Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Течения жидкостей и газов. Теоретические основы и эксперимент. Учебное пособие
.pdf
Описание лабораторных работ
Порядок выполнения задания:
Подключить гибкие трубки от пьезометров к штуцерам отвер-
стий в стенке трубы.
Установить минимальный расход воды через рабочий модуль.
Записать показания пьезометров.
Вычислить потерю напора как разность показаний пьезоме-
тров, расположенных до и после внезапного расширения.
Повторить опыт не менее десяти раз, постепенно увеличивая
расход воды.
Результаты эксперимента и вычислений занести в таблицу.
Лабораторная работа № 6
Построить графики зависимости давления и скорости воздуха
на оси аэродинамической трубы, полученные при помощи батарейного манометра и анемометра.
Принадлежности: аэродинамическая труба, трубка Пито-Пранд-
тля, микроманометр, анемометр.
Задаваемые значения: частота вращения привода.
Измеряемые значения: показания микроманометра, показания
анемометра.
Вычисляемые значения: давление и скорость воздуха в трубе.
Порядок выполнения задания:
Установить трубку Пито-Прандтля в аэродинамическую трубу.
Соединить трубку с микроманометром.
Записать нулевую отметку на микроманометре (h0).
Включить аэродинамическую трубу, установив начальную ча-
стоту вращения 10 об/сек, снять показания микроманометра (h),
изменить скорость потока анемометром.
Эксперимент повторить, увеличивая частоту вращения с шагом
2 об/мин до 30 об/мин.
Для каждого опыта вычислить давление по показаниям микро-
манометра, а также скорость воздуха при помощи интеграла Бернулли. Заполнить таблицу результатов. Сопоставить вычисленные
значения скорости и значения, полученные с помощью анемометра.
121
Приложения
Лабораторная работа № 7
Исследовать зависимость коэффициента подъемной силы и сопротивления от угла атаки при обтекании симметричного крылового профиля.
Принадлежности: аэродинамическая труба, датчики силы,
трубка Пито-Прандтля, модель крыла.
Задаваемые значения: частота вращения привода, угол атаки
профиля.
Измеряемые значения: показания датчиков подъемной силы и
сопротивления.
Вычисляемые значения: коэффициенты подъемной силы и со-
противления.
Порядок выполнения задания:
Закрепить крыловой профиль в рабочей части аэродинамической трубы, установив нулевой угол атаки.
Запустить трубу и установить скорость вращения привода так,
чтобы скорость набегающего потока была близка к 15 м/с.
Записать показания датчиков подъемной силы и сопротивления.
Повторить опыт, меняя угол атаки с шагом 2 до значения 20.
Вычислить значение коэффициентов подъемной силы и сопротивления для каждого угла атаки по формулам:
F
0,5
lift
,
2
CvS
lift
F
CvS
drag
0,5
drag
,
2
где – плотность воздуха, v – скорость набегающего потока, S – ха-
рактерная площадь модели профиля (вычисляемая как произведение длины хорды на поперечный размер).
Результаты эксперимента и вычислений занести в таблицу.
122
Работа с ANSYS CFX
Приложение 2
Работа с ANSYS CFX
Программный пакет ANSYS CFX предназначен для численно-
го решения задач гидро- и аэродинамики с использованием метода
конечных объемов, одного из наиболее эффективных численных
методов, предназначенных для решения математических задач,
описывающих динамику физических систем сложной структуры,
в том числе задач гидро- и аэродинамики. Принцип работы солвера в ANSYS CFX заключается в подборе функции (конструирующейся из некоторой комбинации пробных и весовых функций с неизвестными коэффициентами), наиболее полно удовлетворяющей
системе дифференциальных уравнений, что сводится к задаче минимизации невязки. При этом вместо использования большого количества пробных и весовых функций для минимизации невязки во всей области, используются специальные пробные функции
простого вида, отличные от нуля только в одном элементе области.
Нужная точность при этом достигается за счет большого количества элементов, на которые разбивается исходная область.
С точки зрения пользователя, работа с ANSYS CFX состоит из
следующих основных этапов:
– построение геометрии расчетной области и создание расчет-
ной сетки (обычно для этого используется программа IСЕМ
CFD, поставляемая в комплекте с CFX, но поддерживается
импортирование геометрии и готовых сеток, созданных другими способами);
– задание конфигурации расчета в пре-солвере, что включает
в себя тип расчета, используемые модели, граничные условия, точность, а также настройку отображаемых при расчете
значений;
– проведение численного расчета в солвере;
– обработка результатов в пост-солвере.
Рассмотрим каждый из перечисленных этапов подробнее.
