4.4.2.4. Задание переменных свойств материала с помощью кусочно-полиномиальной функции

Если изменение свойств материала описывается несколькими степенными функциями, то описать его можно с помощью кусочного полинома. При этом необходимо знать точку, в которой эти функции совпадают. Как и при задании изменения с помощью полиномиальной функции лучше описывать зависимости полиномом первой или второй степени.

В окне выбора метода задания свойства материала (рис. 4.4.17) из списка Available Properties выбираем piecewise-polynomial, перемещаем в другой список с помощью кнопки и нажимаем. Откроется окноPiecewise-Polynomial Profile (рис. 4.4.39).

Рис. 4.4.39. Окно ввода данных для кусочно полинома

В окне ввода данных (рис. 4.4.39) в поле Ranges необходимо ввести количество линий, составляющих кривую изменений свойств материала. В поле Range с помощью кнопок иможно переходить от одной линии к другой и задавать коэффициенты соответствующих этим линиям полиномов. В поляхMinimum и Maximum указываются минимальное и максимальное значение определяющих факторов для данной кривой (для коэффициента теплопроводности – это температура). Значение Maximum автоматически становится Minimum для следующей линии. В поле Coefficients под номерами 1, 2, 3 и т.д. вводятся значения коэффициентов, стоящих перед определяющим фактором в уравнении, описывающем закон изменения теплофизических свойств материала. В конце нажимаем Ok, Ok.

4.4.2.5. Анализ способов задания переменных свойств материала

При решении задач в программном комплексе ANSYS с разными способами задания переменных свойств материала можно сделать следующие выводы:

1. При использовании полиномиальной функции высокая точность описания изменения свойств материала наблюдается, как правило, при использовании высоких степеней. Но это может значительно усложнить задачу.

2. При использовании кусочно-полиномиальных функций необходимо точно определить точку пересечения функций, а также важно не использовать полиномы высоких степеней.

3. Самым удобным способом является задание кусочно-линейных функций. Но для наибольшей точности решения требуется указать как можно большее значение точек. Решение при этом не усложняется, а описание зависимостей свойств материала близко к графику.

5. Моделирование воздушно-водяного кожухотрубчатого теплообменника типа «труба в трубе»

Цель работы: смоделировать работу прямоточного воздушно-водяного кожухотрубчатого теплообменника типа «труба в трубе», если известно, что температура холодного (внутреннего) теплоносителя (вода) составляет 333 К, горячего (внешнего) теплоносителя (воздух) – 550 К; расходы воды и воздуха составляют по 0,7 кг/с; материал стенок – алюминий. Также необходимо оптимизировать работу теплообменника по величине получаемого теплового потока и среднемассовой температуре воды на выходе из теплообменника.

СОЗДАНИЕ ГЕОМЕТРИИ

Открвыем ANSYS 14.5 > Workbench. Выбираем в окне компонентов (рис. 5.1 слева) Fluid Flow (FLUENT) и методом перетаскивания перемещаем в левую часть окна.Заходим в Geometry как показано на рис. 5.1 и выбираем удобную систему единиц измерения (например, метры) и нажимаем Ok.

Рис. 5.1. Окно создания новой геометрии

Для создания цилиндрического тела выбираем Create > Primitives > Cilinder. В окне Detail View задаем радиус цилиндра 0,3 м, являющегося внешним кожухом теплообменника (рис. 5.2).

В строке As Thin/surface ставим Yes для того чтобы создать полую поверхность и задаем внутренний диаметр 0,15 м, являющийся внутренней стенкой, разделяющей два теплоносителя.

В строке Operation выбираем Add Frozen для создания не цельнотелого объекта и нажимаем кнопку Generate.

Рис. 5.2. Создание поверхности трубы для течения воздуха

Аналогично создаем внутреннюю поверхность теплообменника, где будет течь нагреваемая вода. Для этого задаем внешний радиус 0,15 м. В строке As Thin/surface ставим No. В строке Operation выбираем Add Frozen для создания не цельнотелого объекта и нажимаем Generate (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Создание поверхности трубы для течения воды

Далее задаем входы и выходы для воздуха и воды. На панели инструментов выбираем фильтр Selection Filter: Faces (изображение куба с выделенной одной стороной). Выбираем нужную поверхность, затем нажимаем правой кнопкой мыши по ней, и в открывшимся меню выбираем named selection (рис. 5.4). Задаем имя поверхности Details View (например, air_in) нажимаем Generate.

Рис. 5.4. Переименование поверхностей

Аналогично задаем остальные поверхности входа и выхода для воды и воздуха (air_out, water_in, water_out).

В окне Tree Outline, раскрываем последнюю вкладку, которая показывает количество областей (тел). Называем области: 1-я область – air, 2-я область – water (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Переименование областей двух тел

Задание геометрии закончено, закрываем DesignModeler и сохраняем проект через File > Save as…

СОЗДАНИЕ РАСЧЕТНОЙ СЕТКИ

Открываем компонент создания сетки Mesh, два раза нажав на него левой кнопкой мыши. В окне Outline выбираем закладку Mesh. В окне Details of Mesh в раскрывающемся списке Assembly Meshing в строке Method выбираем метод разбиения Tetrahedrons и нажимаем на кнопку Generate Mesh и затем Update (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Построение расчетной сетки

Задание расчетной сетки закончено, закрываем Meshing и сохраняем проект через File > Save.

ЗАДАНИЕ УСЛОВИЙ РАСЧЕТА

Запускаем следующий модуль Setup. Во вкладке General (рис. 5.7) нажимаем кнопку Check, если проверка прошла успешно, продолжаем расчет. В окне Solver в поле Time ставит маркер напротив строки Steady.

Во вкладке Models (рис. 5.8) выбираем типы уравнений, используемых в расчетной модели, нажимая на них двойным щелчком левой кнопкой мыши: Energy – On, Viscous – standart k-e, standart wall function.

Рис. 5.7. Вкладка General

Рис. 5.8. Вкладка Models

Во вкладке Materials задаем материалы, используемые в модели. Материал – воздух (air) уже присутствует, необходимо добавить материал – воду. Для этого нажимаем Create/Edit. В списке Material Type выбираем тип материала fluid (жидкость) и нажимаем кнопку FLUENT Database. В списке выбираем необходимый материал water-liquid (текучая жидкость) и нажимаем кнопку Copy > Close > Close (рис. 5.9, 5.10).