OPTYMALIZOWANIE PROCESU MIESZANIA GAZÓW DZIĘKI ZINTEGROWANYM ZE ŚRODOWISKIEM CAD INŻYNIERYJNYM SYMULACJOM DYNAMIKI PŁYNÓW - Dowiedz się więcej na www.premiumsolutions.pl

1. OPTYMALIZOWANIE
PROCESU MIESZANIA GAZÓW
DZIĘKI ZINTEGROWANYM
ZE ŚRODOWISKIEM CAD
INŻYNIERYJNYM SYMULACJOM
DYNAMIKI PŁYNÓW
Artykuł techniczny

2. Optymalizowanie procesu mieszania gazów dzięki zintegrowanym ze środowiskiem CAD inżynieryjnym symulacjom dynamiki płynów 1
NAJLEPSZE PRAKTYKI WYKORZYSTANIA ANALIZY OBLICZENIOWEJ
DYNAMIKI PŁYNÓW W PROCESACH MIESZANIA GAZÓW PRZY UŻYCIU
NARZĘDZIA SOLIDWORKS FLOW SIMULATION
Proces mieszania gazów jest ważnym elementem w wielu dziedzinach przemysłu. Na przykład
w przypadku paliw, mieszanie gazów jest często niezbędne do prawidłowego działania
systemów kontroli emisji. W przypadku kolumn wypełnionych i innych typów reaktorów
chemicznych mieszanie gazów ma wpływ na przepustowość i zmienność procesu. Mieszanie
gazów ma też duży wpływ na wydajność spalarni wyposażonych w piec obrotowy służących
do neutralizowania odpadów niebezpiecznych. W terapii chorób dróg oddechowych mieszanie
gazów wpływa na skuteczność leków w aerozolu. Zaledwie kilkuprocentowa poprawa
wydajności mieszania może znacznie zmniejszyć zużycie energii i emisję tlenków azotu przez
palniki niskoemisyjne.
Optymalizacja mieszania gazów i powietrza w celu spełnienia określonych wymogów to
trudny proces, który zwykle wymaga niezwykle kosztownego i czasochłonnego tworzenia oraz
testowania szeregu prototypów. Duże firmy wykorzystywały symulację mieszania gazów za
pomocą obliczeniowej dynamiki płynów (CFD), ale odbywało się to głównie w zakresie analizy
istniejących projektów lub rozwiązywania problemów z nimi, ponieważ korzystanie z technologii
CFD wiąże się z dużymi kosztami, jest czasochłonne i wymaga zaawansowanej wiedzy.
Jednak w ciągu ostatnich kilku lat zostały udostępnione nowe narzędzia do obsługi obliczeniowej
dynamiki płynów, które są w pełni zintegrowane z popularnym środowiskiem projektowania
mechanicznego, dzięki czemu są łatwiejsze w obsłudze, szybsze oraz mniej kosztowne. Dzięki
nowym narzędziom już na wczesnych etapach procesu projektowania, można założyć dużą
liczbę potencjalnych, alternatywnych rozwiązań i ocenić ich efektywność. Taka analiza pozwala
szybciej poprawić wydajność produktu i rozwiązać problemy projektowe, a także generuje niższe
koszty. W tym artykule przedstawiono wytyczne pozwalające usprawnić mieszanie gazów na
wczesnych etapach procesu projektowania dzięki wykorzystaniu narzędzi CFD.
Znaczenie mieszania gazów i powietrza
Rosnąca konkurencja i konieczność dostosowania się do obowiązujących przepisów sprawiają,
że producenci urządzeń do spalania muszą szukać rozwiązań bardziej energooszczędnych
i o niższej emisji substancji szkodliwych dla środowiska, zwiększyć kontrolę i zapewnić większą
elastyczność paliwową. Kluczowym zadaniem staje się poprawienie wydajności palników
stanowiących integralną część wszystkich systemów spalania. W przypadku systemów
działających w trybie ciągłym i zużywających dużą ilość energii, nawet niewielka poprawa
wydajności może przynieść duże korzyści.
