(499) 390-05-22

Расчет гидравлических сопротивлений

Все отрасли техники в той или иной мере используют движение жидкостей или газов по трубам, каналам и различным элементам гидравлической арматуры. Моделирование такого рода течений требует учета гидравлических потерь. FloEFD предоставляет богатые возможности для выполнения гидравлических расчетов. В пакете реализованы модели сложных физических явлений, таких, как например, кавитация. Учет всего многообразия определяющих факторов обеспечивает высокую точность результатов в широком диапазоне входных данных.

Тесная интеграция FloEFD в CAD-системы позволяет выполнять расчеты непосредственно в среде проектирования, а затем при необходимости корректировать конструкцию без привлечения дополнительных инструментов. Поэтому использование FloEFD на начальных этапах проектирования значительно сокращает время и стоимость разработки конструкции.

 



Расчет течения в коническом кране

Огромный класс задач гидравлики связан с течением жидкостей в трубах, содержащих внутренние конструктивные элементы (клапаны, фильтры и др.). Наглядным примером здесь может случить расчет течения воды через конический кран при разных углах перекрытия его ручки.

Схема конического крана: размеры и граничные условия. Угол перекрытия ручки крана варьируется от 0 до 55 °.
FloEFD: распределение полного давления вдоль линий тока (угол перекрытия ручки крана равен 45°).

Визуализация полученных результатов в виде линий тока дает хорошее представление о течении в рассматриваемом канале:

 

Погрешность результатов расчета гидравлического сопротивления с использованием FloEFD для рассмотренного крана не превосходит 5%.

Зависимость гидравлического сопротивления от угла перекрытия: расчет с использованием FloEFD в сравнении с экспериментальными данными.

Расчет течения в колене прямоугольного сечения

Другим важным направлением в гидравлических расчетах является анализ течений жидкости в подводящей арматуре. Примером подобных расчетов может служить моделирование течения воды в изогнутом канале квадратного сечения:

Схема изогнутого канала с указанием сечений, в которых производились измерения скорости.

 

Результаты расчетов профилей скорости, полученные с помощью FloEFD, достоверно воспроизводят экспериментальные распределения:

Профили скорости воды: расчет с использованием FloEFD в сравнении с экспериментальными данными.

Расчет течения в газовых кранах

Расчет течений газов в трубах со внутренними конструктивными элементами (газовых кранах и др.) обладает определенной спецификой, связанной с возможностью возникновения транс- и сверхзвуковых зон внутри рассматриваемой конструкции. Эти зоны создают препятствия для потока, тем самым существенно затрудняя работу устройства. Поэтому прогнозирование поведения критических зон имеет огромное значение.

При расчете течений газов следует учитывать их свойство сжимаемости. В соответствии с этим расход газа в первую очередь будет зависеть от давления на входе в трубу. В этой связи корректное задание граничных условий во многом определяет результаты расчета.

Показанный ниже пример иллюстрирует работу газового крана:

Модель газового крана.

 

О наличии транс- и сверхзвуковых зон можно судить по распределениям скорости и давления. Богатые средства визуализации FloEFD позволяют провести исчерпывающий анализ течения во внутреннем пространстве конструкции. В случае газового крана наиболее информативными являются трехмерные распределения числа Маха вдоль линии тока:

FloEFD: распределение числа Маха вдоль линии тока.

 

Определив местоположение критической зоны, можно изучать ее особенности более детально на основе анализа распределений в различных сечениях:

FloEFD: распределение числа Маха в вертикальном сечении газового крана.
FloEFD: распределение давления в вертикальном сечении газового крана.

Расчет гидравлики дроссельного канала

В областях контакта жидкости с твердыми телами, движущимися с большими скоростями (рабочими органами насосов, турбин, гребных винтов судов и др.), может возникать локальное понижение давления. Если его значение упадет до отметки ниже давления насыщенных паров, то в жидкости начнут образовываться фазовые пустоты – так называемые кавитационные пузыри. Это явление, напоминающее вскипание жидкости, называется кавитацией.

Кавитационные явления крайне вредны. Они вызывают вибрации, шум и эрозию обтекаемых поверхностей, снижая эффективность работы устройств и, в конечном итоге, приводя к их разрушению. Поэтому при проектировании гидравлических механизмов, работающих в условиях значительных перепадов давлений, необходимо учитывать и предупреждать возможность возникновения кавитации.

В пакете FloEFD реализована уникальная модель изотермической кавитации, позволяющая рассчитывать гидродинамику различных технических жидкостей. Обширная база данных пакета содержит подробную информацию об их свойствах, облегчая задачу пользователя в случае отсутствия у него необходимых сведений. Для воды во FloEFD разработана полная модель кавитации. Эта модель также позволяет рассчитывать процессы кипения.

Расчет кавитационного течения с использованием FloEFD показан на примере, моделирующем работу устройства впрыска горючего. Жидкое горючее пропускается через дроссель, расположенный в середине канала. Необходимо рассчитать массовый расход горючего при фиксированном перепаде давлений, а также визуализировать кавитационную зону.

Расчетная модель дроссельного канала.

 

На видео показаны результаты расчета объемной концентрации пара в кавитационной зоне при различных перепадах давления, полученные с использованием FloEFD:

FloEFD: зависимость объемной доли пара от перепада давления в вертикальном сечении.

 

Кавитация очевидно возникает на узком участке канала, а размеры ее зоны возрастают с увеличением перепада давления.

Погрешность расчета зависимости расхода воды от перепада давления с использованием FloEFD в данном случае не превосходит 4%:

Расходная характеристика дросселя в зависимости от перепада давлений: расчет с использованием FloEFD в сравнении с экспериментальными данными.