Моделирование критических режимов работы теплоэнергетического объекта с использованием пакета ANSYS
Методика газодинамического анализа кольцевой камеры сгорания с использованием инженерного пакета ANSYS. Применение газовой турбины в современной промышленности. Основные показатели работы камер сгорания. Анализ безопасности и экологичности проекта.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.09.2013 |
| Размер файла | 2,9 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Окно 5 - это "Линейка инструментов (Toolbar)". Линейка инструментов позволяет пользователю создавать кнопки и иметь быстрый доступ к часто исполняемым командам.
Окно 6 не представлено на рисунке 2.1 Это "Окно вывода (Output Window)", предназначенное для показа текстовых сообщений программы.
Основные стадии решения задач
Решение задач с помощью программы ANSYS состоит из трех этапов: препроцессорная (предварительная) подготовка (Preprocessing), получение решения (Solving the Equations) и постпроцессорная обработка результатов (Postprocessing). Приведем краткое содержание основных шагов при выполнении каждого из этапов. Более подробное описание с примерами приведено ниже [10].
На стадии препроцессорной подготовки выполняется выбор типа расчета, построение модели и приложение нагрузок (включая и граничные условия). Здесь задаются необходимые для решения исходные данные. Пользователь выбирает координатные системы и типы конечных элементов, указывает упругие постоянные и физико-механические свойства материала, строит твердотельную модель и сетку конечных элементов, выполняет необходимые действия с узлами и элементами сетки, задает уравнения связи и ограничения. Можно также использовать модуль статистического учета для оценки ожидаемых размеров файлов и затрат ресурсов памяти.
В программе ANSYS координатные системы используются для размещения в пространстве геометрических объектов, определения направлений степеней свободы в узлах сетки, задания свойств материала в разных направлениях, для управления графическим изображением и содержанием выходных результатов. Можно использовать декартовы, цилиндрические, сферические, эллиптические и тороидальные системы координат. Все они могут быть расположены и ориентированы в пространстве произвольным образом.
Исходные данные, введенные при препроцессорной подготовке, становятся частью центральной базы данных программы. Эта база данных разделена на таблицы координатных систем, типов элементов, свойств материала, ключевых точек, узлов сетки, нагрузок и т.д. Как только в таблице появляются некоторые данные, на них становится возможным ссылаться по входному номеру таблицы. Например, могут быть определены несколько координатных систем, которые активизируются простой ссылкой на соответствующий номер системы (входной номер таблицы). Кроме того, существует набор команд управления базой данных, чтобы выделить некоторую ее часть для определенных операций. Выделение необходимых данных можно проводить по местоположению геометрических объектов, графическим примитивам твердой модели, типам конечных элементов, видам материалов, номерам узлов и элементов и т.п. Так, например, сложные граничные условия можно легко указать или изменить, используя геометрическое представление модели, а не номера узлов или элементов.
Пользователь имеет возможность ввести обширную информацию, относящуюся к данной расчетной модели, но программа будет использовать только ту ее часть из базы данных, которая необходима для определенного вида расчета. Вид расчета задается при входе в программу.
Еще одним способом выбора данных является разделение модели на компоненты или слои, представляющие собой группы геометрических объектов, которые выделены пользователем для большей наглядности. Для наглядности компоненты могут быть окрашены в разные цвета.
В программе ANSYS существуют три разных способа построения геометрической модели: импорт модели, предварительно построенной другой программой, твердотельное моделирование и непосредственное создание модели в интерактивном режиме работы с программой. Можно выбрать любой из этих методов или использовать их комбинации для построения расчетной модели.
Программа ANSYS позволяет наносить сетку на модель, импортированную из другой программы, а также имеет возможность менять геометрию модели с целью упрощения расчета. Использование автоматических средств позволяет улучшить модель за счет устранения ненужных зазоров, перекрытий или взаимных внедрений ее частей, а также выполнить слияние объектов и создание объемов. Это дает возможность получить значительно более простую расчетную модель путем ее "подчистки" и получения приемлемого варианта. Процедуры упрощения позволяют наилучшим образом подготовить модель для нанесения сетки за счет удаления отверстий, полостей и выпуклостей, исключения мелких подробностей.
В программе ANSYS доступны следующие два способа моделирования: нисходящий и восходящий. В первом случае пользователь указываем только самый высокий порядок сложности объектов модели. Используемые обычно объекты (такие, как сферы и призмы, т.е. формы, которые называются геометрическими примитивами) могут быть созданы за одно обращение к меню. Например, пользователь определяет объемный примитив, а программа автоматически находит связанные с ним поверхности, линии и ключевые точки. Примитивы позволяют непосредственно указывать геометрические формы. В программе ANSYS можно легко и быстро определить в двумерном случае такие формы, как окружности и прямоугольники, или параллелепипеды, сферы, конусы и цилиндры в трехмерном. После того как геометрические объекты указаны (с помощью примитивов, считыванием данных из файлов формата. IGES или непосредственным построением), к ним можно применять операции булевой алгебры. При импортировании геометрии в формате. IGES пользователь имеет возможность управлять значениями допусков на слияние объектов модели, выявлять "проблемные" области и возможные ошибки.
В случае непосредственного создания модели в интерактивном режиме работы чаще всего применяется так называемое "восходящее моделирование". При восходящем моделировании пользователь строит модель, начиная с объектов самого низкого порядка. Сначала задаются ключевые точки, затем связанные с ними линии, поверхности и объёмы - именно в таком порядке.
Независимо от используемого способа построения модели имеется возможность применять операции булевой алгебры для объединения наборов данных и за счет этого как бы создавать "скульптуру" модели. Программа имеет набор таких булевых операций, как сложение, вычитание, пересечение, деление, склеивание и объединение.
Еще одним эффективным методом построения модели в программе ANSYS является построение некоторой поверхности с помощью так называемого метода "обтягивания каркаса". С помощью этого метода можно задать некоторый набор поперечных сечений, а затем дать программе команду построить поверхность, которая будет точно соответствовать указанным сечениям.
После того, как построена модель, строится ее конечно-элементный аналог (т.е. сетка узлов и элементов).