Mieszanie paliwa i powietrza ma newralgiczne znaczenie podczas projektowania niemal każdego
palnika.Wwieluaplikacjachgłównymwyzwaniemprojektowymjesttakiezaprojektowaniewtrysku
gazów, aby zapewnić niemal idealne mieszanie. Jest to niezwykle ważne, ponieważ nierówne
stężenia powietrza i paliwa mogą spowodować znaczny wzrost poziomów emisji i obniżenie
wydajności spalania. Dzięki dokładnemu wymieszaniu gazu i powietrza można zlikwidować zbyt
gorące i zbyt zimne obszary w płomieniu, które odpowiadają za emisję tlenków azotu.
Zmiana metod projektowania rozwiązań do mieszania gazu i powietrza
Doniedawnazaprojektowanierozwiązaniazapewniającegoprawidłowemieszaniegazui powietrza
stanowiło prawdziwe wyzwanie. Tradycyjna metoda polegała na tym, że najpierw był budowany
prototyp lub modyfikowany był istniejący produkt. Potem następowało testowanie produktu,
a następnie — w zależności od wyników — modyfikowanie prototypu lub produktu do momentu
uzyskania pożądanego wyniku. Głównym problemem, który wiązał się z tą metodą, były wysokie
koszty i duża czasochłonność budowania, modyfikowania i testowania prototypu. Kolejnym
problemem były wysokie koszty wyłączenia produktu używanego w środowisku, które musi
działać w systemie ciągłym (np. w elektrowni), w celu jego zmodyfikowania i przetestowania.
Ostatniousprawniononarzędziadoobsługieksperymentówianaliz,copozwoliłozastąpićprototypy
sprzętowe programowymi, które umożliwiają precyzyjne przewidywanie wydajności różnych
wersji projektowanych produktów. Inżynierowie wykorzystują narzędzia CFD do symulowania
działania produktu w warunkach odpowiadających rzeczywistemu środowisku. Symulacja
obliczeniowej dynamiki płynów zwykle udostępnia znacznie więcej informacji niż procedura
testowania fizycznego. Są to dane, takie jak prędkość i kierunek cieczy, ciśnienie, temperatura oraz
stężenie związków w roztworze. W ramach analizy projektant może zmieniać geometrię systemu
lub warunki graniczne i oglądać wpływ tych zmian na wzorcach przepływu płynów. Obliczeniowa
dynamika płynów umożliwia zatem analitykom ocenę wydajności szeregu różnych konfiguracji
w krótszym czasie i niższym kosztem.

3. Optymalizowanie procesu mieszania gazów dzięki zintegrowanym ze środowiskiem CAD inżynieryjnym symulacjom dynamiki płynów 2
Rosnąca popularność rozwiązań zintegrowanych z oprogramowaniem CAD
Obserwowany ostatnio trend ukierunkowany na oprogramowanie CFD zintegrowane z systemem
CAD umożliwia korzystanie z symulacji na etapie projektowania, co pozwala zbadać więcej wersji
projektów, niż byłoby to możliwe w przypadku prototypów fizycznych, oraz ograniczyć liczbę
wymaganych prototypów. Dzięki temu, że narzędzia CFD zintegrowane z oprogramowaniem
CAD korzystają z natywnych trójwymiarowych danych CAD, automatycznej siatki obszaru
przepływu oraz zapewniają obsługę parametrów przepływu na zasadzie funkcji obiektów,
inżynierowie nie muszą przyswajać zagadnień obliczeniowych dotyczących mechaniki płynów
i mogą skupić się na dynamice płynów w zakresie produktu, za który odpowiadają.
Najnowszej generacji oprogramowanie z zakresu obliczeniowej dynamiki płynów udostępnia
zaawansowane automatyczne funkcje sterowania zapewniające zbieżność w niemal
każdym zastosowaniu, bez konieczności ręcznej optymalizacji. Prawdopodobnie największe
znaczenie ma funkcja umożliwiająca kontrolę jakości siatki i uniknięcie typowych problemów
powodujących rozbieżności. A zatem do obsługi oprogramowania CFD wystarczy znajomość
systemu CAD oraz właściwości fizycznych danego produktu, czyli wiedza, którą już posiada
większość projektantów. Dzięki automatyzacji poszczególnych kroków analiza przebiega
znacznie szybciej, dzięki czemu wyniki są znane przed wprowadzeniem zmian w projekcie.
