Разработка технически обоснованных тепловых потерь зданий в ANSYS

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 09 Июля 2013 в 10:13, доклад

Описание работы

Энергоресурсосбережение является одной из самых серьезных за-
дач XXI века.
Требуемые для развития энергоресурсы можно получить не только за
счет увеличения добычи сырья в труднодоступных районах и строительства
новых энергообъектов, но уменьшением затрат за счёт энергосбережения.
Одним из актуальных направлений энергосбережения является
разработка норм теплопотребления зданием. В настоящее время разра-
ботанные нормы [1] не учитывают размещение здания (ландшафтные
особенности, присутствие соседних зданий и т.д.), особенности клима-
та (реальную температуру окружающего воздуха, направление ветра,
влияние солнечного излучения и т.д.), особенности изменения темпе-
ратуры в течение суток.

Скачать архив (1.59 Мб) Сколько стоит заказать работу?

Файлы: 1 файл

ANSYS моделирование тепловых нагрузок.PDF

— 1.80 Мб (Скачать файл)

Page 1

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
3
М.А. Сергеев, студ.; В.А. Горбунов, к.т.н. доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИ ОБОСНОВАННЫХ ТЕПЛОВЫХ
ПОТЕРЬ ЗДАНИЯ В ANSYS
Энергоресурсосбережение является одной из самых серьезных за-
дач XXI века.
Требуемые для развития энергоресурсы можно получить не только за
счет увеличения добычи сырья в труднодоступных районах и строительства
новых энергообъектов, но уменьшением затрат за счёт энергосбережения.
Одним из актуальных направлений энергосбережения является
разработка норм теплопотребления зданием. В настоящее время разра-
ботанные нормы [1] не учитывают размещение здания (ландшафтные
особенности, присутствие соседних зданий и т.д.), особенности клима-
та (реальную температуру окружающего воздуха, направление ветра,
влияние солнечного излучения и т.д.), особенности изменения темпе-
ратуры в течение суток.
Целью исследования тепловых потерь здания в пакете ANSYS яв-
ляется получение технически обоснованных норм на тепловые потери
через ограждающие конструкции.
Необходимо сделать математическую модель ограждающих кон-
струкций здания.
Верифицировать модель по результатам моделирования на реаль-
ном объекте (общежитие ШГПУ).
Провести исследование тепловых потерь здания с учетом реальных
условий или с учетом особенности климата в отопительный период.
Эта методика позволит получать технически обоснованные нормы
тепловых потерь для любого здания.
Использование результатов математического моделирования даст
возможность для каждого энергетического паспорта здания получить
технически обоснованные нормы расхода тепловой энергии на отоп-
ление.
Математическую модель можно будет использовать для разработки
энергоэффективных мероприятий по энергосбережению.
Библиографический список
1. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий.

Page 2

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4
О.А. Карпова, студ.; В.А. Горбунов, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ КУЗНЕЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА В
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS
Нагревательные печи имеют широкое применение во всём мире в
машиностроительной, в металлообрабатывающей и других отраслях
промышленности. Процессы, протекающие в нагревательных печах,
весьма энергоёмки, поэтому в настоящее время актуальными вопроса-
ми являются проведение активной политики энергосбережения и по-
вышение эффективности работы печей. Для осуществления этого
необходимо использование ЭВМ и новейших способов математиче-
ского моделирования, потому как именно они позволяют выполнить
расчёты с высокой степенью точности и за достаточно короткое время,
при этом можно учесть большое количество определяющих факторов
и свести к минимуму допущения, т.о. необходимо использование но-
вейших многофункциональных программно - вычислительных ком-
плексов. Также моделирование и анализ позволяют избежать дорого-
стоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование –
изготовление – испытания», поэтому в последнее время CAE - системы
(англ. Сomputer - Аided Еngineering) получили огромное распростране-
ние как в России, так и во всё мире. Самыми используемыми из них
являются ANSYS, FlowVision, Phoenics, Comsol Multiphisics (FemLab)
и другие.
В данной работе предпочтение отдано компании ANSYS.Inc с её
программным продуктом ANSYS в связи с большой функционально-
стью, наличием отдельных компонентов, возможностью широкой ин-
теграции с CAD - системами (англ. Сomputer-Аided Design) и широко-
му распространению. ANSYS - это многофункциональный программ-
ный комплекс конечно-элементных расчётов.
Целью работы является разработка геометрической и математиче-
ской модели нагревательной камерной печи кузнечного производства
машиностроительного предприятия для нагрева заготовок под ковку в
программном комплексе ANSYS.
Математическая модель печи построена на основании решения со-
пряженной задачи теплообмена в системе «газ-кладка-металл» при
условии радиационно-конвективного нагрева на поверхности металла
и внутренней поверхности кладки.
Точность решения задачи определена путём сравнения результатов
моделирования с результатами экспериментальных исследований на

Page 3

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
5
теплотехнологической установке №5 (система «нагревательная печь –
молот», предназначенная для нагрева и ковки металла) кузнечного
цеха Ивановского завода тяжёлого станкостроения.
Постановка задачи:
Печь имеет размер рабочего пространства 1,044 х 2,088 х 0,985 м, в
ней до заданных параметров качества нагреваются 24 заготовки из
марки стали 7ХГ2ВМ (9Х2МФ). Цикл работы печи включает в себя
период нагрева металла до момента выдачи первой заготовки (3 ч, с
этот период заслонка загрузочного окна закрыта), период ковки метал-
ла до момента выдачи последней заготовки (4 ч, в этот период заслон-
ка загрузочного окна открыта на 250 мм) и период охлаждения кладки
печи (17 ч).
Начальная температура металла составляет 293 К. Между металлом
и подом печи приняты адиабатические условия теплообмена. Заготов-
ки нагреваются за счёт излучения от газа и кладки и за счёт конвекции
от продуктов сгорания. Газовый объем в рабочем пространстве печи
принят неизотермичным.
Для упрощения математической модели приняты следующие до-
пущения:
- в печи используются горелки с коротким факелом с активным пе-
ремешиванием воздуха и газа в камере, поэтому считаем, что из горел-
ки истекает газовая смесь с завершенным процессом горения, и в ра-
бочей камере печи процесс горения отсутствует.
- продукты горения находятся в состоянии локального термодина-
мического равновесия. Все тела, участвующие в теплообмене, являют-
ся серыми.
- в печи в качестве огнеупорного и теплоизоляционного материалов
используется шамот класса «А» после реконструкции предприятия,
поэтому футеровку печи принимаем однослойной.
В ходе решения задачи необходимо найти распределение темпера-
турных полей газа, кладки печи и металла, а также распределение ско-
ростей в конце периода нагрева заготовок и в конце периода ковки.
Геометрическая модель печи (рис. 1) построена в САПР SolidWorks
и состоит из трёх объектов: кладки печи, заготовок и газового про-
странства между ними. Далее модель была импортирована в про-
граммный комплекс ANSYS (рис. 2), в котором производится построе-
ние сетки, задание материалов, начальных условий, граничных
условий,
настройка решателя, сохранение проекта для его
дальнейшего неоднократного использования, запуск расчёта и
получение результатов в наглядном виде с помощью цветной легенды.

Page 4

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
6
В результате получено распределение температурных полей кладки
печи, газа и заготовок. Для примера представлено температурные поля
печи в конце периода нагрева (рис. 3), в конце периода ковки (рис. 4), а
также распределение скоростных полей в конце периода нагрева и в
конце периода ковки (рис. 5).
Рис. 1. Геометрическая модель
печи в САПР SolidWorks
Рис. 3. Распределение температурных полей печи в конце периода нагрева в ANSYS: а)
продольное сечение печи через вторую горелку; б) продольное сечение печи через первую
горелку; в) сечение через заготовки; г) сечение через обе горелки
Рис. 2. Математическая модель печи
в программном комплексе ANSYS
Рис. 4. Распределение температурных полей печи в конце периода ковки в ANSYS: а) про-
дольное сечение печи через первую горелку; б) продольное сечение печи через вторую го-
релку; в) сечение через обе горелки; г) сечение через заготовки

Page 5

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
7
Вывод. В результате проведённого моделирования погрешность по
температурному полю металла составляет 3

5 %, по температурному
полю кладки 5

7 %, поэтому можно сказать, что построенная матема-
тическая модель печи в полной мере отражает теплообменные процес-
сы, происходящие в реальном объекте, и может быть рекомендована к
использованию на практике для разработки режимов работы камерной
нагревательной печи кузнечного производства при изменении тепло-
вых, гидродинамических, теплофизических, а также конструктивных
особенностей установки, а также можно проводить расчётные иссле-
дования конструктивных и режимных параметров работы печи.
Библиографический список
1. Отчет по х.д.: Испытание теплотехнологического оборудования кузнечного цеха.
Кн. 2. - Иваново, 1984. – 91 с. - № гос. регистрации 01840022388, инвентарный № 0285.
0003065.
2. Седов М.С. Разработка модели кузнечного производства в многоцелевом вычис-
лительном комплексе: Дип. Иваново, 2010. – 171 с.
3. Рыбакова Ж.Н. Разработка математических моделей камерных кузнечных печей
для предприятий машиностроения: Дип. Иваново, 2007. – 142 с.
4. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования.
2-е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., Металлургия, 1975. 368 с.
5. Бруяка В.Н., Фокин В.Г., Солдусова Е.А., Глазунова Н.А., Адеянов И.Е. Инже-
нерный анализ в ANSYS Workbench, часть 1: Учебное пособие - Самарский государ-
ственный технический университет, 2010. – 269с.
6. Варварина Т.П. Разработка математических моделей газовых термических печей
для машиностроительного предприятия: Дип. Иваново, 2007. – 137с.
Рис. 5. Распределение скоростных полей печи, полученных в ANSYS: а),б) - поле скоро-
стей при закрытой заслонке (в конце периода нагрева); в),г) – поле скоростей при откры-
той заслонке (в конце периода ковки заготовок)

Page 6

Page 7

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
9
Е.В. Лаврентьева, студ.; В. А. Горбунов, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
МОДЕЛЬ ЩЕЛЕВОГО РАДИАЦИОННОГО РЕКУПЕРАТОРА В
ПАКЕТЕ ANSYS
В настоящее время энергосбережение является стратегической за-
дачей государственного масштаба. За счет недостаточного использо-
вания тепла, вырабатываемого в теплотехнологических установках на
предприятиях существуют значительные энергетические потери. Кро-
ме этого тепло газа в производстве часто используется неэффективно.
На сегодняшний день существующие конструкции щелевых радиа-
ционных рекуператоров имеют значительные недостатки. Например,
сложность или невозможность ремонта, неудовлетворительные мас-
согабаритные показатели, склонность к зашлаковыванию, высокая
стоимость и большой срок окупаемости.
Задачей является моделирование конструктивных решений щелево-
го радиационного рекуператора в пакете ANSYS Fluent. Для этого мо-
дель рекуператора строится в Solid Works(рис.) и переносится в
ANSYS Fluent для непосредственного исследования.
Рис. Модель щелевого радиационного рекуператора в CAD пакете Solid Works
При моделировании в ANSYS варьированными параметрами яв-
ляются размеры проходного отверстия для воздуха и высота рекупера-
тора. Целевой функцией является получение максимального теплового
потока, передаваемого от продуктов сгорания к воздуху.

Page 8

Page 9

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
11
Примеры задач нагрева пластины и условия были взяты из [3].
В отличии от решения задач в 1D геометрии в 2D геометрии плани-
руется исследовать влияние формы сетки на точность результатов
полученного температурного поля в конце нагрева.
В дальнейшем планируется результаты моделирования использо-
вать для определения погрешности расчета в пакете ANSYS на стадии
подготовки решения задачи с 2D геометрией на основе использования
нейросетевой технологии.
Библиографический список
1. Басов К.А. ANSYS и Virtual Lab. Геометрическое моделирование – М.: ДМК
Пресс, 2006.- С.240. – ISBN 5-94074-301-3.
2. Басов К.А. ANSYS для конструкторов – М.: ДМК Пресс, 2009.- С.248. – ISBN
978-5-94074-462-7.
3. Горбунов В.А. Моделирование теплообмена в конечно-элементном пакете
Femlab:Учеб.пособие/ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический универ-
ситет имени В.И. Ленина». –Иваново, 2008.- 216с.
4. Седов М.С. Разработка модели кузнечного производства в многоцелевом вычис-
лительном комплексе: Дип. Иваново, 2010. – 171 с.
5. Татаринова Т.В. Разработка математических моделей в Ansys - Fluent камерных
кузнечных печей для машиностроительных предприятии: Дип. Иваново, 2011. - 141с.
Е.Е. Бурова, студ.; В.А. Горбунов, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ДОПУЩЕНИЯ ПРИ
СВЕДЕНИИ ДВУХМЕРНОЙ ЗАДАЧИ НАГРЕВА МЕТАЛЛА К
ОДНОМЕРНОЙ, ПРИ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЯХ I-II РОДА
Исследования проводились в програмном комплексе ANSYS.
В ANSYS имеется встроенный редактор для работы с геометриче-
скими моделями DesingModeler или сокращенно DM и представляет
собой модуль на платформе Workbench .
Главной особенностью модуля DM имеется возможность импорта
геометрических моделей из CAD систем. Поэтому, перенос твердо-
тельного образа изделия из програмного комплекса CAD системы
SolidWorks не вызывает затруднений.
Целью работы является определение погрешности допущения при
сведении двухмерной задачи нагрева металла к одномерной, при гра-
ничных условиях I, II рода. В проведенных расчетах использовались
одномерные, двухмерные модели.
При моделировании нагревательных печей кузнечного производ-
ства, для упрощения расчетов делают допущение. Двухмерную модель

Page 10

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
12
нагреваемых изделий (рис.1) сводят к одномерной постановке (рис.2),
используя при этом формулу обобщенного размера заготовок:
R=K(V
з
/F
з
),
где K ‒ коэффициент формы заготовки; V
3
‒ объем заготовки, м
3
; F
3
‒
обогреваемая поверхность, м
2
.
Рис. 1. Размещение заготовок на подине печи с зазором
Рис. 2. Приведение двухмерной задачи к одномерной
В данной работе исследовалось погрешность допущения приведе-
ния двухмерной задачи нагрева к одномерной по параметрам качества
нагрева: температуры на поверхности и температурного перепада в
конце нагрева.
Библиографический список
1. Аnsys 2011.Универсальная программная система конечно-элементного анализа.
2. SolidWorks 2011. Система автоматизированного проектирования.
3. Горбунов В.А. Моделирование теплообмена в конечно-элементном пакете
Femlab: Учеб. пособие/ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический универ-
ситет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2008.- 216с.