Библиотека конечных элементов программы ANSYS содержит более 80 типов, каждый из которых определяет, среди прочего, применимость элемента к той или иной области расчетов (прочностной, тепловой, магнитный и электрический анализы, движение жидкости или связанные задачи), характерную форму элемента (линейную, плоскую, в виде бруска и т.д.), а также двухмерность (2-D) или трехмерность (3-D) элемента.
После выбора типа элементов необходимо задать их константы. Константы элемента - это свойства, специфичные для данного типа элемента. Например, для элемента ВЕАМЗ - балочного 2-D элемента - константами являются площадь поперечного сечения, момент инерции, высота и др.
Свойства материала требуются для большинства типов элементов. В зависимости от области приложения свойства могут быть линейными, нелинейными и (или) анизотропными.
Линейные свойства могут зависеть или не зависеть от температуры, быть изотропными или ортотропными. Зависимость свойств от температуры имеет форму полинома (вплоть до четвертой степени) или задается таблично.
Нелинейные соотношения, такие как кривые деформирования, кривые намагничивания материала, кривые ползучести, обычно задаются в виде таблицы.
В программе ANSYS предусмотрено четыре способа генерации сетки: использование метода экструзии, создание упорядоченной сетки, создание произвольной сетки (автоматически) и адаптивное построение.
Метод экструзии (выдавливания) используется для превращения областей двумерной сетки в трехмерные объекты, состоящие из параллелепипедов, клиновидных элементов или их комбинации. Процесс экструзии осуществляется с помощью процедур смещения из плоскости, буксировки, поступательного и вращательного перемещений.
Программа ANSYS имеет в своем составе генераторы произвольной сетки, с помощью которых сетка может наноситься непосредственно на модель достаточно сложной геометрии без необходимости строить сетку для отдельных частей и затем собирать их в единую модель. Произвольную сетку можно строить из треугольных, четырехугольных и четырехгранных элементов.
При произвольном построении сетки реализован алгоритм разумного выбора размеров конечного элемента, позволяющий строить сетку элементов с учетом кривизны поверхности модели и наилучшего отображения ее реальной геометрии. Кроме того, можно выбрать мелкую или крупную сетку элементов, указав в качестве управляющего параметра любое число из диапазона от единицы до десяти.
Построение упорядоченной сетки требует предварительного разбиения модели на отдельные составные части с простой геометрией, а затем - выбора таких атрибутов элемента и соответствующих команд управления качеством сетки, чтобы можно было построить конечно-элементную модель с упорядоченной сеткой. Создаваемая программой ANSYS упорядоченная сетка может состоять из шестигранных, четырехугольных и треугольных элементов. Для получения треугольной сетки программа выделяет области модели, предназначенные для нанесения упорядоченной сетки, создает сначала четырехугольную сетку, а затем превращает ее в сетку из треугольных элементов.
В качестве дополнительного способа построения упорядоченной сетки на некоторой поверхности используется деление противоположных граничных линий этой поверхности таким образом, чтобы можно было осуществить переход от одного размера сетки к другому. Построение упорядоченной сетки переменного размера возможно только для поверхностей, ограниченных четырьмя линиями. При большем числе ограничивающих линий можно выполнить операцию их конкатенации.
При построении сетки возможно также указание общего размера элемента, деление граничной линии, указание размеров в окрестности заданных геометрических точек, коэффициентов растяжения или сжатия вдали от границ, задание ограничения на кривизну и возможность задания "жестких" точек (т.е. задание точного положения узла вместе с размерами сетки в такой точке).
По сравнению с произвольной сеткой упорядоченная плоская сетка может содержать только четырехугольные или треугольные элементы, а упорядоченная объемная сетка - объемные шестигранные элементы.
При использовании подхода непосредственного создания модели в интерактивном режиме конечно-элементную модель можно построить, определив положение каждого узла, а также размеры форму и связность для всех элементов сетки. Узлы используются для того, чтобы определить положение элементов в пространстве, а элементы определяют связность модели. И те, и другие можно задавать нам более удобным способом, не заботясь об эффективно ста решения.
Адаптивное построение сетки состоит в том, что после создания модели и задания граничных условий программа генерирует конечно-элементную сетку, выполняет расчет, оценивает ошибку за счет сеточной дискретизации и меняет размер сетки от решения к решению до тех пор, пока расчетная погрешность станет меньше некоторой наперед заданной величины (или пока не будет достигнуто i-тое установленное число итераций).
Возможности программы ANSYS допускают модификацию конечно-элементной сетки. Например, могут быть изменены атрибуты узлов и элементов. Если модель состоит из повторяющихся областей, то можно создать сетку только для некоторой области модели, а затем сделать копию этой области. После того как геометрическая модель покрывается сеткой конечных элементов, программа автоматически обеспечивает их взаимно-перекрестный контроль, чтобы гарантировать правильность выполняемых видоизменений сеточной модели. Такие проверки предотвращают некорректное уничтожение или порчу данных, относящихся к твердотельной и сеточной моделям. Так, например, ключевые точки, линии, поверхности или объемы сеточной модели нельзя уничтожить или переместить до тех пор, пока пользователь явным образом не потребует от программы отменить их автоматический контроль.
Приложение нагрузок и получение решения
После того, как при препроцессорной подготовке построена расчетная модель, можно переходить к стадии решения задачи. Этот этап включает в себя задание вида анализа и его опций, нагрузок, шага решения и заканчивается запуском на счет конечно-элементной задачи [10,12].
Программа ANSYS предусматривает два метода решения задач: h-метод и р-метод. Первый из перечисленных методов может применяться при любом типе расчетов (статический, динамический, тепловой и т.п.), в то время как второй метод может использоваться только в линейном статическом анализе. При прочих равных условиях, h-метод требует более частой сетки, чем р - метод.
Под нагрузками понимаются как внешние и внутренние усилия, так и граничные условия в виде ограничений на перемещения. В программе ANSYS нагрузки разделены на следующие категории:
ограничения степеней свободы;
сосредоточенные силы;
поверхностные нагрузки;
объемные силы;
инерционные нагрузки.
Большинство этих нагрузок может быть приложено или к твердотельной модели (в ключевых точках, по линиям и поверхностям), или к конечно-элементной модели (в узлах и к элементам). Конкретный вид нагрузок зависит от вида проводимого анализа (например, приложенная в точке нагрузка может быть сосредоточенной силой при прочностном анализе или магнитным потоком при электромагнитном расчете).
