Конечно-элементное моделирование теплогидравлических процессов методом пористого тела

В работе рассмотрены наиболее известные модели пористого тела, используемые для упрощения выполнения теплогидравлических расчетов методом конечных элементов. Показаны основные подходы и зависимости при использовании модели пористого тела в расчетах. Представлены результаты теплогидравлических расчетов с применением модели пористого тела Дарси. Выполнен расчет теплообменного аппарата со спирально навитыми трубками, выполнен расчет сложной технологической системы, имеющей в своем составе механические фильтры разной конфигурации. Определены расхождения расчетных и реальных параметров оборудования. Применение модели пористого тела в качестве гидравлического аналога оборудования на примере механических фильтров и теплообменника показало приемлемые результаты (отклонения от проектных величин составляет от 0,1% до 10 %). Данные расхождения связаны с точностью / правильностью подбора законов (зависимостей) сопротивления для пористых тел. Применение подхода пористого тела при моделировании режимов работы технологических систем, включающих оборудование со сложной конструкцией, оправдано, в первую очередь, когда от результата расчетного моделирования требуется спрогнозировать режимы работы системы в целом, а возникающие внутри оборудования локальные процессы – нет. Во вторую очередь, когда необходимо сократить время выполнения расчетов при невысоких имеющихся мощностных возможностях компьютеров. Однако предлагаемый подход имеет недостатки, в частности, достаточно сложной является процедура определения степени пористости моделируемого объекта и законов гидравлического сопротивления, подобранных из эмпирических зависимостей.

1. Буряка В.А., Фокин В.Г., Солдусова Е.А., Глазунова Н.А., Адеянов И.Е. Инженерный анализ в Ansys Workbench. Самара: Изд-во Самар. гос. техн. ун-т; 2010. 271 с.

2. Ильин В.П. Методы конечных разностей и конечных объемов для эллиптических уравнений. Новосибирск: Изд-во Ин-та математики; 2000. 345 с.

3. Белова О.В., Волков В.Ю., Скибин А.П., Николаева А.В., Крутиков А.А., Чернышев А.В. Методологические основы CFD-расчетов для поддержки проектирования пневмогидравлических систем. Инженерный журнал: наука и инновации. 2013;17(5):45.

4. Снегирёв А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений: учебное пособие. СПб: Изд-во Политехн. ун-та; 2009. 143 с.

5. Чигарев А.В,. Кравчук, А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. Справочное пособие. М.: «Машиностроение-1»; 2004. 512 с.

6. Лескин С.Т., Слободчук В.И., Шелегов А.С., Яуров С.В., Чистозвонова Е.А., Сорокин А.П., Опанасенко А.Н., Калякин С.Г., Зарюгин Д.Г. Численное моделирование неизотермического течения теплоносителя в баке быстрого реактора. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2013;4:78–85.

7. Яуров С.В., Лескин С.Т., Шелегов А.С., Слободчук В.И., Чусов И.А., Швецов Ю.Е. Расчетное моделирование стратификации теплоносителя в баке быстрого реактора. Теплофизические экспериментальные и расчетно-теоретические исследования в обоснование характеристик и безопасности ядерных реакторов на быстрых нейтронах (Теплофизика-2012): Сборник докладов научно-технической конференции «Теплофизика-2012» Обнинск: ГНЦ РФ ФЭИ; 2013. с. 216–227.

8. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. Canonsburg, 2011. 402 p.

9. Яуров С.В., Боровой А.В., Юдин А.В., Болгов М.В., Данилов А.Д. Расчетно-экспериментальное обоснование повышения эффективности регенеративного теплообменника системы продувки парогенераторов проекта АЭС-2006 (РУ В-392М). Известия вузов. Ядерная энергетика. 2022;2:27–36.

10. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение; 1992. 672 с.

11. Кириллов П.Л., Бобков В.П., Жуков А.В., Юрьев Ю.С. Справочник по теплогидравлическим расчетам в ядерной энергетике. М.: ИздАт; 2010. 776 с.

12. Яуров С.В. Данилов А.Д. Гусев К.Ю. Гусев И.Н. Математическое моделирование сложных технологических систем методом конечных элементов. Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2023;11(3). URL: https://moitvivt.ru/ru/journal/pdf?id=1371. DOI: 10.26102/2310-6018/2023.42.3.024. (дата обращения: 10.10.2023).