Page 11

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
13
А.Н. Николенко, студ.; В.А. Горбунов, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СКРУББЕРА
ДЛЯ ОЧИСТКИ ДОМЕННОГО ГАЗА В ПРОГРАМНОМ
КОМПЛЕКСЕ ANSYS И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО РАБОТЫ
Экспериментальные исследования проводились на ОАО «Север-
сталь» на скруббере газоочистки доменной печи № 4.
Целью проведения эксперимента является определение оптималь-
ных режимов работы установки, и тем самым повышение экономиче-
ского и технологического эффекта работы скруббера.
Целью моделирования скруббера является экономия энергоресур-
сов на очистку доменного газа. Для этого необходимо определить вли-
яние области перекрытия факелами воды на степень очистки газа.
Скруббер является уникальным нестандартным оборудованием,
предназначенным для очистки колошникового газа, опасного для жиз-
ни человека. В установке (рис.1) ведется полутонкая очистка газа с
массовой концентрацией пыли от 30 до 50 мг/м
3
. Так как вода обладает
сравнительно большой теплоёмкостью, то она отбирает от газа значи-
тельное количество тепла. Газ, входящий в скруббер с температурой
100-400
о
С отдаёт своё тепло воде и охлаждается до 45-50
о
С. Наибо-
лее интенсивно охлаждение газа происходит в нижней части скруббе-
ра, где разница температур газа и воды наибольшая.
Скруббер
Грязный газ
3 Трубы
Вентури
Водоотделители,
циклоны-
водоотделители
Дроссельная
группа
Водоотделитель
Циклон-
водоотделитель
T=100 - 400 град C
3 -5 г/м3
30 - 50 мг/м3
Т= 45 - 50 град. С
10 мг/м3
4 мг/м3
Т= 40 град. С
4 мг/м3
В коллектор
Сухой радиальный
пылеуловитель
Концентрация пыли
20 - 50 кг/м3
Т=100 - 400 град С
Рис. 1. Принципиальная схема газоочистки
Скрубберный процесс характеризуется испарительным режимом,
газ охлаждается почти до требуемой температуры (при соблюдении
расчетных параметров) и максимально насыщается водяными парами,
что при последующей конденсации паров обеспечивает улавливание
мелкодисперсных фракций колошниковой пыли, так как влага конден-
сируется на пылинках, являющихся центром конденсации.
Наиболее интенсивно процесс конденсации водяных паров проис-
ходит на уровне 3 - 5 метров ниже форсунок системы орошения.
В результате этого процесса происходит эффективная очистка газа,
поскольку увлажнённые пылинки приобретают способность коагули-

Page 12

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
14
роваться (слипаться), становясь более крупными и тяжёлыми, что
обеспечивает их выпадение из потока газа в нижний конус скруббера,
откуда в виде шлама через гидрозатворы удаляются в шламовый ло-
ток.
Эвольвентные форсунки, установленные в скрубберах, хорошо ра-
ботают при избыточном давлении воды 1,2 - 1,5 кгс/см² (0,12 – 0,15
МПа), при более низком давлении факел распыла становится вялым, а
капли чрезмерно крупными, что ухудшает теплообмен и очистку газа,
а также приводит к непроизводительному расходу воды.
В верхней части исследуемого скруббера размещено три пояса
орошения с числом форсунок 36, создающих равномерный поток мел-
ко диспергированных капель, движущихся под действием силы тяже-
сти вниз. В скруббере применяют эвольвентные форсунки с диаметром
отверстия 62,5 мм. В каждом ярусе установлено 12 форсунок, разме-
щенных таким образом, чтобы все сечение скруббера было равномер-
но перекрыто диспергированной водой в количестве, соответствую-
щем заданному удельному расходу воды.
В настоящее время ведется разработка математической модели ра-
боты скруббера в программном комплексе Ansys в вычислительном
модуле FLUENT (рис. 2). Данная математическая модель позволит
путем построения математических моделей полей скоростей и полей
температур выявить оптимальный режим работы установки.
Рис. 2. Степень перекрытия поперечного сечения скруббера факелами воды.

Page 13

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
15
Первым этапом создания модели было построение модели форсун-
ки и исследование степени раскрытия факела форсунки в зависимости
от расхода воды поступающей на кольца орошения скруббера.
Далее было численно проанализировано распределение полей ско-
ростей по сечению скруббера перед первым кольцом орошения и
оценка изменения скорости и ее неравномерности по высоте скруббе-
ра. Исследование проводилось с целью выявления равномерности ско-
ростного поля по сечению скруббера перед поясом орошения.
Допущения, которые были приняты при решении задачи:
 решается стационарная задача;
 вода внизу скруббера рассматривается как неподвижная, не-
сжимаемая жидкость;
 газ рассматривается как идеальный сжимаемый газ;
 влияние стенок скруббера на движение газа не учитывается.
Для решения задачи используется k-e модель турбулентности. Для
этой модели делается следующее допущение: поток полностью турбу-
лентный и эффекты молекулярной вязкости незначительны.
В результате можно сделать вывод, о необходимости учета нерав-
номерности распределение полей скоростей при дальнейшем процессе
моделирования очистки и охлаждения газа.
Численное исследование работы скруббера позволят анализировать
работу скруббера с целью уменьшения энергозатрат при сохранении
качества газоочистки.
К.А. Долинин, студ.; Д.А. Долинин, асп.
(ИГЭУ, г. Иваново)
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS
FLUENT ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ
ПЫЛЕГАЗОВОГО ПОТОКА
С целью оптимизации режимов работы газовой очистки требуется
контролировать и регулировать остаточную запыленность и влажность
газа для обеспечения минимального расхода орошающей воды при
соблюдении требуемого качества очистки. Одним из способов замера
является отбор известного объема газа из основного потока и осажде-
ние из этой пробы пыли и влаги посредством сужающего устройства –
сопла. Улавливание пыли при этом происходит за счет следующих
факторов:
 при попадании в пылеуловитель скорость газа резко уменьшает-
ся, снижается его кинетическая энергия, и наиболее тяжёлые частицы
пыли выпадают из газового потока;

Page 14

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
16
 при попадании в пылеуловитель изменяется направление дви-
жения газа, частички пыли, имеющие большую плотность, чем газ,
изменяют направление своего движения медленнее и по инерции осе-
дают в нижнем конусе пылеуловителя.
Пробоотборное устройство для определения запыленности домен-
ного газа было разработано и изготовлено на кафедре “Энергетика
теплотехнологий и газоснабжение”. На ОАО “Северсталь” проводи-
лись эксперименты по определению оптимальных режимов работы
газовой очистки на основе контроля остаточной запыленности домен-
ного газа.
Для оценки эффективности пробоотборного устройства, а также
для возможного его усовершенствования, была создана математиче-
ская модель в программном модуле ANSYS FLUENT. Было произве-
дено моделирование движения газа в пылеуловителе с учетом находя-
щихся в газе твердых частиц. Поток доменного газа имеет достаточно
сложную трехмерную структуру, обусловленную турбулентностью,
наличием твердых включений и капель жидкости. Модуль ANSYS
FLUENT позволяет моделировать подобные течения с помощью моде-
ли дискретных фаз (Discrete Phase Model - DPM). Трехмерная геомет-
рическая модель исследуемого объекта в масштабе 1:1 была подготов-
лена в пакете Solid Works (рис. 1) и экспортирована затем в среду
ANSYS Workbench. В модуле DesignModeler была подготовлена гео-
метрия области течения газа, а затем построена расчетная сетка в мо-
дуле Meshing (рис. 2). Дальнейшие расчеты производились в ANSYS
FLUENT.
Рис. 1. Трехмерная модель пылеуловителя

Page 15

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
17
Рис. 2. Расчетная сетка
На входе в пылеуловитель для газовой фазы задавались скорость и
температура. Для твердой фазы (частицы пыли) задавались плотность,
массовый расход, размеры частиц и коэффициент распределения. На
выходе принималось нулевое давление.
После выполнения расчетов возможна оценка и посторенние гра-
фиков изменения плотности, давления и скорости газа в пылеуловите-
ле. Кроме того, использование DPM позволяет отобразить траектории
движения твердых частиц в зависимости от их размера и с учетом вза-
имодействия между ними (рис 3).
Рис. 3. Траектории движения частиц пыли в зависимости от диаметра

Page 16

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
18
Полученная модель предназначена для оценки эффективности ра-
боты пылеуловителя в зависимости от размеров твердых частиц. Она
помогает быстро и наглядно смоделировать движение запыленного
газового потока с учетом внесенных в геометрию пылеуловителя из-
менений. Таким образом, модель может применяться для оптимизации
конструкции пылеуловителя.
Г.А. Перевезенцев, студ.; Н.П. Гусенкова, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ И ОПТИМИЗАЦИЯ
ЕЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ВМНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS
В работе рассматривается процесс интенсификации теплообмена в
рекуперативном воздухоподогревателе (ВЗП).
Целью данной работы является моделирование процесса теплооб-
мена в воздухоподогревателе в пакете ANSYS Workbench также ис-
следование влияния его конструктивных параметров на интенсивность
процесса теплообмена и снижение металлоемкости теплообменника.
Оптимизация величины теплового потока в зависимости от
конструктивных параметров ВЗП производится в пакете ANSYS-
Workbench, в модуле GoalDrivenOptimization.
Моделируемый теплообменник представляет собой трёхходовой
кожухотрубчатый рекуперативный воздухоподогреватель, имеющий 3
секции для хода воздуха, расположенных друг над другом, в простран-
стве которых располагаются трубы для хода дымовых газов. На внеш-
ней поверхности труб, по которым движутся дымовые газы, распола-
гаются ребра в виде шайб. Воздух течет в межтрубном пространстве,
начиная движение с нижней секции.
Построение геометрической модели ВЗП осуществляется в модуле
ANSYSDesignmodeler. Построение расчётной сетки выполняется в
модуле Mesh. Выбран тип сетки CutCell, построение которой
осуществляется на основе тетраэдров, с увеличением числа узлов в
пристенных областях (рис. 1)

Page 17

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
19
Рис. 1. Общий вид построенной модели
При построении модели задаются скорости воздуха и газа, темпе-
ратуры воздуха на входе в воздухоподогреватель, температуры газа на
входе и выходе из воздухоподогревателя, интегральные степени чер-
ноты поверхностей твёрдых тел и газов. Таким образом, учитывается
конвективная и радиационная составляющие теплообмена.
В качестве начальных условий задаются температуры воздуха и га-
за в начальные моменты времени. На границах тел принимаются гра-
ничные условия сопряженного теплообмена.
После задания исходных параметров и выполнения расчета,
который занимает примерно час машинного времени, получаем
температурное распределение внутри ВЗП (рис.2).
Рис. 2. Распределения температур внутри ВЗП
Для оптимизации конструктивных параметров ВЗП используется
оптимизационный модуль, встроенный в комплекс Workbench, что

Page 18

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
20
позволяет значительно сэкономить время при построении и задании
параметров оптимизируемого устройства.
Задачей оптимизации является поиск максимальной величины
теплового потока в зависимости от конструктивных параметров ВЗП,
влияющих на интенсивность процесса теплообмена и металлоемкость
воздухоподогревателя.
В результате оптимизации была получена следующая таблица
(рис. 3). В поле Optimization Domain отображаются пределы изменения
варьируемого параметра (Показан в колонке B: P1-rebro – высота
ребра). В поле Optimization Objectives осуществляется выбор
оптимизируемый
параметр
(тепловой
поток
на
выходе
из
теплообменника out_teplo) оптимизационного предела (Maximize) и
вариационный параметр (rebro). В поле Candidate Points отображается
выборка оптимального, среднего и выпадающего значений.
Рис. 3. Таблица оптимизационных параметров
Из рис. 3 видно, что самое большое значение теплового потока на
выходе получается при варианте «Кандидат А», однако размер ребра у
него меньший, чем у «Кандидата С», который имеет среднее значение
теплового потока на выходе, но больший размер ребра.
Выбор оптимального размера и максимального эффекта может
быть выполнен посредством графика, построенного на основе
полученных результатов (рис. 4).

