analiza ansys vant.

SIMULAREA INTERACŢIUNII FLUIDULUI CU PALETELE ORGANELOR DE LUCRU ALE SISTEMELOR DE

CONVERSIUNE A ENERGIILOR REGENERABILE, UTILIZÂND MEDIUL ANSYS CFX-5.7

Acad. prof. univ. dr. hab. I. BOSTAN, conf. univ. dr. hab. V. DULGHERU, lector univ. R. CIUPERCĂ, drd. O. CIUOBANU

Universitatea Tehnică a Moldovei

1. INTRODUCERE Utilizarea modelării computerizate a interacţiunii sistemului solid cu mediul fluid a început în anii 80

ai secolului trecut odată cu dezvoltarea performanţelor calculatoarelor personale. Acest tip de modelare/simulare a primit pe bună dreptate denumirea de Computational Fluid Dynamics (CFD).

CFD-ul este un instrument în baza unui cod (software) computerizat, care foloseşte potenţialul de calcul al calculatoarelor moderne pentru simularea comportării unui sistem aflat într-un mediu fluid şi descrierea proceselor fizice ce au loc în rezultatul acestei interacţiuni.

La baza elaborării codurilor CFD se află aparatul de ecuaţii matematice, care descriu procesele de transfer al căldurii, maselor de fluid şi momentelor – ecuaţiile Navier-Stokes pentru mediul fluid [1, 2, 3, 4]. În anii 70 ai secolului trecut au fost propuse algoritme pentru generalizarea acestor ecuaţii complexe, iar odată cu apariţia calculatoarelor s-a început dezvoltarea codurilor CFD care rezolvă ecuaţiile date, folosind performanţele tehnicii de calcul.

Este important de menţionat faptul că utilizarea codurilor CFD ajută substanţial la elaborarea şi lansarea pe piaţă a unui produs cu minim cheltuieli în timp relativ scurt. Aceasta este posibil în urma simulării proceselor la scară reală cu posibilitatea varierii parametrilor funcţional ai sistemului cercetat.

2. CALCULUL CFD Codurile CFD la început de dezvoltare erau utilizate exclusiv în scopuri de cercetare. Odată cu apariţia

calculatoarelor personale şi mărirea performanţelor acestora pe piaţă au apărut coduri comerciale CFD. Printre cele mai răspândite coduri CFD pot fi menţionate: FLOW3D, PHOENICS, ANSYS CFX-5, FIRE, FLUENT, StarCD, CFdesigh, etc. Majoritatea codurilor de acest gen sunt universale şi utilizate de ingineri pentru analiza şi rezolvarea unei game largi de probleme în sectorul industrial. Aplicaţiile tipice includ:

• Industria de prelucrare – malaxoare, reactoare chimice; • Construcţie – ventilarea/condiţionarea încăperilor şi clădirilor, evaluarea rezistenţei edificiilor şi

construcţiilor în rezultatul acţiunii vântului; • Sănătate şi siguranţă – investigarea efectului focului şi emisiilor acestuia; • Industria constructoare de automobile – modelarea procesului de ardere, aerodinamica

automobilelor; • Electronică – transferul de căldură în circuitele electronice; • Mediul ambiant – dispersia şi poluarea în aer şi apă; • Putere şi energie – optimizarea proceselor de combustie, optimizarea procesului de conversie a

energiei; • Medicină – circulaţia sângelui.

120 Seminarul Naţional de Organe de Maşini, Braşov, 2005

Procesul de modelare CFD a îmbunătăţirii performanţei unui sistem poate fi divizat în patru etape de bază (fig.1):

Fig. 1

Geometria/Mech Obiectivul etapei este crearea elementelor finite pentru definirea fizică a procesului cercetat. Evident

că, pentru crearea elementelor finite, este nevoie de elaborat geometria 2D/3D a elementului cercetat. Crearea geometriei 3D poate fi realizată în diverse medii de proiectare CAD (Computational Aided Design). Mai complicată este etapa creării elementelor finite (Mesh). Practic toate codurile CFD comerciale, recunoscute, dispun de modulul Mesh, dar în aceiaşi măsură pot importa elementele finite create în alte coduri specializate în crearea acestora. Motivaţia este legată de faptul că calitatea elementului finit influenţează în mod direct asupra rezultatelor calculului şi respectiv – veridicitatea simulării.

