Исследование гидродинамических и газодинамических процессов в машинах и агрегатах бытового назначения

Современные программные САЕ-продукты (Computer Aided Engineering – компьютернаяподдержка инженерного анализа) стали основным средством при расчетных исследованиях, применяемых на стадии проектирования изделий[1-10].

В настоящее время CAE-продукты удобны в эксплуатации, а применение современного программного обеспечения обеспечивает снижение стоимости и повышение их вычислительной мощности. На стадии проектирования особое значение придается моделированию процессов, происходящих при работе машин и агрегатов различного назначение. Наиболее сложные из них связаны с обеспечением прочности элементов [1-6] либо с анализом рабочих процессов, обеспечиваемых движением и изменением состояния рабочих сред [7-10].

В данной работе проведены исследования на базе программного продукта SolidWorks FlowSimulation [11]. Программа является распространенным в практике проектирования САЕ-продуктом и позволяет проводить расчеты в области аэрогидродинамики, теплопередачи и теплообмена. SolidWorks FlowSimulation предназначен для использования в различных отраслях промышленности (вентиляция, тепло- обмен в помещениях, трубопроводная арматура и др.).

Основная задача, решаемаяпри проектировании с помощью САЕ-продуктов – постановка и проведение численных экспериментальных исследований, позволяющих определить работоспособность объектов в конкретных условиях, при этом практически заменяющих во многих случаях натурные эксперименты.

Для того, чтобы рассчитать изменение физических параметров в пространстве и времени необходимо провести его математическое моделирование. При этом физические процессы наиболее адекватно описываются системой дифференциальных и/или интегральных уравнений с привлечением эмпирических констант и зависимостей с граничными и начальными условиями, привязывающими данную математическую модель к конкретной инженерной задаче.

Поскольку используемые при этом системы дифференциальных и/или интегральных уравнений обычно не имеют аналитического решения, они приводятся к дискретному виду и решаются на некоторой расчетной сетке. Это и определяет сущность программных САЕ-продуктов.

Решение математической задачи существенно зависит от способов дискретизации уравнений и методов их решения. Напри-мер,решение задачи будет точнее при использовании более мелкой расчетной сетки в области нелинейного поведения решения уравне-ний.Однако при применении SolidWorks FlowSimulation в большей части сводится к опыту исследователя в построении расчетной области и определению граничных условий.

Рассмотрим примеры проведение анализа возможности применения продукта SolidWorksFlowSimulation для расчета гидродинамических и газодинамических процессов в струйном насосе и мотор-компрессоре, моделирование которых требует численного решения уравнений движения сплошной среды [8].

Перейдем непосредственно к моделированию и решению задачи, в качестве модели в статье рассматривается корпус роторного компрессора холодильника, (см. рис. 1). Граничные условия указаны в Таблице 1.

. Таблица 1 – Граничные условия

Статическое давление	10,1МПа
Давление окружающей среды	50,1 МПа
Объемный расход на входе	0,23 м3 /с
Статическое давление	5,1 МПА

Рисунок 1 - Мотор-компрессор

После ввода граничных условий производится расчет, после его завершения можно определить траектории движения частиц в компрессоре (см.рис. 2).

Рисунок 2 – Траекториядвижения частиц

По полученным данным видно, что давление на входе в компрессор, значительно меньше, чем на выходе.Рабочий газ в компрессоре сжимается при помощи эксцентрика, установленного на вал двигателя. При вращении вала эксцентрик катится по внутренней поверхности цилиндра компрессора, и находящийся перед ним воздух сжимается, а затем выталкивается через выпускной клапан компрессора. Из-за движения вала воздух в цилиндре компрессора сжимается и его давление возрастает, на выходе оно больше практически в 7 раз.

Далее рассмотрим, что произошло с температурой сжатого воздуха (рис.3.).

Рисунок 3- Температурав мотор-компрессоре

По результатам опыта, можно увидеть, что температура в компрессоре практически не изменяется, за исключением температуры в выходном клапане. Температура воздуха на входе в компрессор имеет значение порядка 254 К, в процессе движения внутри корпуса она возрас- тает до 297К и лишь при выходе из компрессора она увеличивается до 351К.

Для более наглядного представления рассмотрим как именно происходит данный процесс в капиллярной трубке(рис.4).

Рисунок 4 – Движение воздуха в капиллярной трубке

На рисунке отчетливо видно, что давление на выходе значительно меньше, чем на входе.

Далее исследуем гидродинамические процессы, происходящие в струйном насосе. (рис.5).

Рисунок 5 – Струйный насос: 1 – втулка; 2 – диффузор; 3 – дроссель; 4 – футорка; 5 - контргайка;

6 – крест; 7 – ниппель; 8 – тройник; 9 – штуцер

Струйный насос предназначен для смешения очищаемой воды с реагентом. Струйные насосы (гидроэлеваторы или эжекторы) относятся к группе насосов-аппаратов, т. е. насосов, не имеющих движущихся частей. Они действуют по принципу передачи кинетической энергии от потока рабочей жидкости к потоку перекачиваемой жидкости, при этом передача энергии от одного потока к другому происходит непосредственно без промежуточных механизмов (за счет создания разрежения).

Упрощенно схему работы струйного насоса можно объяснить так (рисунок 6). Жидкость под большим давлением подается по трубе, имеющей сопло, в подводящую камеру. Из- за сужения сопла жидкость обладает большей скоростью, следовательно, и кинетической энергией. В подводящей камере давление падает ниже атмосферного, и из питающего трубопровода, соединенного с этой камерой, происходит всасывание. Обе жидкости попадают в следующую камеру, где смешиваются и обмениваются кинетической энергией. Затем перемешавшееся вещество попадает в диффузор насоса, где теряет часть давления, а оттуда – внапорный трубопровод или сборный резервуар.

Для проведения расчета были заданы граничные условия (таблица 2).

Таблица 2 – Граничные условия для проведения расчета

На вход (вода)
Давление	499,952 кПа (5 кг/см2)
Расход	0,04 л/с
На выход
Расход	0,04 л/с
На вход (Ортофосфорная кислота H3PO4)
Давление (атмосферное)	101,325 кПа

Рисунок 6 – Работаструйного насоса

После завершения расчетов программой, были получены следующие результаты. (рис.7).

На рисунке видно, что наибольшим давлением жидкость обладает при прохождении через сопло, в подводящей камере давление резко падает и на протяжении всего про- цесса не меняется. Температура жидкости по- стоянная.

Таким образом, рассматриваемое приложение FlowSimulation программы SolidWorksпозволяет достаточно просто решать различные сложные газотермодинамические задачи в минимально короткие сроки. Данное приложение обладает достаточно простым и информативным интерфейсом. При этом полу-

чаемая точность моделирования физических процессов во FlowSimulation сопоставима с более сложными и дорогими программными продуктами [9,10]. FlowSimulationSolidWorks является программным обеспечением, позволяющим точно, быстро и просто моделировать газотермодинамические процессы.

Рисунок 7 – Движениежидкости в струйном насосе, температура, давление