Опыт применения программного инструментария star CCM+ при проектировании технологического оборудования для опасного химического производства

Серебряник П.С. , Жмуркин С.М., Епишин И.Г.

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММНОГО ИНСТРУМЕНТАРИЯ STAR CCM+ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ОПАСНОГО ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Разработка технологического оборудования для опасного химического производства (далее по тексту изделие), например, для производственного объекта по уничтожению химического оружия (УХО) характеризуется жесткими требованиями к его безопасности, надежности и стойкости, сжатыми сроками создания, отсутствием типовых проектов и отсутствием возможности проведения испытаний на воздействие специальных факторов в полном объеме.

Как заказчики, так и исполнители заказов едины во мнении, что для эффективного решения проблемы обеспечения безопасности, надежности и стойкости создаваемых изделий принципиально необходимы CALS (Continuous Acquisition and Life Cycle Support) технологии. В настоящее время CALS - технология рассматривается как комплексная системная стратегия повышения эффективности процессов, связанных с разработкой промышленной продукции.

Важным компонентом CALS-технологии являются программные инструментальные средства расчетов и моделирования физико-химических процессов функционирования изделий.

В связи с появлением большого числа профессиональных пакетов прикладных программ (ППП), к которым относят так называемые «средние» и «тяжелые» CAD/CAE/CAM системы выполнение расчетов и моделирования сопряжено с проблемой их адекватного выбора и применения.

При выполнении широкого круга задач расчета прочности и теплопроводности конструкций технологического оборудования применяются такие ППП, как отечественные - МАРС, ЛИРА, МЕГРЭ-SD, МАК, АСТРА, КАСКАД-2, ASTA, APM WinMachine, а также зарубежные - I-DEAS, Pro/ENGINEER, MSC/NASTRAN, ANSYS, MATRA, Unigraphics, COSMOS/M, STAAD III и некоторые другие.

Такие зарубежные программные инструментарии как STAR-CD, STAR-CCM+ применяются для решения широкого круга задач газодинамики и тепломассообмена.

В настоящей работе приводится опыт применения инструментария STAR-CCM+, накопленный в ОАО НПП «Химмаш-Старт» при проектировании технологического оборудования для опасных производственных объектов УХО.

Программный инструментарий STAR CCM+ разработан специально для вычислений в области газо- и гидродинамики и предназначен для решения научных и инженерных задач. Он имеет следующие достоинства:

- возможность импорта пространственных сеток объектов, сформированных программами инженерного проектирования (Autocad, Компас и др.);

- развитые возможности формирования поверхностных и объемных сеток для разбиения объема текучих сред и твердых тел на конечные элементы; разбиение проводится в автоматическом режиме и может быть скорректировано вручную; размерность сформированных массивов конечных элементов ограничена только вычислительными мощностями применяемых компьютерных систем;

- обеспечена возможность параллельных вычислений на многопроцессорных вычислительных системах;

- располагает обширным перечнем используемых физических моделей для описания физических процессов массопереноса и теплообмена, сжимаемости, химических реакций в текучих средах и на границе с твердым телом. Модели легко подключаемы (путем выбора из списка) и хорошо документированы (в руководстве пользователя дано подробное описание используемых уравнений со ссылками на оригинальные научные статьи и монографии);

- набор решателей систем уравнений, с предварительно предустановленными параметрами релаксации, обеспечивающими устойчивое решение основного круга задач. Предоставляется возможность замены решателей и изменения параметров релаксации оператором, в том числе и в процессе вычисления;

- интуитивно понятный и развитый интерфейс, обеспеченный средствами отслеживания процесса вычислений, и предоставляющий возможность оперативного вмешательства оператора в сложных случаях;

- обширная встроенная база данных термодинамических, кинетических и иных характеристик газообразных, жидких и твердых материалов, которую легко применять;

- развитые средства обработки и представления результатов вычислений, в том числе формирование карт распределения различных вычисленных характеристик (температур, давлений, скоростей и т. п.) на плоскостях, цилиндрических, сферических и иных определенных оператором поверхностях, построение графиков зависимостей, линий тока, изопараметрических поверхностей, формирование анимационных картин с разверткой во времени и т.д.

