Материал: Системы обеззараживания сточных вод

·        теплообмен излучением с управлением прозрачностью стенок и разделением свойств стенок для теплообмена излучением и солнечной радиации;

·        расчет траекторий и температур твердых частиц или капель в потоке;

·        оценка эрозионного износа или налипания твердых частиц на стенках модели.

Для нахождения численного решения поставленной задачи непрерывная нестационарная математическая модель физических процессов дискретизируется по пространству и по времени (в случае стационарной задачи процессы моделируются как установившиеся во времени). Расчетная область модели заменяется трехмерной расчетной сеткой, грани ячеек которой параллельны координатным плоскостям.

3.2 Исследование потока жидкости

Перед тем как проводить анализ протекания жидкости в трубе, необходимо создать трехмерную модель исследуемого объекта (рисунок 6).

Рисунок 6 - Рабочая емкость резервуара

Исходные данные для расчета:

·        давление в резервуаре: Р=8 МПа (давление при испытании сосуда);

·        скорость воды на входе (нижний патрубок): υ=3 м/с;

·        температура воды: T=293,2 K;

·        Корпус рабочей емкости выполнен из коррозионностойкой стали.

Для осуществления дальнейшего расчета необходимо сделать емкость закрытой, т. е. добавить заглушки на патрубки и левый торец емкости. Внутренний фланец определим в качестве "реальной стенки". Это необходимо для того, чтобы программа смогла определить его в качестве препятствия для дальнейшего прохождения воды в систему водоснабжения.

После задания всех исходных данных (рисунок 7) и определения граничных условий можно приступать к расчету потока жидкости в среде SolidWorks FlowSimulation.

Рисунок 7 - Параметры для расчета

Внутреннему фланцу, через отверстия в котором протекает вода, присвоено свойство "реальной стенки". Это значит, что при расчете имитируемый поток жидкости будет воспринимать данный фланец как реальное препятствие для дальнейшего продвижения по системе.

На рисунке 8 можно увидеть, как меняется скорость потока воды при ее прохождении через отверстия во внутреннем фланце от момента входа в резервуар до выхода из него.

Рисунок 8 - Диаграмма изменения скорости

По диаграмме можно определить, что скорость потока воды снижается в момент прохождения через отверстия во фланце.

Изменение давления потока воды на стенки емкости изображено на рисунке 9.

Рисунок 9 - Диаграмма давления потока воды

На рисунке виден характер изменения давления по всему объему рабочей емкости.

Фланец, который является опорой кварцевых чехлов, будет воспринимать основную нагрузку от давления движущейся жидкости (рисунок 10).

Рисунок 10 - Распределение давление на поверхности фланца

3.3 Исследование прочностных свойств в среде Simulation

Одним из ответственных узлов в исследуемом резервуаре является фланцевое соединение. Основным фактором, усложняющим решение, является адаптация моделей и методик к требованиям стандарта.

При проведении анализа резервуара на прочность будем руководствоваться ГОСТ Р 52857.4-2007 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность и герметичность фланцевых соединений" [16].

Все элементы резервуара подвергаются расчету на механическую прочность. Нагрузка в прочностном анализе считается однократной, если количество циклов нагружения не превышает 1000.

Подбор допускаемых напряжений является важным этапом при расчете оборудования на механическую прочность. Резервуар выполнен из листового и трубного проката из нержавеющей стали. Значения номинальных допускаемых напряжений при различных расчетных температурах приводятся в соответствующих документах.

Расчетное допускаемое напряжение рассчитывается по формуле:

 (6)

где [σ] - расчетное допускаемое напряжение, МПа;

σном - номинальное допускаемое напряжение, МПа;

η = 1 (для листового проката).

При отсутствии значений номинальных допускаемых напряжений их расчет определяется следующими условиями: для углеродистых сталей при tR≤ 389 °C и для низколегированных сталей при tR≤ 420°С по меньшему из двух значений:

 (7)

 (8)

где  и - предел текучести и предел прочности материала соответственно, МПа;

 и - коэффициенты запаса прочности по пределу текучести и пределу прочности соответственно.