При нестационарном анализе полную последовательность нагрузок полезно разбить на несколько шагов нагружения.
Шаг решения - это изменение счетного шага внутри шага нагружения; используется главным образом при нестационарном и нелинейном анализе для улучшения точности и сходимости. Шаг решения также называют шагом по времени, т.е. шагом, выполняемым в течение некоторого промежутка времени.
Заметим, что в программе ANSYS понятие время используется как при нестационарном, так и при стационарном анализе. В первом случае - это обычная длительность процесса в секундах, минутах или часах. При решении статических задач время используется как указатель на тот или иной шаг нагружения или шаг решения.
Для указания допустимых пределов изменения степеней свободы в узлах модели могут использоваться заданные условия - ограничения. Например, в соответствии с требованиями электромагнитного анализа могут быть указаны границы, за которые магнитный поток не выходит.
Кроме возможности задавать ограничения на стадии получения решения существует возможность делать это при препроцессорной подготовке, используя твердотельную или конечно-элементную модель. Ограничения степеней свободы, заданные на твердотельной модели, автоматически передаются программой в сеточную модель при инициализации процедуры численного решения.
После того, как все соответствующие параметры заданы, может быть выполнено и само решение. По команде SOLVE программа обращается за информацией о модели и нагрузках к базе данных и выполняет вычисления. Результаты записываются в специальный файл и в базу данных. При этом в базе данных может храниться только один набор результатов, тогда как в файл могут быть записаны результаты для всех шагов решения.
Программой выполняется решение определяющих уравнений и получение результатов для выбранного вида анализа. В вычислительном отношении это самая интенсивная часть анализа, не нуждающаяся, однако, во вмешательстве пользователя. Она требует самых значительных затрат компьютерного времени и минимальных затрат времени пользователя.
Для того чтобы получить решение за минимальное время, программа ANSYS переупорядочивает расположение элементов и узлов.
Постпроцессорная обработка
В программе ANSYS стадия постпроцессорной обработки следует за стадиями препроцессорной подготовки и получения решения. С помощью постпроцессорных средств программы имеется возможность обратиться к результатам решения и интерпретировать их нужным образом [10,12].
Результаты решения включают значения сил, перемещений, температур, напряжений, деформаций, скоростей и магнитных потоков, значений магнитной индукции и т.д.
Итогом работы программы на постпроцессорной стадии является графическое и (или) табличное представление результатов. Графическое изображение может быть выведено на монитор в интерактивном режиме во время постпроцессорной обработки или преобразования в твердую копию.
На стадии получения решения результаты записываются в базу данных программы ANSYS и в так называемый "файл результатов". Результаты, полученные на каждом дополнительном шаге решения, накапливаются как наборы данных.
Количество и тип данных определяются видом выполняемого анализа и выбором опций, установленных на стадии получения решения.
Типы основных файлов, создаваемых программой
В процессе моделирования программа ANSYS может создавать следующие типы файлов [10]:
а) . log - протокольный (журнальный) файл, хранящий историю работы в виде ANSYS-команд, т.е. полная запись программы (текстовый файл) на всех этапах решения задачи (препроцессор, решение, постпроцессор);
б) .inp или .dаt - файл ввода программы при пакетном (batch) режиме работы;
в) .db или .dbb - база данных программы (бинарный, в кодировке ANSYS), сохраняет геометрию модели, граничные условия, решение;
г) .emat - файл матрицы элементов;
д) .grph - файл графики;
е) .err - файл ошибок, содержит все ошибки и предупреждения, выданные программой в процессе решения;
ж) .mac - файл с макрокомандами;
з) .nod - файл с узлами сетки;
и) .elm - файл с элементами сетки;
к) .rst - бинарный файл, содержащий результаты прочностного анализа;
л) .rth - бинарный файл, содержащий результаты теплового анализа;
м) .rmg - бинарный файл, содержащий результаты электромагнитного анализа;
н) .rfl - бинарный файл, содержащий результаты гидродинамического анализа;
о) .SI_MPL - файл - библиотека, в котором хранятся заданные пользователем свойства материала.
3. Проектирование модели исследуемого объекта
В данном проекте, основной задачей моделирование является газодинамический расчет различных режимов работы камеры сгорания. Расчет производился в модуле Multiphysics, обладающем более полными возможностями моделирования процессов термодинамики газов и жидкостей с возможностью решения сопряженных задач. В качестве решателя использовался FLOTRAN.
Программа FLOTRAN и модуль FLOTRAN CFD (расчетная гидрогазодинамика) программы ANSYS предлагают всесторонние инструментальные средства для анализа двумерных и трехмерных полей потока жидкости или газа.
Численный анализ требует некоторой идеализации модели, что в конечном итоге приводит к погрешностям расчетов. Эти погрешности тем ниже, чем более правильно и подробно создана модель - если при моделировании учтено максимальное число известных фактов о поведении исследуемой конструкции под нагрузкой. Использование вычислительной техники в роли черного ящика, без понимания основных процессов и этапов вычислений может привести к значительным ошибкам. Приступая к исследованиям, инженер должен понять, к какой области анализа относится данная задача, какая часть всей конструкции должна исследоваться подробно, какие упрощения можно допустить.
При проектировании модели камеры сгорания в ANSYS, задачу можно разделить на следующие этапы:
проектирование графической модели объекта;
выбор вида конечно-элементной сетки и её наложение на графическую модель;
определение граничных условий и нагрузок;
определение вида и параметров решения;
проведение решения и вывод результатов;
анализ полученных результатов решения.
Ниже приведено детальное описание всех этапов создания и решения конечно-элементной модели.
3.1 Построение графической модели
Графическая модель камеры сгорания была разработана в прикладном графическом пакете SolidWorks 2004. Она представляет собой двумерную конструкцию линий, являющихся границами плоскостей радиального сечения форсунки горелочного устройства и рабочей области камеры сгорания. Для того чтобы иметь возможность применять модель в пакете ANSYS, она была сохранена в форме IGES - объекта.