Page 19

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
21
Рис. 4. График наилучших вариантов оптимизации
Вывод: программный комплекс ANSYS позволяет существенно
ускорить процесс моделирования, расчета и оптимизации теплообмен-
ников. По полученному графику можно найти оптимальное значение
размера (высоты) ребра, при заданном значении теплового потока.
А.С. Макаров, студ.; Н.П. Гусенкова, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГРЕВА МЕТАЛЛА В
ДВУХЗОННОЙ МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ
Методическая толкательная печь предназначена для нагрева заго-
товок под обработку давлением. Методические печи относятся к печам
непрерывного действия. Металл, двигаясь по поду печи, последова-
тельно проходит зоны печи: методическую в которой осуществляется
предварительный нагрев металла и сварочную, в которой осуществля-
ется быстрый нагрев металла до заданной конечной температуры. До-
стоинствами методических нагревательных печей являются непрерыв-
ный характер работы и относительно стабильный, благодаря этому,
тепловой режим.
0,35
0,4
0,55
0,5
11,579

Page 20

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
22
Для теплового расчета нагрева заготовок в печи и получения визу-
ального представления процесса нагрева можно использовать про-
граммный комплекс ANSYS Workbench. С помощью данной програм-
мы можно получить температурное поле металла с учетом параметров
качества нагрева металла: температуры на поверхности в конце нагре-
ва и допустимого перепада температур ΔТ
к
≤ ΔТ
д
.
Так как заготовки располагаются без зазоров между ними, то мож-
но рассматривать нагрев параллелепипеда, образованного системой
заготовок лежащих вплотную друг к другу на поду печи. Принимаем
длину нагреваемого тела равной длине пода печи, а ширину равной
длине заготовки.
Расчет нагрева заготовок выполняется при постоянных теплофизи-
ческих свойствах. Начальная температура металла принимается рав-
ной температуре окружающей среды. Предусмотрено задание гранич-
ных условий I, II и III рода по теплообмену.
На рис.1 представлены результаты расчета нагрева металла при ГУ
I рода. Рассматривался нагрев заготовки размером 0,13х0,13х9,1 м. С
начальной температурой T
0
= 293 К и теплофизическими свойствами
λ=39,47 Вт/(м∙К), с=596 Дж/(кг∙К), ρ=7800 кг/м
3
в течении времени
5050 с. Температура поверхности 1473 К. В результате расчетов тем-
пература в конце нагрева на поверхности равна 1473 К, в тепловом
центре 1469 К.
а)
б)
в)
Рис. 1. Результаты расчетов нагрева при ГУ I рода. График изменения температуры на
поверхности (а); график изменения температуры в тепловом центре (б); изображение
распределения температурного поля (в)

Page 21

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
23
При сравнении полученных результатов с точным аналитическим
решением погрешность решения составила 3,7 %.
На рис.2 представлены результаты расчета нагрева металла при ГУ
II рода. Рассматривался нагрев заготовки с теми же размерами и теп-
лофизическими свойствами, при начальной температуре T
0
= 293 К при
ГУ II рода в течении времени 5050 с. Постоянный тепловой поток
80 Вт/м
2
В результате расчетов температура в конце нагрева на по-
верхности равна 1475 К, в тепловом центре 920 К.
Рассмотрим нагрев заготовок при граничных условиях III рода с
постоянными теплофизическими коэффициентами.
На рис.3 представлены результаты расчета нагрева металла при ГУ
III рода. Рассматривался нагрев заготовки с теми же размерами и теп-
лофизическими свойствами, при начальной температуре T
0
= 293 К при
ГУ III рода в течении времени 5050 с. Температура продуктов горения
1623 К. Коэффициент конвективной теплоотдачи 100 Вт/(м
2
∙
0
С). В ре-
зультате расчетов температура в конце нагрева на поверхности равна
1260 К, в тепловом центре 962 К.
а)
б)
в)
Рис. 2. Результаты расчетов нагрева при ГУ II рода. График изменения температуры на
поверхности (а); график изменения температуры в тепловом центре (б); изображение
распределения температурного поля (в)

Page 22

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
24
а)
б)
в)
Рис. 3. Результаты расчетов нагрева при ГУ III рода. График изменения температуры на
поверхности (а); график изменения температуры в тепловом центре (б); изображение
распределения температурного поля (в).
А.В. Андреев, студ.; Н.П. Гусенкова, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГРЕВА САДКИ В
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОМ ПАКЕТЕ ANSYS
В термических печах металл подвергается термической обработке в
процессе которая должна соответствовать заданным параметрам каче-
ства. К ним относятся температура на поверхности заготовки и темпе-
ратурный перепад по объему садки в конце нагрева.
Если садка представляет собой множество заготовок размеры кото-
рых, невелики относительно размеров всей садки, то ее можно рас-
сматривать как трехмерное пористое тело. Пористое тело представляет
собой изотропный континуум с эффективными теплофизическими
свойствами, учитывающими наличие пор, и их роль в переносе тепло-
ты и определяются экспериментально или по формулам [2].
Таким образом, в данной постановке рассматривается нагрев пори-
стого тела методом конечных элементов в пакете ANSYS.
Для оценки погрешности расчета нагрева тела в конечно элемент-
ном пакете ANSYS были проведены сравнения с методом конечных

Page 23

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
25
разностей и точным аналитическим решением в контрольных расчет-
ных точках по объему тела в заданные промежутки времени [1].
Рассматривается
процесс
нагрева
тела
с
размерами
м
R
R
R
2,
0
2,
0
2,
0





. Теплофизические свойства:

=16,38 Вт/(мК);
с = 793,8 кДж/(м
3
К). Начальная температура тела
К
293
Т
0

. Параметры
газа
,К
1033
Т
,
К
м
Вт
3.
188
г
2




время нагрева
.
14400 c


На гранях (0, y, z), (x, 0, z), (x, y, 0) заданы адиабатические условия
теплообмена. На гранях (0,2, y, z), (x, 0,2, z), (x, y, 0,2) приняты усло-
вия конвективного теплообмена.
Для сравнения точности расчета в теле были выбраны контрольные
точки (рис. 1.).
Рис. 1 Расположение контрольных точек
Сопоставление результатов расчета для контрольных точек пред-
ставлено в табл. 1.
Таблица 1. Результаты расчета температур Т
i
(X, Y, Z, τ) по трехмерной математи-
ческой модели методом конечных разностей, по модели, рассчитанной в ANSYS
методом конечных элементов и по точному аналитическому решению при гранич-
ных условиях 3-го рода
Вре-
мя, с
Температура, К
Т
1
(0; 0; 0)
Т
2
(0; 0,1; 0)
Метод
конечных
разностей
Модель
ANSYS
методом
конечных
элементов
Аналити-
ческое
решение
Метод
конечных
разностей
Модель
ANSYS
методом
конечных
элементов
Аналити-
ческое
решение
0
293
293
293
293
293
293
2880
876,2
823,3
676,5
822,4
856,7
690,8
5760
1024,2
997,5
963,1
1022,1
1003,1
966,5
8640
1032,6
1026,9
1021,1
1032,5
1027,9
1021,7
11520
1032,9
1031,9
1031
1032,9
1032
1031,1
14400
1033
1032,7
1032,7
1033
1032,7
1032,7
2880
995,7
952,9
745,7
1015,2
968,9
808,0

Page 24

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
26
Вре-
мя, с
Температура, К
Т
1
(0; 0; 0)
Т
2
(0; 0,1; 0)
Метод
конечных
разностей
Модель
ANSYS
методом
конечных
элементов
Аналити-
ческое
решение
Метод
конечных
разностей
Модель
ANSYS
методом
конечных
элементов
Аналити-
ческое
решение
5760
1031,4
1019,6
979,3
1032,3
1022,2
992,3
8640
1032,9
1030,7
1023,9
1032,9
1031,2
1026,1
11520
1033
1032,6
1031,5
1033
1032,7
1031,9
14400
1033
1032,9
1032,8
1033
1032,9
1032,8
Вре-
мя, с
Температура, К
Т
3
(0; 0; 0,1)
Т
4
(0,2; 0,2; 0,2)
Метод
конечных
разностей
Модель
ANSYS
методом
конечных
элементов
Аналити-
ческое
решение
Метод
конечных
разностей
Модель
ANSYS
методом
конечных
элементов
Аналити-
ческое
решение
0
293
293
293
293
293
293
2880
884,8
935,5
729,4
1004
1013,1
858
5760
1028,8
1025,6
975,8
1032,3
1029,7
1001,9
8640
1032,8
1031,7
1023,3
1032,9
1032,4
1027,8
11520
1032,9
1032,8
1031,4
1032,9
1032,9
1032,1
14400
1033
1032,9
1032,7
1033
1032,9
1032,9
2880
999,1
996,9
762,5
762,5
953,2
808,0
5760
1031,5
1027,0
982,8
982,8
1019,6
992,3
8640
1032,9
1032,0
1024,5
1024,5
1030,7
1026,1
11520
1033,0
1032,8
1031,6
1031,6
1032,6
1031,9
14400
1033,0
1032,9
1032,9
1032,8
1032,9
1032,8
В результате расчетов мы сравнили полученные значения с точным
аналитическим решением и методом конечных разностей. Средняя
относительная погрешность метода конечных элементов с точным
аналитическим решением составила 2,8%. Средняя относительная по-
грешность метода конечных элементов с методом конечных разностей
составила менее 1%. Можно сделать вывод о том, что модель, рассчи-
танная в программной среде ANSYS достаточно точно описывает про-
цесс нагрева заготовки и для определения температур во время нагрева
можно пользоваться данными из модели, рассчитанной в ANSYS.
Библиографический список
1. Воронко Н.П., Бровкин Л.А., Крылова Л.С. Математическая модель нагрева сад-
ки в термических печах // Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. «Научные основы созда-
ния энергосберегающей техники и технологий».- М.,1990. – С.76-78
2. Бровкин Л. А. Температурные поля тел при нагреве и плавление в промышлен-
ных печах: Учеб. пособие. Иваново, 1973. -363с.
3. Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Высш. шк., 1967.-600с

Page 25

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
27
А. В. Андреев, студ.; Н. П. Гусенкова, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПЕТЛЕВОГО
РЕКУПЕРАТОРА В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ
ANSYS
Целью работы являлось разработка геометрической модели реку-
ператора и моделирование его тепловой работы в вычислительном
комплексе ANSYS.
Для использования вторичного энергоресурса – тепла уходящих га-
зов применяется петлевой конвективный рекуператор из гладких
стальных труб. В таком рекуператоре подогреваемый воздух проходит
внутри труб, а дымовые газы снаружи.
На заводах черной металлургии, машиностроения и т. п. наиболь-
шее распространение получили так называемые «петлевые» рекупера-
торы из гладких стальных труб. Такие рекуператоры устанавливаются
за печами в дымоотводящем канале.
Основным преимуществом конструкции петлевого рекуператора
является свободная самокомпенсация температурного расширения
каждой трубы (петли) в отдельности. Не маловажным преимуществом
данного рекуператора является его простота в обслуживание, быстрый
монтаж на рабочее место. Недостатком конструкции петлевого реку-
ператора является то, что все трубные петли по направлению движе-
ния дымовых газов имеют разную длину. Отсюда и разные аэродина-
мические сопротивление, отчего наружные петли блока самые тепло-
нагруженные с дымовой стороны, в них поступает меньше воздуха,
чем в остальные петли.
Для моделирования петлевого рекуператора расположенного в ды-
моотводящем канале был выбран пакет 3D моделирования SolidWorks
(рис. 1. а, б).
а)
б)
Рис. 1. Геометрическая модель, выполненная в SolidWorks

Page 26

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
28
Построенную модель для расчета интегрировали в вычислительный
комплекс ANSYS. Для расчета данной модели нам необходимо задать-
ся некоторыми условиями, а именно: задать начальные условия, гра-
ничные условия теплообмена, физические и гидравлические парамет-
ры сред и материалов из которых выполнены теплообменный аппарат
и дымоотводящий канал, а также временем теплообмена.
Так как в учебной модели количество элементов разбиения сетки
ограничено, на первом этапе был выполнен расчет 1 петлевого эле-
мента рекуператора находящегося в дымоотводящем канале (рис.2.).
Рис. 2. Петлевой элемент рекуператора:
1 – петлевой элемент, 2 – элемент дымоотводящего канала
Рис. 3 (а, б) иллюстрирует распределение температур в воздушном
потоке во входном и выходном сечении петли рекуператора.
а)
б)
Рис. 3. Температурные поля во входном сечение (б) петли рекуператора и выходном
сечение (а)
Данную модель можно использовать для расчета режимов работы
рекуператора при внесении конструктивных изменений, которые смо-

Page 27

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
29
гут улучшить тепловые показатели рекуператора. Целевой функцией
при исследовании является плотность теплового потока от продуктов
горения к воздуху, варьируемыми параметрами – конструктивные ха-
рактеристики теплообменника.
А. И. Антонов, студ.; А. И. Муницын, д.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ И ОПТИМИЗАЦИЯ РАСЧЕТНЫХ СЛУЧАЕВ
ПИЛОТАЖНОГО ТРЕНАЖЕРА
Пилотажный тренажер (рис. 1) – это устройство моделирующее по-
лет на реальном воздушном судне и предназначено для обучения лет-
ного экипажа всем навыкам, необходимым при полетах.
Пилотажный тренажер включает в себя: подвижную платформу,
которая позволяет перемещение тренажера во всех направлениях; пол-
норазмерную кабину, точно повторяющую кабину реального самолета
со всем соответствующим оборудованием и органами управления; си-
стему визуализации, которая моделирует визуальные эффекты, возни-
кающие при полете.
Поскольку на платформу действуют различные нагрузки при дви-
жении тренажера в пространстве, возникает много различных комби-
наций нагрузок (рассматривается около полумиллиона различных слу-
чаев).
При таком многообразии нагрузочных случаев необходимо облег-
чить работу расчетчикам, для чего нужно выбрать только несколько
случаев, являющихся наиболее опасными. Для определения наиболее
важных случаев выбираем несколько критериев, по которым опреде-
ляем критичность случаев. Таким образом, из полумиллиона комбина-
Рис. Пилотажный тренажер

