Modelování stolku Mahle 94400 se středovým topením

Připravit model výhřevu rotujících vřeten na rotačním stolku Mahle 94400 se středovým topením, analyzovat teploty v převodech stolku a srovnat s měřením.

HVM_Plasma_logo_upr.png

Zadání projektu

Zadání: Připravit model výhřevu rotujících vřeten na rotačním stolku Mahle 94400 se středovým topením, analyzovat teploty v převodech stolku a srovnat s měřením.

Společnost: HVM PLASMA, spol. s r.o., Na Hutmance 2, Praha 5

Autor reference: Pavel Mareš, email: pavel.mares@hvm.cz

Nárvh řešení

Připravili jsme tři úlohy pro dva typy geometrie. Úlohu 1) tvořil stolek nahrazený plackou o šířce 5 mm umístěný v reálném modelu komory s rotujícími vřeteny a s rotujícím kvádrovým topením.

Rotující topení simuluje první rotaci stolku vůči statickému topení. Pro úlohu 2) byla připravena geometrie nerotujícího stolku s komplikovanou vnitřní strukturou. Zde byla počáteční podmínkou teplota žhavé desky topení nad povrchem stolku a zkoumal se prostup tepla (převážně radiací) do vnitřku stolku.

Ve finále jsme obě úlohy spojili v jednu v úloze 3) a s využitím symetrie nahradily rotující topení nerotujícím válcem a mohli tak počítat pouze se čtvrtinovou geometrií.

Výpočty metodou „Discrete Ordinates“

Pro řešení všech tří úloh byl použit software ANSYS Fluent a metoda „Discrete Ordinates“, v případě úlohy 2) jsme ještě pro srovnání udělali výpočet v ANSYS Mechanical.

V případě ANSYS Fluent výpočtů byla vždy v ANSYS Fluent Meshingu připravena polyedrická síť, pro výpočet v ANSYS Mechanical tetraedrická síť. Okrajové podmínky byly zvoleny takto: Teplota topení 500 °C (odchylka od experimentu, kde teplota topení je na počátku 22 °C), teplota stěn reaktoru 22 °C.

Dále stojí za zmínku následující nastavení: Emisivita všech povrchů 0,7. V komoře je argon definovaný jako ideální plyn dle kinetické teorie plynů s tepelnou vodivostí 103× nižší (dáno nízkým tlakem).

Výsledky

Úloha 1) řešící srovnání experimentálního měření s modelem vykazuje relativně dobrou shodu, jak ukazuje obrázek 1.

V experimentu je třeba navíc počítat s časem na výhřev samotného topení na požadovanou teplotu 500 °C, což trvá zhruba 15 minut, během kterých se měřené vřeteno vyhřálo na téměř 100 °C.

Další výhřev je ale ve velice dobré shodě pro všech 5 výpočetních sond na vřetenu. Kmitání v modelové úloze je způsobeno zavedením „Solid time stepu“, které v principu zrychluje výpočet, ale působí zpomalení rotace.

Výsledky z úlohy 2), kdy se řešil průnik tepla do stolku od vyhřáté desky topení a porovnání výsledků z ANSYS Mechanical a ANSYS Fluent, jsou vykresleny na obrázku 2. Můžeme vidět, že horní stínění, které je přímo naproti topení, se po hodině ustaluje na 430 °C s pouze pozvolným nárůstem teploty a oba řešiče jsou ve výborné shodě. Horní stínění spolu s hlavním stíněním (neuvedeno v grafu) chrání rotor, který je pod ním.

Teplota se zde ustaluje až po šesti hodinách na 240 °C a oba řešiče jsou stále v dobrém souladu. Stator, umístěný ještě pod rotorem, se opět ustaluje až po šesti hodinách na 180 °C a soulad mezi řešiči už činí ~20 °C. Podobně je na tom i hřídel. Celkově se dá říct, že soulad mezi oběma řešiči je velmi dobrý.

V případě přestupů tepla a radiaci ve složité struktuře stolku se hodnoty začínají více a více lišit. Výhřev stolku trvá osm hodin (nevyplývá z obr. 2), aby došlo k úplné stabilizaci teplot na jednotlivých částech stolku.

 Výsledky výpočtů

Obr1_HVM.png

Srovnání experimentálního měření s modelem, kde byla snímána teplota na rotujícím vřetenu v pěti bodech.

Obr2_HVM.png

Srovnání výpočtu výhřevu stolku z ANSYS Mechanical a ANSYS Fluent.

Obr3_HVM_a.pngObr3_HVM_b.png

Teplota (v K) na rotujících vřetenech a na různých částech stolku v čase 15 minut a 60 minut při výhřevu od středového topení.

Obr4_HVM.png

Srovnání výsledků z úlohy 2) a 3).

Využívaný software

ANSYS Mechanical Pro

ANSYS Mechanical Pro

ANSYS Mechanical Pro je konfigurace vhodná pro nejčastěji požadované typy strukturálních analýz MKP (FEA). Umožňuje…

ANSYS Fluent

ANSYS Fluent

Program ANSYS Fluent je nástroj pro 2D/3D počítačovou simulaci proudění (CFD). Jeho charakteristickým rysem je jeho…

ANSYS Meshing

ANSYS Meshing

ANSYS Meshing je program vhodný pro vytváření hybridních výpočetních sítí pro 2D a 3D geometrie. Pro CFD simulace jsou…

ANSYS SpaceClaim DM

ANSYS SpaceClaim DM

ANSYS SpaceClaim Direct Modeler (ANSYS SCDM) je program vhodný pro tvorbu,import a úpravu 2D a 3D geometrií. Program…

ANSYS Fluent Meshing

ANSYS Fluent Meshing

ANSYS Fluent Meshing je program, který slouží k přípravě povrchových a následné generaci objemových výpočetních sítí.

Jak hodnotí řešení náš klient

Rychlost a efektivita práce s ANSYS Fluent a ANSYS Fluent Meshing je velmi dobrá. I výpočty probíhají výrazně rychleji než s použitím ANSYS Mechanical. Použití rotace vřeten přibližuje úlohy realitě, byť by stálo za to udělat jemnější síť, protože systém má tendenci občas divergovat a my podezříváme právě rotace sítě. Přesto jsme schopni počítat i takto složité systémy rychle a tak, aby odpovídaly realitě.

Pavel Mareš

Další případové studie

Simulace experimentů modelujících roztavenou aktivní zónu ve dně tlakové nádoby jaderného reaktoru

Zadržení roztavené aktivní zóny ve dně nádoby tlakovodního jaderného reaktoru (IVR, In-Vessel Retention) je jedna z…

Proudění vzduchu v brzdovém posilovači

Na základě známých vlastností sériových posilovačů byly vybrány dva reprezentativní vzorky s různým vnitřním…

Simulace míšení chladiva během události vedoucí k tlakově teplotnímu šoku pomocí CFD programu Ansys Fluent

Vyhodnocování tlakově teplotních šoků je důležitá úloha pro jadernou bezpečnost.