Wytyczne dotyczące symulacji mieszania gazów
Korzystając z kilku zaleceń, można zwiększyć precyzję symulacji mieszania gazów i powietrza
w ramach obliczeniowej dynamiki płynów. Wykorzystanie natywnych danych 3D gwarantuje
doskonałą jakość modelu bryłowego. W przypadku modelu z przepływem wewnętrznym
i minimalnymi wymogami dotyczącymi siatki, bryły muszą formować szczelny obszar
wewnętrzny bez ścieżek wycieków poza pole przepływu wewnętrznego. Tam, gdzie
jest to możliwe, należy wyeliminować drobne szczegóły geometrii, aby zapewnić jak
najmniejszy rozmiar modelu CFD. Po zaimportowaniu geometrii należy ją zweryfikować pod
kątem występowania problemów, korzystając z funkcji sprawdzania geometrii dostępnej
w oprogramowaniu CFD. Należy poszukać nieregularności spowodowanych otworami
w cienkiej bryle, generując siatkę próbną i wykonując ich wizualizację za pomocą postprocesora.
Nieregularności można skorygować, zwiększając lokalną gęstość siatki.
W symulacji mieszania duże znaczenie mają modele turbulencji, ponieważ większość firm
nie może sobie pozwolić na zakup komputerów na tyle wydajnych, aby umożliwiały
przechwytywanie drobnych szczegółów przepływu turbulentnego. Kluczowym czynnikiem
podczas wyboru odpowiedniego modelu turbulencji jest dopasowanie funkcji przepływu, które
potencjalnie wystąpią w danym scenariuszu, i modeli dostępnych w solverze. Model k-epsilon
to niezwykle popularny model turbulencji z dwoma równaniami obejmujący dwa dodatkowe
równania transportu, umożliwiając przedstawienie właściwości turbulencji przepływu. Na
użytek specyficznych konfiguracji przepływu zostały opracowane specjalistyczne wersje
modelu k-epsilon.
Inżynierowie muszą mieć możliwość sprawdzenia, czy ich modele dokładnie przewidują
chemiczny i fizyczny przebieg rzeczywistego procesu mieszania. Jedna z metod polega na
utworzeniu modelu obecnej generacji produktu i potwierdzeniu, że model prawidłowo symuluje
wydajność produktu. Na tym etapie projektant może zmodyfikować model, mając pewność, że
będzie symulował wydajność nowego projektu. Jeśli przerwanie działania produktu obecnej
generacji jest zbyt kosztowne, zamiast tego można utworzyć mały model produktu i porównać
jego wydajność z modelem użytym do symulacji.
Rzeczywisty przykład
Oto przykład wykorzystania tych metod w projektowaniu nowej generacji palnika Eclipse
Linnox. Zadaniem tego palnika jest znaczne zmniejszenie zużycia energii przez wentylatory
przekazujące powietrze do palnika gazu ziemnego przy zapewnieniu energooszczędności
i kontroli emisji odpowiadających istniejącym projektom. W celu osiągnięcia tych założeń,
inżynierowie musieli uprościć projekt, aby usunąć funkcje pomagające uzyskać wysoki poziom
mieszania we wcześniejszych projektach, a przy tym zachować proporcje gazu do powietrza
o wartości 7,5% +/- 0,5% w ramach całego kanału mieszania. Projektanci wygenerowali
prototypowe projekty palnika Eclipse w systemie CAD 3D, a następnie przeprowadzili
symulacje, korzystając z technologii SOLIDWORKS Flow Simulation.

