Vegyipari berendezések áramlástechnikai vizsgálata, CFD szimulációs példák kidolgozása


in english

Keverésről
Numerikus Áramlástani Módszerek
Alkalmazás leírása
Példák elérése

Keverésről


Bevezetés

A kevert berendezések az iparban a leggyakrabban alkalmazott műveleti egységek. Többféleképpen osztályozhatók, leginkább a működés szerint (szakaszos, félfolyamatos, folyamatos), vagy az alkalmazott keverőelem alapján (turbinakeverő, jet keverő, lapátkeverő stb.). Egy berendezés kevertetése mindig fontos tervezési szempont, ugyanis a lejátszódó folyamatok (legyen az a reagáltatás, hő- vagy komponensátadás) megfelelő sebességgel való végrehajtásához, elengedhetetlen a megfelelő fázisérintkeztetés kialakítása, illetve a fázisok homogenizálása. A keveredési viszonyok modellezésével meghatározhatók azok az üzemeltetési tartományok, amelyekben a rendszer a kívánt hatásfokkal üzemeltethető. A lejátszódó folyamatok analízisével lehetővé válik a különböző termékek mennyiségének optimalizálása is az üzemeltetési feltételek változtatásával.
Mivel ezek a berendezések legtöbbször egy működő technológia részei, ezért kísérleti információk nehezen szerezhetők be, valamint egy modell felépítéséhez szükséges adatok összegyűjtése hosszú időbe telik. Megoldást jelenthetnek a félüzemi kísérletek, de ezekben az esetekben a méretnövelés jelenthet problémát, ugyanis ez jelentősen befolyásolhatja a berendezésben kialakuló áramlási képet. A méretnövelés már egy külön tudományággá nőtte ki magát. Kezdetben a dimenziómentes számok rendszerén keresztül bonyolult módon történtek a számítások, ma azonban széles körben alkalmazható tervezőprogramok állnak rendelkezésre ezen a tudományterületen is.
E honlap célja a keverés, mint művelet, valamint keverést leíró alapvető modellek bemutatása, leírása, majd szimulációs példák kidolgozása különböző módszerek szerint.

A keverés művelete

A keverés során két vagy több egymástól eltérő tulajdonságú anyagot kényszerített áramlással egyesítünk a kívánt keverési arány eléréséig. Így elősegíthető: A kevert anyag tulajdonságai szerint beszélhetünk önként keveredő anyagokról, amelyek legtöbbször gázok, vagy kis viszkozitású folyadékok; kevertségi állapotukat megőrző anyagokról, amelyek nagy viszkozitású vagy szilárd anyagok; valamint szétváló anyagokról, amelyek szuszpenziók, emulziók, vagy gáz-folyadék rendszerek. A keverés hajtóereje lehet mechanikai munkavégzés, vagy sebességkülönbség. A keverés célja az alkalmazott közegektől függ. A berendezéseket tekintve az iparban alkalmaznak mechanikus keverőket, amelyeknél egy tengelyre (keverőszár) szerelt forgó mozgású elem (keverőelem) végzi a keverést. Emellett alkalmaznak pneumatikus keverőket is, ahol a befúvatott gázáram idézi elő a keverést. Elterjedtek ezen kívül a statikus keverők melyeknél a keverést elősegítendő a csőáramlást is felhasználják. Az ábrán egy mechanikus keverő keverőeleme (Ruston turbina), valamint egy statikus keverőkialakítás (Sulzer keverő) látható.

Ruston turbina (mechanikus), Sulzer keverő (statikus)

A keverés mérőszámai

A fontosabb mennyiségek, amelyekkel a keverés jellemezhető és ezáltal a rendszer kevertsége számítható:

Keverési modellek

Alapvetően lamináris modellt használnak, azonban erről tudni kell, hogy alacsony Re szám tartományban (4000 alatt) és örvénymentes áramlásnál használható. Emellett változatos fejlődésen mentek keresztül a turbulencia modellek, amelyekből egy kis ízelítőt ad a következő táblázat.

Turbulencia modellLeírásElőnyök és hátrányok
Standard k-EKét változós turbulencia modell A legszélesebb körben használt modell, robosztus, és hosszú évek óta szolgálja a mérnöki közösséget. Főbb előnyei, a gyors, és stabil számítás, értékelhető eredmények a legtöbb esetben, főként magas Re-számoknál. Erős szeparációnál és örvényes áramlásnál nem ajánlott.
RNG k-EReynolds átlagolt Módosított verzió, szeparációnál és örvényes áramlásnál jó. Jet ejektorokhoz nem megfelelő, és nem olyan stabil, mint a standard.
Realizálható k-EMódosított k-EMár jet ejektorokhoz is alkalmas.
RSMReynolds feszültségi modell Egyesíti az eddigiek előnyeit, minden számításra alkalmazható. Direkt módszerrel oldja meg a stressz modellt, így jóval nagyobb a számítási idő, mind az előzőeknél.
LESNagy Eddy szimuláció Kitűnő eredményt ad minden egyes áramlási rendszerre. Dinamikus viselkedésű, ezért számítási igénye ennek a legnagyobb az eddigiek közül.

