Моделирование щелевого фильтрующего элемента в программном комплексе ansys cfx

Моделирование щелевого фильтрующего элемента в программном комплексе ansys cfx

Перспективным направлением в развитии технологий очистки является использование автоматических самоочищающихся фильтров со щелевыми фильтроэлементами, однако в процессе эксплуатации наблюдается снижение производительности фильтров. Для решения проблемы функционирования изучено влияние формы щели фильтрующей перегородки на проницательную способность фильтрующей установки в программном комплексе ANSYS CFX.

Авторы публикации

Рубрика

Технические науки

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 15 (17), июнь ‘21

Поделиться

На сегодняшний день фильтрация воды и других технологических жидких сред от механических примесей считается наиболее эффективным и экономически оправданным способом обеспечения качества конечного продукта и защиты технологического оборудования на предприятиях. Перспективным направлением является использование автоматических самоочищающихся фильтров со щелевой проницаемой структурой. Однако в процессе эксплуатации данных фильтрующих установок на предприятиях наблюдается снижение проницательной способности фильтров. Для возможности детального изучения процесса изнутри и оценки работоспособности оборудования, применены современные технологии компьютерного моделирования. Мощным инструментом в области вычислительной динамики жидкостей выступает программный комплекс ANSYS CFX. Фильтрование в установке осуществляется с помощью фильтрующего элемента, именно он определяет эффективность работы фильтра. Для решения проблемы функционирования фильтра изучено влияние формы щели фильтрующей перегородки на проницательную способность оборудования методом моделирования.

Для построения геометрической модели в среде Workbench использован основной программный модуль ANSYSDesign Modeler. В режиме Sketching, был создан двумерный эскиз продольной щели фильтрующего элемента с заданными параметрами, согласно исходным данным, полученным от производителя: шириной – 50 мкм, и глубиной рабочего профиля – 2,0 мм. Создание объемного 3D-тела выполнено командой выдавливание (Extrude) на основе эскиза на высоту равную 0,05 мм. Для объединения отдельных элементов геометрической модели в единое целое была использована функция Part (рис. 1).

 

Рис. 1. Геометрическая модель щели фильтрующего элемента 3D вид

Для построения пространственной сетки использован сеточный препроцессор ANSYS Meshing. Для гидродинамического расчета вязкого течения жидкой среды вдоль твердых стенок фильтрующего элемента было выполнено построение расчетной сетки с вытянутыми ячейками призматической формы, методом Sweep. Размер элемента сетки задан числом 0,000005 м. Для создания размера локального сеточного элемента на поверхности геометрической модели использован инструмент Sizing. Определение размерности сетки выполнено способом Sphere of Influence. В области щели задан локальный размер ячеек сетки с помощью трех сфер с размером ячеек в пределах сферы: 0,0000005 м, 0,000002 м и 0,000004 м.

В препроцессоре (CFX-Pre) границами расчетной области, определяющими значения параметров течения, через которые жидкая среда входит и выходит из объекта, выбраны торцы геометрической модели. В качестве определяющего параметра течения жидкости задавалось избыточное давление на входе (Inlet) и на выходе (Outlet) из расчетной области. Для снижения размерности задачи и получения корректного решения за приемлемое время была учтена симметрия задачи с помощью границы типа «симметрия» (Symmetry) (рис. 2).

Рис. 2. Граничные условия геометрической модели щелевого фильтроэлемента

Диапазон значений избыточного давления был задан, опираясь на данные индивидуальных испытаний фильтрующей установки (табл. 1). Общие параметры расчета определены с учетом характеристики процесса истечения потока жидкой чистой среды без механических примесей из щели фильтрующего элемента: параметру Material было задано значение Water, осредненное давление (Reference Pressure) установлено равное 1 атм., движение жидкости характеризуется ламинарным режимом (Turbulence/None), теплообмен не рассматривается (Heart Transfer/None).

После поставленная задача передается в решатель (CFX-Solver), где максимальное количество итераций (Max. Iterations) задано числом 1000, значение среднеквадратичных невязок (Residual Target) задано числом 10-4.

Результаты расчета моделирования передаются в постпроцессор (CFX-Post), где они обрабатываются и визуализируются. Результаты расчета занесены в табл. 1. На рис. 3 и 4 представлена визуализация полученных результатов.

Таблица 1. Результаты расчета моделирования

Давление на входе, Pм1, Па

Давление на выходе, Pм2, Па

Перепад давления, ΔP, Па

Расход воды через фильтр м3
100% щелей

Скорость в щели, м/с

175000

174700

300

573,6

0,236

175000

174000

1000

1124,7

0,477

175000

165000

10000

9004,9

3,296

175000

155000

20000

16176,2

5,496

175000

125000

50000

36710,1

11,75

175000

115000

60000

43287,5

13,71

175000

105000

70000

47095,8

14,88

175000

65000

110000

49887,1

15,86

 

Рис.3. Поле скорости потока жидкости при перепаде давления 300 Па

Рис. 4. Поле скорости потока жидкости при перепаде давления 110000 Па

Опираясь на полученные результаты, можно заключить что пропускная способность фильтра при фильтрации чистой среды без механических примесей соответствует заявленным технологическим характеристикам производителя. Выявленная в процессе эксплуатации низкая производительность фильтра может быть вызвана загрязненностью фильтрующей поверхности взвешенными частицами. Таким образом, предполагается, что фильтрующая установка быстро забивается взвесью и не может полностью регенерироваться при осуществлении обратной промывки фильтрующих элементов. Важно отметить, что пропускная способность щелевого фильтрующего элемента существенно растет только до перепада давления 60 000 Па, поэтому осуществлять установку дополнительного насоса перед фильтром для обеспечения постоянной производительности по мере забивания не целесообразно.

Список литературы

  1. Федорова Н. Н., Вальгер С. А., Данилов М. Н., Захарова Ю. В. Основы работы в ANSYS 17. – М.: ДМК Пресс, 2017. – 210 с.: ил.;
  2. Технический справочник по обработке воды: в 2 т.: перевод с французского / Л. Андриамирадо и др.; науч. ред.: М. И. Алексеев и др. - 2-е изд. - Санкт-Петербург: Водоканал Санкт-Петербурга: Новый журн., 2007. – С. 777-1696: ил., цв. ил., табл.

Предоставляем бесплатную справку о публикации,  препринт статьи — сразу после оплаты.

Прием материалов
c по
Осталось 6 дней до окончания
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary