Studium šíření tlakových pulsací vysokotlakým systémem

Transkript

1 Konference ANSYS 2009 Studium šíření tlakových pulsací vysokotlakým systémem Josef Foldyna, Zdeněk Říha, Libor Sitek Ústav geoniky AV ČR, v. v. i., Ostrava Abstract: Various alternatives of high pressure-system geometry including square elbows and prolongation of liquid waveguide were elaborated to be able to simulate real tools used to generate high-speed water jets. Variable geometrical parameters of the model were selected and the computational model was prepared in such a way that the geometry and meshing of the model is generated automatically after entering the parameters. This approach facilitates and speeds up preparation of models for simulation of propagation of pressure pulsations in high-pressure system for generation of pulsating water jets. The paper presents results of simulation of propagation of pressure pulsations through various geometries of the high-pressure system. Keywords: pulsating water jet, numerical simulation, pressure pulsations. Abstrakt: Byly rozpracovány různé varianty geometrií vysokotlakého systému, zahrnující zalomení a prodloužení kapalinového vlnovodu, umožňující modelovat reálné nástroje používané pro generování vysokorychlostních vodních paprsků. Byly zvoleny proměnné geometrické parametry modelu a výpočetní model byl připraven tak, aby po zadání těchto proměnných parametrů byla automaticky generována síť. Tento přístup výrazně usnadnil a zrychlil přípravu numerických modelů pro výpočty šíření tlakových pulsací vysokotlakým systémem pro generování pulsujících vodních paprsků. V článku jsou uvedeny výsledky modelování šíření tlakových pulsací různými geometriemi vysokotlakého systému. Klíčová slova: pulsující vodní paprsek, numerická simulace, tlakové pulsace. 1. Úvod Účinky vysokorychlostních vodních paprsků při dezintegraci materiálů jsou odborné veřejnosti dobře známy. Čistá voda stlačená běžně užívanými vysokotlakými čerpadly na tlak až 415 MPa má po průchodu velmi malým otvorem (tryskou o průměru desetin až jednotek mm) dostatečnou energii na řezání papíru, dřeva, plastů, pryže, tenkých plechů (kolem 1 mm) apod. Po přidání abrazivních částic do vysokorychlostního vodního proudu ať už za tryskou (tzv. abrazivní vodní paprsek) nebo před tryskou (tzv. abrazivní suspenzní paprsek) se oblast použitelnosti paprsků výrazně rozšíří. Abrazivní paprsky jsou schopny řezat, vrtat, soustružit, frézovat apod. těžko obrobitelné materiály jako jsou kompozity, konstrukční keramika, vysokopevnostní slitiny, sklo apod. V současné době není znám materiál, který by abrazivní paprsek neporušil. Systémy pro řezání abrazivními paprsky jsou však poměrně složité a navíc použití abraziva často přináší ekologické problémy. Proto i přes technologický pokrok dosažený v posledních letech v oblasti aplikací vysokorychlostních abrazivních paprsků existuje ve světě neustálý tlak na další vývoj umožňující zvýšení výkonnosti čistých vodních paprsků, a to při současném přizpůsobení se stále náročnějším ekologickým požadavkům a zajištění ekonomické výhodnosti při jejich aplikaci.

