- •Table of Contents
- •Chapter 1: Probabilistic Design
- •1.1. Understanding Probabilistic Design
- •1.1.1. Traditional (Deterministic) vs. Probabilistic Design Analysis Methods
- •1.1.2. Reliability and Quality Issues
- •1.2. Probabilistic Design Terminology
- •1.3. Using Probabilistic Design
- •1.3.1. Create the Analysis File
- •1.3.1.1. Example Problem Description
- •1.3.1.2. Build the Model Parametrically
- •1.3.1.3. Obtain the Solution
- •1.3.1.4. Retrieve Results and Assign as Output Parameters
- •1.3.1.5. Prepare the Analysis File
- •1.3.2. Establish Parameters for Probabilistic Design Analysis
- •1.3.3. Enter the PDS and Specify the Analysis File
- •1.3.4. Declare Random Input Variables
- •1.3.5. Visualize Random Input Variables
- •1.3.6. Specify Correlations Between Random Variables
- •1.3.7. Specify Random Output Parameters
- •1.3.8. Select a Probabilistic Design Method
- •1.3.8.1. Probabilistic Method Determination Wizard
- •1.3.9. Execute Probabilistic Analysis Simulation Loops
- •1.3.9.1. Probabilistic Design Looping
- •1.3.9.2. Serial Analysis Runs
- •1.3.9.3. PDS Parallel Analysis Runs
- •1.3.9.3.1. Machine Configurations
- •1.3.9.3.1.1. Choosing Slave Machines
- •1.3.9.3.1.2. Using the Remote Shell Option
- •1.3.9.3.1.3. Using the Connection Port Option
- •1.3.9.3.1.4. Configuring the Master Machine
- •1.3.9.3.1.5. Host setup using port option
- •1.3.9.3.1.6. Host and Product selection for a particular analysis
- •1.3.9.3.2. Files Needed for Parallel Run
- •1.3.9.3.3. Controlling Server Processes
- •1.3.9.3.4. Initiate Parallel Run
- •1.3.10. Fit and Use Response Surfaces
- •1.3.10.1. About Response Surface Sets
- •1.3.10.2. Fitting a Response Surface
- •1.3.10.3. Plotting a Response Surface
- •1.3.10.4. Printing a Response Surface
- •1.3.10.5. Generating Monte Carlo Simulation Samples on the Response Surfaces
- •1.3.11. Review Results Data
- •1.3.11.1. Viewing Statistics
- •1.3.11.2. Viewing Trends
- •1.3.11.3. Creating Reports
- •1.4. Guidelines for Selecting Probabilistic Design Variables
- •1.4.1. Choosing and Defining Random Input Variables
- •1.4.1.1. Random Input Variables for Monte Carlo Simulations
- •1.4.1.2. Random Input Variables for Response Surface Analyses
- •1.4.1.3. Choosing a Distribution for a Random Variable
- •1.4.1.3.1. Measured Data
- •1.4.1.3.2. Mean Values, Standard Deviation, Exceedence Values
- •1.4.1.3.3. No Data
- •1.4.1.4. Distribution Functions
- •1.4.2. Choosing Random Output Parameters
- •1.5. Probabilistic Design Techniques
- •1.5.1. Monte Carlo Simulations
- •1.5.1.1. Direct Sampling
- •1.5.1.2. Latin Hypercube Sampling
- •1.5.1.3. User-Defined Sampling
- •1.5.2. Response Surface Analysis Methods
- •1.5.2.1. Central Composite Design Sampling
- •1.5.2.2. Box-Behnken Matrix Sampling
- •1.5.2.3. User-Defined Sampling
- •1.6. Postprocessing Probabilistic Analysis Results
- •1.6.1. Statistical Postprocessing
- •1.6.1.1. Sample History
- •1.6.1.2. Histogram
- •1.6.1.3. Cumulative Distribution Function
- •1.6.1.4. Print Probabilities
- •1.6.1.5. Print Inverse Probabilities
- •1.6.2. Trend Postprocessing
- •1.6.2.1. Sensitivities
- •1.6.2.2. Scatter Plots
- •1.6.2.3. Correlation Matrix
- •1.6.3. Generating an HTML Report
- •1.7. Multiple Probabilistic Design Executions
- •1.7.1. Saving the Probabilistic Design Database
- •1.7.2. Restarting a Probabilistic Design Analysis
- •1.7.3. Clearing the Probabilistic Design Database
- •1.8. Example Probabilistic Design Analysis
- •1.8.1. Problem Description
