Strona głównaSOLIDWORKS Flow SimulationSOLIDWORKS Flow Simulation: jak rozdzielić cząstki stałe od gazu?

SOLIDWORKS Flow Simulation: jak rozdzielić cząstki stałe od gazu?

SOLIDWORKS Flow Simulation: jak rozdzielić cząstki stałe od gazu?

Czym jest cyklon i do czego służy? Jest to rodzaj odpylacza, który służy do oczyszczania gazów z cząstek stałych (pyłu). Sposób działania cyklonu polega na wprowadzeniu zanieczyszczonego powietrza do cylindrycznej komory, gdzie gaz zaczyna wirować. Skutkiem tego jest oddzielenie cięższego pyłu od gazu ze względu na działanie siły odśrodkowej. W wyniku ocierania się o ścianki, cząstki stałe wytracają prędkość i opadają na spód cyklonu pod wpływem grawitacji, a powietrze wypływa ku górze, gdzie umieszczony jest centralnie kanał. Zjawisko to oraz sposób działania samego cyklonu można przenieść na ekran komputera za pomocą programu SOLIDWORKS Flow Simulation.

Problematyka

Po co symulować zjawiska fizyczne i przenosić je na ekran komputera? Te czynności wykonuje się z tego względu, że pozwalają one lepiej zrozumieć zjawiska fizyczne oraz pozwalają inżynierom na brak konieczności przeprowadzania badań doświadczalnych. Symulacje komputerowe przyspieszają znacznie proces projektowania oraz pozwalają na znaczne zaoszczędzenie kosztów pieniężnych. Bardzo dobrym przykładem takiego podejścia jest zaprojektowanie odpylacza cyklonowego. Za pomocą SOLIDWORKS Flow Simulation możliwe jest sprawdzenie, czy zaproponowany separator odpowiednio wykonuje swoje zadanie.

Celem poniższej symulacji jest zamodelowanie cyklonu, do którego doprowadzane jest zanieczyszczone powietrze z prędkością 60 m/s. Cząstki żelaza są traktowane elementy doprowadzane razem z powietrzem.

Geometria poniższej symulacji została zaprezentowana na dwóch poniższych rysunkach.

SOLIDWORKS Flow Simulation - geometria do symulacji

SOLIDWORKS Flow Simulation - przekrój geometrii do symulacji

Dla tak stworzonego modelu, można było przejść do zaprojektowania symulacji.

Pierwszym etapem tworzenia symulacji było skorzystanie z kreatora projektu „Wizarda” oraz poinformowanie programu, jaki typ przepływu będzie brany pod uwagę. W tym wypadku istotnymi informacjami było to, że program ma uwzględnić siłę grawitacji oraz to, że przepływ jest wewnętrzny. Ponadto zaznaczono, że w symulacji będzie znajdował się region, który będzie wykonywał ruch obrotowy.

SOLIDWORKS Flow Simulation - ustawienia generalne

Następnie zaznaczono, że w symulacji będzie występować powietrze. Po zaznaczeniu tych informacji wprowadzono do programu podstawowe warunki inicjalizujące.

SOLIDWORKS Flow Simulation - podstawowe warunki inicjalizujące

Po dokonaniu powyższych kroków postanowiono zaznaczyć obszar wirujący, który będzie przedstawiać wiatrak. Jest on dodany w celu zaprezentowania lepszej separacji powietrza od cząstek stałych. Postanowiono, że region wirujący będzie się obracać z prędkością 80 rad/s i że będzie znajdować się już w kanale odprowadzającym powietrze. W celu zdefiniowania obszaru, należało zaznaczyć odpowiedni obiekt, a następnie przypisać mu prędkość obrotową.

SOLIDWORKS Flow Simulation - dodanie obszaru wirującego

Kolejnym etapem było zdefiniowanie warunków brzegowych. Pierwszym warunkiem brzegowym jest wskazanie dolotu oraz podanie informacji z jaką prędkością doprowadzane jest powietrze.

SOLIDWORKS Flow Simulation - wskazanie wylotów z geometrii

Następnie należało wskazać wyloty z geometrii. W przypadku tej symulacji, geometria posiada dwa wyloty- na górze cyklonu oraz na dole. Przy definiowaniu wylotów, należało podać informacje jakie panuje tam ciśnienie. W tym wypadku było to ciśnienie otoczenia.