4. Optymalizowanie procesu mieszania gazów dzięki zintegrowanym ze środowiskiem CAD inżynieryjnym symulacjom dynamiki płynów 3
Wyniki symulacji wykonanych z ich wykorzystaniem pozwoliły zobrazować stężenie powietrza
i paliwa w kanale mieszania z wyróżnieniem obszarów, gdzie mieszanie należało usprawnić.
Rysunek 1. Symulacja pierwotnego projektu oparta na zawirowaniach powietrza o średnim ciśnieniu i wtryskiwaniu gazu powodującym
utworzenie mieszanki dobrej jakości
Inżynierowie projektanci wprowadzili szereg zmian w projekcie mieszalnika. Po wprowadzeniu
każdej zmiany ponownie uruchamiali symulację, aby określić jej wpływ na projekt, zwracając
szczególną uwagę na dystrybucję związków w komorze oraz spadek ciśnienia. W przypadku
poważniejszej modyfikacji wykonywali także szereg badań parametrów, aby ocenić skutki
zmiany najważniejszych wymiarów projektu.
Dzięki możliwości wyświetlenia wpływu tych zmian na dystrybucję obu związków, projektanci
uzyskali szczegółowe dane dotyczące projektu, co nie byłoby możliwe w przypadku testowania
produktu fizycznego. Inżynierowie skupili się na wybranym projekcie i przeprowadzili dalszą
optymalizację. Wyniki symulacji wykazały, że końcowy projekt zapewnia spadek ciśnienia
wynoszący zaledwie 300 paskali, a zatem o 900% (10 razy) mniej w porównaniu z palnikami
z istniejących projektów. Dopiero na tym etapie firma Eclipse utworzyła pierwszy fizyczny
prototyp nowego produktu. Wydajność tego prototypu była bardzo zbliżona do przewidywanej
w symulacji, dzięki czemu można było zredukować czas i koszty opracowania nowego projektu.
Podsumowując, symulacja obliczeniowej dynamiki płynów za pomocą rozwiązania
zintegrowanego z oprogramowaniem CAD przeprowadzona na wczesnych etapach
projektowania dla produktów wymagających mieszania gazów pozwala oszczędzić czas
i pieniądze. Korzystając ze sprawdzonych procedur dostosowanych do wymogów określonych
branż, inżynierowie projektanci mogą uniknąć błędów w analizach. Posługując się odpowiednimi
procedurami, inżynier może zoptymalizować projekt na etapie, na którym wprowadzanie
zmian nie wiąże się z wysokimi kosztami (lub w ogóle nie generuje dodatkowych kosztów).

5. ©2014DassaultSystèmes.Wszelkieprawazastrzeżone.3DEXPERIENCE,CATIA,SOLIDWORKS,SIMULIA,DELMIA,ENOVIA,GEOVIA,EXALEAD,NETVIBES,3DSWYMi3DVIAsązastrzeżonymiznakamitowarowymi
firmyDassaultSystèmeslubjejspółekzależnychwStanachZjednoczonychi/lubinnychkrajach.Pozostałenazwyfirmiproduktówsąznakamitowarowymiichwłaścicieli.MKGMWPPLK0414
Nasze produkty, dostosowane do potrzeb 12 gałęzi przemysłu, bazują na platformie 3DEXPERIENCE,
oferującej bogaty wybór rozwiązań przeznaczonych dla poszczególnych branż.
Dassault Systèmes, zapewnia użytkownikom intuicyjne środowisko projektowania 3DEXPERIENCE®,
oferując przedsiębiorstwom
i użytkownikom indywidualnym nowoczesne, wydajne i kreatywne narzędzia do opracowywania innowacyjnych — i uwzględniających
aspekty zrównoważonego rozwoju — produktów. Udostępnione przez firmę rozwiązania zyskały niezwykłą popularność na całym świecie
i zrewolucjonizowały sposoby projektowania, produkcji oraz serwisowania produktów. Rozwiązania opracowane przez firmę Dassault Systèmes
promują innowacje w zakresie komunikacji pomiędzy społecznościami i poszerzają dostępne w świecie wirtualnym możliwości udoskonalania
rzeczywistości. Z rozwiązań Dassault Systèmes korzysta ponad 170 000 różnej wielkości firm z rozmaitych branż w ponad 140 krajach. Więcej
informacji w witrynie www.3ds.com/pl-pl.