При анализе сварных элементов оборудования в расчетные формулы вводится коэффициент прочности сварных швов, значение которого зависит от условий сварки и конструкции шва. Некоторые значения этих коэффициентов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Коэффициенты прочности сварных швов

В процессе имитационного исследования будут рассмотрены два типа статического анализа - линейный и нелинейный.

При линейном статическом анализе конструкция рассматривается в состоянии устойчивого равновесия. Иногда при определенных сочетаниях нагрузок она становится неустойчивой. В тот момент, когда эти нагрузки достигают максимального значения, становится возможным не единственное положение равновесия. Данный тип анализа применяется для определения напряжений и деформаций в условиях статического нагружения конструкций.

В линейном статическом анализе рассчитываются напряжения, силы перемещений, нагрузки и реакции при воздействии приложенных усилий.

В линейном статическом анализе применяются следующие допущения:

·        Статическое допущение. Все нагрузки прилагаются медленно и постепенно по мере достижения своих полных величин. При достижении своих полных значений нагрузки остаются постоянными (неизменными по времени).

·        Допущение линейности. Взаимоотношения между нагрузками и вызванными реакциями предполагаются линейными.

Нелинейный расчет состоит в дифференциальном приложении нагрузок. Это означает, что при расчете нагрузки не учитываются одновременно, но постепенно возрастают, и выполняются расчеты состояний равновесия.

Нелинейное поведение конструкции может появляться из-за элемента простой конструкции (конструктивная или материальная нелинейность) или из-за нелинейного отношения сил-деформаций во всей конструкции (геометрическая нелинейность).

Конструктивная нелинейность может быть вызвана следующими нелинейными элементами, включенными в конструкцию:

·        пластичность материала;

·        сжатые и растянутые элементы;

·        нелинейные постоянные (односторонние постоянные или опоры, степени свободы, совместимые узлы с назначенными жесткими параметрами);

Геометрическая нелинейность позволяет учитывать следующие влияния на всю конструкцию:

·        нелинейный расчет - учитывает второстепенные эффекты, т.е. изменяющуюся жесткость элемента, находящегося под влиянием напряженного состояния элемента. Это так называемый эффект "напряжение - жесткость". В то же время, этот расчет учитывает создание моментов от действия вертикальных сил в узлах, смещенных горизонтально;

·        P-дельта расчет - учитывает эффекты третьего порядка, т.е. дополнительную боковую жесткость и напряжения от деформаций.

3.4 Критерии прочности, используемые при расчетах в среде Simulation

Необходимость критериального подхода обусловлена невозможностью реализовать в экспериментах все бесконечное многообразие напряженных состояний. Инженеры выдвигают гипотезы, а затем критерии разрушения материалов, эквивалентные линейному напряженному состоянию.

Сущность гипотез и критериев прочности заключается в замене сложного напряженного состояния линейным, т. е.

) Критерий Мизеса (иначе критерий формообразования).

Он устанавливает момент потери конструкцией несущей способности посредством сравнения величины эквивалентного напряжения с пределом текучести материала. Эквивалентное напряжение в точке тела определяется по формуле 9:

 (9)

где - главные напряжения, МПа.

Эквивалентное напряжение не зависит от ориентации элементарной площадки, на которой оно действует.

Критерий Мизеса применим к изотропным материалам, которые имеют вязкий характер разрушения. К ним относится большинство металлов и пластмассы, у которых присутствует линейный участок на диаграмме растяжения. В пространстве поверхность прочности по данному критерию описывается прямым круговым цилиндром, ось которого совпадает с пространственной диагональю, проходящей в положительном октанте системы координат главных напряжений (рисунок 11). Значит, что при всестороннем равномерном сжатии прочность материала по Мизесу бесконечна.