SOLIDWORKS Flow Simulation - ciśnienie otoczenia

Ponadto zdecydowano się przypisać chropowatość wewnętrznym ściankom cyklonu. W tym wypadku zdecydowano się, że chropowatość będzie równa 12 mikromoterów.

SOLIDWORKS Flow Simulation - przypisanie chropowatości

Po wskazaniu warunków brzegowych, następnym krokiem było zdefiniowanie celów obliczeniowych. W tym wypadku były to prędkości średnie na wylotach. Jak widać na poniższym rysunku, użytkownik może zażądać śledzenia znacznie większej ilości parametrów. Jednakże w tym wypadku średnia prędkość jest wystarczająca.

SOLIDWORKS Flow Simulation - zdefiniowanie celów obliczeniowych

Kolejnym etapem było zdefiniowanie siatki. W tym wypadku ustawiono poziom „Refining Cells” na wartość 3. Po ustawieniu wszystkich opcji można było przejść do przeprowadzenia symulacji.

Analiza wyników

Pierwszą analizą na jaką się zdecydowano, było zastosowanie narzędzia „Cut plot” do wskazania prędkości panującej w przekroju cyklonu. Jak widać na poniższym rysunku, powietrze porusza się po okręgu.

SOLIDWORKS Flow Simulation - narzędzie cot plot

W celu lepszej wizualizacji danych można przeprowadzić śledzenie trajektorii przepływu powietrza. Dzięki temu narzędziu uzyskuje się niesamowity wgląd w przepływ płynu i można zobaczyć znacznie więcej niż w przypadku rzeczywistych eksperymentów. Ilustruje to poniższa animacja.

Powyższa animacja potwierdza fakt, że płyn porusza się ruchem okrężnym.

Przy tak zdefiniowanej symulacji, SOLIDWORKS Flow Simulation umożliwa użytkownikowi na śledzenie przepływu cząstek w podanej geometrii. Trzeba natomiast zdawać sobie sprawę, że dodane cząsteczki nie mają wpływu na generalną trajektorię przepływu.

W celu dodania cząstek ciał stałych należy wybrać opcję „Practicle Study”, która znajduje się w głównym drzewie projektu.

SOLIDWORKS Flow Simulation - practicle study

Opcja ta wymaga przeprowadzenie dodatkowych obliczeń. Te jednakże wykonują się błyskawicznie i wyniki są uzyskiwane automatycznie. W celu dodania cząstek do przepływu, pomaga kreator projektu, który prosi użytkownika o podanie wszystkich niezbędnych informacji. Należą do nich takie takie infomracje jak wskazanie ściany, która doprowadza pył, czy rozmiar cząstek ( w tym wypadku 1e-05 m), czy właściwości fizyczne cząstek. Dla tej symulacji zdecydowano się na wprowadzenie cząstek wykonanych z żelaza. Ponadto użytkownik może podać wartość przepływu masowego, czy prędkości początkowej. W tym wypadu zdecydowano się na zostawienie wartości domyślnych.

SOLIDWORKS Flow Simulation - starting points

Następnie program prosi użytkownika o wskazanie tego, czy w symulacji program ma brać pod uwagę erozję, czy akrecję. Dodatkowo użytkownik jest proszony o to jak mają zachować się cząstki po zderzeniu ze ścianą. W tym wypadku zdecydowano się, że będzie to idealne odbicie od ściany.

SOLIDWORKS Flow Simulation - idealne odbicie

Po tak zdefiniowanych warunkach można było przejść do wizualizacji uzyskanych danych.

Jak widać na poniższym rysunku, cząstki żelaza nie przedostają się do górnego kanału. Wszystkie fragmenty kumulują się w dolnej części cyklonu.

SOLIDWORKS Flow Simulation - cyklon

Wynika stąd, że sposób działania separatora jest poprawny i że urządzenia spełnia swoje zadanie. Wszystkie cząstki ciał stałych wydostają się przez dolny otwór cyklonu, nastomiast czyste powietrze wydostaje się kanałem, znajdującym się przy górnej części separatora.

SOLIDWORKS Flow Simulation - poprawne działanie separatora

Podziel się:

Absolwnet Politechniki Warszawskiej na kierunku Mechatronika ze specjalnością Elektroniczne Systemy Pomiarowe. Inżynier numerycznej mechaniki płynów CFD. Prywatnie jestem miłośnikiem jazdy na nartach oraz pływania na windsurfingu. Dodatkowo miłośnik tańca West Coast Swing