После импортирования файла модели она будет выглядеть, как показано на рисунке 3.1 Необходимо доработать графическую модель средствами пакета. Применение графических возможностей препроцессора ANSYS делает построенную модель более "дружелюбной" к другим компонентам инженерного пакета, в том числе, исключает возможные проблемы при импортировании плоскостей из других графических процессоров (SolidWorks, 3D Max Studio, AutoCAD и других).
Доработка включает в себя:
масштабирование импортированных линий, для соответствия реальных размеров камеры сгорания, размерам графической модели, выраженных в единицах СИ;
создание плоскостей, необходимых для последующего нанесения конечно-элементной сетки;
сжатие номеров графических элементов, для устранения возможных ошибок при перечислениях или обращениях к ним в дальнейшем.
Создаются две плоскости, в соответствии с рисунком 3.2: одна из них статическая, не участвует в анализе, представляет собой разрез форсунки горелочного устройства; другая - рабочая плоскость, радиальный разрез внутренней полости кольцевой камеры сгорания. Именно на рабочую область будет в последующем наложена конечно-элементная сетка.
Рисунок 3.1 - Импортированная SolidWorks в ANSYS графическая модель камеры сгорания
Рисунок 3.2 - Плоскости, созданные средствами препроцессора ANSYS
Сама по себе, рабочая плоскость является нерегулярной, с точки зрения геометрии, что является решающим критерием при выборе формы расчетных элементов.
3.2 Наложение конечно-элементной сетки
Библиотека элементов ANSYS содержит более 150 различных типов элементов [10,12]. Каждый тип элемента имеет уникальный номер и имя, которое идентифицирует категорию элемента: BEAM4, PLANE77, SOLID96, и так далее. Как правило, в различных вариантах программы доступны не все виды элементов. Это зависит от того, какие виды расчета могут использоваться в данном варианте программы.
Задача, решаемая в дипломном проекте, относится к разделу физических задач термодинамики газов. Следовательно, элементы, используемые при создании конечно-элементной модели, должны соответствовать положениям этого раздела физики и учитывать требования к получаемым результатам.
Для двумерного газодинамического анализа во FLOTRAN используем элементы типа FLUID141.
Элемент FLUID141 можно использовать для моделирования стационарных или нестационарных тепловых систем, которые включают в себя как жидкие, так и твердые области. В жидкой области решаются уравнения сохранения для потока вязкой жидкости и энергии, тогда как в твердой области решается только уравнение энергии. Также элемент FLUID141 можно использовать в анализе взаимодействия жидкость - твердое тело.
Для элементов FLOTRAN CFD скорости определяются в соответствии с законом сохранения импульса, давление определяется в соответствии с законом сохранения массы, температура определяется в соответствии с законом сохранения энергии.
Используется решатель, реализующий раздельный последовательный алгоритм, суть которого заключается в раздельном решении для каждой степени свободы (температуры, давления, скорости и т.д.) системы матриц полученных конечно элементной дискретизацией основного уравнения. Задача течения жидкости нелинейная и основные уравнения связаны друг с другом.
Очевидно, что чем меньше размер элемента, тем больше количество элементов в модели, при этом время вычислений возрастает по экспоненте, а ошибка вычислений уменьшается, но не до нуля, т.к. с увеличением числа элементов накапливаются ошибки округления ЭВМ. Линейные элементы требуют более частой сетки, чем элементы с одним или двумя промежуточными узлами. Упорядоченная сетка более предпочтительна.
Прямоугольная сетка более предпочтительна, чем сетка с треугольными элементами. Сетка из треугольных элементов с одним промежуточным узлом имеет, по крайней мере, ту же точность что и сетка с прямоугольных элементов. Прямоугольная сетка с одним промежуточным узлом предпочтительнее аналогичной треугольной, несмотря на больший размер прямоугольных элементов, аппроксимация смещений кубическим полиномом не требует более мелкой сетки. Более частая сетка требуется там, где предполагается концентратор напряжения, редкая сетка может применяться в областях с более постоянными деформациями и напряжениями, а так же в областях, не представляющих особого интереса.
Нас интересует, прежде всего, уравнения потока и уравнения энергии, соответственно для анализа акустических свойств камеры сгорания и распределения температуры.
Так как геометрия камеры является нерегулярной (сложной), то форма элементов должна иметь треугольную форму, для более равномерного и точного нанесения сетки. Кроме того, в местах сужений и возможных турбулентных потоков, частота нанесения сетки должна быть больше, для более точного решения.
В соответствии с данными требованиями, рабочую плоскость камеры сгорания можно условно разделить на три области: область входа компонентов; область горения; область ускорения потока.
Каждая из областей должна быть разбита на соответствующее сложности и требуемой точности количество элементов.
Для того, чтобы плоскость была разбита на элементы, сначала нужно разбить линии, являющиеся внешними границами областей. У первой области линии разбиваются с расстоянием между узлами 0.03 (м), у второй - 0.04 (м) и у третьей - 0.03 (м). Выбор расстояния между узлами должен быть основан на необходимой точности решения, а также времени выполнения расчетов. Далее осуществляется выбор формы элементов и вида разбиения. В данном случае применим треугольную форму, по причинам, обозначенным выше, и выберем свободное расположение элементов.
Указав нужную нам (рабочую) плоскость, в соответствии с рисунком 3.3, получаем область с наложенной конечно-элементной сеткой.
Рисунок 3.3 - Нанесенная на рабочую площадь конечно-элементная сетка
Следующим этапом создания конечно-элементной модели является задание начальных условий и нагрузок.
3.3 Задание начальных условий и нагрузок
Задание граничных условий - один из ответственных этапов конечно-элементного анализа. Так, например, жесткое закрепление вдоль одной или более осей служит для того, чтобы перемещения модели соответствовали перемещениям реального объекта в заданных точках. При этом перемещения могут приобретать как нулевые значение - фиксация по всем степеням свободы, так и ненулевые значения - фиксация по части степеней свободы. Кроме перемещений в качестве граничных условий могут использоваться нагрузки. Граничные условия могут прикладываться только к узлам. Максимальное число граничных условий в узле равно числу его степеней свободы - 3 силы или 3 перемещения. Число граничных условий должно быть минимально необходимым, не больше. Не следует фиксировать все степени свободы элемента, не следует прикладывать силу в узле в том же направлении, в котором зафиксировано смещение. Схема размещения граничных условий зависит от вида нагружения. Если конструкция имеет оси или плоскости симметрии, то нет необходимости моделировать конструкцию целиком, достаточно ее части, имея в виду, что в точках на плоскостях симметрии соответствующие перемещения равны нулю [12].