Построение геометрической модели
Построение геометрической модели и расчетной сетки будет
рассматриваться только для сеточного пакета ANSYS ICEM CFD.
123
Приложения
Для построения геометрии в ICEM CFD используются инструменты, расположенные на вкладке Geometry. Для построения сетки
основными элементами геометрии являются поверхности, для построения поверхностей требуется задавать опорные точки и кривые.
Инструменты создания точек расположены в подразделе Create
Point. Основной способ задания точек – это указание ее координат.
Для создания нескольких точек по заданной формуле имеется метод Create multiple points (координаты задаются в параметрическом виде). Помимо этого, имеются методы для построения точек
по уже существующим элементам геометрии – в центре существующей окружности, на отрезке между двумя точками или на существующей кривой (в параметрически задаваемом месте), на пересечении кривых, а также в виде проекции существующей точки на
кривую или поверхность. В некоторых случаях их использование
позволяет сократить затраты времени на вычисление координат
всех точек.
Инструменты создания кривых расположены в подразделе
Create/Modify Curve. Два основных метода создания кривых – это
создание кривой по опорным точкам (метод From Points, при двух
точках строится отрезок прямой, при большем количестве – интерполяционная кривая, проходящая через все указанные точки) и
создание окружности или дуги (несколько различных методов).
Также имеется специализированный метод, строящий кривую
по пересечению двух поверхностей (обычно требуется для последующего разрезания этих поверхностей по линии пересечения),
и несколько различных методов для разделения, объединения и
модификации кривых. Следует иметь в виду, что для кривой запоминается направление, в котором она создавалась, что может
иметь значение при использовании некоторых инструментов создания поверхностей.
Наконец, инструменты создания поверхностей расположены в
подразделе Create/Modify Surface. Три основных метода инструмента Simple Surface позволяют построение поверхности по четырем точкам, по контуру из кривых и по двум или более не соединяющимся контурам (например, так строится боковая поверхность
цилиндра). Кроме того, имеются методы для построения поверхности вращения, для вытягивания поверхности от заданной кривой
124
Работа с ANSYS CFX
по указанному направлению или контуру, натягивание поверхности на каркас из кривых и разрезание/склеивание поверхностей.
Также имеется некоторое количество стандартных геометрических
форм, но их использование может приводить к проблемам при некоторых вариантах их модификации.
Помимо этого, в наличии имеется набор инструментов для мо-
дификации существующей геометрии (Transform Geometry), таких
как копирование, перенос, поворот и растяжение. Построенные поверхности необходимо распределить на части (Parts) для последующего задания граничных условий (если на двух поверхностях
должны быть различные типы граничных условий, то они не могут
вместе входить в одну часть). При проведении численного расчета
граничные условия применяются только к поверхностям, поэтому
все точки и кривые можно оставлять в части по умолчанию GEOM.
Построение расчетной сетки
Пакет ICEM CFD дает возможность построения расчетных се-
ток трех основных типов. Декартовая сетка, наиболее простая в
создании, позволяет создавать только прямоугольные ячейки, что
для многих задач не приемлемо. Структурированная гексаэдрическая сетка позволяет учитывать особенности структуры исследуемого течения уже на этапе построения сетки, но создание ее
наиболее трудоемко. Для построения структурированной гексаэдрической сетки ее блоки должны создаваться вручную, при этом
достижение приемлемого качества для сколько-нибудь сложной
трехмерной модели представляет собой достаточно сложную задачу. Тетраэдрическая сетка же в ICEM CFD может быть построена
и сглажена в автоматическом режиме, что значительно сокращает
временные затраты на ее создание и в то же время позволяет задавать сгущения сетки в тех местах, где требуется большая точность
расчета, таких как пограничные слои.
Для автоматического построения тетраэдрической сетки требу-
ется указать объем, в котором ее строить, задать размер элементов
(включая сгущения на особо важных участках) и проконтролировать качество сгенерированной сетки.
Задание объема выполняется созданием элемента типа Body
(инструмент Create Body на панели геометрии) по некоторой точ-
125
Приложения
ке, расположенной заведомо внутри целевого объема (также можно создать Body посередине между двумя точками или указав все
ограничивающие поверхности). При этом будет создана отдельная
часть (Part). Важно следить, чтобы объем не был создан на базе
уже существующей части. При необходимости создания двух и более смежных сеток, может быть задано более одного объема. Если
не создано ни одного объема, отдельная сетка будет создана для
каждой изолированной полости в геометрии, что может привести
к созданию лишних сеток и дальнейшим ошибкам в расчете (однако если в расчетной области имеется всего один замкнутый объем,
этот этап можно пропустить).