Page 28

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
30
ций различных нагрузок получаем несколько случаев, представляю-
щих наибольшую опасность. В работе выделены девятнадцать случаев
подлежащих детальному расчету, чем значительно упрощена задача по
расчету конструкции.
В работе создана конечно-элементная модель платформы пилотаж-
ного тренажера, нагружаемая силами, полученными при расчете.
Найдены напряжения, возникающие в конструкции платформы [1, 2].
Таким образом, в результате работы создана математическая мо-
дель, описывающая распределение статических и динамических нагру-
зок в платформе пилотажного тренажера. Она позволяет достаточно
быстро оценить усилия, возникающие в элементах конструкции плат-
формы пилотажного тренажера при различных ее положениях в про-
странстве, а так же дает возможность оптимизации самой конструк-
ции, а именно позволяет принимать решения по облегчению конструк-
ции или, наоборот, об ее усилению.
Библиографический список
1. Курс теоретической механики. Леви - Чивита Амальди./ М.: Из-во иностр. лите-
ратуры, 1951.
2. Сопротивление материалов (Том 2). Тимошенко С.П./ М.: «Наука» , 1956.- 469 с.
М. М. Лубова, студ.; А.Б. Колобов, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
РАСЧЕТ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ОПТИМИЗАЦИЯ
КОНСТРУКЦИИ ПИЛОТАЖНОГО ТРЕНАЖЕРА
Целью проекта является разработка расчетной модели платформы
пилотажного стенда, проведение частотного анализа конструкции
платформы пилотажного стенда и оптимизация конструкции с целью
избежания совпадения собственных ча-
стот платформы с собственными часто-
тами системы визуализации.
Безопасность полетов определяется
большим числом факторов. В их число
входят состояние систем и оборудования
воздушных судов и квалификация, клас-
сность и уровень подготовки летного и
инженерно-технического персонала.
Тренажер содержит полномасштаб-
ную натуральную кабину экипажа того
воздушного средства, для которого
Рис. 1. Пилотажный стенд

Page 29

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
31
предназначен тренажер, с полным набором бортового оборудования,
систему визуализации, систему акселерации и отсек для инструктора, а
так же платформу, на которой установлены все эти составляющие.
Разработана
конечно-
элементная модель плат-
формы (рис. 2). Произведен
расчет собственных частот
платформы и
обшивки
платформы [1]. Произведен
аналитический расчет соб-
ственных частот платфор-
мы как стержня с перемен-
ным сечением по методу
Релея-Ритца [2].
Для того чтобы исклю-
чить совпадение собственных частот обшивки платформы с частотами
системы визуализации, проведена оптимизация конструкции платфор-
мы и добавлены дополнительные жесткости в местах с наибольшим
перемещением.
Произведен расчет оптимизированной конструкции платформы. В
результате оптимизации получены частоты удовлетворяющие требова-
ниям конструкции (рис 3).
Частота,Гц
10
90
80
70
60
50
40
30
20
130
120
110
100
150
140
170
160
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.6
Частоты конструкции платформы после оптимизации
П
е
р
е
м
е
щ
е
н
и
е
,
м
м
Частоты конструкции платформы до оптимизации
Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика конструкции
платформы до и после оптимизации
Библиографический список
1. Зенкевич О.С. Конечные элементы и аппроксимация. – М.: Мир.,1986
2. Тимошенко С.П. Пластины и оболочки. – М.: Наука.,1966
Рис. 2. Конечно-элементная модель плат-
формы

Page 30

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
32
А.В. Байков, студ.; Л.Б. Маслов, д.ф.-м.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ НОВОЙ МОДЕЛИ ТАРЫ ИЗ
СТЕКЛОПЛАСТИКА ДЛЯ СПЕЦОБОРУДОВАНИЯ
В работе рассматривается процесс эксплуатации новой тары для
спецоборудования. Данная тара выполнена из стеклопластика. Она
представляет собой две трубы по краям, скрепленных хомутами.
Прежняя модель тары представляла собой деревянный ящик, который
был очень неудобен, и ненадежен в эксплуатации. Новая модель имеет
ряд преимуществ - это более легкая конструкция, герметична, и более
устойчива к ударным воздействиям. Следовательно, срок службы та-
кой конструкции превышает предыдущий вариант.
В данной работе был произведен статический и динамический расчет
новой модели тары из стеклопластика для спецоборудования. Конечно-
элементная модель построенная в программном комплексе ANSYS
(ANSYS Inc.), представлена на рис. 1.
Рис. 1. Конечно-элементная модель
Рис. 2. Нагружение конечно-элементной
модели
Постановка задачи включала в себя разработку конечно элементной
модели, статический и динамический расчеты.
Модель нагружения представлена на рис. 2. Приложенная сила к
конструкции тары 300 кг.
Габаритные размеры модели: длина l=1200 мм, внутренний диа-
метр каждого из отсеков d1=162 мм, внешний диаметр каждого из
отсеков d2=172 мм, материал – стеклопластик.
Характеристики материала:
 коэффициент Пуассона: v=0.2 ;
 модуль упругости первого рода: Е=2,5*10
9
Па;
 плотность: p=1850 кг/м
3
.

Page 31

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
33
Нагрузка прикладывается по
краям модели, так как при ста-
тическом расчете моделируется
транспортировка десяти моде-
лей с грузом, поставленных
друг на друга. И именно на кра-
ях модели находятся точки опо-
ры выше стоящей модели.
В результате расчета были по-
лучены следующие результаты:
 максимальные перемещения – 0,08 мм;
 максимальные напряжения 3,7 МПа
Рассчитанная модель представлена на рис. 3.
В динамическом расчете моделировалось падение тары на жесткую
поверхность с высоты 10м. То есть модель испытывалась на ударные
нагрузки. Нужно было получить ответ на вопрос, разрушится ли дан-
ная модель при падении с высоты 10м, на абсолютно жесткую поверх-
ность, с полной загрузкой.
Ниже приведен график эквивалентных напряжений точки контакта
с абсолютно жесткой поверхностью при ударе (рис.4), где вертикаль-
ная ось – напряжений, горизонтальная – времени.
Рис. 4. График эквивалентных напряжений точки контакта
Было получено, что при падении модели на жесткую поверхность
она не разрушается.
Библиографический список
1. Огородников О.М. Компьютерный инженерный анализ. – М: Наука, 2009. – 300 с.
2. Огородников О.М. Статический конструкционный анализ. – М: Наука, 2009. –
260 с.
3.
Рис. 3. Результат расчетов

Page 32

Page 33

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
35
Задачами настоящей работы являются: проведение испытаний
прямоугольной пластины с присоединенными сосредоточенными мас-
сами, разработка модели в системе ANSYS (ANSYS Inc.),, сравнение
результатов моделирования с экспериментальными данными и анализ
влияния сосредоточенных масс на изменение собственных частот и
форм колебаний прямоугольной пластины.
Экспериментальная установка (рис. 1) состоит из жестко закреп-
ленной по центру прямоугольной пластины, трех датчиков и груза,
массой 0.154 кг.
В результате измерений получены спектры частот для пластины без
сосредоточенной массы (рис. 2) и для пластины с сосредоточенной
массой (рис. 3).
Графики показывают, что собственные частоты остались неизмен-
ными, но изменилась амплитуда колебаний. Например, теоретическое
0
100
200
0
0.02
0.04
0.06
0.08
2 FT1
j
2 FT2
j
2 FT3
j
Рис. 2. Спектр частот пластины без сосредоточенной массы
0
100
200
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
2 FT1
j
2 FT2
j
2 FT3
j
j 1

N T
Рис. 3. Спектр частот пластины с сосредоточенной массой

Page 34

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
36
значение собственной частоты для первой формы колебаний составля-
ет 19,3 Гц, что так же подтверждается экспериментально (рис. 2).
Библиографический список
1. Колебания в инженерном деле. Тимошенко С. П./ М.: «Наука»,1967.-444с.
2. Сопротивление материалов, теории упругости и пластичности. Основы теории с
примерами./Саргасян А.Е. – Изд. 2-е, перераб. и доп; М.: Высшая школа, 2000.-286 с.
В. А. Шейкина, студ.; И. А. Белов, ст. преп.
(ИГЭУ, г. Иваново)
АНАЛИЗ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ
КОНСТРУКЦИИ В ПРОГРАММЕ ANSYS
В работе рассматривается процесс изготовления просечно-
вытяжного листа (ПВЛ). ПВЛ производится из низкоуглеродистого
стального, оцинкованного стального, алюминиевого, медного, латун-
ного или нержавеющего листового металлопроката. ПВЛ представляет
собой металлическое полотно с рифленой поверхностью и равномерно
расположенными на этой поверхности ячейками. Ячейки образуют
рисунок чешуи, полученный путем просекания и последующей вы-
тяжки участков цельного стального листа-заготовки на специальном
прессе.
Чаще всего ПВЛ используется для изготовления настилов и ступе-
ней маршевых лестниц, а также для изготовления крепи при проходче-
ских работах в шахтах, для защиты от падающих камней на крутых
склонах, при строительстве дорог и др.
ПВЛ имеет ряд преимуществ – это экономия материала, облегчение
конструкции (до 80%), противоскользящие свойства, световая и воз-
душная проницаемость. Кроме того, ПВЛ не задерживает грязь, мусор
и снег. Соблюдение технологии изготовления ПВЛ позволяет сохра-
нять значительные показатели жесткости и несущую способность.
В работе проводится исследование упруго-пластических деформа-
ций и остаточных напряжений, возникающих в ПВЛ в процессе изго-
товления. Построена модель ячейки ПВЛ (рис. 1), и определены гра-
ничные условия. Расчет производится при нагружении в 3 этапа и по-
сле нагрузки.

Page 35

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
37
Рис. 1. Твердотельная модель ячейки
ПВЛ, 1-ый этап нагружения
Рис. 2. Поле остаточных эквивалентных
напряжений SEQV в ПВЛ,
5 ячеек периодичности
Для эффективного решения контактной задачи применяется про-
граммный пакет ANSYS (ANSYS Inc.). [1,2].
Результатами анализа являются поля распределения перемещений,
остаточных напряжений (рис. 2) и пластических деформаций в ПВЛ.
Эти результаты в дальнейшем можно использовать для оценки каче-
ства технологии изготовления ПВЛ
Библиографический список
1. ANSYS для инженеров: Справочное пособие. М.: Машиностроение-1, 2004.
2. Гуров Г.Г., Сабанеев Н.А. Решение контактных задач в среде ANSYS// Энергия
2009: Материалы науч.-техн. конф. студ. и аспир./ Ивановский государственный энерге-
тический университет.- Иваново, 2009 – с. 93-94.
С.А. Белухина, студ.; И.А. Белов, ст. преп.
(ИГЭУ, г. Иваново)
РАСЧЕТ УЗЛА «ОСЬ-ПОДШИПНИК» В ПРОГРАММЕ ANSYS
Узел «ось-подшипник» широко применяется в оборудовании раз-
личного назначения, поэтому обеспечение его надежной работы явля-
ется актуальной задачей.
В работе приводится аналитический расчет напряжений методами
сопротивления материалов и расчет в программе ANSYS (ANSYS Inc.).
Целью данной работы является определение допустимой нагрузки на
исследуемый узел и сравнение результатов аналитического и числен-
ного расчетов.
Основными этапами аналитического расчета являются выбор рас-
четной схемы узла с усилиями в виде распределенных нагрузок или
сосредоточенных сил (рис.1), построение эпюр изгибающих момен-

Page 36

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
38
тов, определение максимальной нагрузки из условия отсутствия пла-
стической деформации оси.
При решении той же задачи численным методом с помощью про-
граммного комплекса ANSYS выполняются 4 этапа: построение трех-
мерной твердотельной модели узла «ось - подшипник», создание ко-
нечно-элементной сетки, решение контактной задачи с постепенным
увеличением нагрузки, определение максимальной нагрузки из усло-
вия статической прочности [1-3].
Для расчетов приняты следующие характеристики материала оси:
сталь 45, термообработка – нормализация, предел текучести материала
σ
т
= 290 МПа, модуль Юнга Е = 2·10
11
Па, коэффициент Пуассона
ν = 0.3. Принят коэффициент запаса [n]=1,5.
В результате прове-
денных расчетов полу-
чены следующие зна-
чения
допустимой
нагрузки на исследуе-
мый узел: 158 кН для
схемы с распределен-
ной нагрузкой и 947 кН
для схемы со средото-
ченными силами в ана-
литическом расчете, и
312 кН в численном
расчете в программе
ANSYS (рис. 2).
Ø1
5
0
Рис. 1. Расчетная схема узла
80
Ø1
0
0
100
20
20
100
10
F
F
500
Рис. 2. Поле остаточных эквивалентных
напряжений

Page 37

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
39
Результаты расчетов показывают, что в аналитическом методе при
выборе схемы с распределенной нагрузкой значение допускаемой
нагрузки получается заниженным, а при нагружении в виде сосредото-
ченных сил – завышенным.
Библиографический список
1. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. Пер. с англ. М.: Мир, 1975.
2. БасовК.А. ANSYS: справочник пользователя. – М.:ДМК Пресс, 2005.– 640 с.
3. Ноздрин М.А., Шептунов Б.В. Моделирование технологии
гиба метал-
ла//Состояние и перспективы развития энерготехнологий. Тез. докл. междунар. научно-
техн. конф. XIV Бенардосовские чтения. – Иваново: ИГЭУ, 2007 – т.2, с.105.
И.А. Еремченко, студ.; И.А. Белов, ст. преп.
(ИГЭУ, г. Иваново)
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ БЕТОНОВОДА С ДЕФЕКТОМ
Проведено обследование исследуемого образца бетоновода по па-
раметрам износа и дефектов, получены данные по устройству и
нагрузкам. Исследуется движение бетона марок М-350, М-400, под
давлением 20-30 атм. внутри бетоновода.
Рассматривается плоское деформированное упругопластическое
состояние трубы сечением 125 мм и толщиной стенки 3 мм, находя-
щейся под действием внутреннего давления (рис.1).
Рис. 1. Общая схема исследуемого
образца
Рис. 2. Конечноэлементная модель турбы
с дефектом
Получено решение двух задач, различие которых заключается в
первоначальном виде трубы. Первый случай – труба, нагружаемая по-
ступательно движущимся бетоном, не имеет дефектов, т.е. практиче-
ски имеет идеальную форму. Второй случай – труба с изначально за-
данным дефектом (рис. 2).

