Использование программного обеспечения ANSYS 19.1 для сравнения различных конструкций полимерных труб

Аннотация. В данной статье приводится пример решения технологической задачи методом моделирования в программе ANSYS 19.1. Сравнение двух видов полимерных труб, для выявления наиболее практичной и долговечной.

Ключевые слова: моделирование, полимеры, система горячего водоснабжения, теплоноситель, итерации, сетка.

1.1 Технические характеристики труб

В программе для моделирования ANSYS 19.1 смоделированы 2 вида труб, диаметром 32 миллиметра, длинной 2 метра. Все физико-механические свойства труб загружены в программу моделирования.

1.2 Условия эксперимента

Эксперимент проводится в стационарных условиях с постоянным движением теплоносителя по трубам в течении нескольких дней. В трубах - вода с температурой 60 градусов Цельсия, плотностью 1000 килограмм на кубический метр.

1.3 Моделирование в программе ANSYS 19.1

Для расчетов используется платформа Workbench, модульный принцип описания расчетного проекта, что позволяет наглядно представить последовательность проведения всех расчетов, а также систематизировать и хранить полученные результаты.

Сначала создается проект с разделами [Рис.1].

Рисунок 1. Пользовательский интерфейс проекта

В разделе «Geometry» смоделированы трубы с их геометрическими характеристиками [Рис.2].

Рисунок 2. Геометрия одной из труб

В разделе Mesh моделируется сетка на саму трубу и на теплоноситель, который будет в ней протекать. Сетка необходима для отслеживания перемещения теплоносителя и распределения таких характеристик, как температура, давление, по разным сегментам трубопровода [Рис.3].

Рисунок 3. Сетка на трубу и на теплоноситель

В разделе Fluent задаются параметры теплоносителя, технические характеристики испытуемых трубопроводов, направление теплоносителя, а также зоны соприкосновения одного материала тубы с другим. В этом же разделе производится сам эксперимент.

Здесь же строятся графики зависимости различных параметров. Но сначала выбираются параметры для расчета в эксперименте, такие как динамическое, статическое, абсолютное и полное давление, температура в различных точках сетки трубы и теплоносителя [Рис.4].

Расчет будет производиться многочисленно, пока каждый параметр в каждом сегменте точки не совпадет заданное количество раз. Тогда программа завершит эксперимент, выдавая максимально точные значения. Человеческий фактор отсутствует, как и грубые ошибки. Это всё устраняется как раз многократностью повторения эксперимента.

Рисунок 4. Задание параметров для расчета

Расчет запускается клавишей Calculate. Решение сошлось за 130 итераций. Мониторы продемонстрировали стабилизацию контролируемых параметров на этом количестве решений [Рис.5].

Рисунок 5. Окончание эксперимента

Обработка результатов моделирования и эксперимента произведена в CFD-Post.

С помощью CFD-Post (Пост-обработка данных), построим следующие графики зависимостей:

1. График распределения температур по поперечному сечению трубы [Рис.6];

2. График статического давления по поперечному сечению трубы [Рис.7];

3. График скорости по поперечному сечению трубы [Рис.8];

4. Контурный график температур по поперечному сечению трубы [Рис.9];

5. Контурный график статического давления по продольному сечению трубы [Рис.10];

6. Контурный график динамического давления по продольному сечению трубы [Рис.11];

7. Контурный график скорости по поперечному сечению трубы [Рис.12].

Рисунок 6. График распределения температур по поперечному сечению трубы в ANSYS 19.1

Рисунок 7. График статического давления по поперечному сечению трубы в ANSYS 19.1

Рисунок 8. График скорости по поперечному сечению трубы в ANSYS 19.1

Рисунок 9. Контурный график температур по поперечному сечению трубы в ANSYS 19.1

Рисунок 10. Контурный график статического давления по продольному сечению трубы в ANSYS 19.1

Рисунок 11. Контурный график динамического давления по продольному сечению трубы в ANSYS 19.1

Рисунок 12. Контурный график скорости по поперечному сечению трубы в ANSYS 19.1

В результате полученных данных с помощью проведения экспериментов в программе ANSYS 19.1 были построены графики зависимостей и наглядные диаграммы распределений.

Средняя температура на поверхности трубы из сшитого полиэтилена составляет 56 °С, а на поверхности полипропилена, армированного стекловолокном – 50 °С.

Таким образом более практичной и долговечной исходя из моделирования признается трубы, армированная стекловолокном, так как теплопотери у неё много меньше, чем у трубы из сшитого полиэтилена, так как температура на поверхности также меньше.