Задание начальных условий и нагрузок должно производиться с учетом того, какие результаты от решения нам необходимы. В данной задаче наиболее интересующими нас параметрами являются скорость потока и его температура. Следовательно, основными нагрузками будут скорость (velocity) и температура (temperature).
К граничным условиям относится задание стенок камеры сгорания. Скорость узлов у них приравнена к нулю (Vx = 0 и Vy = 0). Допущением является то, что модель не учитывает излучение, принимаемое стенками от пламени. Вместо этого, на них наложена термальная нагрузка в виде функциональной зависимости от значения нагрузок на входящие потоки воздуха и топливного газа.
Далее необходимо задать значения скорости и температуры на входящие потоки воздуха и топливного газа. Скорость воздушного потока из компрессора определяется для каждого сечения входа отдельно, так как скорость - величина векторная и требует задания координат. В результате простых геометрических расчетов получены значения каждого из компонентов этих векторов. Аналогично для входного потока топливного газа определяем направление результирующего вектора и высчитываем каждую компоненту.
Температуры воздуха и газа задаются в соответствии с требованиями стабильности пламени, но могут изменяться в экспериментах, если эти требования еще не сформулированы и подлежат анализу.
В зависимости от значения скорости и температур входных потоков у нас будут изменяться такие показатели, как температура стенок камеры, распределение потоков, вид поля распределения температур по плоскости сечения камеры и другие параметры.
Одно из применений методики, предлагаемой в работе, заключается именно в изменении данных входных потоков для исследования геометрии камеры сгорания турбины. Исследование геометрии предполагает выявить основные элементы конструкции, которые наибольшим образом влияют на распределение потоков газа в камере. Если по прошествии некоторого числа экспериментов выясняется, что это влияние нежелательно, то геометрию можно изменить и начать эксперименты заново. Скорость нахождения оптимума при необходимости необходимо ускорить аналитическими расчетами.
К сожалению, версия пакета, в которой проводилась разработка дипломного проекта, не обладает возможностью моделирования реакции горения [8]. Из современных инженерных пакетов серии ANSYS такими возможностями обладает модуль CFX, который введен в состав полнофункциональной версии ANSYS 10.0. Исходя из этого, добиться необходимой точности решения, можно только имея в наличии аналитический тепловой расчет камеры сгорания. В рамках данного дипломного проекта предполагается создать эмуляцию пламени фиксированного размера и с варьируемой температурой. Кроме того, чтобы добиться приемлемых результатов и для расчета переноса вещества, было решено создать поле обратных скоростей. Поле обратных скоростей имитирует участие в реакции горения кислорода атмосферного воздуха, который подается компрессором в камеру сгорания. Параметры этих имитаторов находятся в зависимости от параметров входящих газов. Зависимость определена опытным путем.
Для того чтобы обозначить выход модели, необходимо задать нулевое давление на конце жаровой трубы. Это давление является обязательным граничным условием для решения задачи распределения потоков.
На этом построение конечно-элементной модели камеры сгорания газовой турбины можно считать завершенным. Результат представлен на рисунке 3.4 Красным цветом показаны нагрузки типа скорость (Velocity), желтым - температурные (Temperature), зеленым - давления (Pressure).
Рисунок 3.4 - Конечно-элементная модель камеры сгорания газовой турбины V64.3A
Далее следует выбор стратегии решения и выполнение программой расчетных итераций.
3.4 Подготовка и проведение расчетов
Расчет термодинамики газов внутри камеры сгорания необходимо проводить в несколько этапов. Этап в инженерном пакете ANSYS именуется шагом решения.
Модель, как было указано выше, является нерегулярной. Вследствие этого, при решении задачи переноса вещества, появляется такое явление как турбулентность. Расчет турбулентного потока несколько отличается от расчета ламинарного. Здесь отдельно решаются уравнения переноса вещества и уравнения энергии вещества. Из этого и вытекает необходимость нескольких шагов.
На первом шаге компоненты переноса не выделяются. Уравнения переноса решаются с воздухом в системе СИ. Для решения на данном шаге необходимо небольшое количество итераций и в данном случае оно равно 50. Командный код этого шага представлен в листинге 1.
Листинг 1 - Первый шаг решения
На втором шаге мы переходим к заданию параметров многокомпонентного переноса вещества. Компонентами в данном случае будут являться топливный газ и атмосферный воздух из компрессора. Для этого сначала задаем количество компонентов и параметры плотности и вязкости с учетом смеси, включаем опцию многокомпонентного переноса в настройках решателя.
Одна из основных задач на этом шаге это настройка параметров каждого из компонентов. К настраиваемым параметрам относятся, прежде всего, физические свойства компонентов, настройки решателя и сходимости результатов решения. Значения химических и термодинамических свойств компонентов приведены в таблице 3 и были взяты из справочника [16].
Таблица 3 - Основные свойства компонентов газовой смеси
|
Параметр |
Топливный газ |
Воздух из компрессора |
|
|
Название |
gas |
voz |
|
|
Молекулярная масса |
16.04 |
28.96 |
|
|
Плотность при нормальных условиях |
0.7168 |
1.2928 |
|
|
Варьирование плотности |
да |
да |
|
|
Вязкость при нормальных условиях |
1.786E-005 |
1.2067E-005 |
|
|
Варьирование вязкости |
да |
да |
|
|
Теплопроводность |
0.02598 |
0.02674 |
|
|
Коэффициент массовой диффузии |
2.601E-005 |
2.149E-005 |
После установки свойств компонентов и настройки решателя необходимо дополнить спроектированную конечно-элементную модель компонентными нагрузками, которые определяют пропорции веществ в зонах их притока. В нашем случае топливный газ и воздух из компрессора предварительно не смешиваются и поступают в зону распыления "чистыми", т.е. коэффициент присутствия у каждого будет по единице в своей области. Для воздуха областями, как известно, являются оба участка сечения вокруг форсунки, а для топливного газа соответственно выход форсунки.
