Simulia Abaqus и xflow для оценки производительности перистальтического насоса

Главной особенностью SIMULIA Abaqus является использование модулей, которые содержат определенный набор действий, близкий по значению и необходимый для построения программой модели конечных элементов и проведения операций с ней.

Именно в программное обеспечение SIMULIA Abaqus был внедрен Расширенный Метод Конечных Элементов (XFEM), что дает возможность произвести реалистичное 3D-моделирование роста трещин по произвольным путям, не зависящим от границ элементов.

SIMULIA XFlow предлагает технологию на основе частиц и решеточных уравнений Больцмана, оптимизированную для приложений для вычислительной гидродинамики (CFD) из портфеля решений SIMULIA Fluids Simulation.

Оценка производительности перистальтического насоса

Перистальтические насосы представляют собой насосы прямого вытеснения, которые широко используются во многих инженерных дисциплинах для транспортировки высоковязких жидкостей или жидкостей с взвешенными твердыми частицами.

Геометрия перистальтического насоса и включенные в него компоненты показаны на рисунке:

Рисунок 1: Геометрия перистальтического насоса с 3 роликами

В центре внимания этого исследования моделирования будет оценка производительности перистальтического насоса. На основе доступной производительности можно оценить различные аспекты перистальтического насоса. В основном:

• проверка полей давления/скорости для определенной скорости вращения ротора (об/мин) и объемного расхода Q (л/мин). Это может дать представление об общей производительности и номинальных характеристиках насоса.
• проверка конструкционных напряжений/деформаций гибкой трубы из-за действия роликов и давления жидкости. Это может быстро помочь определить места потенциального отказа, если трубка перегружена. Кроме того, выходное напряжение можно использовать для оценки усталостной долговечности гибкой трубы.
• контроль контактных напряжений (контактное давление и сдвиг). Это может помочь улучшить конструкцию геометрии ролика и ротора.
• Выходной крутящий момент можно использовать для оценки производительности ротора при различных расходах или скоростях ротора.
• Векторы скорости могут дать представление об оптимальных характеристиках поверхности, которыми должна обладать гибкая трубка для обеспечения определенной скорости потока. Это становится особенно важным, когда насос перекачивает жидкости с высокой вязкостью, поскольку в таких случаях обычно подается меньший расход.

Принцип работы перистальтического насоса

Насос (рис. 1) состоит из корпуса, в котором заключены остальные компоненты насоса. Гибкая трубка, которая будет содержать жидкость, удерживается на месте рядом с окружающими компонентами. Ротор, оснащенный тремя роликами, вращается заданным образом. Эти вращающиеся ролики закупоривают (блокируют) трубу, создавая временное уплотнение между сторонами всасывания (вход жидкости) и нагнетания (выход жидкости). При вращении ротора герметичные сегменты давления («подушки» жидкости) будут двигаться по трубе, выталкивая продукт в выпускное отверстие. Там, где герметичные напорные сегменты открываются, давление восстанавливается, что действует как всасывание, втягивая больше жидкости во всасывающую сторону насоса.

Принцип работы этого типа насоса основан на перистальтике. Человеческое тело также во многом зависит от перистальтических процессов. Желудочно-кишечный тракт человека и пищевод являются двумя примерами таких процессов. В пищеводе человека радиальные сокращения и расслабления мягких мышц продвигают пищу к желудку, предотвращая ее обратное заталкивание в рот. Впечатление от перистальтики дано на рисунке 2:

Рисунок 2: Перистальтика

Особенности перистальтических насосов

• Может перекачивать большое количество сложных жидкостей
• Благодаря мягкому перекачиванию перистальтического насоса можно перекачивать чувствительные к сдвигу полимеры или даже пищевые продукты.
• Компоненты перистальтического насоса относительно просты и надежны, что означает, что эти насосы надежны, а время простоя или обслуживания весьма ограничено.
• Скорость потока перистальтического насоса пропорциональна скорости вращения ротора, что означает, что перистальтические насосы хорошо подходят для дозирования (например, в медицинских науках, но не только).
• Гибкая трубка может быть изготовлена ​​из различных материалов, что делает перистальтические насосы привлекательными для перекачивания высококоррозионных или высокотемпературных жидкостей.
• Поскольку перистальтические насосы заключены в корпус и обычно не имеют уплотнений, в случае разрыва трубки жидкость остается внутри, что исключает перекрестное загрязнение.
• Перистальтические насосы не требуют заливки. Непрерывный поток жидкости на входе в насос не требуется. Воздух или отходящие газы, присутствующие внутри гибкой трубы, также перекачиваются вместе с жидкостью. Однако наличие воздуха в насосе может повлиять на его работу.
• Кавитация не является проблемой для перистальтических насосов.