Page 38

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
40
В программной среде Solid Works строится 3D модель трубы с
местным дефектом (изношенность стенки, уменьшение ее толщины в
2-2,5 раза от начальной толщины) и импортируется в программную
среду ANSYS (ANSYS Inc.) [1].
Задаются - нагрузки в виде внутреннего распределенного давления.
Проводится расчет напряжений и деформаций. Получена диаграмма
напряжений стенок трубы, их деформации.
Проводится прочностная оценка полученных результатов [2], на
основе которой можно составить рекомендации, когда и с какой часто-
той следует проводить проверки бетоноводов на предмет износа,
предотвращая их разрушение во время рабочего процесса. Возможна
разработка рекомендаций по эксплуатации бетоноводов с исключени-
ем случаев непредвиденных аварий.
Библиографический список
1. Басов К.А. ANSYS. Справочник пользователя., М., изд-во «ДМК», 2005.
2. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М., изд-во МГТУ имени
Н.Э.Баумана, 1978.
С.А. Белухина, студ.; И.А. Белов, ст. преп.;
Н.А. Сабанеев, ст. преп.; Л.Б. Маслов, д.ф.-м.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОЙ
ПРОЧНОСТИ НАВЕСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДОРОЖНО-
СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Исследование проблем контактного взаимодействия в механике
сплошных сред представляет важную задачу науки и техники, от ре-
шения которой во многом зависят успехи в машиностроении, строи-
тельстве, электронике, неразрушающем контроле изделий и материа-
лов и в других областях человеческой деятельности. Контактные зада-
чи являются центральными в механике деформируемого твердого тела,
так как контакт – это основной метод приложения нагрузок к дефор-
мируемому телу, кроме того, концентрация напряжений в зоне контак-
та часто инициирует разрушение материала. Контактные задачи, с ко-
торыми приходится сталкиваться в настоящее время, не всегда подда-
ются аналитическому решению. Очень часто истинная контактная зона
не известна. В зависимости от нагрузок, свойств материала, граничных
условий и других факторов, поверхности могут входить в контакт друг
с другом, а также внезапно из него выходить. В дополнение к этому во
многих задачах нужно учитывать трение. Описать все эти факторы в

Page 39

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
41
уравнениях при аналитическом расчете практически невозможно. По-
этому все большее развитие получают численные методы.
Значительными возможностями моделирования и решения кон-
тактных задач обладает программный комплекс ANSYS (ANSYS Inc.),
основанный на методе конечных элементов. Численное решение зада-
чи с учетом контактного взаимодействия рассматривалось на примере
грузоподъемных вил (рис.1), используемых в виде навесного оборудо-
вания дорожно - строительной техники. Габаритные размеры кон-
струкции: 2205×1624×2240 мм.
Рис.1. Чертеж модели грузоподъемных вил: 1 – вила; 2 – проушины
В процессе решения выполнялись три базовые стадии: создание
геометрической модели объекта, пригодной для метода конечных эле-
ментов; твердотельное построение качественной конечно-элементной
сетки; выбор типа инженерного анализа, задание необходимых харак-
теристик материала, граничных условий и численный анализ задачи.
Геометрическая модель была создана в программе трехмерного мо-
делирования КОМПАС-3D (ЗАО АСКОН), а затем импортирована в
вычислительный комплекс ANSYS (ANSYS Inc.). В качестве конечных
элементов использовались 8-узловой шестисторонний (гексаэдр) и 10-
узловой четырехсторонний (тетраэдр) элементы, имеющие три степени
свободы в каждом узле (перемещения в направлении осей X, Y и Z).
Конечно-элементная модель (рис. 2) геометрически разделялась на
2 симметричные части, а на границе раздела задавалось условие сим-
метрии. Это позволило уменьшить количество конечных элементов до
21901 и узлов модели до 30108 , а, следовательно, оптимизировать
процесс расчета.
2
1

Page 40

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
42
Условия контакта задавались на внутренней стороне вил и на отвер-
стиях в проушинах. Для этого выделялись взаимодействующие поверх-
ности - контактные пары. В каждой паре выделялись два элемента: соб-
ственно контактные (contact) и целевые (target). Они отличаются друг от
друга своей ролью в алгоритме решения контактной задачи. Контактные
элементы не могут проникать сквозь целевые, тогда как целевые могут
проникать через контактные. Программный комплекс ANSYS (ANSYS
Inc.) позволяет моделировать три вида контакта: «узел-узел», «узел-
поверхность» и «поверхность-поверхность». Причем каждый тип моде-
ли использует особый набор контактных элементов.
Рис. 2. Конечно-элементная модель исследуемой конструкции
В модели грузоподъемных вил использовался вид контакта «по-
верхность-поверхность», где поверхности валиков в проушинах и ба-
лок были целевыми, а поверхности отверстий в проушинах и задней
стороны вил – контактными. Для достоверности расчета учитывался
коэффициент трения в зоне контакта f = 0,1.
Нагрузка в 100 кН (по 50 кН на каждую сторону) равномерно рас-
пределялась на подъемную часть вил, а на боковые поверхности вали-
ков в проушинах накладывалось условие жесткой заделки.
Задача решалась в предположении линейного поведения материала.
Параметры принимались следующими: модуль Юнга Е = 2·10
5
МПа, ко-
эффициент Пуассона ν = 0.3, предел текучести материала σ
т
= 300 МПа.
В результате расчета получены поля распределения перемещений и
напряжений (рис. 3-4). Максимальное перемещение возникает на кон-
це вил и составляет 38 мм. Максимальные эквивалентные напряжения
по Мизесу сосредоточены вокруг отверстий в проушинах и составляют
289 МПа. Наибольшие напряжения на вилле локализуются в области

Page 41

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
43
перехода от горизонтального к вертикальному участку и не превыша-
ют 193 МПа.
Рис.3. Наибольшие перемещения точек конструкции (м)
Рис.4. Распределение эквивалентных напряжений в области контакта (Па)
Полученные результаты численного моделирования имеют хоро-
шее совпадение с экспериментальными данными. Получить высокую
точность решения аналитическим путем практически невозможно. Это
говорит о целесообразности применения предложенного конечно-
элементного алгоритма расчета для прочностной оценки различных
видов конструкций.
Библиографический список
1. Александров В.М., Чебаков М.И. Введение в механику контактных взаимодей-
ствий. – Ростов-на-Дону: Изд-во ООО «ЦВВР», 2007. – 114 с.
2. Аргатов И.И., Дмитриев Н.Н. Основы теории упругого дискретного контакта:
Учебное пособие. – СПб.: Политехника, 2003. – 233 с.: ил.
3. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ. Посо-
бие. М.: Машиностроение-1, 2004. 512 с.
4. Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 640 с., ил.
5. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практи-
ческое руководство. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 272 с.

Page 42

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
44
И.А. Палилов, магистрант; В.Н. Караулов, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛЕ С МАССИВНЫМ РОТОРОМ
С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ ANSYS MAXWELL
Благодаря развитию вычислительной техники сфера применения
вычислительных методов быстро расширяется. Одно из лидирующих
мест занимает метод конечных элементов (МКЭ). Первоначально ори-
ентированный на решение задач прочности, МКЭ все активнее исполь-
зуется и в других областях исследований, в частности, для решения
задач, связанных с распространением электромагнитных волн в раз-
личных средах [1]. К этому классу задач можно отнести задачу моде-
лирования электромеханических процессов в электрических машинах.
Полевые модели дают более полное представление о процессах, про-
исходящих при электромеханическом преобразовании энергии, позво-
ляют учесть нелинейность материалов, двустороннюю зубчатость маг-
нитопровода, движение ротора, несимметрию питающего напряжения,
индуцированные вихревые токи, потери в проводниках и в стали. Та-
кими возможностями обладают современные программы моделирова-
ния электромеханических процессов в преобразователях энергии. За-
дача пуска асинхронной машины с массивным ротором бала рассмот-
рена в пакете ANSYS Maxwell 15.0.
В большинстве задач достаточно рассмотрения плоскопараллель-
ной модели поля. При этом электромагнитное поле в торцевых частях
машины должно учитываться с помощью цепных моделей фаз статора
(рис. 1).
Полевая модель ак-
тивной зоны машины,
электромагнитный
мо-
мент, действующий на
ротор, уравнение движе-
ния ротора и цепные мо-
дели фаз должны рассчи-
тываться совместно.
Представленный под-
ход был использован для
моделирования электро-
механических процессов
Рис. 1. Цепная модель фаз статора асинхронной
машины в ANSYS Maxwell

Page 43

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
45
в асинхронном двигателе с массивным ротором (АД с МФР), спроек-
тированным на основе двигателя с короткозамкнутым ротором (мощ-
ность 3 КВт, синхронная частота вращения 3000 об/мин) [2].
На рис. 2 показано рас-
пределение
магнитного поля по по-
перечному сечению актив-
ной зоны машины в один
из моментов времени -
плотности тока в роторе,
магнитного
векторного
потенциала, которое могут
служить исходными дан-
ными, например, для рас-
чета теплового состояния
двигателя. Совместный с
полевым расчет цепной модели фаз дает токи переходного процесса
при пуске двигателя (рис. 3). Легко оценивается время пуска, можно
оценить затраты энергии во время пуска. Заметно, что при пуске имеет
место резкая несимметрия токов фаз. В одной из фаз наблюдается
ударное значение тока.
По распределению ин-
дукции и плотности тока в
роторе
рассчитывается
электромагнитный момент
двигателя (рис 4).
Элек-
тромагнитный момент не
имеет сильных колебаний,
что говорит об относи-
тельно слабом обратном поле при пуске. Решение уравнения баланса
моментов дает кривую разгона двигателя (рис. 5).
Рис. 2. Распределение магнитного поля по
поперечному сечению активной зоны машины в
один из моментов времени
Рис. 3. Токи переходного процесса пуска
Рис. 4. Электромагнитный момент АД с
МФР в переходном процессе пуска
Рис. 5. Кривая разгона АД с МФР

Page 44

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
46
Таким образом, с помощью пакета ANSYS Maxell решена задача
динамики пуска асинхронного двигателя с массивным ротором. Расчё-
ты позволяют оценить затраты энергии при пуске двигателя; перегре-
вы обмоток и магнитопровода; возможность запуска при различном
характере механической нагрузки; позволяют анализировать работу
двигателя в пусковых и установившихся режимах при несимметрии и
несинусоидальности питающего напряжения (питание двигателя от
преобразователя частоты).
Библиографический список
1. Демирчян К.С., Чечурин В. Л. Машинные расчеты электромагнитных полей. -
М.: Высш. шк., 1986. - 240 с.
2. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. — М.: Энергия, 1980.
495с.
3. Караулов В.Н., Палилов И.А. Параметрическая модель асинхронного двигателя с
массивным ротором в установившихся и переходных режимах. // Вестник ИГЭУ. – Ива-
ново, 2012. - Вып. 4. - С.39-42.
Н.К. Швецов, магистрант; Ю.Б. Казаков, д.т.н., проф.
(ИГЭУ, г. Иваново)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЧАСТОТНО-
РЕГУЛИРУЕМОГО ТЯГОВОГО АСИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ РАСЧЕТА
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В СРЕДЕ ANSYS
В современных асинхронных электроприводах регулирование ско-
рости вращения двигателя осуществляется частотным методом при
питании его от преобразователя частоты (ПЧ), что позволяет умень-
шить потери при регулировании скорости. Требуемая амплитуда и
частота сигнала на выходе ПЧ обеспечивается посредством широтно-
импульсной модуляции (ШИМ) напряжения. Импульсный сигнал на
выходе ПЧ помимо основной гармоники содержит спектр высших
гармоник, которые вызывают в двигателе дополнительные потери [1].
Расчет потерь, возникающих при питании асинхронного двигателя
от ПЧ с ШИМ напряжения, основывается на разложении формы им-
пульсного сигнала в гармонический ряд, что позволяет учитывать дей-
ствие каждой гармоники в отдельности. Расчет усложняется наличием
зависимости активных и индуктивных параметров асинхронного дви-
гателя от частоты (номера гармоники) питающего напряжения. В це-
лях упрощения принимают, что индуктивные сопротивления рассея-
ния пропорциональны номеру гармоники, активные сопротивления
обмоток не зависят от частоты в машинах малой мощности (вслед-

Page 45

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
47
ствие слабого проявления эффекта вытеснения тока в обмотках). С
увеличением мощности двигателя, высоты пазов, для токов повышен-
ных частот активные сопротивления обмоток увеличиваются и могут
изменяться пропорционально квадратному корню из номера гармони-
ки. В асинхронных двигателях большой мощности, при глубоких па-
зах, активные сопротивления пропорциональны номеру гармоники [1].
Для определения более точных зависимостей параметров асин-
хронного двигателя от частоты необходимо прибегать к расчету элек-
тромагнитного поля при разных частотах. При помощи пакета Ansys
был произведен расчет электромагнитного поля в частотно-
регулируемом асинхронном двигателе мощностью 170 кВт на номи-
нальное линейное напряжение 570 В. Двигатель имеет глубину паза
ротора 29,5 мм, кратность пускового тока 6,9. Расчет производился на
одном полюсном делении (рис. 1).
Рис. 1. Полюсное деление двигателя и граничные условия
На внешней границе сердечника статора и внутренней границе сер-
дечника ротора задается нулевое значение векторного потенциала. В
силу симметрии на боковых границах полюсного деления приравнива-
ется к нулю тангенциальная составляющая вектора магнитной индук-
ции. В пазах статора уложена трехфазная двухслойная обмотка, с чис-
лом пазов на полюс и фазу, равным 4. Токи в стержнях ротора сдвину-
ты по фазе на угол 360*p/Z
2
=11.25.

