Реферат на тему Методики моделирования и программные продукты факельного горения

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ. 2

1. Особенности моделирования
газодинамических процессов. 4

2. Особенности моделирования
газодинамических процессов горения в программе AVL FIRE. 8

3. Моделирование производительности факела – зарубежный
опыт. 13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 21

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 22

Введение:

Технологические особенности объектов нефтегазовой, нефтеперерабатывающей
и нефтехимической отраслей промышленности предусматривают сжигание (постоянное
или периодическое) углеводородсодержащих газовых выбросов в открытых факельных
установках. Несмотря на очевидные недостатки такого способа утилизации газообразных
отходов ему пока нет адекватной альтернативы. Факел является мощным источником
теплового излучения. При проектировании факельных установок возникает задача
оценки теплового воздействия открытого факела на объекты, расположенные в зоне
его действия, с целью обеспечения безопасной эксплуатации оборудования и защиты
персонала. Для районов Крайнего Севера и Сибири актуальной также является
проблема прогнозирования термического состояния вечномерзлого грунта.
Инженерные методы теплотехнического расчета открытых факельных установок
основаны на представлении факела либо в виде излучающей точки, либо, в лучшем
случае, в виде фиксированной вертикальной или горизонтальной осесимметричной
геометрической фигуры (цилиндра, эллипса и т. п.) с однородными радиационными
свойствами, и определении угловых коэффициентов со всей поверхности,
моделирующей факел, на горизонтальную облучаемую поверхность. Использование
таких упрощений при расчете тепловой нагрузки от открытого факела дает
значительную погрешность, которая тем больше, чем ближе расстояние от факела до
облучаемой поверхности. Поэтому физически обоснованная модель теплового
излучения открытого факела должна учитывать его реальные характеристики: длину,
форму, положение в пространстве с учетом ветрового воздействия и температурной
стратификации, распределение концентраций, температур и радиационных свойств
продуктов сгорания по длине факела. В то же время модель и методика расчета не
должны быть особенно сложными, что препятствовало бы их инженерному
использованию в программных системах анализа и проектирования открытых
факельных установок.

AVL — крупнейшая в мире независимая компания по
разработке, моделированию и тестированию систем трансмиссии (гибрид, двигатель
внутреннего сгорания, трансмиссия, электропривод, батареи, топливные элементы и
технологии управления) для легковых автомобилей, грузовых автомобилей,
строительства, больших двигателей и их интеграции. в автомобиль.

Компания имеет многолетний опыт разработки и
оптимизации систем трансмиссии для всех отраслей промышленности. Как мировой
лидер в области технологий, AVL предоставляет полные и интегрированные среды
разработки, системы измерения и тестирования, а также самые современные методы
моделирования.

Как пионер в области инновационных решений, таких как
разнообразные стратегии электрификации трансмиссий, AVL все чаще берет на себя
новые задачи в области автономного вождения (подключение, ADAS, CCAD и т. Д.),
Особенно на основе субъективных человеческих ощущений (ходовые качества,
характеристики и т. д.). В конкуренции технологий — двигателей внутреннего
сгорания, аккумуляторных / электрических приводов и топливных элементов — и их
комбинаций, AVL работает интенсивно и с теми же приоритетами.

Компания AVL оцифровала процесс разработки
транспортных средств с помощью современных и хорошо масштабируемых ИТ,
программных и технологических платформ и создала новые решения для клиентов в
области больших данных, искусственного интеллекта, моделирования и встроенных
систем в рамках гибкой и интегрированной разработки.

Одним из известнейших продуктов компании является
программная среда для моделирования процесса горения AVL FIRE.

Заключение:

Для разработки отдельных компонентов используются,
главным образом, методы трехмерного моделирования, отличающиеся наибольшей
сложностью и детализацией с одной стороны, и достаточно большими временами
расчета с другой. Тем не менее, с помощью программного обеспечения,
построенного на методах трехмерного моделирования сплошных сред, получают
информацию, которую крайне сложно и дорого или вообще невозможно получить
экспериментально, а также проводят оптимизацию сложных геометрических форм и
характеристик рабочего процесса. Основными представителями такого класса
программ являются FIRE и EXCITE power unit.

