Моделирование процесса кипения нанофлюидов

 

1.3 Краткие сведения о кипении хладагентов

      Кипение - процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева за счет поглощения теплоты. Кипение жидкости при низкой температуре является одним из основных процессов в парокомпрессионных  холодильных машинах. Кипящую жидкость называют холодильным агентом (сокращенно - гладагент), а аппарат, где он кипит, забирая теплоту от охлаждаемого вещества, - испарителем (название не совсем точно отражает суть происходящего в аппарате процесса). Количество теплоты Q, подводимое к кипящей жидкости,  определяют по формуле:  Q = Mr, где M - масса жидкости, превратившейся в пар.

      Кипение однородного ("чистого")  вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления. С изменением давления меняется и температура  кипения. Зависимость температуры  кипения от давления кипения (давления фазового равновесия) изображают кривой, называемой кривой упругости насыщенного  пара.

      Для наиболее распространенного в холодильной  технике хладагента - аммиака - такая  кривая приведена на рис.1. Атмосферному давлению, равному 0,1 МПа, соответствует  температура кипения аммиака -33°С, давлению 1,2 МПа - температура 30°С. 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

Рисунок.1. Кривая упругости насыщенного пара аммиака.

      Значения  скрытой (удельной) теплоты парообразования  и давления кипения для некоторых  хладагентов при температуре  кипения -15°С приведены в таблице.

 

      Из  таблицы следует, что у аммиака  по сравнению с другими хладагентами наибольшая скрытая теплота парообразования, дающая ему преимущество при выборе хладагента для той или иной конкретной холодильной машины.

      Хладагент R12, имея значительно меньшую скрытую теплоту парообразования, обеспечивает работу холодильной машины при более низких (по сравнению с работой на аммиаке) давлениях конденсации, что для конкретных условий может иметь решающее значение.

 

1.4 Концептуальная модель системы

     Обобщенную  концептуальную схему системы можно  увидеть на следующем рисунке:

Рисунок 2. Обобщенная концептуальная схема системы

      Входными  данными для системы можно  использовать следующие элементы:

• Возможность импортирования деталей для вычисления структурной сетки, с целью последующего моделирования физического процесса;
• Возможность задания начальных параметров состояния системы, вещества, окружающей среды;
• Импортирование результатов предыдущих симуляций для последующего сравнения.

     Основные  ограничения накладываются на нашу систему лишь математической моделью. Также , ограничения могут быть наложены самой системой при условии, что  в структурной сетке имеются  дефекты.

     Ресурсы:

• Компьютерные ресурсы – все необходимое для проведения вычислений с последующим сохранением результатов в базу данных.
• База знаний – для получения значений переменных не указанных пользователем 

   На  выходе мы получаем необходимый нам  результат в зависимости от того, какие данные мы подали для обработки

Рисунок 3. Расширенная  схема 

 

2 Среда разработки « ANSYS Multiphisics »

2.1 Программные модули ANSYS

Professional

     Высокоэффективный комбинированный пакет, предназначен для расчета линейных статических  задач прочности, модального анализа, стационарных и нестационарных задач  теплофизики, включая теплопроводность, конвекцию и излучение. ANSYS Professional ориентирован на инженеров среднего звена.  
Structural

     Полный  прочностной пакет (за исключением  функций расчета гидрогазодинамики, тепла, электромагнетизма), включает функции  прочностного анализа, расчеты линейной прочности, нелинейности (деформации, упругость, пластичность, текучесть, расчет элементов на растяжение-сжатие и  др.). Контактные задачи. Частотная область  динамического анализа (гармонический, спектральный, вибрации). Динамический анализ неустановившихся процессов; устойчивость конструкций; механика разрушений линейных и нелинейных задач для изделий  из композиционных и армированных материалов, включая температурные воздействия. Совместный анализ, акустика.  
Mechanical

     Этот  пакет прочностного анализа и  тепла (за исключением функций расчета  гидрогазодинамики и электромагнетизма) является наиболее универсальным модулем, позволяющим выполнять большинство  линейных и нелинейных задач конечно-элементного  анализа. Включает в себя все возможности, перечисленные в Structural, в сочетании  с функциями расчета тепла (стационарный и нестационарный режимы, теплопроводность, радиация, конвекция).  