После задания компонентных нагрузок все настройки многокомпонентного решения сделаны. Далее необходимо указать число итераций, в нашем случае их 100. На этом очередной шаг решения завершен. Его командный код представлен в листинге 2.
Листинг 2 - Второй шаг решения
На следующем этапе необходимо решить уравнение энергии для получения распределения температур по рабочей области. Для этого отключаем расчет переноса вещества и включаем опцию решения уравнения энергии.
Для улучшения точности и быстродействия меняем метод решения по температуре, установленный по умолчанию, на более сложный метод PCCR. Он наиболее подходит для решения такого рода задач, так как точность его в турбулентном потоке лучше. Для решения уравнений энергии нам необходимо не более 50 итераций. Командный код этого шага представлен в листинге 3.
Листинг 3 - Третий шаг решения
! Подготовка к решению уравнений энергии
flda,solu,temp,t! Включить решатель уравнения энергии вещества
flda,solu,flow,f! заморозить поле потока
flda,meth,temp,3! Активировать решатель PCCR
flda,conv,temp,1. e-8! Критерий сходимости для PCCR
flda, iter,exec,50! Для решения необходимо несколько итераций
flda,relx,temp,1.0! Отсутствует релаксация на температуру
save
solve! Решение уравнения энергии
Следующим шагом будет совместное решение уравнений энергии и переноса вещества. При этом включается опция расчета потоков и устанавливается необходимое число итераций. Для первичной обработки нужно около 50 итераций. Полученный результат для улучшения сходимости решения обрабатываем еще раз с числом итераций 100. Командный код этого шага представлен в листинге 4.
После уведомления об успешном решении, предварительный расчет камеры сгорания завершен. Данные расчетов можно просмотреть в интерактивном режиме в основном постпроцессоре (General Post). Но для получения более точного с физической точки зрения решения, необходимо учесть то, что поток в камере сгорания является сжимаемым. Это можно определить и из геометрии объекта, которая имеет вид сопла, и из того, что воздух компрессора нагнетается под давлением, поступая с очень большой скоростью.
Листинг 4 - Четвертый шаг решения
О том, что поток сжимаемый, можно судить и по выходной скорости отработавших газов. Если она близка к скорости звука, то поток в сопле считается сжимаемым. Скорость звука в газе равна примерно 514 (м/с). В нашем расчете скорость выходного потока составляет примерно 600-750 (м/с). Следовательно, поток можно считать сжимаемым. Для решения уравнений переноса в этом случае ANSYS позволяет включить дополнительную опцию расчета сжимаемого потока.
Следующим шагом решения будет применения более сложной модели турбулентности. Усовершенствование модели турбулентности связано с тем, что поток, как мы выяснили, является сжимаемым. А для расчета сжимаемых течений модель по умолчанию не дает эффективного решения.
После просчета 100 итераций с новой моделью, необходимо снова решить отдельно уравнение энергии. Для этого отключаем опцию переноса вещества и проводим еще 100 итераций. После завершения просчета, запускаем совместное решение с тем же числом итераций. Сжимаемый поток рассчитан. Командный код расчета представлен в листинге 5.
Листинг 5 - Пятый, шестой и седьмой шаги решения
Комплексный расчет камеры сгорания газовой турбины на этом завершен. Полный листинг программы находится в приложении А.
3.5 Определение оптимального коэффициента избытка воздуха
В последнее десятилетие были введены новые нормативные требования к уровню выбросов вредных веществ наземными газотурбинными установками (ГТУ) [2]. Самое существенное ограничение касается уровня выбросов оксидов азота, который не должен превышать 50 мг/нм3 при 15 % O2. Применение концепции предварительной подготовки топливовоздушной смеси позволяет снизить эмиссию оксидов азота до уровня, требуемого нормативными документами. Однако при этом возникает проблема обеспечения устойчивости камеры сгорания к пульсациям давления, возникающим вследствие случайных турбулентных возмущений или из-за изменения режима работы камеры сгорания [4].
Ведущие зарубежные фирмы, такие как Rolls-Royce, АBB, Siemens, решают данную проблему либо за счет системы управления, поддерживающей постоянное соотношение между расходами воздуха и топлива, поступающими в камеру сгорания, либо используя системы подавления колебаний давления, включающих в себя исполнительные механизмы, содержащие подвижные части в топливном и воздушном трактах камеры сгорания. Применение первого метода уменьшает КПД ГТУ, а использование систем подавления колебаний значительно увеличивает стоимость камеры сгорания. Кроме того, применение подвижных частей, работающих с высокой частотой, снижает надежность камеры сгорания. Поэтому более перспективным путем решения данной проблемы является применение систем пассивного подавления автоколебаний, то есть при создании камер сгорания данного типа более предпочтительным является применение пассивных систем подавления колебаний давления, в которых не предполагается высокочастотного управления работой камеры сгорания.
Проблемы устойчивости горения, и в частности проблема создания пассивной системы подавления автоколебаний, ранее подробно исследовались для камер сгорания жидкостных реактивных двигателей и для форсажных камер газотурбинных двигателей. Однако выработанные в данных конструкциях технические решения не учитывают специфики рабочего процесса камер сгорания с предварительным смешением топлива. Действительно, уменьшение времени запаздывания, являющегося также временем смешения, приводит к росту выбросов оксидов азота. Применение систем шумоглушения, например резонаторов Гельмгольца, сдерживается их однорежимностью.
Поэтому для успешного применения методов пассивного подавления колебаний необходима оптимизация конструкции камеры сгорания с учетом ограничений, накладываемых уровнем эмиссии вредных веществ и ограничением на потери давления в камерах сгорания данного типа. Для решения такой задачи необходимо создание математической модели камеры сгорания, учитывающей ее акустические характеристики.
Подача в камеру воздуха в количестве, теоретически необходимом, практически не обеспечивает полноты сгорания топлива. Это приводит к так называемым потерям топлива от химической неполноты сгорания. Поэтому фактически в топку камеры, как правило, подают воздуха несколько больше, чем это требуется теоретически. Этот излишек характеризуется коэффициентом избытка воздуха , под которым понимают отношение количества воздуха, действительно подаваемого в топку, к теоретически необходимому.