Структурная модель Abaqus

Деталь сетки узла насоса в Abaqus представлена ​​на рисунке 3.

Обратите внимание: Об основах научного принципа понимания окружающей действительности в сети интернет..

Цветовой код на рисунке 3 представляет различие между твердыми и деформируемыми телами для совместного моделирования.Рисунок 3: Атрибуты сетки и тела (зеленый = деформируемое/серое = твердое тело) узла перистальтического насоса в Abaqus

В частности, компоненты серого цвета (корпус, направляющий блок, роторный механизм) были смоделированы как твердые тела, чтобы сократить время вычислений. Темно-зеленая гибкая трубка была смоделирована как деформируемое тело, так как это было основным направлением данного анализа. Экземпляры роликов отсутствуют на рис. 3. Это сделано для удобства моделирования и поясняется в разделе «Нагрузки и коэффициенты компенсации» ниже.

Моделирование материалов

Для гибкой резиновой трубки в Abaqus использовался закон гиперупругости материала (Огден, 3-й порядок/ρ=1400 кг/м3).

Контактные взаимодействия

Для конечно-элементной модели было задано несколько контактных взаимодействий. Для включенных контактных взаимодействий использовалось трение (μ=0,25). Контактные пары созданы для взаимодействия между:

• корпус насоса к гибкой трубке
• направляющий блок к гибкой трубке
• 3 ролика насоса к гибкой трубе

На рис. 4 показана деталь поверхности соединения, которая позволит осуществлять обмен информацией между структурным и вычислительным решателем гидродинамики.

Эта соединительная поверхность будет смачиваемой внутренней поверхностью гибкой трубки, которая будет находиться в контакте с жидкостью. Для этой цели в Abaqus необходимо настроить уважительное взаимодействие (граница Int-1 Fluid-structure Co-Simulation), как показано ниже.

Рисунок 4: Совместное моделирование структуры жидкости с граничным взаимодействием/поверхность гибкой трубки, смачиваемая областью жидкости.

Нагрузки и БК

С точки зрения граничных условий полностью зафиксированы только торцы гибкой трубы. Твердые тела в анализе были либо полностью ограничены (например, корпус), либо им были назначены соответствующие граничные условия (направляющий блок, ролики), чтобы обеспечить вращение по часовой стрелке. Ролики также могли свободно вращаться вокруг своей оси в дополнение к движению, предписанному ротору.

Первоначальное взаимное расположение роликов-труб было другим, чем на рис. на вращение головки насоса (t=0,1 сек). В этой конфигурации два ролика закрывали гибкую трубку, создавая первую подушку жидкости для анализа. Это показано на рисунке 5 ниже.

Рис. 5: конфигурация роликов при t=0 с (слева) и до вращения головки насоса при t=0,1 с (справа)

Конфигурация ролики-труба при t=0,1 с также могла быть выполнена с посадкой с натягом.

Гравитационная нагрузка не применялась.

Настройки шага

Для примера совместного моделирования использовался явный шаг Abaqus. Время анализа равнялось 1,1. сек. Такое же время анализа использовалось в решателе CFD. Время анализа учитывало один оборот ротора, по существу моделируя роликовый насос со скоростью вращения ротора 60 об/мин (оборотов в минуту).

CFD-модель XFlow

Геометрия модели CFD содержит только геометрию гибкой трубы. Это компонент, в котором будет течь жидкость, а также содержит смачиваемую поверхность, которая будет использоваться для соединения между Abaqus-Xflow (см. рис. 4).

Кроме того, в модели Xflow были настроены основные входные/выходные условия. Для модели cfd использовались манометрические давления (0 Па на входе). Детали приведены на Рисунке 6 ниже.

Рисунок 6: Геометрия модели CFD и условия на входе/выходе

Свойства жидкости

В модели CFD в качестве жидкости в данном конкретном случае использовалась вода. Соответствующие используемые свойства приведены ниже в таблице 1.

Эталонная плотность - 998,3 кг/м3

Модель вязкости -ньютоновская

Динамическая вязкость - 0,001 Па·с

Таблица 1: Свойства воды для домена CFD

#abaqus #simulia #cae #xflow #cfd #наука #наука и образование #наука и техника

Еще по теме здесь: Новости науки и техники.

Источник: Simulia Abaqus и xflow для оценки производительности перистальтического насоса.