Моделирование щелевого фильтрующего элемента в программном комплексе ANSYS CFX

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 ANSYS – Design 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

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.