С увеличением возрастают потери тепла с газообразными продуктами сгорания топлива, удаляемыми в атмосферу, так как увеличивается их количество. С уменьшением растут потери от химической неполноты сгорания топлива. Выбор оптимального значения зависит от рода топлива, способа сжигания и конструктивных особенностей камер сгорания и является технико-экономической задачей.
При проектировании ГТУ коэффициент принимается согласно установленным нормам, в условиях эксплуатации - устанавливаются экспериментально. Исходя из опыта применения газовых турбин в промышленности, принимает значение от 4 до 8.
Разработанная методика решения задачи термодинамики газов в камере сгорания турбины позволяет произвести оценку оптимального значения коэффициента избытка воздуха. Это достигается путем проведения ряда экспериментов с варьированием входных параметров воздуха компрессора и топливного газа.
Было проведено пять экспериментов для = 2, 4, 6, 8,10. Результаты экспериментов представлены в приложении Б.
Камера сгорания этого класса имеет следующие рабочие показатели [19]:
температура на выхлопе сопла Твых = 1200-1300 (°С);
скорость потока на выходе сопла Vвых = 750 (м/с).
На диаграммах шкала температур имеет размерность Кельвин, а скорость задана в условных единицах. Одна условная единица 1у. е. = 33 (м/с)
Из приведенных диаграмм можно сделать вывод, что стабильная работа турбины будет при = 6. Снижение приводит к чрезмерному выбросу топлива, а увеличение - к увеличению температуры выхлопа и возможным пульсациям пламени.
Диаграммы с коэффициентом турбулентности позволяют оценить состояние пламени и, следовательно, предвидеть пульсации в камере сгорания или срыв пламени совсем.
Из экспериментов видно, что даже при моделировании, когда многие факторы были исключены, результаты решения могут быть использованы на практике.
Выводы по главе
В результате проектирования была разработана методика создания конечно-элементной модели камеры сгорания и проведения термодинамического расчета газовых потоков. Методика позволяет исследовать работу объекта на различных режимах, вплоть до критических. Варьируя входными данными по топливному газу и/или по воздуху можно определить оптимальное соотношение газ-воздух, которое имеет решающее влияние на работу турбины в целом. Исходя из этого, возможно решение одной из экономических задач - оптимальный выбор горелочного устройства.
В соответствии с этим был проведен ряд экспериментов по проверке модели, в результате которых практические данные были подтверждены виртуальными испытаниями. Для проведения более точных экспериментов, необходимо усложнять модель. Основным средством в достижении этого является учет тех факторов, которые в данной работе не были задействованы.
4. Безопасность и экологичность проекта
Электростанция расположена в черте города Тюмени и обеспечивает его тепловой и энергетической энергией. Избытки электроэнергии поступают в сети энергосистемы. Энергия подается в жилые дома и небольшие предприятия. Тепло поступает в двух формах: в виде пара на промышленные предприятия использующие пар в производстве и в виде горячей воды отапливаемой жилые дома [17].
Установленная электрическая мощность - 420 МВт, установленная тепловая мощность - 1463 Гкал/час.
Основное топливо - природный газ, поступающий с Уренгойского месторождения.
Резервное топливо - мазут (резервная подача мазута рассчитана на 3 дня эксплуатации станции).
Сочетание паротурбинных и газотурбинных установок, объединенных общим технологическим циклом, позволяет снизить потери теплоты с уходящими газами ГТУ, использовать газы за газовыми турбинами в качестве подогретого окислителя при сжигании топлива в паровом котле, получить дополнительную тепловую и электрическую мощность за счет частичного вытеснения регенерации паровых турбоустановок и, в конечном итоге, повысить КПД электростанции.
Кроме того, использование современных парогазовых технологий обеспечивает существенное снижение вредных выбросов в окружающую среду, значительную экономию газового топлива за счет высокого коэффициента использования топлива и низких удельных расходов на производство электроэнергии и тепла.
Так как основная цель проекта заключается в исследовании объекта, анализа его поведения на различных режимах, то безопасность проекта имеет весьма важное значение. Прежде всего, необходимо решить задачу снижения риска экологических и техногенных катастроф. Не стоит забывать и об экологической значимости проекта и условиях труда персонала предприятия.
4.1 Характеристика условий труда
Автоматизированное рабочее место инженера I категории представляет собой операторский ПЭВМ, обеспечивающий работу специалиста в операторной энергоблока. Условия труда описаны в таблице 4.
Таблица 4 - Характеристика условий труда
|
Показатель |
Значение |
|
|
Объем помещения, м3 |
6х10х3,5=210 |
|
|
Характеристика тяжести работы |
Средняя |
|
|
Площадь помещения, м2 |
60 |
|
|
Тип системы вентиляции |
общеобменная |
Фактическое состояние условий труда оператора по степени вредности и опасности на рабочем месте представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Степень вредности и опасности на рабочем месте
|
№ |
Наименование |
Ед. изм. |
Фактическое значение |
Допустимое значение |
|
|
Физические факторы |
|||||
|
1 |
Шум |
дБА |
58-60 |
60 |
|
|
2 |
Температура воздуха |
С |
24,0 |
22,0-24,0 |
|
|
3 |
Скорость движения воздуха |
м/с |
<0.1 |
0.1 |
|
|
4 |
Естественное освещение |
КЕО, % |
1,5 |
1,5 |
|
|
5 |
Относительная влажность |
% |
40 |
40-60% |
|
|
6 |
Освещённость |
лк |
260-520 |
300-500 |
|
|
Химические факторы |
|||||
|
1 |
Азбестосодержащая пыль |
мг/м3 |
5 |
2 |
|
|
2 |
Серная кислота |
мг/м3 |
Не выявлен |
1 |
|
|
3 |
Аммиак |
мг/м3 |
Не выявлен |
20 |
Также имеют место и другие вредные производственные факторы:
ионизирующее излучение;
высокая напряженность электромагнитного поля;
повышенный уровень вибрации.
Также в зоне работы могут иметь место опасные производственные факторы:
вращающиеся и движущиеся машины, и механизмы, подвижные части оборудования;
повышенная температура поверхностей оборудования;
расположение на территории производства сосудов высокого давления;
напряжение в электроустановках и электрической цепи;
расположение устройств на высоте более 1,3м относительно поверхности пола, земли;
газоопасные места;
химически агрессивные, едкие и ядовитые вещества при работе на оборудовании химического цеха такие, как: негашеная известь, коагулянт, кальцинированная сода и фосфат натрия, гидразингидрат, серная кислота, соляная кислота, аммиак.