Page 46

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
48
Двухмерная расчетная модель не позволяет в явном виде учитывать
шихтованность сердечников статора и ротора. При высоких частотах
электромагнитная волна проникает в листы сердечников на глубину, м
2

 

 

.
Можно считать, что наведенные в листе стали вихревые токи про-
текают лишь по поверхности листа, имеющей толщину Δ. Таким обра-
зом, эквивалентная электрическая проводимость стали на метр длины
шихтованного сердечника уменьшится, и будет являться функцией
частоты наведенных токов. Учитывая вышесказанное, можно записать:
2
( )
экв
f
f



 
 
 
,
где δ – толщина листа, м; γ – электрическая проводимость стали по-
стоянному току, См/м; μ – магнитная проницаемость стали, f – частота
наведенного вихревого тока.
На рис. 2 приведена картина поля (линии равного векторного по-
тенциала и карта плотностей тока) в расчетной области при номиналь-
ной частоте питающего напряжения рассматриваемого двигателя
f=43 Гц.
Рис. 2. Картина поля на полюсном делении асинхронного двигателя

Page 47

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
49
На рис. 3 приведены графики зависимостей активного сопротивле-
ния и собственной индуктивности стержня беличьей клетки ротора в
функции частоты питающего напряжения.
Рис. 3. Зависимость активного сопротивления и собственной индуктивности стержня
обмотки ротора от частоты
Из рисунка видно, что зависимости имеют нелинейный характер.
Увеличение активного сопротивления обусловлено действием эффекта
вытеснения тока, причем степень увеличения зависит от глубины паза.
Снижение индуктивности незначительно, в наибольшей степени про-
является в зоне низких частот (<1кГц). Данные зависимости позволяют
более точно учитывать изменение параметров двигателя от частоты
при расчете дополнительных потерь.
Библиографический список
1. Казаков Ю.Б., Андреев В.А., Сухинин В.П. Энергоэффективность асинхронных
двигателей при вариациях режимных и конструктивных параметров/ Под общ. ред. Ю.Б.
Казакова/ ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет
имени В.И. Ленина». – Иваново, 2012. – 132 с.

Page 48

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
50
С.А. Молчанов, студ., С.А. Нестеров, инж.,
Н.А. Морозов, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭДЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ МАГНИТОЖИДКОСТНОГО
ДЕМПФЕРА С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ ANSYS MAXWELL
В эпоху бурного роста производства всё чаще возникает необходи-
мость использования виброзащитных средств в динамических процес-
сах. Наиболее широкое распространение получили гидравлические
демпферы, диссипация энергии в которых происходит при движении
жидкости через различные каналы и перепускные клапаны. Управле-
ние силовой характеристики гидравлических демпферов производится
при помощи сложной механической системы, изменяющей размер
дросселирующих отверстий и величину давления в жидкости, необхо-
димого для открытия дополнительных перепускных клапанов.
Магнитная жидкость (МЖ) обладает текучестью и магнитными
свойствами, что позволяет создавать управляемые демпфирующие
устройства. МЖ – это коллоидный раствор, способный менять свою
структуру и вязкость под воздействием магнитного поля. Для получе-
ния стабильных рабочих характеристик демпфирующего устройства
МЖ должна иметь высокую седиментационную устойчивость в грави-
тационных и градиентных магнитных полях.
Управление силовой характеристикой демпфера осуществляется
изменением в рабочих зазорах магнитного поля, воздействующего на
протекающую в зазорах МЖ. В качестве объекта исследования выбран
прямоходовой магнитожидкостный демпфер (МЖД) с размещёнными
в поршне катушками управления. В ходе работы выполнено модели-
рование в системе ANSYS Maxwell магнитной системы демпфера при
применении для изготовления цилиндрического корпуса устройства
магнитного и немагнитного материала и проведён анализ полученных
результатов.
Была создана объемная модель демпфера, с заданными свойствами
всех элементов магнитной цепи, и задано сечение для получения кар-
тины магнитного поля. Данная модель была помещена в вакуум для
обозначения граничных условий. На рис. 1 показана модель демпфера,
состоящая из дисковых полюсов 1, катушки управления 2, штока 3 и
корпуса 4. Заполненный МЖ зазор δ разделяет поршень и корпус
демпфера. Магнитный поток создаётся заданием тока в катушке
управления. Свойства элементов задавались в соответствии с кривыми
намагничивания стали (Ст3),магнитной жидкости (МЖ С2-40М). Маг-

Page 49

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
51
нитная проницаемость немагнитных элементов принималась равной 1;
на границе области задавалось условие - значение векторного магнит-
ного потенциала равно 0.
При моделировании было создано три изменяющихся параметра:
1. Значение тока в катушках управления от 100 до 700 А с шагом
100 А;
2. Величина зазора от 0.5 до 2 мм с шагом 0.5 мм;
3. Положение оси поршня от положения оси демпфера (эксцентри-
ситет) в 4 точках с равным шагом.
Благодаря возможностям программы изменение параметров и пере-
строение геометрии модели происходило во время расчёта автомати-
чески, без участия пользователя. Это позволило значительно сократить
время, затраченное для сбора необходимых результатов, так как:
– при изменении тока в катушке управления расчётная сетка не пе-
рестраивалась;
– при изменении геометрических параметров системы (увеличение
зазора, сдвиг поршня с оси корпуса) отпадала необходимость в зада-
нии начальных и граничных условий.
Из характера распределения магнитного потока при магнитном и
немагнитном корпусе (рис. 2) видно, что при магнитном материале
корпуса (левая сторона рисунка) основная часть магнитного потока
замыкается через зазор между полюсом и корпусом (точка А) и прак-
тически не заходит в область рабочего зазора между катушкой и кор-
пусом (точка Б). Это является следствием относительно низкой, по
сравнению со сталью, магнитной проницаемостью МЖ. При немаг-
нитном корпусе наблюдается увеличение концентрации магнитного
потока в зазоре с МЖ, но напряженность магнитного поля имеет тот
же порядок, что и в немагнитном корпусе.
Рис. 1. Поперечное сечение модели магнитожидкостного демпфера:
1 – диски; 2 – катушка; 3 – шток; 4 – корпус
А
Б
А
Б
2
2
δ
δ
1
..
1
3
4
..
4
..
1
1

Page 50

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
52
Моделирование эксцентриситета показывает явное перераспреде-
ление магнитного поля при смещении поршня относительно корпуса
(рис. 3). Магнитное поле резко растёт при уменьшении зазора, но мало
изменяется в увеличивающейся части зазора. Увеличение магнитного
поля в области малого зазора создаёт силу одностороннего магнитного
тяжения (рис. 4), которая растет по мере роста намагничивающей силы
катушек управления и относительного эксцентриситета е поршня от-
носительно корпуса.
Рис. 2. Распределение магнитного потока в системе при магнитном (слева) и
немагнитном (справа) материале корпуса: 1 – диски; 2 – катушка; 3 – шток;
4 – корпус
А
Б
А
Б
2
2
δ
δ
1
..
1
3
4
..
4
..
1
1
Рис. 3. Распределение магнитного поля в максимальном зазоре (сплошная линия) и
минимальном зазоре (пунктирная линия) при разных эксцентриситетах:
1 – е = 0; 2 – е = 0,2; 3 – е = 0,4; 4 – е = 0,6; 5 – е = 0,8; намагничивающая сила 700 А
В, Тл
1,00
0,75
0,50
0,25
0,00
0,00
2,00
4,00
6,00
10,00
12,00
14,00
Z, мм
8,00
1
2
3
4
5

Page 51

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
53
Магнитное тяжение опасно перекосом штока, возможными задира-
ми поверхности рабочего цилиндра, быстрым износом герметизирую-
щих сальников. Если обеспечить отсутствие эксцентриситета более
0,2, то силы одностороннего тяжения будут малы и их можно не учи-
тывать при расчёте МЖД.
Несмотря на заметное снижение магнитной индукции в рабочем за-
зоре конструкции магнитожидкостного демпфера с немагнитным кор-
пусом нельзя окончательно исключать из рассмотрения. Основным
преимуществом конструкции с немагнитным корпусом является воз-
никающая опорная сила, центрирующая поршень относительно корпу-
са, величину которой можно оценить выражением [1].
S
H
M
F
m
s
o
H


,
(1)
где F
Н
– несущая сила опоры; μ
о
– магнитная проницаемость вакуума;
M
S
– намагниченность насыщения МЖ; H
m
– максимальное значение
напряженности магнитного поля на поверхности немагнитного тела;
S – площадь опоры в плоскости, перпендикулярной опорной силе.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №12-
08-97516)
Библиографический список
1. Морозов Н.А., Казаков Ю.Б. Нанодисперсные магнитные жидкости в технике и
технологиях / ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет
имени В.И. Ленина». – Иваново, 2011.
Рис. 4. Зависимость силы одностороннего магнитного тяжения от намагничива-
ющей силы катушки при разных значениях относительного эксцентриситета
0,1
0,2
0
0,6
е = 0,8
F,
Н
Iw, А
20
40
60
80
100
200
300
400
500
600

Page 52

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
54
Д.С. Корнилов, асп.; Ю.Б. Казаков, д.т.н., проф.;
В.П. Шишкин, к.т.н., проф.
(ИГЭУ, г. Иваново)
РАСЧЁТ ТРЕХМЕРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ТОРЦЕВОМ
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ГЕНЕРАТОРЕ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОЙ ПЛАТФОРМЫ
ANSYS WORKBENCH
Разрабатываемый торцевой беспазовый генератор с возбуждением
от постоянных магнитов может быть использован в автономных ис-
точниках питания малой мощности (от 500 Вт до 10 кВт). [1]. Отличи-
тельными особенностями данной конструкции являются её простота и
надёжность. Отказ от пазов значительно упрощает и удешевляет про-
цесс изготовления магнитопровода статора, решает проблему шума и
вибраций при работе генератора, позволяет уменьшить момент страги-
вания (стартовый момент) и снизить индуктивные сопротивления об-
моток.
Ввиду оригинальности конструкции генератора его математиче-
ское описание и методика проектирования несовершенны, к ней не
всегда применимы имеющиеся разработки в области торцевых машин.
В настоящее время рассчитано тепловое поле и поле скоростей возду-
ха в генераторе, следующий этап - расчёт распределения магнитного
поля в активных и конструктивных элементах машины с последующей
её оптимизацией. Цель оптимизации – уменьшение стоимости, мас-
согабаритных показателей при улучшении энергетических показате-
лей.
Первоочередной задачей при расчёте электромеханических преоб-
разователей энергии является определение картины магнитного поля в
активных частях машины. Это необходимо для расчета рабочего маг-
нитного потока и потоков рассеяния, индуктивных проводимостей
рассеяния обмоток. В исследуемом генераторе торцевой конструкции
электромагнитный расчёт осложнятся тем, что поле в нем трехмерное,
и приближенные расчеты методом магнитных цепей или решение ко-
нечно-элементных задач в плоскопараллельной постановке недоста-
точно достоверны.
Для решения задачи распределения магнитного поля выбрано одно
полюсное деление половины машины. Распределение магнитного поля
в остальных областях машины можно при необходимости получить
путем отображения полученного решения согласно принципам сим-
метрии (относительно плоскости, проходящей через нейтральное сече-

Page 53

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
55
ние сердечника статора) и периодичности (относительно плоскости,
разделяющей соседние полюсные деления машины).
Рис.1. Расчётная область:
1 – сталь статора, 2 – сталь ротора, 3 – постоянный магнит, 4 – воздух
Наиболее простой задачей является расчет режима холостого хода,
когда ток в обмотке якоря отсутствует и реакции якоря нет. В этом
случае область, занятая обмоткой, считается заполненной воздухом,
как и рабочий зазор машины. Расчетная область (рис. 1) имеет форму
сектора кольца и состоит из четырех подобластей: сталь статора, сталь
ротора, постоянный магнит трапецеидальной формы (источник маг-
нитного поля) и воздух.
Для решения задачи в программной платформе ANSYS Workbench
выбран модуль Magnetostatic. В разделе "Engineering Data" заданы
свойства материалов: "Воздух" (изотропная относительная магнитная
проницаемость равна 1), "Сталь 2211", "Сталь 3" (заданы кривые
намагниченности сталей), и "Магнит NdFeB" (задана кривая размагни-
чивания магнита по двум точкам – остаточной намагниченности и ко-
эрцитивной силе данной марки магнита). В разделе "Geometry" в про-
ект импортирована трехмерная модель, созданная в среде SolidWorks,
задано соответствие тел и материалов. В разделе "Model" созданы ло-
кальные координатные системы, заданы граничные условия периодич-
ности и симметричности, сгенерирована расчётная сетка. В разделе
"Setup" заданы настройки расчёта, задано граничное условие нулевого
магнитного потока на внешней поверхности окружающего воздуха. В
результате решения задачи в разделе "Solution" получено распределе-
ние магнитного поля в исследуемой области. На рис. 2 изображено
1
2
3
4

