Блог

Моделирование процессов горения - теперь это качественно, быстро и доступно

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

ANSYS Моделирование процессов горения - теперь это качественно, быстро и доступно

В сфере управления проектами существует известная поговорка: «Быстро, качественно, недорого. Выберите любые два пункта». Есть множество сайтов и блогов об этом, особенно мне нравится эта страничка с описанием треугольника управления проектами. К сожалению, описанные там ограничения справедливы и в мире инженерных разработок. Варианты, между которыми вынужден выбирать клиент, могут быть сформулированы следующим образом: качественно + быстро = дорого; качественно + недорого = медленно; быстро + недорого = некачественно. Инженеры часто упираются в то, что качественный результат требует слишком много времени, либо то, что полученный быстро результат является слишком приближенным. Качественный и быстро полученный результат, к сожалению, является исключительной ситуацией.

качественно + быстро = дорого; качественно + недорого = медленно; быстро + недорого = некачественноВ области моделирования процессов горения инженеры сталкиваются с ещё более сложной задачей выбора приоритетов. Им необходимо улучшить топливную эффективность, не превысив при этом постоянно ужесточающиеся нормы содержания вредных веществ в выхлопе. Эти задачи, как правило, противоречат друг другу (при этом результатом по-прежнему должна быть качественная + быстрая + недорогая продукция). Рольф Рейц (Rolf Reitz) из Висконсинского университета в Мадисоне красноречиво сформулировал эту проблему следующим образом: «Грандиозной задачей является разработка технических усовершенствований, которые позволили бы увеличить топливную эффективность, минимизировать выбросы загрязняющих веществ и улучшить приспособленность двигателя к различным видам топлива».

ANSYS В области моделирования процессов горения инженеры сталкиваются с ещё более сложной задачей выбора приоритетов.

Так как простые задачи в целом уже решены, инженеры работают над способами достижения даже небольших последовательных улучшений. Вследствие этого, любая неточность в расчёте, связанная с упрощением модели, может привести к тому, что инженеры по ошибке отбросят перспективные результаты или инновации. Политехнический университет Вирджинии при финансировании Министерства энергетики США (DOE) имеет возможность сделать значительный вклад в газотурбинную промышленность и, в свою очередь, в дело сохранения климата планеты. Существует проблема: жаровые трубы камер сгорания, которые производятся на сегодняшний день, нуждаются в повышении их долговечности до 30000 рабочих часов. Слишком высокая температура может стать причиной выхода их из строя. По словам научного сотрудника Политехнического университета Вирджинии Срината Эккада (Srinath Ekkad), из-за быстрых изменений, происходящих с участвующими в процессе горения газами, расчёт тепловой конвекции все еще является «наиболее сложным вопросом для точной оценки». Но высокоточное моделирование способно помочь решить эти проблемы!

Подписи на графиках: по вертикальной оси – давление; по горизонтальной – угол поворота коленвала в градусах, отсчитываемый от верхней мёртвой точки; рисунок слева – существенно упрощённая модель н-гептана (34 соединения); рисунок справа – улучшенная модель н-гептана (174 соединения). Точками показаны экспериментальные данные, линиями – результаты моделирования.

ANSYS Точность моделирования процессов в камере сгорания определяется выбранной моделью топлива.

С этой целью ANSYS предлагает решение, которое избавит от необходимости жертвовать точностью моделирования ради выигрыша во времени расчёта. Моделирование камер сгорания традиционно требовало большого объёма работы по описанию сложных химических процессов, и пользователям приходилось выбирать между этой работой и собственно расчётом. Либо процесс расчёта занимал непозволительно много времени, либо модель приходилось упрощать с целью ускорения расчёта, что существенно снижало точность. Сегодня мы предлагаем удобные в использовании и достаточно детализированные модели топлив. Отличительными признаками нашего всеобъемлющего и мощного программного обеспечения являются точность расчёта и использование передовых методик. Всё это позволяет достичь требуемых характеристик и обеспечить заданную топливную эффективность, не снижая их из-за чрезмерной длительности расчёта.