STAR CCM+ позволяет моделировать:

- ламинарное и/или турбулентное течение однокомпонентных, многокомпонентных и многофазных газов и жидкостей, как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями;

- процессы перемешивания различных фаз в жидкостях и газах (модель Эйлеровых фаз);

- перенос твердых и жидких частиц в текучих средах (модель Лагранжевых фаз);

- горение;

- испарение капель и кавитацию;

- теплоперенос и механические напряжения в твердых телах;

- различные типы испарения, инжекции, отражения, поглощения тепла и материальных потоков на границах раздела сред;

- движение газов и жидкостей в устройствах с движущимися лопатками (турбины, центробежные насосы и т. п.).

Разнообразие применяемых физических моделей и решателей позволяет пользователю по своему усмотрению комбинировать эти модели и вычислительные процедуры для описания и решения той задачи, которая перед ним стоит. При этом пользователю не требуется заниматься написанием собственного программного кода, хотя возможность конструирования собственных функций и исполняемых модулей ему предоставляется.

Если пользователь обладает основами знаний физики и химии процессов, происходящих в моделируемом объекте, имеет представление об основных уравнениях математической физики, описывающих теплообмен и массоперенос, и конечно-элементных методах их решения, то STAR CCM+ (последняя версия 4.02) дает пользователю большие возможности количественного моделирования теплообмена и массопе-реноса в газовых, жидкостных и комбинированных средах при самой разнообразной пространственной геометрии исследуемых объектов.

Программный инструментарий STAR CCM+ применяется в ОАО НПП «Химмаш-Старт» с 2008 года. За истекший год выполнен большой объем работ. Наиболее характерными примерами являются следующие работы.

1. Рассчитаны режимы работы и оптимизированы параметры эжекторов, используемых в системах удаления шлаков и газов из застойных зон технологического оборудования. В эжекторах применяются соп-

ла со сверхзвуковым истечением газа. Организация вычислительного процесса для такой системы наталкивается на проблему неустойчивости при запуске процесса из-за существенно различных условий на входах в систему. Проблема решалась двояким образом. Во-первых, для запуска вычислительного процесса принудительно разрушалась застойная зона за счет создания на начальной стадии перепада статического давления между входом и выходом эжектора, что приводило к возникновению потока даже при отсутствии подачи рабочего тела. После установления устойчивости процесса вычислений этот искусственно созданный перепад давления убирался. Во-вторых, использовалась комбинация нестационарного решателя на ранних стадиях с весьма малым временным шагом с последующим переходом к стационарному решателю. Управление процессом вычисления производится оператором, анализирующим графики изменений невязок основных параметров в процессе вычислений. Проведенные вычисления позволили рассчитать производительность различных вариантов конструкций эжектора, а также разрежение всасывания при условии закупорки входа в эжектор.

2. Аналогичным образом рассчитана эжекторная система пневмотранспортировки гранул сорбента при заполнении емкостей контактных аппаратов. В этом расчете дополнительно использовалась модель фаз Лагранжа для моделирования распространения увлекаемых потоком гранул сорбента в трубопроводе. Определены возможные зоны накопления сорбента в трубопроводе и выданы рекомендации для их устранения.

3. Выполнены расчеты режимов работы пневмогидравлических форсунок высокого давления для распыления дезактивирующего раствора в реакторе. Определена пространственная конфигурация факела форсунки. Режим работы форсунки также характеризуется сверхзвуковым истечением воздуха и распыляемых им частиц раствора. Наибольшую трудность представляло моделирование смешения жидкости и воздуха в закрытой смесительной камере. Использовалась модель Эйлеровых фаз. Из-за очень большой разности в плотности и скоростях подвода смешиваемых фаз процесс вычисления характеризуется очень низкой устойчивостью. Задача была решена методом последовательного изменения граничных условий. Процесс вычисления первоначально запускался для уровней подачи воды и воздуха на соответствующие входы порядка 1 % от запланированных. Использовался нестационарный решатель. Для моделирования нарастания потоков на входах воды и воздуха (имитировалось постепенное открытие кранов в реальных условия) были сконструированы полевые функции, описывающие нарастание потоков во времени. При этом первоначально увеличение интенсивности потока воды производилось более быстро (до 100 % от планируемого показателя при увеличении потока воздуха до 20 %), а затем при постоянном уровне подачи воды поток воздуха увеличивался до запланированного. Показано, что в смесительной камере происходит интенсивное образование вихрей, которое и обеспечивает перемешивание водо-воздушной смеси еще до достижения выходного сопла форсунки. Одновременно показана опасность возникновения неустойчивости работы форсунки такого типа при недостаточном давлении подачи воды.

