Кузьмин В.Д.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОСТУПЛЕНИЯ ГРУНТОВЫХ ВОД В ТРУБУ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS CFX *
Аннотация:
статья посвящена описанию моделирования процесса фильтрации грунтовых вод в программе ANSYS CFX. С помощью метода конечных элементов в программе построена модель процесса фильтрации через щель в трубе. Рассмотрены различные случаи положения щели. Полученная модель позволяет визуализировать процесс поступления грунтовых вод при инфильтрационном стоке в системы водоотведения
Ключевые слова:
инфильтрационный расход, фильтрация жидкости, движение грунтовых вод
УДК 628.2
Кузьмин В.Д.
студент
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
(Санкт-Петербург, Россия)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОСТУПЛЕНИЯ
ГРУНТОВЫХ ВОД В ТРУБУ С ПОМОЩЬЮ
ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS CFX
Аннотация: статья посвящена описанию моделирования процесса фильтрации грунтовых вод в программе ANSYS CFX. С помощью метода конечных элементов в программе построена модель процесса фильтрации через щель в трубе. Рассмотрены различные случаи положения щели. Полученная модель позволяет визуализировать процесс поступления грунтовых вод при инфильтрационном стоке в системы водоотведения.
Ключевые слова: инфильтрационный расход, фильтрация жидкости, движение грунтовых вод.
Описание моделей фильтрации с помощью расчетных комплексов приводятся в отечественной литературе. Возможности ANSYS позволяют смоделировать процесс фильтрации для различных материалов, даже вновь создаваемых, как описано в статье [5]. Фильтрация жидкости из трубопровода в грунт как задача для моделирования подробно рассмотрена в статье [4] и других подобных, посвященных различным типам утечек из трубопроводов. В статьях [4,7] описывается моделирование фильтрации с помощью модуля ANSYS Fluent, использующего сетку конечных объемов в отличие ANSYS CFX, который выбран мною для моделирования.
В этой статье будет рассмотрено поступление грунтовых вод в трубу под действием гидростатического давления. Целью моделирования является визуализация процесса фильтрации воды в грунте в осях координат при малой водоприемной способности трубы. Модель позволит оценить вертикальную составляющую фильтрации, которую не учитывает основное уравнение поступления грунтовых вод в дренажную трубу [6]:
(1)
Где:
– коэффициент фильтрации, характеризующий грунт по водопропускной способности, м/сут;
– расход, поступающий в совершенную дренажную трубу, м3/сут;
– радиус депрессии дренажа, м;
-напор на расстоянии , м.
Програмный комплекс ANSYS CFX позволяет выполнить анализ и моделирование физических процессов с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Путем дискретизации расчетной области (моделируемого тела) на подобласти. Конечный объем рассматривается как совокупность отдельных элементов [2]. Для этого в программу встроен модуль ANSYS CFX — Mesh, позволяющий отследить генерацию расчетной сетки и ее шаг (размер). Далее, имея множество кусочно-непрерывных функций, каждая из котрых определена на отдельном элементе, их значения определяются программой в конечном числе узлов расчетной сетки [2].
В качестве расчетных формул при работе с пористой средой (Porous Domain) программа использует следующую расчетную формулу для квадратичной области [3]:
(2)
Где:
– перепад давления;
– коэффициент квадратичного сопротивления;
- скорость.
Так как в данной задаче характер течения фильтруемой воды будет скорее ламинарным, то для вычисления применятся численное решение системы уравнений Навье – Стокса [8].
Для моделирования построена геометрия пласта грунта, который является двухфазной средой, Porous domain (вода-твердое тело). В нем построна труба диаметром 400 мм и отверстием в 25 мм. Глубина заложения принята 2, 4 м от УГВ. В качестве параметра, который характеризует тело по водопропускной способности- объемная пористость, которая для песков колеблется в районе 0,6. Давление на входе в трубу и на уровне грунтовых вод, который является верхом моделируемой области, принято атмосферным.
Рис1. Результаты моделирования с отверстием в верхней части: А- линии тока к щели в водоприемной трубе; Б- Векторное поле скоростей у входа в водоприемное отверстие.
Рис 2. Результаты моделирования с отверстием в нижней части: А- линии тока к щели в водоприемной трубе; Б- Векторное поле скоростей у входа в водоприемное отверстие.
Рис 3. Результаты моделирования с отверстием в боковой части трубы
Выводы: для моделирования фильтрации, как показывают приведенные статьи лучше использовать ANSYS Fluent, потому как моделирование этих процессов в CFX требует сложной верификации.
При фильтрации воды в грунте, если рассматривать небольшие отверстия и малую водоприемную способность трубы следует учитывать вертикальную составляющую фильтрации, что видно из модели. Допущение Дюпуи о параллельноструности [6] мало применимо к случаю инфильтрационного стока.
Для более точных вычислений необходимо учитывать третью составляющую грунта – воздух.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Номер журнала Вестник науки №5 (62) том 2
Ссылка для цитирования:
Кузьмин В.Д. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОСТУПЛЕНИЯ ГРУНТОВЫХ ВОД В ТРУБУ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS CFX // Вестник науки №5 (62) том 2. С. 528 - 533. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/8166 (дата обращения: 25.04.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+