Definirea fizică. Etapa dată, de asemenea interactivă, şi a doua în procesul de pre-procesare, este destinată pentru stabilirea condiţiilor de limită ale modulul de rezolvare (Solver). În acest modul primul pas este importarea fişierului Mesh creat anterior, după care se specifică mediul de lucru şi se stabilesc condiţiile de limită.

Rezolvarea. Această etapă, poate cea mai importantă, este în majoritatea cazurilor automatizată cu intervenţie minimă din partea cercetătorului. Modulul dat, de obicei denumit – Solver (soluţionare), este destinat în general pentru rezolvarea sistemelor de ecuaţii de bază (ecuaţiile Navier-Stokes, etc.), care descriu procesul, în dependenţă de modelul de turbulenţă ales şi condiţiile de limită setate în modulul anterior. Procesul de soluţionare al setului de ecuaţii poate fi de lungă durată în funcţie de complexitatea problemei, preciziei de calcul, ş.a.

Rezultatele calculului sunt depozitate într-un fişier aparte sau transmise direct modulului de post-procesare.

Post-procesare. Etapa de post-procesare este destinată, în general, pentru analiză, vizualizarea proceselor de simulare şi prezentarea interactivă a rezultatelor cercetării. De asemenea, în acest modul există posibilitatea animării proceselor de interacţiune.

De obicei, în prezentările şi rapoartele ştiinţifice pe marginea cercetărilor CFD sunt aduse practic numai rezultate primite la etapa de post-procesare şi tot efortul etapelor anterioare sunt îndreptate pentru a obţine rezultate cât mai reale ale interacţiunii sistemului dat cu mediul fluid.

3. ANYS CFX-5.7 – GENERALITĂŢI În scopul cercetării interacţiunii unui sistem (în caz particular – rotorul turbinei) cu mediul fluid şi pentru

optimizarea parametrilor funcţionali ai sistemului cercetat, s-a utilizat codul de simulare CFD: ANSYS CFX-5.7.

ANSYS CFX-5.7 este un CFD cod, care combină un solver performant şi capacităţi largi ale pre şi post-procesorului. Performanţa superioară a mediului CFX-5 nu este bazată doar pe un singur produs, dar este o combinaţie justă a tehnologiilor de vârf integrate în toate modulele ce intră în componenţa sa. Această performanţă se atinge în rezultatul combinării:

• Tehnologiei înalte de îmbinare a soluţionării elementelor finite; • Flexibilităţii avansate în crearea elementelor finite; • Soluţionării paralele eficiente; • Capacităţii excelente a pre şi post-procesorului.

De asemenea, CFX-5.7 propune soluţionarea problemei în mod interactiv pas cu pas şi exemple soluţionate cu explicaţii. Opţiunile date sunt foarte importante la începutul studierii acestui pachet CFD. CFX-5.7 constă din cinci module separate (fig.2), care sunt verigi importante în lanţul soluţionării CFD:

• Cad2Mech – pentru elaborarea geometriei şi reţelei de elemente finite (Mesh); • CFX-Pre – modulul de definire a condiţiilor de limită şi valorilor iniţiale; • CFX-5 Solver Manager – modulul de gestionare a procesului de soluţionare (procesare

paralelă, start/stop CFX-Solver, monitorul de progresare a soluţionării, etc.) • CFX-5 Solver – modul de soluţionare a problemei specificate în CFX-Pre;

Geometria / Mesh

Definirea Fizică

Rezol- varea

Post - procesare

Simularea interacţiunii fluidului cu paletele organelor de lucru… 121

• CFX-Post – modul de analiză şi prezentare a rezultatelor simulării.

Fig. 2

Mediul CFX-5 permite modelarea: - fluidului în stare uniformă şi temporară; - regimului de curgere laminar şi turbulent; - gamei de curgere a fluidului: subsonic, transonic şi supersonic; - transferului de căldură radiaţiei termale; - flotaţiei; - fluidelor non-Newtoniene; - fluidelor multifazice; - arderii; - fluidului în multiple cadre de referinţă; - efectului de cavitaţie.