Multiphysics

     Наиболее  полный пакет, включающий в себя все  возможные физические дисциплины (прочность  и тепло), а также электромагнитный анализ (магнитостатика, электростатика, электропроводность, низкочастотный гармонический  анализ, высокочастотный анализ) и  гидрогазодинамику (стационарная и  нестационарная, сжимаемые и несжимаемые, ламинарные и турбулентные потоки; естественная и вынужденная конвекция, сопряженный теплоперенос; вязкие и  многокомпонентные течения; фильтрация).  
Emag

     Специальный модуль расчета электростатики и  магнитостатики, низкочастотного и  высокочастотного анализа, нестационарных задач.  
LS-DYNA 
Программа высоконелинейных расчетов LS-DYNA, интегрированная в среду ANSYS, объединяет в одной программной оболочке традиционные методы решения с обращением матриц, специализированные контактные алгоритмы, множество уравнений состояния и метод интегрирования, что позволяет численно моделировать процессы формования материалов, анализа аварийных столкновений и ударов при конечных деформациях, при нелинейном поведении материала и контактном взаимодействии большого числа тел. С использованием LS-DYNA могут быть решены задачи динамического поведения предварительно напряженных конструкций и задачи исследования разгрузки конструкций, подвергнутых большим деформациям.  
ICEM CFD

     Комплексная система генерации любых типов расчетных сеток имеющая прямой интерфейс с CAD системами (Pro/E, Catia, Unigraphics,I-DEAS, SDRC, ICEM Surf). Экспорт сетки, более чем в 100 пакетов гидрогазодинамического и структурного анализа. Анализ и исправление геометрии, пре и пост-процессинг, адаптивная оптимизация сетки - это лишь основные ключевые моменты, позволяющие ускорить генерацию качественной сетки на основе любой геометрии.  
CFX

     Программный комплекс, сочетающий уникальные возможности  анализа гидрогазодинамических  процессов, многофазных потоков, химической кинетики, горения, радиационного теплообмена  и многих других. CFX обеспечивает принципиально  новый уровень решения задач  вычислительной гидрогазодинамики  за счет уникального сочетания технологий, начиная от прямого интерфейса к  большинству CAD систем и заканчивая возможностью проводить сопряженный  анализ течений и конструкций  совместно с ANSYS Multiphysics. Широкий выбор  моделей турбулентности в сочетании  с линейным решателем и технологией "Algebraic Coupled Multigrid" позволяет добиться высокой точности результатов при  решении различного класса задач.  
Workbench

     Новое поколение программных продуктов, в основе которых современный  объектно-ориентированный подход к  инженерному анализу, использующих возможности решателей ANSYS. Эта среда  инженерного анализа предоставляет  уникальные возможности по интеграции с CAD системами (в том числе двунаправленную  ассоциативную связь). Можно сочетать процесс проектирования в CAD пакете с получением достоверных данных расчетов и проведением оптимизации  конструкции. Workbench Products состоят из модулей: Design Simulation (использует лицензии DesignSpace, Professional, Structural, Mechanical), Design Modeler, DesignXplorer, FE Modeler.  
ED (Educational)

     Этот  учебный пакет, который представляет собой ограниченный по количеству расчетных  узлов и параллельным вычислениям  модуль ANSYS Multiphysics. Пакет предназначен для вузов и других учебных учреждений с целью глубокого изучения проблем анализа и разработки специальных приложений с использованием технологии ANSYS, Inc.  
PrepPost

