Расчет каталитического теплогенератора методом конечных элементов в системе ANSYS CFX

Под конвекцией понимается передача тепла, которая происходит между поверхностью объекта и окружающей его средой, когда они имеют различные температуры. Рассматриваются два вида конвекции: свободная и вынужденная. Свободная (или естественная) конвекция происходит при движении среды вследствие разности плотностей нагретых и холодных слоев среды в поле тяжести. Примером является теплопередача от горячего тротуара к атмосферному воздуху в спокойный, безветренный день. Вынужденная конвекция обусловлена движением среды, которое вызвано некоторыми внешними причинами, такими как действие вентилятора, насоса или атмосферных ветров. Задача о моделировании горения в каталитическом теплогенераторе решалась методом конечных элементов в пакете ANSYS FLOTRAN и ANSYS CFX. Постановка была достаточно простой: мы рассматривали конвекционное движение потоков внутри теплогенератора, которое вызывалось разностью температур между топливом и средой, а также разностью давлений на входе и выходе из теплогенератора. Первоначально строилась упрощенная модель генератора, исключая детали конструкции, которые не влияют на течение воздуха и процесс конвекции. Затем конструкция разбивалась на детали и каждая строилась отдельно. Всего нам понадобилось 6 деталей: 2 входных отверстия, 1 выходное отверстие, пластинка нагрева (колосниковая решетка), заслонки и сам корпус. Построение каждой детали начиналось с плоского чертежа, который впоследствии с помощью операций вытяжки и вырезки приобретал необходимый вид. Создание трехмерной геометрической компьютерной модели проводилось в системе автоматизированного проектирования SolidWorks, которая потом была передана для расчета в пакет ANSYS. Следующим этапом являлось построение вычислительной сетки на объеме. Для этого использовались тетраэдрические элементы. В тех областях, в которых течение было наиболее интересным, вычислительная сетка была локально уплотнена. Затем модель с сеткой импортировалась в ANSYS CFX для проведения расчета методом конечных элементов. Перейдем к описанию постановки задачи. Сначала происходит задание имен областей, на которых будут задаваться граничные условия. Граничные условия прикладывались к трем областям: входные отверстия, выходное отверстие и стенка нагрева. На остальных поверхностях по умолчанию устанавливаются условия прилипания. Затем задавались параметры первоначального состояния воздуха во всей области печи: температура 25 С, относительное давление – 1 атмосфера. Далее задавались гравитационные силы в параметре Buoyancy: ускорения по осям X и Z нулевые, по оси Y -9.81 м/с2. Также вводилась средняя температура, которая вычислялась как среднее арифметическое температуры поверхности нагрева, входящего воздуха и начального состояния воздуха. Далее ставились граничные условия для температуры. Подача воздуха в печь задавалась давлением, также указывалась температура поступаемого в генератор воздуха: температура - 300К, давление - 4 Па. На выходе ставилось нулевое давление для обеспечения течения воздуха от входу к выходу. На поверхности нагрева задавалась температура 1273К. Последним этапом подготовки к расчету являлось задание количества итераций, выбиралось 100 шагов. После проведения расчета был выполнен анализ результатов. Результаты расчета методом конечных элементов в системе ANSYS CFX показали правомерность применения данного метода к решению таких задач. было показано, что генератор прогревается практически равномерно. Расчеты подтвердили оптимальность конструкции, множество завихрений в области заслонки приводят к торможению потока и дополнительному догоранию вредных продуктов. Газы задерживаются в области заслонки, а катализатор улучшает догорание топлива, что ведет к увеличению КПД печи и повышению качества выхлопа остатков горению в атмосферу.