4. ELABORAREA GEOMETRIEI 3-D A MODELELOR CERCETATE Funcţionarea organelor de lucru pentru conversia energiei cinetice a apei râurilor şi cea eoliană este

legată de curgerea fluidului şi de forţele care apar în timpul mişcării, sau care determină această mişcare. Pentru a aprecia eficienţa a astfel de sisteme, din punct de vedere tehnico-economic, este nevoie a se ţine

cont de două aspecte: • procesul de producţie – care este un fenomen extrem de complex ce cuprinde mai multe faze şi care

duce, implicit, la necesitatea de a privi utilajul prin prisma economiei naţionale; • analiza obiectivă pentru stabilirea unor criterii unitare de apreciere. Pala rotorului, în general, este unul din organele active principale, care condiţionează cantitatea de

energie convertită. În construcţia palelor au fost luate în consideraţie următoarele aspecte: • eforturile unitare datorită forţelor constante şi variabile; • deformările produse de forţe; • vibraţiile şi şocurile care apar în anumite condiţii de funcţionare; • coroziunea; • greutatea; • procesele tehnologice de realizare, fiind cunoscut faptul că forma pieselor componente trebuie să

fie adaptată la posibilităţile tehnologice, iar jocurile şi toleranţele pot fi determinate numai printr-un compromis între condiţiile constructive şi cele de exploatare.

Pentru a ţine cont de cele expuse mai sus este nevoie de o muncă colosală la etapa de proiectare a sistemelor de conversie a energiilor regenerabile. Crearea modelelor computerizate 3-D, prin proiectarea la calculator, uşurează semnificativ această muncă, excluzând anumite etape foarte costisitoare din procesul de lansare a produsului.

Modelul computerizat 3-D reprezintă prin sine proiectarea spaţială a obiectului studiat, cu respectarea dimensiunilor, formelor suprafeţelor etc., sau, mai bine zis, modelul computerizat este o reprezentare reală (idealizată) a obiectului studiat proiectat la calculator într-un anumit mediu specializat de proiectare CAD.

La momentul actual există o gamă întreagă de medii de proiectare CAD (produse software) comerciale. Dintre cele mai cunoscute pe piaţă am putea enumera următoarele: CATIA, ProENGINEERING, SolidWorks, Mechanical Desktop etc. Toate practic au acelaşi concept de lucru, deosebindu-se prin posibilităţi şi specializare.

SolidWorks-ul pe lângă posibilităţile largi de proiectare, mai dispune şi de o simplitate evidentă de operare şi interfaţă agreabilă, ceia ce este foarte util pentru un începător, dându-i posibilitate să progreseze


rapid. Pe lângă aceste facilităţi, mediul SolidWorks permite integrarea diferitor module de analiză cum ar fi: calculul nodurilor la acţiunea sarcinilor, analiza dinamică, biblioteca de elemente standarde, etc. Nu în ultimul rând este important costul şi suportul tehnic. Toate acestea ne-au determinat să alegem în calitate de mediu de proiectare a geometriei modelelor studiate – SolidWorks-2004.

Este important de menţionat faptul că SolidWorks Software este un program de proiectare parametric, fapt ce permite modificarea dimensiunilor şi, respectiv, geometria obiectului de studiu cu efort minim şi operativitate maximă. Utilitatea dată este foarte importantă pentru etapa de simulare a interacţiunii dintre organul de lucru şi mediu fluid deoarece este nevoie de a varia parametrii funcţionali principali, care influenţează geometria organului de lucru, în scopul determinării unei geometrii optime cu caracteristici sporite.

4.1. Elaborarea modelului 3-D (CAD) al rotorului eolian elicoidal Modelul matematic al rotorului eolian elicoidal elaborat anterior [5, 6, 7], permite determinarea

parametrilor cinetostatici şi energetici de bază. Pentru aceasta a fost utilizat sistemul ecuaţiilor de mişcare a fluidului ideal incompresibil şi izoentropic, care descrie mişcarea fluidului în jurul rotorului cu exactitate acceptabilă: ecuaţia continuităţii, impulsului şi energiei.