Задание параметров сетки выполняется с использованием панели Mesh. На подпанели Global Mesh Setup можно установить
характерный размер элементов сетки (Max element), а также дополнительные настройки генерации, такие как параметры призматических слоев и сглаживания. На подпанели Part Mesh Setup
можно задать дополнительное измельчение элементов сетки вблизи наиболее значимых участков (границы, обтекаемое тело, места
стыка нескольких сеток, участки со сложной геометрией, а также
участки, где ожидаются большие градиенты гидродинамических
функций). Основные параметры – Max Size (такой размер будет у
элементов сетки, примыкающей к выбранной части) и Tetra Size
Ratio – множитель увеличения размера тетраэдров по мере удаления от границы. Также можно задать измельчение на отдельных
поверхностях (Surface Mesh Setup), кривых (Curve Mesh Setup) и в
областях (Create Mesh Density).
Следует иметь в виду, что при слишком маленьком значении
основного размера сетка может содержать очень много элементов,
на построение которых ресурсов компьютера может не хватить.
Кроме того, длительность расчета примерно пропорциональна
количеству элементов в сетке. Ввиду этого стандартная процедура выполнения численных расчетов включает в себя этап выбора
наилучших параметров сетки, при которых количество элементов
минимально, но точность результата остается достаточно высокой
(то есть мало отличается от результатов для сеток с большим количеством элементов).
126
Работа с ANSYS CFX
Сам процесс генерации происходит в автоматическом режиме
и запускается через подменю Compute Mesh. После окончания генерации сетки должно быть проверено ее качество, что делается с
панели Edit Mesh. Эта панель содержит множество инструментов
для ручного редактирования сетки, которые редко используются
из-за очень большого количества элементов в сетках, предназначенных для сколько-нибудь серьезного расчета. К часто используемым относятся лишь два инструмента:
– Display Mesh Quality, построение гистограммы, показываю-
щей количество элементов различного качества (качеством
называется параметр элемента, характеризующий насколько сильно он отличается от правильного равностороннего тетраэдра / прямоугольного гексаэдра, качество которых принимается за единицу). Терпимым считается значение 0,2,
желательным – 0,5 и выше. Следует отметить, что качество,
вообще говоря, влияет на скорость и точность расчета, но небольшое количество низкокачественных (с качеством, близким к нулю) элементов в «тяжелой» сетке не способно сильно
навредить расчету. В то же время присутствие даже одногоединственного элемента с отрицательным качеством (вырожденный, например, самопересекающийся или плоский
элемент, чаще гексаэдр) недопустимо и не позволит выполнить численный расчет. При выделении отдельных столбцов
гистограммы будут подсвечиваться соответствующие элементы (позволяет локализовать проблемные места).
– Smooth Mesh Globally, выполнение автоматического сгла-
живания сетки. Основные параметры – количество итераций и целевое качество (рекомендуемые значения 10 и 0,5).
Перед выполнением сглаживания стоит сохранить проект,
поскольку в некоторых случаях алгоритм может испортить
сетку (привести к появлению элементов с отрицательным
качеством или нарушить соответствие исходной геометрии).
Также следует помнить, что несколько итераций сглаживания проводится уже на этапе генерации, их можно отключить, сняв перед генерацией чекбокс Smooth mesh в разделе
Volume Meshing Parameters.
127
Приложения
Заключительный этап работы в ICEM CFD – экспорт сетки, который выполняется в меню Output в два действия: Select solver
(Output Solver – ANSYS CFX, Common Structural Solver – ANSYS)
и Write input (экспортируемая сетка должна иметь расширение
cfx5).
Работа с пре-солвером
Первое действие с новым проектом пре-солвера – это импортирование ранее построенной сетки. Поддерживаются различные типы
сеток, поэтому необходимо выбрать нужное расширение в выпадающем списке (ICEM CFD). Следующий шаг – выбор типа расчета, раздел Simulation Type (в дереве, на панели инструментов и в
меню Insert) позволяет выбрать стационарный (Steady State) либо
нестационарный (Transient) расчет. Для нестационарного расчета
здесь также задается общая длительность расчета и шаг по времени. В зависимости от выбранного типа, в настройках граничных
условий и интерфейсов будет изменяться набор доступных опций.
Далее выполняется задание свойств элемента Domain (объем). По умолчанию создается один элемент такого типа с именем
Default Domain. В большинстве задач и нужен всего один Domain,
но в некоторых случаях (совмещение сеток, комплексные задачи с
твердыми телами и т. п.) возможно создать дополнительные.
Основные свойства объема:
Domain Type – тип объема, жидкий (по умолчанию), твердый
или пористый. Далее рассматриваются свойства жидкого объема,
два других типа используются только в специфических задачах.
