» Blog » Przepływy » ANSYS dla kół naukowych – na przykładzie SKN AGH Fluid Flow

ANSYS dla kół naukowych – na przykładzie SKN AGH Fluid Flow

W artykule opisano działalność nowego zespołu studenckiego SKN Fluid Flow, który opiera się na podnoszeniu kompetencji studentów w zakresie CFD przy wykorzystaniu oprogramowania ANSYS Fluent. Przeczytaj, jakie możliwości oferuje ANSYS dla kół naukowych w zakresie wykonywania analiz numerycznych.

  1. O SKN Fluid Flow
  2. Analizy numeryczne pomp
  3. Analiza wycieku gazu
  4. Rurki cieplne

ANSYS dla kół naukowych – parę słów o SKN Fluid Flow

W 2022 roku jesienią powstało studenckie koło naukowe Fluid Flow, które skupia się na rozwoju wiedzy z zakresu symulacji przepływowych wśród członków organizacji. Obecnie, po ponad roku działalności, koło stanowi miejsce, w którym nowi studenci znający CFD tylko z nazwy oraz „kolorowych obrazków” mogą czerpać wiedzę z dziedziny termodynamiki, mechaniki płynów oraz jej przełożeniu na oprogramowanie od starszych studentów oraz opiekunów koła.

ANSYS dla kół studenkich - SKN Fluid Flow
Rys. 1 Zespół AGH Fluid Flow

Podczas działalności koła, jego członkowie mieli styczność z różnorakimi symulacjami takimi jak:

  • analizy numeryczne pomp,
  • analizy spalania,
  • analizy łopatek turbin,
  • analizy wymiany ciepła,
  • analizy przepływów wielofazowych.

Poniżej przedstawiono kilka przykładów działalności członków koła naukowego Fluid Flow.

Analizy numeryczne pomp

Powszechne wykorzystanie pomp znacząco przyczyniło się do efektywnego transportu czynnika roboczego, zwłaszcza w przypadku substancji takich jak woda, poprzez konwersję energii elektrycznej w mechaniczną, a następnie kinetyczną płynu. W ramach tego zaprojektowany został, trójwymiarowy model pompy krętnej wirowej odśrodkowej (Rys. 2,3), a konkretnie modelu LOWARA FHF 32-125, który został później użyty do przeprowadzenia obliczeń czterech wariantów modelu. Różniły się one przede wszystkim prędkościami obrotowymi organu roboczego. Ten kompleksowy proces pozwolił na uzyskanie informacji dotyczących parametrów pompy takich jak sprawność oraz wydajność przepływu w różnych warunkach pracy.

pompa krętna wirowa odśrodkowa
Rys. 2 Geometria pompy krętnej wirowej odśrodkowej
Kontur modułu prędkości w przekrojach modelu oraz na wlocie przy obrotach wirnika
Rys. 3 Kontury modułu prędkości w 2 przekrojach modelu oraz na jego wlocie przy obrotach wirnika odpowiednio na poziomie (rys. 1) a)1560, b)1893, c)2400, d)2900 [obr/min]. Skala przyjęta w konturach zaczyna się od 0 [m/s] do 21 [m/s].

Analiza wycieku gazu

Potencjalny wyciek gazu wybuchowego stanowi wielkie zagrożenie. Problem staje się coraz większy z powodu rosnącej liczby instalacji gazowych na całym świecie. Dlatego ważne jest poznanie zjawisk, które towarzyszą wyciekowi. Najważniejszym czynnikiem było zamodelowanie zmieniającej się gęstości gazu. Dlatego w symulacji (Rys. 4) zastosowano model gazu rzeczywistego Aungiera-Redlicha-Kwonga. Pozwoliło to na odzwierciedlenie procesów zachodzących podczas realnego gazu, gdzie ciśnienie drastycznie spada.

Temperatura wyciekającego gazu
Rys. 4 Rozkład temperatury wyciekającego gazu

Rurki cieplne

Zespół najbardziej interesuje się tematyką transportu ciepła, stąd głównym projektem koła w 2024 roku są symulacje numeryczne rurek cieplnych oraz konstrukcja stanowiska pomiarowego do walidacji tych modeli.