În baza rezultatelor obţinute a fost elaborat modelul computerizat 3-D al rotorului eolian elicoidal cu 4 începuturi şi profil aerodinamic al paletelor în secţiune normală, care, ulterior, a fost simulat şi cercetat în mediu CFD, la varierea diferitor parametri funcţionali. Preliminar, pentru o analiză mai evidentă, în corespundere cu fig. 3, au fost elaborate două modele computerizate ale rotorului eolian elicoidal: a) cu profil constant şi miez constant pe direcţia axială a rotorului (modelul de bază); b) cu profil variabil şi miez constant pe direcţia axială.

a. b.

Fig. 3 4.2. Elaborarea modelului 3-D (CAD) al organului de lucru cu pale reglabile al

minihidrocentralei În corespundere cu fig.4 a fost elaborat modelul 3-D al conceptului de minihidrocentrală cu palete

reglabile la acţiunea getului de apă şi cu autoreglare faţă de nivelul de curgere al acesteia [8]. Obiectul de studiu în calculul CFD din cadrul acestei minihidrocentralei este organul de lucru cu pale reglabile.

Fig. 4


Pentru cercetarea profilului palelor organului de lucru al minihidrocentralei s-a mers pe calea studierii la etapa iniţială a două profile de bază a palei rotorului reglabil. Este vorba, în corespundere cu fig.5, de următoarele două profile:

a) rotor multipal reglabil cu profil drept; b) rotor multipal reglabil cu profil curbiliniu.

Primul model este conceptul clasic al rotorului multipal, iar al doilea - o modificare a conceptului de bază, rezultată în urma studiului literaturii.

a. b.

Fig. 5

5. CALCULUL PRELIMINAR CFD AL ORGANELOR DE CONVERSIE A ENERGIILOR MEDIULUI FLUID

5.1. Calculul preliminar CFD al rotorului eolian elicoidal Pentru optimizarea parametrilor de lucru ai organelor de conversie au fost efectuate o serie de cercetări

CFD în mediul CFX-5.7. Soluţiile acestor ecuaţii satisfac condiţiile de limită pe elicele rotorului turbinei şi la distanţe mari în domenii neperturbate ale fluidului. Stabilirea acestor condiţii în caz general prezintă anumite dificultăţi legate de forma constructivă şi regimurile de funcţionare a turbinei elicoidale. De aceea, s-a recurs la definirea lor pentru anumite condiţii optime de funcţionare, pentru care erau cunoscute valorile vitezelor în flux ale rotorului şi ale vitezei induse în pala elicei. Pentru cercetarea interacţiunii rotorului elicoidal cu mediul fluid în mediul ANSYS Workbench-8 au fost discretizate profilele palelor într-o reţea de elemente finite (fig.6), fapt ce a permis determinarea presiunii exercitate de fluid asupra palelor (v. fig.7) în mediul CFX-5.7. De asemenea, au fost stabiliţi vectorii vitezelor pe suprafaţa plană orientată pe lungimea axei de rotaţie a rotorului elicoidal (fig.8) şi liniile de curgere a lichidului pe suprafeţele rotorului (fig.9). Analiza rezultatelor prealabile obţinute permite planificarea optimă a modelărilor ulterioare, care vor asigura optimizarea geometriei rotorului elicoidal.

Fig. 6

Fig. 7

a) b)


Fig. 8

Fig. 9

În rezultatul analizei preliminare şi prelucrării datelor simulărilor interacţiunii a două modele de rotor

elicoidal se observă uşor performanţa rotorului elicoidal cu profil variabil pe direcţia de rotaţie. Aceasta permite dezvoltarea ulterioară a modelului dat şi execuţia modelului funcţional al acestuia.

5.2. Calculul preliminar CFD al organului de lucru multipal reglabil al minihidrocentralei Ca şi în primul caz, scopul simulării acestor două modele este cercetarea interacţiunii rotorului

multipal reglabil cu mediul fluid, care ne va demonstra superioritatea palelor curbilinii asupra celor drepte şi dezvoltarea acestora.

