Reklama
 
 
 
Numeryczna mechanika płynów (CFD) Zastosowanie numerycznych symulacji przepływu płynów do optymalizacji wymienników ciepła
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 05.10.2017

Dzięki wykorzystaniu metody CFD, już podczas opracowywania nowego produktu można przeprowadzić dokładniejsze badania przepływu powietrza w urządzeniu oraz na wlocie do niego. Wiedza uzyskana z numerycznych symulacji przepływów jest ponadto bardzo pomocna w zakresie udoskonalania istniejących produktów albo szczegółowego analizowania konkretnych przypadków zastosowań. 

 

Rosnącą ilość publikacji na temat numerycznej mechaniki płynów (CFD) w zakresie chłodzonych powietrzem lamelowych wymienników ciepła z powodzeniem można uznać za oznakę, że CFD stanie się niebawem niezastąpionym narzędziem w zakresie opracowywania nowych urządzeń. Obecnie przeważająca część prac pochodzi jeszcze ze środowisk uniwersyteckich – są to najczęściej kilkumiesięczne, a nawet kilkuletnie projekty, które rozpatrują szczegółowo konkretny przypadek zastosowania, aby kompleksowo odpowiedzieć na podstawowe zagadnienia (patrz bibliografi a).

 

Jednak dynamiczny rozwój produkcji chipów umożliwia teraz także efektywne wykorzystanie CFD, przy niewielkich nakładach, do mniej skomplikowanych zadań. Nawet za pomocą zwykłego komputera biurkowego możliwe są do wykonania w akceptowalnym czasie numeryczne symulacje przepływu płynów o całkiem wysokiej jakości. Jeśli już jednak konieczne jest opracowanie większych projektów, przy wyższym zapotrzebowaniu mocy obliczeniowych, tak zwany cloud-computing stwarza możliwość efektywnego kosztowo najmu potrzebnych zasobów w Internecie.

 

W firmie Güntner numeryczne symulacje przepływu płynów z powodzeniem stosuje się już od kilku lat do rozwiązywania najróżniejszych zadań. Poniższy artykuł stanowi krótką prezentację metody i pokazuje na podstawie kilku przykładów, jak dalece pozwala ona uzyskać wgląd w kwestie problematyczne i ich zrozumienie, ponieważ informacje te jest bardzo trudno – jeśli w ogóle – zdobyć za pomocą standardowych metod pomiarowych.

 

 

Czym właściwie jest CFD?

 

Numeryczna mechanika przepływów opisuje ruchy płynów za pomocą komputerów. Mechanika płynów opiera się w głównej mierze na równaniach Naviera-Stokesa i ich modyfi kacjach. Na ogół za pomocą tych cząstkowych równań różniczkowych można rozwiązać w sposób analityczny tylko bardzo nieliczne specjalne zadania. Oznacza to, że w zakresie rzeczywistych problemów, z którymi najczęściej spotykamy się na co dzień, należy zazwyczaj stosować metody iteracyjne. Te zaś, zgodnie ze swoją naturą, mogą jednak dostarczać „tylko” rozwiązań przybliżonych. Powstające przy tym odchylenia, które należy rozumieć jako odniesione do rozwiązania analitycznie ścisłego, są na ogół ciągle jeszcze o całe rzędy wielkości mniejsze niż to, co zwykle by przyjęto jako odchylenie. Metody iteracyjne związane są najczęściej z ogromnym nakładem obliczeniowym, dlatego w ich przypadku zwykle wykorzystuje się komputery.

 

 

Podstawowy sposób wykonywania obliczeń

 

W pierwszej kolejności dla danego zagadnienia sporządza się odpowiedni (najczęściej trójwymiarowy) rysunek za pomocą jednego z programów CAD. Na rysunku 1. pokazano przykładowo chłodnicę w komorze chłodniczej. Cały istotny obszar – składający się w tym przypadku z komory chłodniczej, wymiennika ciepła, obudowy i wentylatora – zostaje podzielony na wiele pojedynczych małych komórek (rysunek 1b.). Za pomocą tej czynności, nazywanej „usieciowieniem”, ustala się, w których punktach program obliczeniowy ma obliczyć poszczególne zmienne symulacji (ciśnienie, prędkość, temperatura itd.). W ten sposób usieciowienie w zasadniczej mierze pozwala na uzyskanie dokładnych wyników symulacji, ale musi być odpowiednio dostosowane do rozpatrywanego problemu. Jest to zadanie, które nadal nie jest całkowicie zautomatyzowane, a zatem wymaga od użytkownika pewnego doświadczenia i podstawowej wiedzy w zakresie numerycznej mechaniki przepływów.

 

 

2017 7 70 1

Rys. 1. a) Sporządzony za pomocą programu CAD rysunek dotyczący danego zagadnienia (przepływ powietrza przez chłodnicę w komorze chłodniczej); b) Przekrój przez usieciowany obszar obliczeń w celu wizualizacji poszczególnych komórek; c) Przykładowa analiza obliczonych iteracyjnie wyników. Linie przepływu sugerują drogę wyimaginowanych cząstek

 

 

Bezpośrednio po usieciowieniu następuje ustalenie dalszych parametrów ważnych dla symulacji, jak na przykład defi niowanie powierzchni granicznych, wybór przybliżeń i modelu turbulencji, ale także i charakterystyczne dla substancji właściwości płynu.