Page 54

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
56
распределение магнитной индукции на поверхности твердых тел: сер-
дечника статора, сердечника ротора и постоянного магнита.
Рис. 2. Распределение магнитной индукции на поверхности твердых тел
Полученные результаты моделирования будут использованы при
создании математической модели торцевого генератора на постоянных
магнитах, которая позволит быстро и достаточно точно рассчитать
распределение магнитного поля в машине без создания трехмерных
моделей и без использования метода конечных элементов.
Библиографический список
1. Шишкин В. П. Автоматизированное проектирование торцевых магнитоэлектри-
ческих генераторов переменного тока: Учеб. пособие / ГОУ ВПО "ИГЭУ им. В.И. Лени-
на". Иваново, 2006. 68 с.
И. Пайков, магистрант; А.И. Тихонов д.т.н. проф.
(ИГЭУ, г. Иваново)
РАЗРАБОТКА ПОЛЕВОЙ МОДЕЛИ СИЛОВОГО
ТРАНСФОРМАТОРА В СРЕДЕ MAXWELL
Одним из наиболее востребованных технических устройств, рабо-
тающих в энергосистемах, являются силовые трансформаторы, сум-
марная установленная мощность которых в 5-6 раз превышает генера-
торную мощность. Поэтому одним из перспективных направлений
развития энергетики является повышение надежности трансформатор-
ного оборудования и снижение затрат на его эксплуатацию. Это
предъявляет повышенные требования к системам проектирования дан-

Page 55

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
57
ных устройств, в частности, к точности, универсальности и быстро-
действию математических моделей, заложенных в основу САПР.
Ввиду определяющей роли магнитного поля в процессах преобра-
зования энергии в трансформаторах для поиска новых технических
решений используются численные полевые модели, позволяющие
учесть влияние особенностей магнитной системы на характеристики
проектируемого устройства. Так как надежность трансформатора во
многом зависит от его устойчивости к ударным токовым нагрузкам,
которые могут возникать в аварийных режимах, например при корот-
ких замыканиях, то важное значение имеют динамические модели
электромагнитных процессов. Расчет нестационарного электромагнит-
ного поля, который обеспечивает решение подобных задач, до сих пор
остается одной из наиболее трудоемких задач компьютерного модели-
рования. Кроме того, успех проектирования во многом зависит от точ-
ности тепловых расчетов, так как именно тепловое состояние опреде-
ляет как надежность работы трансформатора, так и его срок службы.
В настоящее время лидером в области создания систем инженер-
ных расчетов, опирающихся на моделирование физических полей в
технических системах, является система ANSYS, позволяющая решить
весь спектр обозначенных задач. Одной из специфических реализаций
ANSYS является пакет Maxwell, специализированный на решении за-
дач расчета электромеханических преобразователей энергии, в частно-
сти аппаратов, основанных на индукционном принципе, таких как
трансформаторы. Здесь можно формулировать и решать не только за-
дачи расчета физических полей, в том числе и нестационарных, но и
комбинированные задачи, совмещающие в себе расчет физических
полей и электрических цепей, в которые включены обмотки электро-
технических устройств.
Особенность расчета трансформаторов состоит в том, что во мно-
гих случаях оно требует использования трехмерных полевых моделей.
Поэтому для расчета магнитного поля была создана трехмерная ко-
нечно-элементная модель (рис. 1). Результаты расчета данной модели
для режима холостого хода приведены на рис. 2. Источниками магнит-
ного поля являются обмотки низкого напряжения. Токи в обмотках
заданы из условия симметричной системы токов для произвольно вы-
бранного момента времени. По результатам расчета были определены
величины основного магнитного потока и потока поля рассеяния.

Page 56

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
58
Рис. 1. Трехмерная конечно-элементная модель магнитного поля силового
трансформатора
Рис. 2. Результаты расчета трехмерной конечно-элементной модели магнитного поля
силового трансформатора
Главным недостатком трехмерной модели магнитного поля являет-
ся большое время расчета. Поэтому для расчета динамического режи-
ма работы трансформатора трехмерная модель не годится, так как за-
дача расчета поля в этом случае решается многократно в цикле инте-
грирования по времени. Для решения динамических полевых задач
была создана двухмерная модель (рис. 3, 4).

Page 57

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
59
Рис. 3. Двухмерная конечно-элементная модель магнитного поля силового
трансформатора
Рис. 4. Результаты расчета двухмерной конечно-элементной модели магнитного поля
силового трансформатора
Расчет динамической модели осуществлялся на примере решения
задачи включения силового трансформатора на холостом ходу (рис. 5).
Этот режим является довольно ответственным, так как при неудачном
моменте времени включения бросок тока в одной из фаз может приво-
дить к срабатыванию защитной аппаратуры. Задача решалась с учетом

Page 58

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
60
нелинейности кривой намагничивания, что приводит к несинусои-
дальности тока холостого хода (см. рис. 5).
Рис. 5. Результаты расчета изменения во времени токов в обмотках низшего напряжения
при включении трансформатора на холостом ходу
Аналогичным образом может быть смоделирован аварийный ре-
жим короткого замыкания (КЗ) и вычислены электродинамические
усилия, действующие на обмотки при ударном токе КЗ.
Рис. 6. Тепловая модель обмотки трансформатора

Page 59

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
61
Рис. 7. Результаты расчета тепловой модели обмотки трансформатора
Важное значение при проектировании трансформатора имеет теп-
ловой расчет при выбранной системе охлаждения. Точность теплового
расчета, выполненного по традиционным инженерным методикам,
обычно оказывается недостаточной для современного производства,
ориентированного на оптимизацию решений. Наличие в системе моде-
лирования возможности решать комбинированные задачи существенно
упрощает процесс проектирования.
В качестве примера на рис. 6 и 7 приведена тепловая модель об-
мотки трансформатора и результаты ее расчета. В качестве источников
теплового поля задавались теплопотери в обмотках, рассчитанные по
инженерной методике. На рис. 7 показаны конвективные потоки воз-
духа, омывающие обмотку сухого трансформатора. Магнитопровод в
модели не присутствует, так как он мало влияет на охлаждение обмот-
ки, зато существенно усложняет модель. Более точные модели могут
учитывать наличие охлаждающих каналов в обмотке, а также наличие
клиньев между концентрами.
Таким образом, несмотря на то, что современное проектирование
до сих пор во многом опирается на упрощенные инженерные методики
расчета и поиска оптимального решения, окончательный поверочный
расчет сегодня может осуществляться с использованием средств точ-
ного полевого моделирования, позволяющего учесть все особенности
конструкции спроектированного трансформатора, что существенно
снижает затраты на создание опытных образцов продукции.

Page 60

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
62
Г.А. Родионов, асп.; В.В. Бухмиров, д.т.н., проф.
(ИГЭУ, г. Иваново)
ПРИМЕНЕНИЕ ANSYS FLUENT ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПНЕВМОКАМЕРНОГО НАСОСА
В настоящее время широкое распространение получило математи-
ческое моделирование процессов происходящих в сложных промыш-
ленных установках. Это связано с тем, что для определения искомых
параметров работы оборудования необходимо проводить промышлен-
ные и лабораторные эксперименты, что в свою очередь дорого, долго,
а иногда и невозможно. Математическое моделирование позволяет
снизить затраты на проведение промышленных экспериментов и ис-
ключить ошибки проектирования оборудования.
В качестве инструмента для моделирования работы системы пнев-
мотранспорта был выбран программно-вычислительный комплекс An-
sys Fluent. Программный пакет Fluent позволяет моделировать работу
системы пневмотранспорта с учетом множества факторов: конструк-
ция элементов установки, температура воздуха, скорость воздуха и т.д.
Для моделирования был выбран пневмокамерный насос, т.к. имен-
но при помощи данного элемента и осуществляется транспортировка
сыпучего материала. В данной работе мы исследуем камерный насос
типа «Монжус», т.к. данный тип пневмонасосов является очень рас-
пространенным. Технические характеристики приведены ниже:
 производительность: 40–60 т/час;
 максимальная дальность подачи: 400 метров;
 коэффициент весовой концентрации смеси: до 60 (кг)/(кг воздуха);
 рабочее давление: 4–6 кг/см
2
;
 расход сжатого воздуха: 5,4...27 м
3
/мин;
 ёмкость одного монжуса: 1,2 м
3
;
 среднее время опорожнения одного монжуса: 0,8 мин;
Перемещение сыпучих грузов при помощи пневмокамерных насо-
сов осуществляется по следующему циклу:
 загрузка материала в камеру;
 подача сжатого воздуха в камеру с материалом;
 выгрузка пылевоздушной смеси в систему материалопроводов;
 продувка от остатков сыпучего материала.
При моделировании были рассмотрены только две части цикла: по-
дача сжатого воздуха в камеру и процесс выгрузки материала в мате-

Page 61

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
63
риалопровод, т.к. в эти моменты времени потребляется наибольшее
количество энергии.
Построение геометрии пневмокамерного насоса было выполнено в
CAD системе AutoCAD 2009 (см. рис. 1).
Рис. 1. Геометрическая модель пневмонасоса
Для построения расчетной сетки в Mesh-редакторе была применена
функция Fills для всего выделенного объема (By Caps). Применение
этого способа позволяет избежать проблем со стыковкой частей гео-
метрической модели и построить расчетную сетку только в области
необходимой для моделирования.
После построения геометрии было выполнено построение расчет-
ной сетки (см. рис. 2):
 количество элементов - 516399;
 количество узлов - 93063;
 минимальный размер - 0,09 мм;
 максимальный размер - 0,2 м.

Page 62

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
64
Рис. 2. Расчетная сетка пневмонасоса
Как видно расчетная сетка имеет низкое качество, т.к. минималь-
ный размер элементов превышает размер частиц твердого компонента.
Это сделано для увеличения скорости расчета. Однако, для увеличения
расчета были включены пристеночные функции (10 слоев).
После построения сетки были выполнены настройки расчетчика:
установлен режим расчета нестационарного процесса и выбрана мо-
дель Эйлера с подключением модуля дисперсных частиц. В качестве
модели турбулентности была выбрана k-ε. Далее были заданы гранич-
ные условия:
 расход воздуха: 5-7 кг/с;
 давление воздуха на входе: 0,6 МПа;
 уровень песка в баке: 0,6 м;
 объемная концентрация песка: 75%;
 диаметр частиц песка: 0,1 - 1 мм.
На первом этапе в качестве результатов расчета были получены
данные о концентрации пылегазового потока внутри пневмонасоса,
результаты приведены ниже.

Page 63

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
65
а)
б)
в)
г)
Рис. 3. Концентрация песка с течением времени
В результате моделирования были получены данные о происходя-
щих процессах проходящих в пневмокамерном насосе в течение вре-
мени. Полученные результаты моделирования позволят создать более
энергоэффективные конструкции пневмонасосов с минимальными
затратами на промышленные и лабораторные эксперименты.
И.И. Шаров, студ.; А.Л. Виноградов, к.т.н., зав. каф. ПГТ,
А.И. Киселев, к.т.н., доц.
(ИГЭУ, г. Иваново)
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
КОРПУСОВ МОЩНЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН В ANSYS
Современные тенденции в развитии энергомашиностроения харак-
теризуются стремлением к форсированию процессов теплообмена в
турбомашинах и к повышению их рабочих параметров, причем ставит-
ся вопрос о необходимости работы турбин в условиях переменных
нагрузок и нестационарных режимах, об ускорении периодов пуска и
останова машины. В связи с этим к современным и перспективным
турбинам наряду с требованиями высокой эффективности и экономич-
ности предъявляются высокие требования надежности. Последнее во
многом, как известно, зависит от точности и достоверности расчета

Page 64

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
66
теплового и напряженного состояния элементов ротора и статора ма-
шины.
В современных мощных паровых турбинах до- и сверхкритических
параметров температурный уровень элементов статора и ротора на
номинальном режиме работы не вызывает опасения, однако при пере-
ходе на переменные режимы из-за неравномерности обогрева или
охлаждения могут возникнуть градиенты температур, обуславливаю-
щие появление температурных напряжений и, как следствие, деформа-
цию и смещение элементов корпуса и ротора. При правильном расчете
термонапряженного состояния элементов турбины возможна разра-
ботка рационального графика пуска и останова машины.
Нами был рассмотрен процесс нестационарного теплообмена кор-
пуса мощной паровой турбины в районе паровпуска с учетом динами-
ческих нагрузок, меняющихся во времени (внешний корпус ЦВД тур-
бины К-800-240; пуск турбины из холодного состояния). При модели-
ровании использовался пакет ANSYS Mechanical, расчетная область
показана на рисунке 1.
Граничные условия:
а) на поверхностях расчетной области, граничащих с паром во
внутренней части корпуса, в течение всего процесса будет происхо-
дить изменение давления пара в поворотной камере р
п
;
б) точки 1 – зафиксированы в направлении х, т.е. смещений в дан-
ном направлении в течение всего процесса происходить не будет (эти
точки показывают размещение подводящих паропровода, которые и не
дают смещаться корпусу турбины в горизонтальном направлении);
в) на поверхностях расчетной области, граничащих с изоляцией, в
течение всего процесса будет действовать постоянное атмосферное
давление р
окр
=const;
г) линии 3 – зафиксированы в направлении y, т.е. смещений в дан-
ном направлении в течение всего процесса происходить не будет
(фланцевое соединение);
д) на поверхностях расчетной области, граничащих с паром в об-
низке, в течение всего процесса будет происходить изменение давле-
ния пара в обнизке p
обн
;
е) в точках 2 - начальный затяг шпильки, приходящейся на единицу
длинны фланца – Р/t, где Р – сила затяжки одного болта или шпильки,
t – расстояние между осями соседних болтов или шпилек;
д) Температура наружного воздуха, начальная температура металла
принимались равными 30
0
С;
е) Свойства металла: свойства стали марки 20ХМФЛ;

Page 65

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
67
ж) Скорость изменения параметров в режиме пуска: результаты
пуска взяты из ПТК «КВИНТ» блока К-800-240 Рязанской ГРЭС.
Рис. 1. Расчетная область наружнего корпуса ЦВД К-800-240
На первом этапе было необходимо найти начальный затяг шпиль-
ки, схема нагружения представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема нагружения фланцевого соединения.
Расчет производился на номинальные параметры пара:
- давление пара в межцилиндровом пространстве р
п
=8,1 МПа;
- давление пара в обниске р
обн
=0,1 МПа;
- атмосферное давление р
а
=0,1 МПа.
В результате проведенных расчетов было определено, что мини-
мальный затяг шпильки, обеспечивающий отсутствие утечек пара че-
рез фланцевое соединение, приблизительно равен 10 МН. Эпюра кон-
тактных напряжений представлена на рис. 3, из которой видно, что по
всей ширине фланцевого соединения контактные напряжения имеют
отрицательное значение, т. е. действует сжимающее усилие.