Ameryka Północna i Południowa
Dassault Systèmes
SolidWorks Corporation
175 Wyman Street
Waltham, MA 02451 USA
+1 781 810 5011
generalinfo@solidworks.com
Centrala – Świat
Dassault Systèmes
10, rue Marcel Dassault
CS 40501
78946 Vélizy-
Villacoublay Cedex
Francja
Dassault Systèmes
Sp. z o.o.
+49 89 960 948 - 400
infopoland@solidworks.com
KOSZT REZYGNACJI Z ANALIZY
Rezygnacja z optymalizacji mieszania gazów i powietrza miałaby
negatywny wpływ na wydajność palnika Linnox. Emisje szkodliwych
substancji i nierównomierna dystrybucja ciepła w palniku mogłyby
mieć niekorzystne skutki w szeregu zastosowań, takich jak suszenie
papieru, schnięcie szpachli, przetwarzanie żywności, katalityczne
oczyszczanie powietrza. Wpływ symulacji inżynieryjnych na zyski
firmy był przedmiotem wielu badań.
Firma Aberdeen Group opublikowała szereg analiz tego zagadnienia.
Z jej najnowszego raportu wynika, że firmy będące liderami rynkowymi
coraz częściej decydują się na testowanie prototypów wirtualnych
(szczegóły w tabeli) zamiast prototypów fizycznych. Natomiast firmy
nienadążające za najnowszymi trendami poświęcają mniej czasu na
prototypy wirtualne i wykonują więcej cyklów testowania:
Zestawienie
konkurencji
Średnia liczba iteracji
wirtualnych
Średnia liczba
prototypów
fizycznych
Średnia liczba
cyklów testowania
Liderzy 7,3 iteracji 2,7 prototypu 2,8 cyklu
Średnio 9,4 iteracji 3,1 prototypu 3,5 cyklu
Gorsze firmy 4,5 iteracji 3,8 prototypu 4,7 cyklu
Skutki mogą być dotkliwe. W zależności od złożoności projektowanego produktu proces jego opracowywania może trwać od
tygodnia do 20 lat. Większość produktów wymagających mieszania gazów ma średni lub wysoki poziom złożoności, a zatem
ich opracowanie może trwać od roku do 20 lat:
Złożoność produktu Liczba części Czas opracowania
Niska Mniej niż 50 Od tygodnia do roku
Średnia Od 50 do 1000 Od miesiąca do 5 lat
Wysoka Od 50 do 10 000 Od roku do 5 lat
Bardzo wysoka Od 1000 do 100 000 Od roku do 20 lat
Co ciekawe, w przypadku średniego i wysokiego poziomu złożoności koszt utworzenia fizycznego prototypu może być
astronomiczny:
Złożoność produktu Czas utworzenia prototypu Koszt utworzenia prototypu
Niska 13 dni 7600 USD
Średnia 24 dni 58 000 USD
Wysoka 46 dni 130 000 USD
Bardzo wysoka 99 dni 1 200 000 USD
Z powyższych danych wynika, że wybudowanie nawet o jeden prototyp mniej może być bardzo korzystne finansowo dla firmy:
Złożoność produktu
Czas oszczędzony
dzięki stworzeniu
o 1,1 prototypu mniej
Pieniądze oszczędzone
dzięki stworzeniu
o 1,1 prototypu mniej
Niska 14 dni 8360 USD
Średnia 26 dni 63 800 USD
Wysoka 51 dni 143 000 USD
Bardzo wysoka 109 dni 1 320 000 USD
Rysunek 2. Symulacja nowego
projektu oparta na zawirowaniach
powietrza o niskim ciśnieniu
i wtryskiwaniu gazu powodu-
jącym utworzenie mieszkanki
jeszcze lepszej jakości
Źródło: Aberdeen Group
Źródło: Aberdeen Group
Źródło: Aberdeen Group
Źródło: Aberdeen Group