными. Располагая значениями скорости течения, давления рабочей жидкости в сопле, протяженности lн начального участка и угла ее распыления , можно осуществлять обоснованный выбор того или иного профиля сопла, оказывающего решающее влияние на производительность технологической операции.

Список использованной литературы

1. Петухов Е. Н., Вуколов А. М. Методика экспериментального определения начального участка струи и других гидродинамических характеристик: Сборник статей V Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении». - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009. - с. 98.

Размещено на Allbest.ru