Для разработки подсистем и систем используются более
простые в применении программы, основанные, главным образом на одномерных и
нульмерных моделях. Такие программы содержат большое число эмпирических
моделей, но обладают краткими временами расчета, что позволяет использовать их
на ранних этапах проектирования при анализе большого числа вариантов и в
отсутствие технических деталей. Кроме того, эти программы широко используются
для оптимизации и могут интегрироваться в испытательные стенды для расчетов на
основании измерений в режиме реального времени. Этот класс представлен программами BOOST, EXCITE designer, EXCITE piston and rings,
HYDSIM, CRUISE.

При разработке подсистем и систем используются также
комбинированные подходы, которые предусматривают совместное использование
трехмерных и одномерных моделей, а также инструментов оптимизации. Например,
для моделирования процессов смесеобразования и сгорания в двигателях с
расслоением заряда используют программу FIRE трехмерного моделирования
гидро-газодинамических процессов, а для расчетов процессов во впускных и
выпускных системах используют BOOST.

Фрагмент текста работы:

1. Особенности моделирования
газодинамических процессов Вычислительная гидродинамика (CFD) — это раздел
механики жидкости, который использует численный анализ и структуры данных для
анализа и решения проблем, связанных с потоками жидкости. Компьютеры
используются для выполнения расчетов, необходимых для моделирования набегающего
потока жидкости и взаимодействия жидкости (жидкостей и газов) с поверхностями,
определяемыми граничными условиями. С помощью высокоскоростных суперкомпьютеров
могут быть достигнуты лучшие решения, которые часто требуются для решения самых
крупных и сложных проблем. В ходе текущих исследований появляется программное
обеспечение, которое повышает точность и скорость сложных сценариев
моделирования, таких как трансзвуковые или турбулентные потоки. Первоначальная
проверка такого программного обеспечения обычно выполняется с использованием
экспериментального оборудования, такого как аэродинамические трубы. Кроме того,
для сравнения может быть использован ранее проведенный аналитический или
эмпирический анализ конкретной проблемы. Окончательная валидация часто
выполняется с использованием полномасштабных испытаний, таких как летные
испытания. [2]

CFD применяется для решения широкого круга
исследовательских и инженерных задач во многих областях исследований и отраслей
промышленности, включая аэродинамику и аэрокосмический анализ, моделирование
погоды, естественные науки и экологическую инженерию, проектирование и анализ
промышленных систем, биологическую инженерию, потоки жидкостей и теплопередачу,
и анализ двигателя и сгорания.

Метод спектральных элементов — это метод конечных
элементов. Это требует, чтобы математическая задача (уравнение в частных
производных) была сформулирована в слабой формулировке. Обычно это делается
путем умножения дифференциального уравнения на произвольную тестовую функцию и
интегрирования по всей области. Чисто математически тестовые функции совершенно
произвольны — они принадлежат бесконечномерному функциональному пространству.
Ясно, что бесконечномерное функциональное пространство не может быть
представлено на дискретной сетке спектральных элементов; здесь начинается
дискретизация спектрального элемента. Самое главное — это выбор функций
интерполяции и тестирования. В стандартном МКЭ низкого порядка в 2D для
четырехугольных элементов наиболее типичным выбором является билинейная
проверка или интерполирующая функция вида v(x,y )= ax + by + cxy + d. [4]

Однако в методе спектральных элементов
интерполяционные и тестовые функции выбираются как полиномы очень высокого
порядка (обычно, например, 10-го порядка в приложениях CFD). Это гарантирует
быструю сходимость метода. Кроме того, необходимо использовать очень
эффективные процедуры интеграции, так как число интеграций, которые необходимо
выполнить в числовых кодах, велико. Таким образом, используются квадратуры
интегрирования Гаусса высокого порядка, поскольку они обеспечивают наивысшую
точность при наименьшем количестве выполняемых вычислений. В настоящее время
существует несколько академических кодов CFD, основанных на методе спектральных
элементов, и еще несколько в настоящее время находятся в стадии разработки,
поскольку в научном мире возникают новые схемы с временным шагом.

Моделирование крупных вихрей (LES) — это метод, в
котором самые мелкие масштабы потока удаляются посредством операции фильтрации,
а их влияние моделируется с использованием моделей подсеточного масштаба. Это
позволяет разрешить самые большие и наиболее важные масштабы турбулентности,
при этом значительно снижая вычислительные затраты, связанные с наименьшими
масштабами. Этот метод требует больших вычислительных ресурсов, чем методы
RANS, но намного дешевле, чем DNS.