Новейшие технологии моделирования процессов горения сокращают временные затраты на расчёт химических реакций на несколько порядков. Ранее этот этап был одним из основных факторов, определяющих большое время расчёта моделей с учётом химических реакций. Высокая скорость расчета позволяет пользователям проверить большее количество вариантов, исследовать модель, понять, где и почему возникают проблемы, и объяснить получаемые данные, не жертвуя при этом точностью.

Подписи на графиках: по вертикальной оси – процессорное время расчёта химических реакций в часах, но горизонтальной – размерность химической модели (количество соединений). Верхняя кривая – традиционный газодинамический расчёт, нижняя кривая – газодинамический расчёт в ANSYS

Верхняя кривая – традиционный газодинамический расчёт, нижняя кривая – газодинамический расчёт в ANSYS

Поскольку точность моделирования горения зависит от выбранной модели топлива, ANSYS предлагает библиотеку Model Fuel Library, включающую более чем 65 хорошо проверенных моделей топлив – результат десятилетнего сотрудничества с промышленными компаниями, научными учреждениями и национальными лабораториями. Эта библиотека позволяет выбрать именно то топливо, которое вас интересует, что особенно важно при моделировании сложных жидких топлив.

Благодаря мощности современных компьютеров, с помощью вычислительной гидрогазодинамики (computational fluid dynamics – CFD) инженеры могут создавать модели двигателей с невероятно мелкой сеткой, содержащей до 100 миллионов элементов. Теперь вы можете объединить высокоточное моделирование потоков газа с возможностью прогнозировать реакцию выбранного топлива с воздухом в рассматриваемой камере сгорания. Благодаря различным инструментам и методам ANSYS избавляет от необходимости выбирать между скоростью и точностью моделирования, обеспечивая максимальный результат как в моделировании потоков, так и в моделировании химических взаимодействий. Например, модуль ANSYS Chemkin-Pro Reaction Workbench позволяет производить автоматическое упрощение химической модели, которое превращает сложные детализированные модели топлива в оптимальные для расчёта модели меньшего размера, сохраняя при этом точность, необходимую для моделирования рассматриваемых условий работы двигателей или топлива.

Кроме этого, вы можете выбрать один из нескольких методов интеграции химического расчёта в CFD-модуль. Каждый из них хорошо подходит для своих конкретных случаев: прямой связанный метод («direct chemistry integration coupled»), таблицы преобразования («table look-ups»), в которых заранее просчитана сложная кинетика химических реакций, и «equivalent reactor networks» – этот метод даёт возможность использовать детализированные химические модели даже при отсутствии специализированной информации о сложной кинетике химических процессов. Каждый метод располагает обширными и глубокими физическими возможностями. Вдобавок, все методы основаны на проверенных технологиях мирового уровня, которые дают вам не просто какое-то решение, а именно правильное решение.

Так что, можно попрощаться с правилом: «Качественно. Быстро. Недорого. Выбери любые два пункта»! По крайней мере, при моделировании процессов горения. Моделирование в ANSYS избавляет от давно устоявшейся необходимости выбирать между точностью и скоростью расчётов, а также предоставляет эффективные методы и точные химические модели для вашей специфической области применения.

Больше информации о том, как ускорить процесс моделирования горения и сделать его более качественным, вы можете найти в статье «Putting Accuracy to Work in Combustion Simulation», а также в материалах вебинара «Faster, More Accurate Combustion in ANSYS CFD», который состоялся 14 июля.

Источник: http://www.ansys-blog.com/fast-accurate-combustion-cfd-simulation/
Автор:  Bill Kulp

Понравился материал? Подпишитесь, чтобы быть в курсе событий

Facebook

Linkedin

Софт Инжиниринг Групп