2 TechSoft Engineering & SVS FEM Jeden z možných způsobů, jak tohoto cíle dosáhnout, je reprezentován generováním vodních paprsků ultravysokými tlaky. Už na počátku devadesátých let minulého století proběhly úspěšné pokusy řezání kovů čistými vodními paprsky generovanými tlakem až 690 MPa, čímž odpadla nutnost použít pro řezání abrazivo. Při takových tlacích ovšem dochází k extrémnímu namáhání částí vysokotlakých čerpadel, což má neblahý vliv na jejich životnost. Určité zlepšení mají přinést tzv. dvoustupňová čerpadla: v prvním stupni dochází k tlakování vody asi na 350 MPa, ve druhém pak na konečných 700 MPa (Koerner, 2002). Cena takového zařízení je však minimálně dvojnásobná v porovnání se standardním vysokotlakým čerpadlem na 415 MPa. Alternativní přístup je možno charakterizovat snahou eliminovat potřebu extrémně vysokých tlaků vytvářením pulsujících paprsků. Generováním dostatečně velkých tlakových pulsací tlakové kapaliny před výstupem z trysky je možno vytvářet kapalinový pulsující paprsek, který z trysky vystupuje jako kontinuální kapalinový paprsek a do pulsů se formuje až v určité vzdálenosti od výstupu z trysky. Výhodou pulsujícího kapalinového paprsku oproti kontinuálnímu je skutečnost, že při dopadu jednotlivých pulsů pulsujícího paprsku se na dopadové ploše cyklicky generuje impaktní tlak, který je několikanásobně vyšší než tlak stagnační generovaný dopadem kontinuálního paprsku za jinak stejných podmínek (Foldyna, 2009). Vlivem účinků pulzujícího paprsku navíc dochází k únavovému a smykovému namáhání v materiálu cyklickým zatěžováním dopadové plochy, případně působením radiálního vysokorychlostního toku kapaliny po povrchu. To dále zvyšuje účinnost pulzujícího kapalinového paprsku v porovnání s kontinuálním (Foldyna, 2004). V Ústavu geoniky AV ČR, v. v. i. v Ostravě byla proto vyvinuta a intenzívně testována originální metoda generování pulzujícího kapalinového paprsku. Tato metoda je založena na vytváření akustických vln působením akustického budiče na tlakovou kapalinu a jejich přenosu vysokotlakým systémem k trysce. Tlakové pulzace generované akustickým budičem v akustické komoře naplněné tlakovou kapalinou jsou zesilovány mechanickým zesilovačem pulzací a přiváděny kapalinovým vlnovodem do trysky. K efektivnímu přenosu energie pulzů z generátoru do trysky případně systému trysek, kde se tlakové pulzace mění na rychlostní, se využívá stlačitelnost kapaliny spolu s naladěním akustického systému (Foldyna, 2005b). Takovéto zařízení může být použito ke generování jednoduchých i několikanásobných pulzujících paprsků (např. rotačních). Efektivní přenos vysokofrekvenční pulsační energie vysokotlakým systémem na větší vzdálenosti (v řádu několika metrů) představuje jeden ze základních předpokladů vytvoření vysoce efektivního pulsujícího kapalinového paprsku požadovaných vlastností. K tomu je nezbytné zesílení tlakových pulsací šířících se vysokotlakým tryskem použitím vhodně tvarovaného kapalinového vlnovodu. Pro dosažení maximálních účinků buzení je navíc zapotřebí naladit celý vysokotlaký systém od akustického budiče k trysce do rezonance. Aby bylo možno teoreticky studovat proces buzení a šíření tlakových pulsací tímto systémem, byly zpracovány analytické (Foldyna, 2006b a 2007a) a numerické (Foldyna, 2005a, 2006a, 2007b, 2007c a 2008) modely vysokotlakého systému s integrovaným akustickým generátorem tlakových pulsací. V tomto příspěvku jsou prezentovány výsledky studie zaměřené na šíření tlakových pulsací různými variantami geometrií vysokotlakého systému, zahrnující zalomení a prodloužení kapalinového vlnovodu. 2. Řešená geometrie S ohledem na vnitřní geometrii v praxi používaných nástrojů pro generování vysokorychlostních vodních paprsků byly připraveny tři základní varianty řešené geometrie s definovanými proměnnými parametry, znázorněné na Obr. 1. U varianty přímé bylo možno měnit objem