Pentru determinarea capacităţii portante a profilelor şi optimizarea parametrilor funcţionali ai organelor de lucru au fost efectuate o serie de experimente CFD în mediul CFX-5.7 cu respectarea condiţiilor de limită similare în ambele cazuri. Consecutivitatea experimentului CFD este similară cazului precedent. În mediul ANSYS Workbench-8 au fost discretizate profilele palelor într-o reţea de elemente finite (fig.10), care, în continuare, au fost exportate în mediul CFX, În rezultatul stabilirii condiţiilor de limită, alegerii modelului de turbulenţă, preciziei de calcul etc., s-a determinat distribuţia presiunii exercitate de fluid asupra palelor (v. fig.11). De asemenea, în modulul de vizualizare a rezultatului experimentului CFD (CFX-Post) au fost analizate calitativ liniile de curgere a fluidului pe suprafeţe plane verticale orientate pe direcţia de curgere a fluidului (fig.12) şi liniile de curgere a lichidului pe suprafeţe plane orizontale orientate pe direcţia de curgere a fluidului (fig.13).

Fig. 10


În rezultat, în baza analizei calitative a prezentărilor grafice şi a analizei datelor simulării, se observă

uşor performanţa palei rotorului multipal cu profil curbiliniu. Aceasta a permis orientarea cercetărilor ulterioare asupra optimizării profilelor curbilinii, precum şi simularea acestor profile împreună cu aripile de orientare, destinate pentru reglarea poziţiei rotorului pe direcţia de curgere a fluidului [8].

Fig. 11

Fig. 12

Fig. 13

6. CONCLUZII Utilizarea mediilor de analiză CFD, în cazul dat ANSYS CFX-5.7, în cadrul cercetării organelor de

conversie a energiilor regenerabile, permite determinarea parametrilor importanţi cum ar fi: distribuţia presiunii pe paletele rotorului; determinarea momentului de torsiune generat de organul de lucru; aprecierea performanţei rotoarelor; determinarea coeficientului de utilizare a energiei şi mulţi alţi parametri. Acest fapt permite aprecierea performanţei obiectului studiat fără cheltuieli considerabile cu efort minim şi maximă operativitate.


BIBLIOGRAFIE 1. BATCELOR G. An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge at the University Press, 1970. 2. MALALASEKERA H., MALALASEKERA W. An Introduction to Computational Fluid

Dynamics, The Finite Volume Method, Longman, 1995. 3. SEDOV L. Mehanica sploşnoi sredy. Tom 1. Izdatelistvo Nauka, Moskva 1970. 4. BELOV I., ISAEV S. Modelirovanie turbulentnyh tecenii. Ucebnoe posobie, Baltiiskii

gosudarstvennyi tehniceskii univrsitet, Sanct-Petersburg, 2001. 5. BOSTAN I., DULGHERU V., CIUPERCĂ R. Brevet de invenţie nr. 2106MD, 2003.02.28, BOPI

nr. 2/2003. 6. BOSTAN I., DULGHERU V., CIUPERCĂ R. Helical Turbine for Aeolian Systems and Micro-

Hidrostation. Product Engineering (Eco-Design, Technologies and Green Energy). Published by Springer, 2004, pag. 519 – 527.

7. BOSTAN I., BOGDAN V., DULGHERU V., BOSTAN N., CIUPERCĂ R., Turbina elicoidală pentru agregate eoliene şi minihidrocentrale. Buletinul AGIR, nr. 4/2004, România, pag. 80 – 84.

8. BOSTAN I., DULGHERU V., CIUPERCĂ R. Brevet de invenţie nr. 2288MD, 2003.10.31, BOPI nr. 10/2003.

9. SHAW C. Using Computational Fluid Dynamics, Prentice Hall, 1992. 10. BARDINA J., HUANG P. and COAKLEY T. AEA Technology, 2001, CFX-TASCflow and CFX-

5 Documentation. 1997, “Turbulence modeling validation”, AIAA Paper 97-2121.

analiza ansys vant.

Documents

Transcript of analiza ansys vant.