4. Выполнено моделирование процесса отсоса стружки на устройстве расснаряжения боеприпасов. Рассчитана конфигурация всасывающей камеры, обеспечивающая удаление стружки и конфигурация циклонного сепаратора для ее отделения в утилизируемую емкость из потока всасываемого воздуха.

5. Выполнен тепловой и аэродинамический расчет теплообменника нестандартной конфигурации с трубным пучком. Моделирование позволило оптимизировать потоки газов в теплообменнике за счет введения перегородок, конфигурация которых была выбрана после нескольких пробных расчетов. В этой задаче совмещались: моделирование потока печного газа в межтрубном пространстве, потока охлаждающего воздуха в трубном пространстве, конвективный теплообмен на внешних и внутренних поверхностях труб и теплообмен посредством теплопроводности через материал труб. Основная сложность этой задачи состояла в адекватном разбиении сред на конечные элементы в связи с существенно разными масштабами при разбиении трубного и межтрубного пространств и необходимостью согласования получающихся сеток. В результате моделирования были определены поля температур на различных участках теплообменника, что позволило оптимально выбрать применяемые материалы с учетом требований по коррозионной устойчивости и прочности.

6. Выполнено моделирование процесса охлаждения реакционного газа путем распыления в реакторе мелкодисперсной взвеси воды, подаваемой из форсунок. Моделирование это процесса представляет особую сложность из-за комбинации высокоинтенсивного теплообмена при испарении капель воды, очень большой пространственной неоднородности потоков (размеры форсунок порядка 10 мм, диаметр реактора 1,6 м, а его длина достигает 10 м, наличие застойной зоны в нижней части реактора, в которой собираются твердые продукты), большой разности температур (1400 К на входе печного газа и 300 К на входе водо-воздушной смеси) и возникающих гигантских вихрей в объеме реактора. В этой задаче собраны практически все трудности в моделировании турбулентных потоков в газовых средах. Возможность моделирования испарения капель появилась только в последней версии STAR CCM+ 4.02, вышедшей в феврале 2009 г. Для решения задачи применялись модели: многокомпонентной сжимаемой газовой смеси, модель Лагранжевых фаз для описания распространения капель воды, модель инжекторов для описания подачи капель воды, модель испарения капель, модель увлечения капель воды турбулентным потоком газа. Обеспечение сходимости вычислений для решения такой задачи вызывает большие сложности. Задача решалась в несколько этапов. Во-первых, это организация начальной конфигурации газовых потоков в реакторе, которая складывается из низкоскоростного потока печного газа и высокоскоростных потоков воздуха из форсунок, который разрывает первый поток. Процесс был запущен для на нестационарном решателе при первоначальных временных шагах порядка 0,0001 с с последующим их увеличением до времен порядка 1 с. Температура исходных потоков считалась одинаковой и равной 300 К. Затем подключался поток жидких капель из инжекторов, совмещенных с областями поступления сжатого холодного воздуха. Так моделировалось действие форсунок. После установления основной конфигурации течений и вихрей постепенно повышается температура на входе печного газа. Для повышения устойчивости процесса вычислений временной шаг снижается до 0,1..0,01 с. Показано, что в нижней застойной зоне реактора формируется холодная зона со 100 % влажностью. Количество генерируемого пара при испарении капель соответствует уравнению теплового баланса, что дает основания предполагать реалистичность моделирования этого сложного процесса.

Применение компьютерного моделирования процессов массопереноса и теплообмена с использованием программного инструментария STAR CCM+ позволил значительно повысить качество и производительность проектирования технологического оборудования для производственных объектов УХО.

Программный инструментарий STAR CCM+ может быть рекомендован для применения в научноисследовательских и опытно-конструкторских работах, связанных с разработкой различного технологического оборудования (печей, реакторов, пневмотранспортного оборудования, систем вентиляции, фильтрации, разделения потоков веществ и т.д.) .