Сегодня перед инженерами теплогазоснабжения остро стоит задача увеличения энергоэффективности проектируемых ими инженерных систем, что невозможно при использовании устаревающих методик расчета с применением различных укрупненных показателей и коэффициентов.
В современных реалиях при удешевлении, и как следствие, увеличении вычислительных мощностей, появляется возможность разработки математических моделей частных объектов и процессов, что позволит увеличить точность результатов вычислений, производимых для конкретных задач, условий и ситуаций.
Ключевые слова: численное моделирование. математическое моделирование. параметрическая модель. теплогазоснабжение.
Математическое моделирование — это идеальное научное знаковое формальное моделирование, при котором описание объекта и его свойств осуществляется на языке математики, а исследование модели проводится с использованием тех или иных математических методов и программных комплексов. В настоящее время математическое моделирование это один из самых результативных, точных и наиболее часто применяемых методов научного исследования. Фактически все современные разделы физики посвящены построению и исследованию математических моделей различных физических объектов и явлений.
Благодаря высокой эффективности метода математического моделирования вполне обосновано его применение в проектировании систем теплоснабжения, газоснабжения и вентиляции.
Так в диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Повышение эффективности работы систем газового инфракрасного обогрева производственных зданий» Ермолаевым А. Н. было проведено численное исследование тепломассообмена и горения при работе высокотемпературных инфракрасных излучателей с помощью системы конечно-элементного анализа ANSYS Multiphysics, которая включает в себя модуль Fluent. Достоинством программного модуля Fluent является использование наиболее универсального типа элементов — тетраэдр (неструктурированная сеточная технология). Также, для моделирования всех необходимых геометрических элементов был использован универсальный CAD редактор ANSYS DesignModeller.
Для начала, автором были выбраны удовлетворяющие условиям исследования модели процессов доступные в системе ANSYS Multiphysics (модели турбулентности, модель горения, модель излучения). Затем, на основе эскизов и чертежей, были построены виртуальные параметрические модели трех высокотемпературных газовых инфракрасных излучателей (одна типовая модель, присутствующая на рынке, и два прототипа), а также виртуальная параметрическая модель испытательного стенда. Далее была произведена верификация параметрической модели на примере стендовых испытаний типовой модели высокотемпературного газового инфракрасного излучателя и выбор оптимальной расчетной модели турбулентности.
В результате была получена параметрическая модель высокотемпературного газового инфракрасного излучателя, которая воспроизводит реальные условия работы данной установки. Это позволило на этапе проектирования провести предэксплуатационную оценку эффективности инженерных решений, примененных в прототипах высокотемпературных газовых инфракрасных излучателей без конструирования их «в металле» и, следовательно, с меньшими капиталовложениями и трудозатратами
В научной статье Хаустова С. А., Заворина А. С., Фиспенко Р. Н. «Численное исследование процессов в жаротрубной топке с реверсивным факелом» приведены результаты численного исследования, проведенного над отечественным жаротрубным котлом Турботерм-500 (ТТ-500), который оснащен горелкой со смесительным устройством, представляющим собой аксиальный лопаточный завихритель. Данная конструкция смесительного устройства позволяет регулировать параметр крутки потока при подаче топливовоздушной смеси.
В первую очередь авторами были проведены натурные испытания котла посредством установки в газовом тракте датчиков температуры (типа термопара), в результате чего была определена температура дымовых газов на выходе из топки в стационарном режиме работы.
После этого была построена полная геометрически верная модель топки котла средствами ANSYS Workbench и ANSYS DesignModeller
Далее методом конечных элементов средствами ANSYS Fluent авторами статьи были смоделированы такие процессы и явления, происходящие в топке котла, как: горение метана в кислороде воздуха, турбулентность в реагирующей среде, конвективный и лучистый теплообмен.
Серия расчетов, которые были выполнены для того, чтобы определить влияние угла наклона выходной части лопатки горелки на температуру топочной среды, позволили смоделировать условия сжигания газа с различными параметрами крутки потока
Достоверность данной математической модели верифицирована натурными испытаниями, проведенными ранее, так как результаты расчетов модели в стационарном режиме работы и результаты натурных испытаний не противоречат друг другу
По результатам численного моделирования удалось получить графическое изображение линий тока продуктов горения с отображением скорости движения среды, а также контурный график температур в продольном сечении расчетной области. Это позволило определить основные особенности, которые влияют на формирование топочной среды
Данное исследование продемонстрировало применение пакета прикладных программ ANSYS для численного моделирования различных процессов, происходящих в жаротрубных котлах, с целью их модернизации и улучшения энергоэффективности.
На примере вышеназванных работ становится понятно, что использование методов математического моделирования и создание параметрических моделей существенно оптимизирует процесс разработки новых технических и инженерных решений в системах теплогазоснабжения. Позволяет создавать действующие модели прототипов до их воплощения «в металле», а также находить более эффективные инженерные решения для модернизации уже существующего оборудования.
Литература:
- Ермолаев, А. Н. Повышение эффективности работы систем газового инфракрасного обогрева производственных зданий: специальность 05.23.03 «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Ермолаев Антон Николаевич; Пензенский государственный университет архитектуры и строительства. — Пенза, 2018. — 191 c. — Текст: непосредственный.
- Хаустов, С. А. Численное исследование процессов в жаротрубной топке с реверсивным факелом / С. А. Хаустов, А. С. Заворина, Р. Н. Фиспенко. — Текст: непосредственный // Известия Томского политехнического университета. — 2013. — № Т.322.-№ 4. — С. 43–47.