Page 66

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
68
Рис. 3. Эпюра контактных напряжений фланцевого соединения при номинальных
параметрах пара
Наибольший интерес при моделировании пуска из холодного со-
стояния представляет картина изменения напряженного состояния во
фланцевом соединении корпуса (рис. 5). Необходимо оценить вероят-
ность пропаривания фланца в результате ослабления натяга при про-
греве. В результате расчета были получены эпюры напряжения по ши-
рине фланцевого соединения, рисунок6, а так же изменения напряже-
ний в характерных точках фланцевого соединения, токи 1,2,3,4, рис. 7.
Рис. 5. Фланец внешнего корпуса ЦВД турбины К-800-240
Рис. 6 Распределение напряжений по ширине фланцевого соединения в конце пуска
блока

Page 67

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
69
а)
б)
в)
г)
Рис. 7. Зависимость напряжений от времени в точке: а-1;б-2;в-3; г-4.
Из графиков видно, что в течение всего процесса нагружения в ос-
новных точках фланцевого соединения сохраняется сжимающее усилие.
По результатам расчета за все время нагружения максимальная ин-
тенсивность напряжений составила σ
*
=496 МПа, коэффициент запаса
статической прочности n
s
=1,033, следовательно, после разгрузки турбо-
агрегата, в металле не появятся остаточные (пластические) деформации.
Е.Ю. Григорьев, асп. (ИГЭУ, г. Иваново)
А.Е. Зарянкин, д.т.н., проф. (МЭИ(ТУ), г. Москва)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В КОЛЬЦЕВЫХ
ДИФФУЗОРАХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН В
ИНЖЕНЕРНОМ ПАКЕТЕ ANSYS CFX
Кольцевые диффузоры являются неотъемлемой частью газовых
турбин, обеспечивая снижение давления преобразования кинетической
энергии газов, покидающих последнюю ступень турбины, в потенци-
альную энергию. В результате, за газовой турбиной давление оказыва-
ется ниже давления в последующем газоходе, что влечет за собой уве-

Page 68

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
70
личение использованного перепада энтальпий и, соответственно, уве-
личивается мощность всей установки [1].
Однако степень восстановления давления в диффузорах зависит от
многих факторов, учет которых представляет весьма сложную задачу.
Ее решение на основе физического моделирования течения в рас-
сматриваемых каналах сопряжено большими материальными затрата-
ми и требует весьма длительного времени. Указанные временные и
материальные затраты можно существенно уменьшить при разумном
сочетании физического и математического моделирования, когда ва-
риантные исследования ведутся на основе математического моделиро-
вания, а физическое моделирование используется для окончательных
конструктивных решений.
В данном случае исследования проводились на кольцевых диффу-
зорах с цилиндрической внутренней втулкой и коническим внешним
обводом диффузоров, при двух углах раскрытия α, равных 7 и 15°, и
двух степенях расширения канала n=F
1
/F
2
равных 2 и 4 . При этом,
рассматривались диффузоры с гладкими внутренними поверхностями,
с поверхностями с продольным оребрением и диффузоры с пристеноч-
ными перфорированными экранами.
Моделирование проводилось как при равномерном поле скоростей
во входном сечении диффузоров, так и закрученном потоке на входе,
когда угол закрутки φ менялся от 0° до 20°.
Весь указанный комплекс исследований позволил получить для
каждого диффузора детальную картину течения внутри рассматривае-
мых каналов (пример на рисунке 1) интегральные коэффициенты пол-
ных потерь энергии
ζ
п
и уровень вибрации стенок диффузоров, кото-
рые являются внешним индикатором течения рабочей среды внутри
диффузоров.
Весьма важным показателем точности проводимых теоретических
расчетов является степень сходимости результатов расчета с опытны-
ми данными. Для оценки этого показателя на рисунке 2 приведена от-
носительная погрешность полученных расчетных значений коэффици-
ента полных потерь энергии
ζ
п
относительно его опытных значений
[2], в зависимости от закрутки потока для всех исследованных диф-
фузоров.

Page 69

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
71
а)
б)
в)
г)
Рис. 1. Векторное поле скоростей а,б-диффузор α
1
=15
0
n=4; в,г- α
1
=15
0
n=4 оребрение
с подрезкой; а,в-угол закрутки потока на входе φ=0
0
, б,г- φ=20
0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0
5
10
15
20
φ, [град]
(ζ
п
расч
- ζ
п
эксп
)/ζ
п
эксп
1
2
3
4
5
6
7
Рис. 2. Относительная погрешность результатов (ζ
п
расч
- ζ
п
эксп
)/ζ
п
эксп
численного модели-
1
=7
0
n
1
=15
0
n
1
=15
0
n=4;
1
=7
0
n
1
=15
0
n
1
=15
0
n
1
=15
0
n=4
оребр. №2.
Приведенные результаты показывают, что удовлетворительное
совпадение расчетных и опытных значений коэффициент
ζ
п
с по-
грешностью менее 3 % имеет место только для диффузоров с углом
раскрытия α=7° и α=15° при n=2 ( диффузоры №1 , №2) и диффузора
α=15° при n=2 с продольно оребренной обтекаемой поверхностью
внешнего обвода кольцевого диффузора ( диффузоры №5) , когда в

Page 70

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
72
исследуемых каналах отсутствовали развитые области отрывного те-
чения.
В более сложных течениях при наличии развитого оребрения обте-
каемых поверхностей и угле α=15° погрешность расчета достигла 8%.
Полученные результаты имеют важное практическое и теоретическое
значения, поскольку указывают на необходимость критического
осмысления чисто расчетных результатов и корректировки интеграль-
ных характеристик опытными данными.
Основные результаты проведенного математического и физиче-
ского моделирования течений в кольцевых диффузорах сводится к
следующему:
1. Введение в кольцевых диффузорах продольного оребрения на
внутренней поверхности внешнего обвода существенно меняет карти-
ну течения и ведет к более интенсивному нарастанию давления и
снижению скорости на первой половине канала, чем при отсутствии
оребрения. Это обстоятельство позволяет при сохранении высокой
степени расширения диффузорного канала заметно сократить его осе-
вую длину.
2. Введение продольного оребрения в кольцевых диффузорах не
привело к качественному изменению зависимости коэффициента пол-
ных потерь от угла закрутки потока во входном сечении. Как и в глад-
ких диффузорах при углах закрутки φ <15° указанный коэффициент
несколько снижается и только при φ>15° наблюдается его заметное
увеличение.
Библиографический список
1. Дейч М. Е., Зарянкин А. Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков
турбомашин. — М.: Энергия, 1970.
2. Зарянкин А.Е., Григорьев Е.Ю. Пути повышения надежности кольцевых диффузо-
ров газовых турбин// материалы Международной научн.-тех. конф. «Состояние и пер-
спективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения), том 2, Иваново
2011, С. 60-64.

Page 71

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
73
В.В. Щаулов, асп. (МЭИ(ТУ), г. Москва)
Е.Ю. Григорьев, ст. преп. (ИГЭУ, г. Иваново)
А.Е. Зарянкин, д.т.н., проф. (МЭИ(ТУ), г. Москвва)
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ГАСИТЕЛЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОТОКА В
ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМАХ В
ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS
На любой электростанции магистрали трубопроводов (паропрово-
дов) имеют весьма сложные конфигурации, изобилующие всевозмож-
ными поворотами и разворотами потока. После каждого такого пово-
рота происходит деформация профилей скоростей и давлений, изменя-
ется качественная картина течения, что в свою очередь отражается на
эффективности работы последующего оборудования и делает невоз-
можным установку измерительной аппаратуры (например, расходоме-
ра) ближе чем на 5-10 диаметров трубы непосредственно за поворо-
том.
Таким образом, встает вопрос о создании устройства, позволяюще-
го получить равномерный поток на небольшом расстоянии за пово-
ротным коленом, причем оно должно удовлетворять следующим кри-
териям:
1) технологичность - простота изготовления и низкая себестоимость;
2) малые габаритные размеры;
3) степень неравномерности потока на выходе не должна превышать
10%;
4) обеспечение осесимметричной картины течения при различных
начальных возмущениях;
5) допустимый уровень потерь.
Максимальное возмущение в трубопроводах поток испытывает при
развороте на 180 градусов, поэтому именно этот случай был принят за
базовый при математическом моделировании.
Описание модели:
Исследуемая модель состоит из входного участка, представляюще-
го собой трубопровод, диаметром 180мм, в котором происходит разво-
рот потока на 180 градусов, далее идет трубопровод большего диамет-
ра, в котором установлено гасительное устройство, выходя из которого
поток попадает в конфузорный канал, соединяющийся с трубой исход-
ного диаметра.
Исследовались следующие варианты конструкции в области рас-
ширения:

Page 72

Материалы МНТК ЭНЕРГИЯ-2012
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
74
1) Перфорированный конус (d
отв
=10мм);
2) Перфорированный конус с обратным конусом (dотв=10мм);
3) Перфорированный конус с перфорированным диском сразу за кону-
сом (d
отв
=10мм);
4) Перфорированный конус (dотв=10мм) с перфорированным диском
сразу за конусом (d
отв
=5мм);
5) Перфорированный конус (d
отв
=10мм) с перфорированным диском
(dотв=5мм), отнесенным на 50мм по потоку;
6) Два перфорированных диска, установленных последовательно
(d
отв
=10мм и 5мм соответственно).
Для каждого из указанных случаев была построена трехмерная ма-
тематическая модель, пример которой изображен на рис. 1.
Рис. 1. Трехмерная модель одной из конструкций
Использовались неструктурированные тетраэдральные сетки с
призматическими слоями вдоль образующих канала, минимальный
размер ячейки при этом был равен 0,01мм, а максимальный достигал
4мм. Общий вид на сетку показан на рис. 2.
Рис. 2. Пример расчетной сетки

Page 73

Математическое моделирование в энергетике с использованием программной
системы ANSYS_______________________________
75
Результаты проведенного моделирования представлены в табл. 1,
где показано насколько среднерасходная скорость отличается от мак-
симальной. Как следует из приведенных данных, перфорированный
конус с отверстиями диаметром 10 мм характеризуется относительной
средней скоростью равной 0,89. Несколько лучшие результаты полу-
чены с гасителем в виде обратного перфорированного конуса
(С
av
=0,9). Варианты 3 и 4 с добавочным перфорированным диском за
конусом к серьезным изменениям в выходном поле скоростей не при-
вели. И только при удалении перфорированного диска от конуса на
50мм относительная среднерасходная скорость увеличилась до 0,954,
аналогичные результаты были получены и для гасителя, состоящего из
двух последовательно расположенных перфорированных дисков.
Результаты математического моделирования шестого варианта и
приведены на рис. 3. Соответствующее поле скоростей во взаимно
перпендикулярных плоскостях на выходе из гасителя показано на ри-
сунке 4. Для рассматриваемого случая течение в выходном сечении
гасителя оказалось фактически осесимметричным. Небольшие пики
скорости вблизи стенок обусловлены ускорением потока в конфузор-
ной части гасителя. Аналогичные расчеты, проведенные для трубопро-
вода с поворотом на 90 градусов, показали практически такие же ре-
зультаты. Таким образом, представленная система гашения неравно-
мерности потока в трубопроводных системах позволяет использовать
все существующие системы измерения расхода при небольших разме-
рах прямолинейных участков труб, воспринимающих неравномерный
поток.
Таблица 1. Результаты проведенного моделирования
№
1
2
3
4
5
6
C
av
/C
max
0,89
0,9
0,91
0,926
0,954
0,953
Рис. 3. Поле скоростей

Page 74

Информация о работе Разработка технически обоснованных тепловых потерь зданий в ANSYS