- •1.8.2. Problem Specifications
- •1.8.2.1. Problem Sketch
- •1.8.3. Using a Batch File for the Analysis
- •1.8.4. Using the GUI for the PDS Analysis
- •Chapter 2: Variational Technology
- •2.1. Harmonic Sweep Using VT Accelerator
- •2.1.1. Structural Elements Supporting Frequency-Dependent Properties
- •2.1.2. Harmonic Sweep for Structural Analysis with Frequency-Dependent Material Properties
- •2.1.2.1. Beam Example
- •Chapter 3: Adaptive Meshing
- •3.1. Prerequisites for Adaptive Meshing
- •3.2. Employing Adaptive Meshing
- •3.3. Modifying the Adaptive Meshing Process
- •3.3.1. Selective Adaptivity
- •3.3.2. Customizing the ADAPT Macro with User Subroutines
- •3.3.2.1. Creating a Custom Meshing Subroutine (ADAPTMSH.MAC)
- •3.3.2.2. Creating a Custom Subroutine for Boundary Conditions (ADAPTBC.MAC)
- •3.3.2.3. Creating a Custom Solution Subroutine (ADAPTSOL.MAC)
- •3.3.2.4. Some Further Comments on Custom Subroutines
- •3.3.3. Customizing the ADAPT Macro (UADAPT.MAC)
- •3.4. Adaptive Meshing Hints and Comments
- •3.5. Where to Find Examples
- •Chapter 4: Rezoning
- •4.1. Benefits and Limitations of Rezoning
- •4.1.1. Rezoning Limitations
- •4.2. Rezoning Requirements
- •4.3. Understanding the Rezoning Process
- •4.3.1. Overview of the Rezoning Process Flow
- •4.3.2. Key Commands Used in Rezoning
- •4.4. Step 1: Determine the Substep to Initiate Rezoning
- •4.5. Step 2. Initiate Rezoning
- •4.6. Step 3: Select a Region to Remesh
- •4.7. Step 4: Perform the Remeshing Operation
- •4.7.1. Choosing a Remeshing Method
- •4.7.1.1. Remeshing Using a Program-Generated New Mesh (2-D)
- •4.7.1.1.1. Creating an Area to Remesh
- •4.7.1.1.2. Using Nodes From the Old Mesh
- •4.7.1.1.3. Hints for Remeshing Multiple Regions
- •4.7.1.1.4. Generating a New Mesh
- •4.7.1.2. Remeshing Using a Generic New Mesh (2-D and 3-D)
- •4.7.1.2.1. Using the REMESH Command with a Generic New Mesh
- •4.7.1.2.2. Requirements for the Generic New Mesh
- •4.7.1.2.3. Using the REGE and KEEP Remeshing Options
- •4.7.1.3. Remeshing Using Manual Mesh Splitting (2-D and 3-D)
- •4.7.1.3.1. Understanding Mesh Splitting
- •4.7.1.3.2. Geometry Details for Mesh Splitting
- •4.7.1.3.3. Using the REMESH Command for Mesh Splitting
- •4.7.1.3.4. Mesh-Transition Options for 2-D Mesh Splitting
- •4.7.1.3.5. Mesh-Transition Options for 3-D Mesh Splitting
- •4.7.1.3.7. Improving Tetrahedral Element Quality via Mesh Morphing
- •4.7.2. Mesh Control
- •4.7.3. Remeshing Multiple Regions at the Same Substep
- •4.8. Step 5: Verify Applied Contact Boundaries, Surface-Effect Elements, Loads, and Boundary Conditions
- •4.8.1. Contact Boundaries
- •4.8.2. Surface-Effect Elements
- •4.8.3. Pressure and Contiguous Displacements
- •4.8.4. Forces and Isolated Applied Displacements
- •4.8.5. Nodal Temperatures
- •4.8.6. Other Boundary Conditions and Loads
- •4.9. Step 6: Automatically Map Variables and Balance Residuals
- •4.9.1. Mapping Solution Variables
- •4.9.2. Balancing Residual Forces
- •4.9.3. Interpreting Mapped Results
- •4.9.4. Handling Convergence Difficulties
- •4.10. Step 7: Perform a Multiframe Restart
- •4.11. Repeating the Rezoning Process if Necessary
- •4.11.1. File Structures for Repeated Rezonings
- •4.12. Postprocessing Rezoning Results
- •4.12.1. The Database Postprocessor
- •4.12.1.1. Listing the Rezoning Results File Summary
- •4.12.1.2. Animating the Rezoning Results
- •4.12.1.3. Using the Results Viewer for Rezoning
- •4.12.2. The Time-History Postprocessor