Рисунок 11 - Критерий по Мизесу

Коэффициент запаса прочности (или коэффициент безопасности) определяется как отношение величины прочности (предела прочности, предела текучести и пр.) к максимальному (допускаемому) эквивалентному напряжению:

 (10)

где n0 - допускаемый коэффициент запаса прочности.

) Критерий максимальных касательных напряжений (1869 г.).

Данный критерий известен также как критерий Треска. Заключается в сравнении величины максимального касательного напряжения в данной точке относительно некоторой величины, задаваемой пользователем.

 (11)

где

При выполнении условия под цифрой 11 наступает разрушение материала. Программа SolidWorks автоматически вычисляет на основе величин компонентов напряжений. Элементарная площадка прочности является наклонной шестигранной призмой, ось которой совпадает с диагональю положительного октанта системы координат главных напряжений.

При чистом растяжении/сжатии по критерию Мизеса и по критерию Треска тождественны. Прочность по Мизесу при чистом сдвиге больше приблизительно на 15%. Плоскость сечения  представляет собой шестиугольник, который вписан в эллипс Мизеса (рисунок 12).

Рисунок 12 - Критерий Треска для плоского напряженного состояния

Условие прочности выглядит следующим образом:

 (12)

) Критерий Мора-Кулона (критерий внутреннего трения).

Применим по отношению к хрупким материалам, которые по-разному сопротивляются растяжению/сжатию (рисунок 13).

Рисунок 13 - Критерий Мора-Кулона для плоского напряженного состояния

Вследствие того, что хрупкие материалы не имеют на кривой деформирования выраженного участка текучести, то данная величина не участвует в расчетах.

) Критерий максимальных нормальных напряжений.

Этот критерий применяется по отношению к хрупким материалам, одинаково сопротивляющихся разрушению или сжатию. Поверхность прочности представляет собой куб, грани которого перпендикулярны осям главных напряжений, а сечение поверхности плоскостью с нулевым главным напряжением - квадрат (рисунок 14).

Рисунок 14 - Критерий максимальных нормальных напряжений

Аналогично критерию Мора-Кулона, в данном критерии величина предела текучести также не принимает участия в расчете.

3.5 Расчет резервуара на прочность в среде Simulation

Расчет сборок представляет собой задачу, которая состоит из двух частей. Первая - это формирование адекватной модели (геометрическая, статическая, кинематическая), а вторая - планирование последовательности действий и времени.

Исследование будем выполнять с учетом результатов, полученных при гидродинамическом анализе потока воды. Наиболее ответственными элементами резервуара являются внутренний и присоединительный фланцы, поскольку они выполняют роль "опор" для кварцевых чехлов с находящимися внутри них ультрафиолетовыми лампами.

В момент времени, когда поток жидкости находится в своем крайнем положении - на выходе из резервуара, на внутреннюю поверхность присоединительного фланца приходится давление равное: P=0,8 (МПа).

Анализ напряженно-деформированного состояния будем проводить в несколько этапов. На первом этапе в статическом анализе фланцы будем рассматривать в качестве твердых тел без учета прокладки.

Для быстроты и удобства проведения расчета рассмотрим отдельно сегмент болтового соединения двух фланцев (рисунок 15). В геометрической модели данные болты отсутствуют, так как используется расчетная модель с "виртуальными" соединителями.

Рисунок 15 - Сегмент "болтового соединения"

Контактирующие грани фланцев связаны условием "Нет проникновения", подразумевающее скольжение с возможностью выхода из контакта. Давление равное 0,8 (МПа) действует не на всю грань фланца, а только на том участке, где нет контакта с другим фланцем. Эта грань разделена на две части при помощи команды "Линия разъема". Таким образом ограничивается площадь, на которую распространяется действие давления потока жидкости. Данная схема предоставляет возможность более адекватного моделирования распределения нагрузок между фланцами и, непосредственно, жесткости самого соединения. Деление на участки, в свою очередь, позволит оценить уровень нагрузок, воспринимаемых отдельными участками фланца при действии не осесимметричных силовых факторов.