Для защиты от воздействия опасных и вредных производственных факторов необходимо применять соответствующие средства защиты:
при повышенном уровне шума нужно применять противошумные наушники, вкладыши "Беруши";
при нахождении рядом с вращающимися механизмами или работе на станках с вращающимися элементами не должно быть развевающихся частей одежды, которые могут быть захвачены движущимися частями механизмов;
при необходимости нахождения вблизи горячих частей оборудования следует принять меры по защите от ожогов и действия высоких температур (ограждение оборудования, вентиляция, теплая спецодежда, душирующие установки);
при выполнении работ на участках с температурой воздуха выше 32°С необходимо применять режим труда с интервалами времени для отдыха и охлаждения;
при повышенной запыленности воздуха рабочей зоны необходимо работать в противопылевом респираторе;
при нахождении в помещениях с действующим технологическим оборудованием (за исключением щитов управления ТГ) необходимо носить защитную каску для защиты головы от ударов случайными предметами;
при работе на высоте более 1,3 м над уровнем пола (земли) площадки - предохранительный пояс и страховочный канат или работать с лесов;
при недостаточной освещенности рабочей зоны следует применять дополнительное местное освещение (фонари, переносные электрические светильники);
для защиты от действия электрического тока служат электрозащитные средства; диэлектрические перчатки, галоши, ковры, подставки, накладки, колпаки, переносные заземляющие устройства, указатели напряжения, слесарно-монтажный инструмент с изолирующими рукоятками, плакаты и знаки безопасности;
при повышенном уровне вибрации необходимо применять режим труда с интервалом времени для отдыха, в зоне с нормальными условиями;
при выполнении работ в газоопасной зоне необходимо работать инструментом, исключающим возможность искрообразования (из цветного металла или из черного металла, обильно смазанного солидолом или другой смазкой), при необходимости использовать шланговые противогазы или самоспасатели;
при обслуживании и ремонте оборудования химического цеха персонал должен знать свойства основных применяемых в производстве химически агрессивных, едких и ядовитых веществ, меры безопасности при работе с ними и пользоваться специальными защитными очками, фартуками и перчатками из материалов, стойких к действию вышеназванных веществ.
Приборы, инструмент и средства защиты, используемые для обеспечения работоспособности устройств, следует переносить в сумке или ящике, острые части инструмента необходимо содержать в закрытых чехлах.
Оператор должен работать в спецодежде и применять другие средства защиты, выдаваемые в соответствии с действующими отраслевыми нормами, а также в зависимости от характера выполняемых работ.
Оператору должны выдавать бесплатно согласно отраслевым нормам следующие средства индивидуальной защиты:
костюм хлопчатобумажный - на 12 мес.;
каска защитная - на 2 года;
очки защитные - до износа;
"беруши" - до износа;
куртка х/б на утепляющей прокладке - на 2 года;
ботинки кожаные - на 12 мес.
4.2 Расчет искусственного освещения
Рациональное освещение производственных и других помещений оказывает положительное психофизическое влияние на работающих, способствует повышению производительности труда, обеспечению его безопасности, сохранению высокой работоспособности человека. Свет оказывает положительное влияние на эмоциональное состояние человека, воздействует на обмен веществ, сердечно-сосудистую систему, нервно-психическую сферу [1].
Подобные документы
Расчёт газовой турбины на переменные режимы (на основе расчёта проекта проточной части и основных характеристик на номинальном режиме работы газовой турбины). Методика расчёта переменных режимов. Количественный способ регулирования мощности турбины.
курсовая работа [453,0 K], добавлен 11.11.2014Расчёт переменных режимов газовой турбины на основе проекта проточной части и основных характеристик на номинальном режиме работы турбины. Принципиальная тепловая схема ГТУ с регенерацией. Методика расчёта переменных режимов, построение графиков.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 06.06.2013Основные виды физических полей в конструкциях РЭС. Моделирование теплового поля интегральной схемы в САПР ANSYS. Моделирование поля электромагнитного поля интегральной схемы, изгибных колебаний печатного узла. Высокая точность и скорость моделирования.
методичка [4,2 M], добавлен 20.10.2013Правила определения собственных частот и форм колебаний ротора компрессора. Проведение расчета ротора и робочих колес. Изучение возможностей решения контактных задач в системе ANSYS. Рассмотрение посадки элементов на вал с гарантируемым натягом.
диссертация [4,9 M], добавлен 20.07.2014Проведение численных исследований конвективных течений в программном комплексе ANSYS, формирующихся вследствие локализованного нагрева в цилиндрическом слое жидкости. Сравнение основных результатов расчетов в CFX и FLUENT для различных режимов течения.
дипломная работа [4,1 M], добавлен 27.03.2015Конструктивные характеристики котельного агрегата, схема топочной камеры, ширмового газохода и поворотной камеры. Элементарный состав и теплота сгорания топлива. Определение объёма и парциальных давлений продуктов сгорания. Тепловой расчёт котла.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 05.08.2012Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Основные элементы конструкции и функции газовой турбины. Поршневые двигатели внутреннего сгорания, их классификация. Два основных класса реактивных двигателей и характеризующие их технические параметры.
презентация [3,5 M], добавлен 24.10.2016Принцип и порядок расчета в программе ANSYS CFX. Определение аэродинамических характеристик профиля. Особенности модели расчета вращения лопасти. Расчет на звук для лопастей: без законцовки, с законцовкой типа линглетта, горизонтальной законцовкой.
курсовая работа [3,5 M], добавлен 11.11.2013Принцип работы газодинамического лазера, его конструктивные особенности, энергетический баланс, кинетическая модель. Анализ и диагностика лазерного излучения. Текст расчета параметров газодинамического лазера, специфика их промышленного применения.
реферат [3,9 M], добавлен 26.11.2012Промышленное применение электроэнергии. Совершенствование паровых двигателей и котельных установок. Новые тепловые двигатели. Паровые турбины. Двигатели внутреннего сгорания. Водяные турбины. Идея использования атомной энергии.
реферат [17,8 K], добавлен 03.04.2003