     Отдельный пре- и постпроцессор с полным набором возможностей по созданию, импорту и экспорту геометрических моделей, по построению, импорту и  экспорту конечно-элементных сеток, по постановке задачи и обработке результатов (визуализация, листинг, операции над  результатами и др.). Является полнофункциональной  рабочей средой и обладает всеми  ее функциями за исключением собственно решения задачи. Возможно использование  нескольких рабочих мест ANSYS PrepPost в  комбинации с любым расчетным  продуктом. ANSYS LS-DYNA PrepPost - двусторонний интерфейс с программой LS-DYNA, позволяющий  создавать, читать и редактировать  средствами пре/постпроцессора конечно-элементные модели, считывать и обрабатывать результаты.  
Геометрический моделировщик

     Предназначен  для создания геометрических моделей  с помощью графических примитивов, операций с ними и их параметрического описания. Построение твердотельной  модели в ANSYS возможно с помощью комбинации двух вариантов: при помощи булевых  операций набора готовых примитивов или при помощи последовательного  иерархического построения, начиная  с опорных точек, затем - линий, сплайнов и далее - до твердого тела. Наличие  этих вариантов построения дает гибкие возможности для быстрого создания сложных моделей. Посредством импорта  моделей поддерживается двусторонний обмен данных с большинством CAD-систем, включая UG, Pro/E, а также чтение нейтральных  геометрических форматов IGES, SAT, STEP и  др.  
Параллельные и многопроцессорные системы

     Дополнительный  модуль параллельных вычислений Parallel Performance for ANSYS позволяет решать большие  задачи на кластерах вычислительных станций и на многопроцессорных  станциях. На данный момент доступно четыре решателя для распределенных вычислений:

• DPCG предопределенных сопряженных градиентов  
• DJCG - сопряженных градиентов Якоби  
• DDS - Distributed Domain Solver  
• AMG - алгебраический многосеточный  
На данный момент параллелизация возможна как на 32, так и на 64 разрядной технике. Используя решатель DPCG с опцией MSAVE становится возможным решить крайне большие задачи.

 

2.2Вычислительная гидродинамика. Программный комплекс ANSYS CFX®

     До  недавнего времени изучение поведения  жидкостей было ограничено экспериментальными методами, но в связи с быстрым  ростом производительности компьютерных систем стало возможным анализировать  и рассчитывать подобные процессы даже на персональных компьютерах. Вычислительная гидродинамика (Computational Fluid Dynamics) сегодня становится одной из составляющих процесса проектирования во множестве компаний, которые разрабатывают современное высокотехнологичное оборудование. Подобные расчеты позволяют получить характеристики устройства задолго до его изготовления и внедрения. Решения компании ANSYS, Inc. в данной области основаны на технологии ANSYS CFX, неоднократно доказавшей свое преимущество. Крупнейшие компании во всем мире более 20 лет успешно используют в проектировании комплекс программных продуктов CFX по вычислительной гидродинамике.

     Вычислительная  гидродинамика используется во многих отраслях промышленности, таких как, автомобильная, аэрокосмическая, энергетическая. Теплообменное оборудование, вентиляция и кондиционирование воздуха, биомедицинские приложения, нефтяная и газовая промышленность, судостроение — во всех этих отраслях применение CFD-технологий становится залогом создания конкурентоспособных изделий.

     Широчайший  диапазон проблем — от расчета  системы вентиляции высотных зданий до нанотехнологий микронного масштаба — может быть рассчитан с помощью  программного комплекса ANSYS CFX.

     Специализированные  модули для создания геометрии, расчетной  сетки, пред и постпроцессинга для  насосов, вентиляторов, турбин, компрессоров и других вращающихся машин, включенные во все элементы ANSYS CFX, делают его лидером в этой области проектирования. Модели для расчета горения, реагирующих потоков и радиационного теплообмена помогают рассчитать оборудование и проиходящие в нем процессы, способствуя уменьшению затрат и увеличению жизненного цикла изделия.