 

Wymienione powyżej punkty na ogół podsumowuje się określeniem „preprocessing“, czyli rodzajem pracy wstępnej (patrz rys. 2.). W Güntner używa się do tego celu fi rmowej stacji roboczej CFD. Właściwa symulacja, tzn. iteracyjne rozwiązanie układów równań, jest wykonywana za pomocą „cloud-computing“ za pośrednictwem serwerów internetowych. Dzięki temu niezwykle elastycznemu rozwiązaniu dysponujemy praktycznie nieograniczonymi mocami komputerowymi i pojemnościami pamięci, redukując do minimum bieżące koszty. Po zakończeniu symulacji, wyniki są z powrotem transferowane na serwery firmowe i tam odpowiednio analizowane (tzw. postprocessing, rys. 2. u dołu). Na rys. 1c. pokazano przykładowo wynik takiej analizy, w której przepływ jest zwizualizowany za pomocą linii przepływu.

 

 

2017 7 71 1

Rys. 2. Podstawowy sposób wykonywania obliczeń

 

 

Walidacja wyników symulacji odbywa się w miarę możliwości na bazie istniejących danych pomiarowych. Ponadto w celu zapewnienia jakości, dokładności wyników wykorzystuje się zbieżność określonych parametrów (najczęściej ciśnienia albo temperatury), niezależność wyników od stopnia dyskretyzacji i residua poszczególnych kroków iteracji.

 

 

Możliwości zastosowania CFD

 

(...)

 

 

Podsumowanie

 

W środowisku naukowym numeryczna mechanika płynów (CFD) znana jest także od dawna w dziedzinie lamelowych wymienników ciepła chłodnic i nagrzewnic powietrza. Ponadto dzięki zastosowaniu coraz bardziej wydajniejszych komputerów wykonywanie własnych analiz CFD jest opłacalne nawet dla małych i średnich firm tej branży. W przypadku realizacji większych projektów nasuwa się możliwość stosunkowo korzystnego finansowo najęcia serwerów w Internecie.

 

W niniejszym artykule przedstawiono w skrócie zakres obszarów, w których już dziś z powodzeniem zastosowano to narzędzie w fi rmie Güntner. Dzięki wykorzystaniu metody CFD już podczas opracowywania nowego produktu można przeprowadzić dokładniejsze badania przepływu powietrza w urządzeniu oraz na wlocie do niego. Wiedza uzyskana z numerycznych symulacji przepływów jest ponadto bardzo pomocna w zakresie udoskonalania istniejących produktów albo szczegółowego analizowania konkretnych przypadków zastosowań. Symulacje CFD dostarczają również wiele ważnych wyników, jeżeli chodzi o zagadnienia podstawowe. Umożliwiają one na przykład rutynowe obliczanie strat ciśnienia i przejść ciepła w lamelowych wymiennikach ciepła z dostateczną dokładnością i uwidacznianie silnych turbulencji, a także przepływów wstecznych.

 

Celem firmy Güntner oczywiście nie jest i nie będzie opracowywanie nowych przybliżeń czy modeli turbulencji w zakresie numerycznej symulacji przepływów w wymiennikach ciepła i chłodnicach. Dużo ważniejsze jest to, aby stosować już posiadane narzędzia tam, gdzie ma to sens, bo na przykład pomiary mogą okazać się zbyt kosztowne lub czasochłonne. Ponadto uzyskane dane pomiarowe stanowią bazę, na podstawie której należy najpierw walidować symulację, zanim będzie można wykonać dalsze obliczenia dotyczące właściwego zagadnienia.

 

 

 

Dr. Andreas ZÜRNER
– Dział Badań i Rozwoju,
Güntner GmbH & Co. KG

 

 

 

LITERATURA:

[1] HWANG S.W.: CFD analysis of fin tube heat exchanger with a pair of delta winglet vortex generators, Journal of Mechanical Science and Technology 26 (9) 2949~2958.

[2] SINGH, V.: development of an advanced heat exchanger model for steady state and frosting conditions, Dissertation, University of Maryland, 2009.

[3] SUGA K.: Numerical study on heat transfer and pressure drop in multilouvered fi ns, Journal of Enhanced Heat Transfer 2 (3) 231~238.

[4] SINGH V.: Simulation of air-to-refrigerant fi n-and-tube heat exchanger with CFD-based air propagation, International Journal of Refrigeration 34 (8) 1883~1897.

[5] SUN L.: Evaluation of elliptical fi nned-tube heat exchanger performance using CFD and response surface methodology, International Journal of Thermal Sciences 75 45~53.

[6] PERROTIN T.: Thermal-hydraulic CFD study in louvered fi n-and-fl at-tube heat exchangers, International Journal of Refrigeration 27 (4) 422~432.

 

 

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

  • Pompy ciepła 2010

Reklama

 

 

  02 ss2  omii   kig 134x45 left  

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.