Keverők felhasználása



Numerikus Áramlástani módszerek


A CFD betűkombináció egy mozaikszót takar, mely a Computational Fluid Dynamics angol terminológia rövidítése, magyar megfelelője "Numerikus Áramlástan". Az áramlástani problémákat többnyire csak bonyolult matematikai formában lehet leírni, melyeket leginkább numerikus módszerek segítségével lehet a leghatékonyabban megoldani, tipikusan számítógépek használatával. Egy modern tudományág, a CFD, vagyis az " Numerikus Áramlástan" hivatott erre a megközelítésre, vagyis hogy numerikus módszereket és algoritmusokat használva megoldja és elemezze az áramlástannal kapcsolatos problémákat. Számítógépeket használnak, hogy elvégezzék a szükséges számítások millióit a bonyolult geometriákon egymásra ható folyadékok és gázok szimulálásához a műszaki területeken. A CFD folyamatosan fejlődő tudományág, mely évről évre pontosabb megoldásait produkálja ugyanannak a problémának. Manapság a számítógépek kapacitásnövekedésének és a folyamatos szoftverfejlesztésnek köszönhetően az áramlástani problémák nagy többsége megoldható relatív nagy pontossággal [1].

Bonyolultabb ipari áramlástani problémák egy bizonyos körének megoldására két fő módszert szokásos használni: laboratóriumi áramlástani mérést, illetve a CFD-vel (numerikus áramlástani szimulációval) történő szimulációt. Ezek a legelterjedtebb eszközök, de természetesen számos egyéb, feladat specifikus eszköz áll rendelkezésre az áramlástani problémák megoldására, mint például egyéb kísérleti berendezések, sebességmérők, nyomásmérők, illetve nagyszámú nem CFD szoftver. Mégis, az ipari problémák nagy részét a fent említett két módszer segítségével igyekeznek kezelni. Amikor még nem a szuperszámítógépek korát éltük, hatékony szimulációs programok hiányában, laboratóriumi mérésekkel próbáltak a felmerülő áramlástani problémákra választ adni. Többféle kísérleti berendezés képzelhető el, azonban a szélcsatorna az egyik leghatékonyabb és legáltalánosabb felhasználású áramlástani modellezésre szolgáló kísérleti berendezés. A vizsgálandó berendezés lekicsinyített modelljét készítik el, majd számos meghatározott ponton elhelyezett érzékelővel mérik a kívánt mennyiségeket. A szélcsatornákat nagyon széles körben alkalmazták régen, de egy új korszak beköszöntével sokan a numerikus szimulációra tértek át. Ugyanakkor még mindig akadnak olyanok, akik elsősorban a laboratóriumi mérésekben bíznak, és tartanak a numerikus szimulációtól. Az egyre szélesebb körben rendelkezésre álló validációs eredmények azonban egyre több kétkedőt győznek meg.

A numerikus szimuláció elsődleges előnye a hagyományos áramlástani mérésekkel szemben a gyorsaság. Míg a szélcsatornás mérésnél meg kell építeni egy valóságos geometriát, addig a CFD-hez csak egy 3D-s ábrát kell rajzolni, majd azt behálózni. Egy nagy szélcsatornás méréshez felhasznált modell megépítése számos ember munkáját veheti igénybe, majd a mérésekben is általában többen segédkeznek. A CFD szimulációt általában egy felhasználó végzi, így emberigénye is kisebb. A szélcsatornás mérésekkel igaz, hogy mi határozhatjuk meg, hogy hol helyezzük el az érzékelőket, de csak korlátozott számú, előre definiált pont jellemzőiről lesz információnk. A CFD számítások befejeztével az eredmények megjelenítése, kiértékelése jóval egyszerűbb, bármely pontban, tetszőlegesen elhelyezkedő síkban megtekinthetők az eredmények. Másrészt számos berendezésnél nem kivitelezhető egy hagyományos áramlástani kísérleti mérés. Ilyen lehet például egy erőmű kazánjának égéstere, amely egy zárt, forró, ezáltal megközelíthetetlen szerkezet, amely CFD szimulációval tökéletesen modellezhető.
A numerikus szimuláció elterjedésével számos kapu nyílt meg addig ismeretlen rendszerek pontos működésének megértéséhez. Sokszor nagyon kis szerkezeteken, kis helyeken kellene mérést végeznünk, amely szintén nehezen vagy egyáltalán nem kivitelezhető, ugyanakkor a numerikus szimuláció kivitelezhetősége nem függ a méretektől, ezért méretnövelési problémákban is használható. Az alábbi ábra a CFD egy felhasználási módját mutatja.

