Finite element modeling of thermohydraulic processes by the porous body method
Authors: Яуров С.В. , Данилов А.Д. , Гусев К.Ю. 
Published: July 2024

В работе рассмотрены наиболее известные модели пористого тела, используемые для упрощения выполнения теплогидравлических расчетов методом конечных элементов. Показаны основные подходы и зависимости при использовании модели пористого тела в расчетах. Представлены результаты теплогидравлических расчетов с применением модели пористого тела Дарси. Выполнен расчет теплообменного аппарата со спирально навитыми трубками, выполнен расчет сложной технологической системы, имеющей в своем составе механические фильтры разной конфигурации. Определены расхождения расчетных и реальных параметров оборудования. Применение модели пористого тела в качестве гидравлического аналога оборудования на примере механических фильтров и теплообменника показало приемлемые результаты (отклонения от проектных величин составляет от 0,1 % до 10 %). Данные расхождения связаны с точностью / правильностью подбора законов (зависимостей) сопротивления для пористых тел. Применение подхода пористого тела при моделировании режимов работы технологических систем, включающих оборудование со сложной конструкцией, оправдано, в первую очередь, когда от результата расчетного моделирования требуется спрогнозировать режимы работы системы в целом, а возникающие внутри оборудования локальные процессы – нет. Во вторую очередь, когда необходимо сократить время выполнения расчетов при невысоких имеющихся мощностных возможностях компьютеров. Однако предлагаемый подход имеет недостатки, в частности, достаточно сложной является процедура определения степени пористости моделируемого объекта и законов гидравлического сопротивления, подобранных из эмпирических зависимостей.

The paper considers the best-known models of a porous body used to simplify the performance of thermohydraulic calculations by the finite element method. The main approaches and dependencies when using the porous body model in calculations are shown. The results of thermohydraulic calculations using the Darcy porous body model are presented. The calculation of a heat exchanger with spirally wound tubes was performed, the calculation of a complex technological system consisting of mechanical filters of different configurations was performed. The discrepancies between the calculated and actual parameters of the equipment are determined. The use of a porous body model as a hydraulic analogue of equipment using the example of mechanical filters and a heat exchanger showed acceptable results (deviations from the design values range from 0,1 % to 10 %). These discrepancies are related to the accuracy/correctness of the selection of porous body resistance laws (dependencies). The use of the porous body approach in modeling the operating modes of technological systems including equipment with a complex design is explained, first of all, when it is required to predict the operating modes of the system as a whole from the result of computational modeling, but local processes occurring inside the equipment are not. Secondly, when it is necessary to reduce the time for performing calculations with low available power capabilities of computers. However, the proposed approach has disadvantages, in particular, the procedure for determining the degree of porosity of the simulated object and the laws of hydraulic resistance selected from empirical dependencies is quite complex.