NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Rola modelowania fizycznego i numerycznego

Transkrypt

1 Politechnika Częstochowska Katedra Inżynierii Energii NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Rola modelowania fizycznego i numerycznego dr hab. inż. Zbigniew BIS, prof P.Cz. dr inż. Robert ZARZYCKI

2 Wstęp Modelowanie jest to odtwarzanie najważniejszych właściwości oryginału oraz zjawisk fizycznych tam występujących. Ze względu jednaj na bardzo skomplikowaną budowę oraz przebieg zjawisk fizycznych na rzeczywistym obiekcie modelowanie pozwala jedynie na przybliżone odtworzenie najważniejszych właściwości oryginału i przebiegających tam zjawisk. Podstawowym celem modelowania jest uproszczenie złożonej rzeczywistości, pozwalające na poddanie jej procesowi badawczemu. W procesie modelowania: 1) zmniejsza się lub powiększa obiekt badań do dowolnej wielkości, np. budowany jest w odpowiedniej skali (pomniejszeniu) fizyczny model kotła fluidalnego; 2) analizuje się procesy trudne do uchwycenia ze względu na zbyt szybkie lub zbyt wolne tempo ich przebiegu, np. model kotła fluidalnego możliwa jest analiza torów pojedynczych cząstek materiału przy zastosowaniu odpowiednich technik pomiaru i wizualizacji 3) bada się jeden wybrany aspekt zagadnienia, pomijając inne, np. analiza rozkładów ciśnienia w zależności od obciążenia lub geometrii kotła bez analizy innych procesów występujących w rzeczywistym kotle fluidalnym. Modelowanie pełni szczególną rolę w naukach przyrodniczych oraz technice, traktujących środowisko przyrodnicze lub układ techniczny jako złożony system, poddający się badaniom dzięki modelowaniu występujących w nim relacji i procesów.

3 Modelowanie fizyczne Rzeczywiste obiekty energetyczne charakteryzują się wysokim stopniem złożoności. Widok wnętrza komory kotła z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym

4 Modelowanie fizyczne polega na tworzeniu w odpowiedniej skali modelu obiektu rzeczywistego z zachowaniem istotnych jego funkcji oraz doboru warunków przebiegu zjawisk fizycznych z zachowaniem odpowiednich skal podobieństwa. Model kotła CFB Skala 1:18.6 przepływ powietrza agregaty tłocząco ssące, wydajność 0.4 m 3 /s u g =3m/s Materiał cyrkulujący piasek kwarcowy, d 50 = 55 mm Materiał gruby piasek kwarcowy, d 50 = 2 mm Modelowanie fizyczne

5 Modelowanie fizyczne pozwala na obserwację i analizę zjawisk fizycznych przy zastosowaniu odpowiednich metod pomiarowych i porównywanie uzyskanych wyników z pomiarami na rzeczywistych obiektach 40 Modelowanie fizyczne Wysokość [m] Pomiar na obiekcie rzeczywistym ,5 2, Ciśnienie [Pa] Pomiar na obiekcie modelowym Wysokość [m] 1,5 1,0 0,5 0, Ciścnienie [Pa]

6 Modelowanie fizyczne Modelowanie fizyczne umożliwia obserwację i analizę zjawisk fizycznych przy zastosowaniu odpowiednich technik wizualizacji.

7 Modelowanie fizyczne Modelowanie fizyczne umożliwia łatwą ingerencję w geometrię obiektu i prowadzenie na nim badań co w przypadku obiektów rzeczywistych jest kosztowne, trudne lub praktycznie nie możliwe do realizacji. Model kotła CFB wykonany w skali 1:20

8 Modelowanie fizyczne Wizualizacja przepływu gazu i materiału cyrkulującego w modelu kotła CFB

9 Modelowanie numeryczne Modelowanie numeryczne składa się z procesu budowy siatki odwzorowującej rzeczywisty obiekt a następnie przy wykorzystaniu odpowiednich modeli numerycznych (modeli turbulencji) rozwiązanie przepływu gazu oraz fazy stałej w konturze kotła CFB. Widok geometrii oraz geometrii i siatki obliczeniowej kotła CFB

10 Modelowanie numeryczne Modelowanie numeryczne dzięki wykorzystaniu własnych kodów obliczeniowych oraz komercyjnych kodów obliczeniowych takich jak np. Fluent umożliwia rozwiązanie równań przepływu gazu oraz fazy stałej w konturze kotła CFB. Komercyjne oprogramowanie pozwala na prezentację wyników obliczeń w bardzo efektowny sposób. Najczęściej wykorzystywanymi sposobami prezentacji danych w przypadku analizy przepływu gazu i fazy stałej w kotłach CFB są przekroje w wybranych płaszczyznach interesujących nas wielkości fizycznych (rozkłady w postaci kolorowych map), prezentacja wektorów prędkości w wybranych przekrojach kotła CFB oraz prezentacja torów cząstek gazu lub fazy stałej w konturze kotła CFB. W przypadku realizacji obliczeń numerycznych istotne jest aby dokonać identyfikacji parametrów istotnych mających wpływ na realizację procesu, przeprowadzona powinna być kalibracja przyjętego modelu numerycznego, a uzyskane wyniki powinny być poddane walidacji czyli porównaniu uzyskanych wyników z modelu numerycznego z danymi pomiarowymi z rzeczywistego obiektu. Najczęściej analizowanymi parametrami oraz wielkościami uzyskanymi z obliczeń kotła CFB są: rozkłady ciśnień; rozkłady prędkości; rozkłady koncentracji; wektorowe rozkłady prędkości; tory cząstek gazu oraz fazy stałej;

11 Modelowanie numeryczne oś komory oś cyklonu profil ciśnienia profil prędkości profil koncentracji

12 Modelowanie numeryczne oś komory oś cyklonu profil ciśnienia profil prędkości profil koncentracji

13 Modelowanie numeryczne linie prądu gazu kolorowane prędkością gazu

14 Podsumowanie Modelowanie fizyczne i numeryczne umożliwia analizę zjawisk i procesów zachodzących w stanowiskach modelowych kotłów fluidalnych, a uzyskiwane wyniki i rezultaty mogą być przenoszone na rzeczywiste obiekty; Modelowanie fizyczne i numeryczne pozwala skrócić czas projektowania nowych kotłów fluidalnych a w przypadku jednostek już istniejących daje możliwość poprawy ich pracy; Koszty oraz czas realizacji związane z procesami modelowania są wielokrotnie niższe i krótsze niż prowadzenie badań na rzeczywistych obiektach.