1. ábra Propellerkeverőt tartalmazó reaktor CFD leképezése három dimenzióban Propellerkeverőt tartalmazó reaktor CFD leképezése három dimenzióban
Propellerkeverőt tartalmazó reaktor CFD leképezése három dimenzióban Propellerkeverőt tartalmazó reaktor CFD leképezése három dimenzióban
1. ábra Propellerkeverőt tartalmazó reaktor CFD leképezése három dimenzióban


A COMSOL Multiphysics programcsomag


A program parciális differenciálegyenletekkel leírható tudományos és mérnöki problémák, modellezésére, illetve megoldására alkalmas eszköz. A szoftver alkalmas különböző típusú fizikai folyamatok egyidejű leírására, míg a beépített fizikai folyamatokat leíró modellek felhasználásával csak a lényeges fizikai mennyiségek (anyagi tulajdonságok, korlátok, források, áramok) megadására van szükség az összetett problémák megoldásához. A program a szükséges parciális differenciálegyenleteket a probléma leírására alkalmas egyenletrendszerbe szervezi. A programban két módon képezhetjük le a vizsgálat tárgyát:
A programban megtalálható, különböző tudományterületek törvényein alapuló parciális differenciálegyenletek a tudományos és mérnöki életben előforduló jelenségek széles spektrumának modellezését és ezen keresztül szimulációs vizsgálatát teszik lehetővé. A teljesség igénye nélkül néhány példa a COMSOL Multiphysics lehetséges alkalmazására:
A programban lehetőség van egy adott tulajdonságot, állapotváltozót különböző geometriákban leíró parciális differenciálegyenletek összekapcsolására és ezen egyenletrendszer megoldására. Az objektum viselkedését leíró parciális differenciálegyenlet rendszer megoldási időtartamának csökkentése végett lehetőség van az összetett geometria részekre bontására, majd az így előálló egyszerűbb struktúrák különböző felbontású hálókkal való felosztására. Az alapprogramban található nagyszámú modell hat modulban lett összegyűjtve, hogy megkönnyítse a vizsgált rendszer modellalkotásának menetét. Ezen modulok az alábbiak:
illetve ezeken kívül van egy ún. CAD import modul (CAD Import Module), ahol számos különböző CAD programban készített struktúra importálása végezhető el. A 2. ábra a problémamegoldás menetét mutatja COMSOL Multiphysics programban. A dimenzió kiválasztása után, ki kell választanunk a megfelelő modellegyenleteket, amely egyenleteket a megoldani kívánt probléma, valamint a probléma bonyolultsága definiálja. Ezután következik a geometria kialakítása, megrajzolása vagy meglévő geometria esetén importálása. Majd a modellegyenletekben szereplő paraméterek, kezdeti felételek megadása. Ezután peremekfeltéteteleket kell rögzíteni, például betáplálás, elvétel, fal stb. Majd a megoldáshoz szükséges finomságú háló kialakítása következik, amelynek segítségével megoldjuk a problémát. Végül a különböző értékelő módszerek segítségével értékelhetjük az eredményeinket.

2. ábra Problémamegoldás COMSOL Multiphysicsben
2. ábra - Problémamegoldás COMSOL Multiphysicsben


  1. Marden Marshall, E. et al., Computational Fluid Mixing, Fluent Inc., 2003.

Az alkalmazás leírása


Mechanikus keverők tanulmányozásakor, akkor egy választófelületre jutunk, ahol meg kell adni az egyértelmű megfeleltetéshez szükséges paramétereket.
  1. Az első lépés a keverőelem kiválasztása, ahol egy lehetőség kiválasztása lehetséges.
  2. Meg kell határoznunk az általunk vizsgálni kívánt tartályfomát. A választható geometriák az iparban leginkább használt alakú tartályokra vonatkoznak. Több tartályforma is választható a lehetséges változatok összehasonlítása céljából.
  3. A fordulatszám megadása az űrlap utolsó lépése, ahol szintén több lehetőség közül választhatunk.

Az űrlap kitöltése után egy választóképernyőre jutunk, ami az általunk megtekinteni kívánt lehetőségeket tartalmazza. Az egyes képek a geometriát, valamint a keverőelemek által gerjesztett áramvonalakat mutatják ebben az esetben. A képekre kattintva az alkalmazás következő fázisához érünk, ahol a keverőelemekről készített videók tekinthetők meg. A mechanikus keverőelemekről dinamikus szimuláció tekinthető meg több fordulatszámnál.


Vissza az elejére.
Kezdőlap
Témakörök
Alkalmazások
Publikációk
Alprojektek
Kapcsolat