3 Konference ANSYS 2009 a) b) c) Obr. 1. Varianty řešené geometrie vysokotlakého systému pro generování pulsujícího vodního paprsku: a) přímá, b) s jedním zalomením (kolenem), c) se dvěma zalomeními (koleny). akustické komory změnou délky L a délku kapalinového vlnovodu A. U varianty s jedním zalomením (kolenem) bylo možno navíc měnit délku ramene B; u varianty se dvěma zalomeními (koleny) bylo kromě výše uvedených parametrů možno měnit ještě délku druhého ramene C. Základem všech řešených variant geometrie vysokotlakého systému s integrovaným akustickým budičem byla řada souosých válců a komolých kuželů. Výjimku představuje vstupní válec (přívod vysokotlaké vody), který je umístěn kolmo na úzký meziválcový prostor (viz Obr. 2). Model obsahoval celou geometrii bez zjednodušení. Za výstupním otvorem trysky byl pro simulaci výtoku vody do vzduchu umístěn válec se stěnou bez tření. Řešený prostor byl vyplněn pouze šestistěnnými prvky. Výše uvedené varianty geometrie vysokotlakého systému byly parametricky zpracovány programem Gambit. Uvedený způsob umožňuje velmi rychlou tvorbu nových geometrií pro následný výpočet na základě změny definovaných proměnných parametrů. 3. Okrajové a počáteční podmínky, nastavení Fluentu Použité okrajové a počáteční podmínky jsou ilustrovány na Obr. 2. Vstup kapaliny byl definován pomocí okrajové podmínky tlakového vstupu s hodnotou 35 MPa. Výstup kapaliny z válce se stěnou bez tření byl definován pomocí okrajové podmínky statického tlaku. Pohyb vibrující stěny akustické komory s frekvencí Hz a amplitudou m byl definován pomocí goniometrických funkcí. Z výše uvedeného a na základě velikosti kroku posunu pohybující se

4 TechSoft Engineering & SVS FEM Operační tlak Pa Přívod vysokotlaké vody Tlakový vstup 35 MPa Vibrující stěna 20 khz, mm Akustická komora Válec se stěnou bez tření Tryska Prostor s pohyblivou sítí Tlakový výstup 0 Pa Kapalinový vlnovod stěny byl stanoven časový krok. Velmi malý zdvih (dvoj-amplituda) vibrující stěny a vysoká frekvence kmitání vedly k použití dvojnásobné přesnosti ( double precision ) během výpočtu. Úloha byla nejdříve řešena jako stacionární proudění vody pro dané okrajové podmínky, potom následovalo připojení nestacionárního vratného pohybu zadní stěny akustické komory. Turbulentní proudění popisoval Realizable k-ε model turbulence spolu s non-equilibrium wall function. Nastavení relaxačních parametrů se významně nelišilo od standardních hodnot. V čase bylo použito diskretizační schéma prvního řádu. V prostoru byla využita diskretizační schémata druhého řádu. Proudění kapaliny v modelové geometrii bylo řešeno jako 3D, turbulentní, stlačitelné, nestacionární proudění vody. Stlačitelnost vody byla ve výpočtovém modelu zadána pomocí tzv. uživatelsky definované funkce (UDF). Tato funkce v sobě zahrnuje jak výpočet hustoty vody, tak i rychlosti zvuku ve vodě v závislosti na tlaku (Foldyna, 2007c). Výpočet ve Fluentu byl realizován pomocí žurnálů (*.jou soubor). Do Fluentu byl načten export geometrie z Gambitu (*.msh soubor). Zadání všech parametrů výpočtu potom proběhlo přes *.jou soubor. Výstupem výpočtu bylo ustálené kmitající pole proudových veličin, ze kterého byl proveden časový záznam sledovaných veličin (v daném případě průběh tlaku v ose příslušné geometrie). 4. Výsledky simulace Obr. 2. Okrajové podmínky Výsledky numerické simulace procesu akustického generování tlakových pulsací a jejich šíření ve vybraných geometriích vysokotlakého systému jsou prezentovány v grafické podobě. Na Obr. 3 a 4 jsou ukázány výsledky simulace v geometriích, vycházejících z existujících nástrojů pro generování vysokorychlostních vodních paprsků, které jsou k dispozici pro experimentální ověření vypočtených výsledků v laboratoři. Na Obr. 5 a 6 jsou prezentovány výsledky simulace šíření tlakových pulsací v modelových geometriích. Výsledky simulace šíření tlakových pulsací v přímé variantě geometrie vysokotlakého systému jsou ilustrovány na Obr. 3. Z prezentovaného grafu průběhu maximálních a minimálních amplitud