Rurka cieplna (tzw. Heat Pipe) (Rys. 5,6) jest pasywnym urządzeniem, którego zadaniem jest transport ciepła. To hermetyczna rurka wypełniona cieczą np. wodą, acetonem lub metanolem. Jest wykonana z materiału o wysokim współczynniku przewodzenia ciepła, najczęściej z miedzi. Jej głównym zadaniem jest efektywny transport ciepła z jednego miejsca do drugiego, co jest znacznie usprawnione poprzez procesy ewaporacji oraz kondensacji cieczy w jej wnętrzu. Dzięki temu rurka ciepła jest niezwykle skutecznym narzędziem do chłodzenia termicznego między innymi w smartfonach, laptopach czy kolektorach słonecznych.

Wentylator chłodzący
Rys. 5 A – Wentylator chłodzący część kondensacyjną rurki, B – Rurki cieplne
Wentylator chłodzący
Rys. 6 C – Punkty odbioru ciepła

Aktualnie zespół uczy się modelowania rurek cieplnych, jednak już pierwsze modele ukazują zjawiska parowania i skraplania zachodzące w rurce. Warunki brzegowe zostały uproszczone do warunków temperaturowych w przypadku (Rys.7) od strony grzewczej temperatura wyniosła 90°C (ekwiwalent źródła ciepła), natomiast od strony chłodzącej 40°C (ekwiwalent chłodzenia powietrznego). Temperatura wewnątrz modelu podczas inicjalizacji 40°C. Następnie zdecydowano się na wybranie modelu VoF (Volume of Fluid) w stanie niestacjonarnym. Ważnym elementem była zmiana temperatury nasycenia na wartość 65°C oraz podciśnienia w rurce wynoszącego 30 kPa. Zespół chce zbadać rurki pracujące na różnych podciśnieniach wewnątrz co wiążę się z ich różnymi zakresami temperatury pracy. W symulacjach obserwowano dwie frakcje, woda w fazie ciekłej oraz gazowej. W celu pełnego zrozumienia mechanizmów przewodzenia ciepła oraz zjawisk jakie zachodzą elemencie badawczym przeprowadzono analizę wspomnianych frakcji substancji obecnych w rurce cieplnej. We wstępnych symulacjach (Rys. 8) po upływie 2 sekund frakcja pary wynosiła objętościowo do 30%. Natomiast ciepło transportowane przez rurkę o średnicy 8 mm oraz długości 100 mm wyniosło 7,5 W. Warto nadmienić, że wartość ta wzrośnie wielokrotnie w następnych sekundach do czasu ustabilizowania procesu.

Warunki brzegowe temperaturowe rurek cieplnych
Rys. 7 Warunki brzegowe temperaturowe
Rozkład temperatury w rurce cieplnej
Rys. 8 Rozkład temperatury w rurce cieplnej
Rozkład frakcji wody w rurce cieplnej
Rys. 9 Rozkład frakcji wody w rurce cieplnej

Najważniejsza część planowanego rozwinięcia projektu to konstrukcja stanowiska pomiarowego. Symulacje komputerowe stanowią nieodłączny element współczesnych badań naukowych, a stanowisko pomiarowe służące do walidacji, pozwala na zwiększenie ich dokładności oraz lepsze zrozumienie zachodzących procesów. Stanowisko będzie się składało ze źródła oraz odbiornika ciepła z odpowiednią możliwością montażu rurki cieplnej pomiędzy nimi. Pomiar temperatury odgrywa kluczową rolę w naszych badaniach, jest on monitorowany na obu końcach rurki – zarówno tej chłodzonej, jak i grzanej. Pozyskane dane pozwolą na określeniu wielkości przetransportowanego ciepła czy oporu cieplnego rurki, które są kluczowymi wskaźnikami efektywności systemu cieplnego. Stanowisko jest obecnie w fazie projektowania, zostanie ono skonstruowane w tym roku, dzięki dofinansowaniu z grantu rektora AGH 2024.

Autor: Patryk Wyszyński, Jakub Wójcicki, Dawid Szemraj, Konrad Gil, Piotr Socha, SKN Fluid Flow

To tylko niektóre z możliwości jakie oferuje ANSYS dla kół naukowych. Jesteś członkiem koła naukowego i chciałbyś, żeby Twój zespół wykorzystywał oprogramowanie ANSYS w swoich projektach? Dowiedz się więcej jak możesz zyskać licencję dla koła tutaj.

Nie należysz do żadnego koła naukowego, ale chciałbyś rozwijać swoje kompetencje symulacyjne? Zobacz, jak możesz uzyskać dostęp do licencji na Twojej uczelni.