Fluids List – жидкости/газы, течение которых рассматривается. Как правило, выбирается один тип, в более сложных задачах
может потребоваться рассматривать смесь. Справа от выпадающего списка (содержащего лишь простейшие варианты) расположена кнопка с многоточием …, раскрывающая полный список. Выбор материала в том числе определяет учет сжимаемости, причем
для газов присутствуют варианты, моделируемые как несжимаемые жидкости, такие как Air 25 C (для учета сжимаемости воздуха следует выбирать Air Ideal Gas).
Reference Pressure – характерное давление, обычно 1 атм. Во
всех остальных местах используется относительное давление. При
необходимости, возможно указать нулевое характерное давление
128
Работа с ANSYS CFX
и работать далее с абсолютным давлением (при этом точность расчета уменьшится за счет погрешности округления).
Buoyancy – плавучесть, учет влияния силы тяжести (по умолча-
нию выключен).
Domain Motion – неподвижный или вращающийся объем (во
втором случае будут учитываться инерционные эффекты). В случае, когда совмещается вращающийся и неподвижный объемы,
требуется корректно задать интерфейс между ними (тип интерфейса Transient Rotor-Stator, доступен только для нестационарного типа расчета).
На закладке Fluid Models возможно задать используемую мо-
дель жидкости (присутствующие опции зависят от выбранного
типа и количества жидкостей).
Heat Transfer – учет температуры и теплопроводность. Вари-
анты: None (температура не рассматривается), Isotermal (считается, что вся жидкость имеет одинаковую заданную температуру),
Thermal Energy (учитывается теплопроводность, но температура
не связана с плотностью и давлением), Total Energy (полная модель, используется для сжимаемых газов).
Turbulence – модель учета турбулентности. Варианты: None
(течение считается ламинарным, в ряде случаев может давать некорректные результаты), k-Epsilon модель (наиболее известная),
Shear Stress Transport (SST, рекомендуемая, дает лучшие резуль-
таты, чем k-Epsilon, но требует построения призматических слоев)
и другие.
На закладке Initialization можно задать начальные условия
для нестационарного расчета. Количество требующихся условий
зависит от выбранной модели.
Подэлементом объема являются граничные условия (Boundary
conditions). Граничные условия могут создаваться на основе ранее
созданных при построении модели частей (Parts). Одно граничное
условие может объединять несколько частей. По умолчанию существует одно граничное условие, Default Domain Default (первые
два слова – имя объема), задающее на всех частях условие твердой стенки с прилипанием. В свойствах граничного условия первая закладка (Basic Settings) содержит информацию о расположении и типе граничного условия, а также, в случае использования
вращающегося объема, указание, в какой системе координат зада-
129
Приложения
ются свойства граничного условия. Содержимое второй закладки
(Boundary Details) зависит от выбранного типа граничного усло-
вия и используемой модели жидкости.
Inlet – через поверхность с таким граничным условием жид-
кость поступает внутрь объема. В блоке Mass and Momentum может задаваться скорость поступления жидкости (Normal Speed,
Cart. Vel. Components, Cyl. Vel. Components), расход (Mass Flow
Rate) или давление на границе (Static Pressure). Ниже, при ис-
пользовании соответствующих моделей, можно задать температуру поступающей жидкости и степень ее турбулизации.
Outlet – через поверхность с таким граничным условием
жидкость покидает объем. Присутствует только блок Mass and
Momentum (смысл которого такой же, как для условия типа Inlet).
Opening – через поверхность с таким граничным условием жид-
кость может как поступать внутрь объема, так и покидать его. Имеются те же разделы, что и для условия Inlet, а также Flow Direction,
который задает направление движения жидкости.
Wall – твердая непроницаемая стенка. Может быть с прилипанием (No Slip) либо с проскальзыванием (Free Slip) жидкости.
При использовании температурной модели задаются температурные условия – Adiabatic (отсутствие теплообмена с жидкостью),
Temperature (стенка имеет заданную температуру), Heat Flux
(от стенки идет заданный тепловой поток) или Heat Transfer
Coeffi cient (для задания температурного условия третьего типа).
Также на стенке может быть задана скорость частиц жидкости.
Symmetry – условие симметрии. Дополнительных свойств не
имеет, фактически представляет собой твердую стенку с проскальзыванием и отсутствующим теплообменом. Может устанавливаться только на плоских поверхностях.
При задании обтекания тела потоком стандартная схема граничных условий – задание скорости на входе в область и нулевого
относительного давления на выходе.
Контроль расчета
После задания граничных условий в разделе Solver Control
можно выставить настройки решателя. Помимо продвинутых опций, управляющих методом численного расчета, в этом разделе
имеются три основных параметра:
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]