5 Konference ANSYS ] a P [M p35 k la T ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Obr. 3. Průběh minimálních a maximálních amplitud tlaku v ose řešené geometrie během jednoho cyklu pohybu akustického budiče (vibrující stěny) přímá varianta, L = 1 mm, A = 800 m. tlaku v ose řešené geometrie během jednoho cyklu pohybu akustického budiče (vibrující stěny) je zřejmé, že v trubici o délce A = 800 mm dochází k poměrně značnému útlumu tlakových pulsací amplituda tlakových pulsací z 10 MPa na začátku trubice poklesne na 4,5 MPa na konci trubice před tryskou. V samotné trysce však opět dochází zesílení tlakových pulzací, což indikuje, že i přes poměrně značný útlum pulsací v trubici délky 800 mm by systém měl být schopen generovat pulsující paprsek (i když ve větší vzdálenosti od trysky). Tento předpoklad byl potvrzen experimentem v laboratoři. Výsledky simulace šíření tlakových pulsací v geometrii vysokotlakého systému s jedním zalomením (kolenem) jsou prezentovány na Obr. 4 a 5. Obr. 4 ukazuje průběh minimálních a maximálních amplitud tlaku v ose řešené geometrie během jednoho cyklu pohybu akustického budiče (vibrující stěny) v geometrii s minimální délkou bočního ramene (B = 1 mm) a s parametrem L nastaveným tak, aby bylo dosaženo maximální amplitudy tlakových pulsací na konci řešené geometrie před tryskou. Optimální hodnota parametru L (L = 24 mm) byla stanovena simulací a následným vyhodnocením několika geometrických konfigurací, které se navzájem lišily hodnotou parametru L. Vysoká amplituda tlakových pulsací před tryskou naznačuje, že by daná geometrie vysokotlakého systému s jedním zalomením a výše uvedenými parametry měla generovat pulsující vodní paprsek v relativně malé vzdálenosti od trysky, což bylo opět experimentálně potvrzeno. Obr. 5 ukazuje průběh minimálních a maximálních amplitud tlaku v ose řešené geometrie během jednoho cyklu pohybu akustického budiče (vibrující stěny) v modelové geometrii s větší délkou bočního ramene (B = mm) a s parametrem L nastaveným na minimální hodnotu (L = 1 mm). Přestože za zalomením geometrie dochází k mírnému poklesu amplitudy tlakových pulsací, velikost amplitudy tlakových pulsací před tryskou by opět měla být dostatečně vysoká pro generování pulsujícího vodního paprsku.

6 TechSoft Engineering & SVS FEM ] a P [M p k la T ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0, 0,00 0,02 0,04 Osa x [m] Obr. 4. Průběh minimálních a maximálních amplitud tlaku v ose řešené geometrie během jednoho cyklu pohybu akustického budiče (vibrující stěny) varianta s jedním zalomením, L = 24 mm, A = 84 mm, B = 1 mm. 48 ] a P [M p k la T ,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0, Obr. 5. Průběh minimálních a maximálních amplitud tlaku v ose řešené geometrie během jednoho cyklu pohybu akustického budiče (vibrující stěny) varianta s jedním zalomením, L = 1 mm, A = 84 mm, B = mm. Výsledky simulace šíření tlakových pulsací v geometrii vysokotlakého systému se dvěma zalomeními (koleny) jsou prezentovány na Obr. 6. Parametry L a A byly u této modelové geometrie stejné jako modelové geometrie s jedním zalomením, jejíž výsledky byly prezentovány na Obr. 6 (L = 1 mm, A = 84 mm), délka prvního ramene B byla zvolena 60 mm a délka druhého ramene C mm. Z průběhu minimálních a maximálních amplitud tlaku v ose řešené geometrie 26 0,00 0,02 0,04 0,06 Osa x [m]

