Задача
Основная цель расчета состояла в определении гидравлической характеристики чистого и загрязненного фильтрующего элемента в зависимости от производительности и вязкости нефти.
Данная работа включала следующие этапы:
- Создание геометрической модели внутреннего пространства нефтяного фильтра.
- Построение сеточной модели (дискретизация расчетной области) для трех типоразмеров нефтяных фильтров.
- Задание физических моделей для созданной расчетной области.
- Проведение серии расчетов.
- Обработка и анализ результатов.
Решение
В качестве расчетной области рассматривалось внутреннее пространство нефтяного фильтра. Геометрическая модель внутреннего пространства (рисунок 1) строилась на основе предоставленной твердотельной модели изделия.
Рисунок 1 - Геометрическая модель расчетной области фильтра.
Для исследуемого объема была построена неструктурированная гибридная (тетраэдрические, гексаэдрические и призматические элементы) сетка (рисунок 2) средствами программных модулей ANSYS Meshing и ICEM CFD.
Рисунок 2 – Сеточная модель фильтра-решетки
В ходе расчета исследовалось турбулентное однофазное течение нефти в стационарной постановке. Влияние гидростатического давления не учитывалось.
Основная сложность данной задачи состояла в наличии перфорированных пластин с большим количеством отверстий (~ 80 000). Поэтому при прямом сеточном разрешении всех отверстий перфорированных пластин фильтра, общее количество ячеек сетки имело бы чрезмерно большое значение. Соответственно решение такой модели не представлялось бы возможным. В связи с этим перфорированная пластина рассматривалась как анизотропная пористая среда с коэффициентами потерь, определёнными по эмпирическим методикам. Кроме того для учета влияния силы трения на перепад давления при изменении вязкости нефти необходимо было рассчитать коэффициент проницаемости для различных диаметров отверстий и степени загрязнённости фильтра при фиксированном расходе. С этой целью была дополнительно создана локальная модель участка течения в зоне перфорации.
В результате многовариантного расчета были построены графики зависимости перепада давления от производительности на чистом и загрязненном фильтрующем элементе для трех типов конструкций фильтров с различным значением диаметра отверстия перфорированной пластины и вязкости нефти. Кроме того были получены распределения полного давления и скорости в канале фильтра (рисунки 3,4).
Рисунок 3 – Распределение полного давления в канале фильтра.
Рисунок 4 – Распределение скорости в канале фильтра.
По результатам расчета было установлено, что фильтры ФР-800 и ФР-1000 соответствуют всем предъявляемым требованиям эксплуатации.