7 Konference ANSYS 2009 během jednoho cyklu pohybu akustického budiče (vibrující stěny) v modelové geometrii je zřejmé, že ani dvě zalomení v geometrii vysokotlakého systému nebrání šíření tlakových pulsací od zdroje (akustického budiče) k trysce. Zajímavé je zjištění, že zatímco za prvním zalomením geometrie dochází k mírnému poklesu amplitudy tlakových pulsací, za druhým zalomením se amplituda tlakových pulsací opět mírně zvyšuje. Opět je možno konstatovat, že amplituda tlakových pulsací před tryskou by měla být dostatečně vysoká pro generování pulsujícího vodního paprsku. ] a P [M p k la T 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0, 0,00 0,04 Osa x [m] 0, 0, Obr. 6. Průběh minimálních a maximálních amplitud tlaku v ose řešené geometrie během jednoho cyklu pohybu akustického budiče (vibrující stěny) varianta se dvěma zalomeními, L = 1 mm, A = 84 mm, B = 60 mm, C = mm. 5. Závěr Předložené výsledky numerické simulace procesu akustického generování tlakových pulsací a jejich šíření ve vybraných geometriích vysokotlakého systému ukazují, že i relativně složité geometrie zahrnující jedno nebo dvě zalomení nebo relativně dlouhý kapalinový vlnovod, umožňují šíření tlakových pulsací od zdroje až k trysce. Velikost těchto pulsací před tryskou je možno významně ovlivnit vhodnou volbou rozměrů jednotlivých částí vysokotlakého systému a jeho naladěním do rezonance. Automatizací tvorby geometrie v Gambitu a výpočtu ve Fluentu byl vytvořen velmi rychlý nástroj pro dosažení požadovaných výsledků ve fyzikálně relativně složité úloze. Další automatizací by mělo být možno dosáhnout optimalizační smyčky s cílem pro daný tvar řešené geometrie maximalizovat tlakové pulzace před tryskou změnou proměnných parametrů, především délek jednotlivých částí geometrie. Další krok ve studiu problematiky šíření tlakových pulsací vysokotlakým systémem pro generování pulsujících vodních paprsků bude představovat zahrnutí rozvětvených geometrií (systémů s více tryskami) do numerické simulace.

8 TechSoft Engineering & SVS FEM 6. Reference Foldyna J., Říha Z., Sitek L., Proudění v trysce s pohyblivou stěnou, Sborník 11. uživatelské konference FLUENT 2005, str , 2005a. Foldyna J., Švehla B., Způsob generování tlakových pulzací a zařízení pro provádění tohoto způsobu, Patent č , Česká republika, 2005b. Foldyna J., Říha Z., Sitek L., Numerický model akustického generátoru pro generování pulsujícího vodního paprsku. Sborník 12. uživatelské konference FLUENT 2006, str , 2006a. Foldyna J., Sitek L., Habán V., Acoustic wave propagation in high-pressure system, Ultrasonics, Supplement 1,, str. e1457-e10, 2006b. Foldyna J., Habán V., Pochylý F., Sitek L., Transmission of acoustic waves, International Congress on Ultrasonics, doi:10.37/icultrasonics.2007.vienna.1458_foldyna, 2007a. Foldyna J., Říha Z., Sitek L., Švehla B., Numerical simulation of transmission of acoustic waves in high-pressure system, International Congress on Ultrasonics, doi: 10.37/ICUltrasonics.2007.Vienna.1456_foldyna, 2007b. Foldyna J., Říha Z., Sitek L., Švehla B., Simulace přenosu tlakových pulsací vysokotlakým systémem. Sborník Konference ANSYSYS Část I. - CFD/FSI, str , 2007c. Foldyna J., Říha Z., Sitek L., Výpočet vlastní frekvence vysokotlakého systému, Sborník konference ANSYS 2008 str. 1-7, Foldyna J., Sitek L., Ščučka J., Martinec P., Valíček J., Páleníková K., Effects of pulsating water jet impact on aluminium surface, Journal of Material Processing Technology, doi: /j.jmatprotec (v tisku), Foldyna J., Sitek L., Švehla B., Švehla Š., Utilization of ultrasound to enhance high-speed water jet effects, Ultrasonic Sonochemistry, 11 (3-4), str , Koerner P., Hiller W., Werth H., Design of reliable pressure intensifiers for water-jet at 4 to 7 kbar, 16th International Conference on Water Jetting, str , Poděkování Prezentovaná práce byla uskutečněna v rámci projektu č. 101/07/1451Grantové agentury České republiky a projektu č. AV0Z Akademie věd České republiky. Autoři děkují za podporu.