- •4.13. Rezoning Restrictions
- •4.14. Rezoning Examples
- •4.14.1. Example: Rezoning Using a Program-Generated New Mesh
- •4.14.1.1. Initial Input for the Analysis
- •4.14.1.2. Rezoning Input for the Analysis
- •4.14.2. Example: Rezoning Using a Generic New Mesh
- •4.14.2.1. Initial Input for the Analysis
- •4.14.2.2. Exporting the Distorted Mesh as a CDB File
- •4.14.2.3. Importing the File into ANSYS ICEM CFD and Generating a New Mesh
- •4.14.2.4. Rezoning Using the New CDB Mesh
- •Chapter 5: Mesh Nonlinear Adaptivity
- •5.1. Mesh Nonlinear Adaptivity Benefits, Limitations and Requirements
- •5.1.1. Rubber Seal Simulation
- •5.1.2. Crack Simulation
- •5.2. Understanding the Mesh Nonlinear Adaptivity Process
- •5.2.1. Checking Nonlinear Adaptivity Criteria
- •5.2.1.1. Defining Element Components
- •5.2.1.2. Defining Nonlinear Adaptivity Criteria
- •5.2.1.3. Defining Criteria-Checking Frequency
- •5.3. Mesh Nonlinear Adaptivity Criteria
- •5.3.1. Energy-Based
- •5.3.2. Position-Based
- •5.3.3. Contact-Based
- •5.3.4. Frequency of Criteria Checking
- •5.4. How a New Mesh Is Generated
- •5.5. Convergence at Substeps with the New Mesh
- •5.6. Controlling Mesh Nonlinear Adaptivity
- •5.7. Postprocessing Mesh Nonlinear Adaptivity Results
- •5.8. Mesh Nonlinear Adaptivity Examples
- •5.8.1. Example: Rubber Seal Simulation
- •5.8.2. Example: Crack Simulation
- •Chapter 6: 2-D to 3-D Analysis
- •6.1. Benefits of 2-D to 3-D Analysis
- •6.2. Requirements for a 2-D to 3-D Analysis
- •6.3. Overview of the 2-D to 3-D Analysis Process
- •6.3.1. Overview of the 2-D to 3-D Analysis Process Flow
- •6.3.2. Key Commands Used in 2-D to 3-D Analysis
- •6.4. Performing a 2-D to 3-D Analysis
- •6.4.1. Step 1: Determine the Substep to Initiate
- •6.4.2. Step 2: Initiate the 2-D to 3-D Analysis
- •6.4.3. Step 3: Extrude the 2-D Mesh to the New 3-D Mesh
- •6.4.4. Step 4: Map Solution Variables from 2-D to 3-D Mesh
- •6.4.5. Step 5: Perform an Initial-State-Based 3-D Analysis
- •6.5. 2-D to 3-D Analysis Restrictions
- •Chapter 7: Cyclic Symmetry Analysis
- •7.1. Understanding Cyclic Symmetry Analysis
- •7.1.1. How the Program Automates a Cyclic Symmetry Analysis
- •7.1.2. Commands Used in a Cyclic Symmetry Analysis
- •7.2. Cyclic Modeling
- •7.2.1. The Basic Sector
- •7.2.2. Edge Component Pairs
- •7.2.2.1. CYCOPT Auto Detection Tolerance Adjustments for Difficult Cases
- •7.2.2.2. Identical vs. Dissimilar Edge Node Patterns
- •7.2.2.3. Unmatched Nodes on Edge-Component Pairs
- •7.2.2.4. Identifying Matching Node Pairs
- •7.2.3. Modeling Limitations
- •7.2.4. Model Verification (Preprocessing)
- •7.3. Solving a Cyclic Symmetry Analysis
- •7.3.1. Understanding the Solution Architecture
- •7.3.1.1. The Duplicate Sector
- •7.3.1.2. Coupling and Constraint Equations (CEs)
- •7.3.1.3. Non-Cyclically Symmetric Loading
- •7.3.1.3.1. Specifying Non-Cyclic Loading
- •7.3.1.3.2. Commands Affected by Non-Cyclic Loading
- •7.3.1.3.3. Plotting and Listing Non-Cyclic Boundary Conditions
- •7.3.1.3.4. Graphically Picking Non-Cyclic Boundary Conditions
- •7.3.2. Solving a Static Cyclic Symmetry Analysis
- •7.3.3. Solving a Modal Cyclic Symmetry Analysis
- •7.3.3.1. Understanding Harmonic Index and Nodal Diameter
- •7.3.3.2. Solving a Stress-Free Modal Analysis
- •7.3.3.3. Solving a Prestressed Modal Analysis
- •7.3.3.4. Solving a Large-Deflection Prestressed Modal Analysis
- •7.3.3.4.1. Solving a Large-Deflection Prestressed Modal Analysis with VT Accelerator
- •7.3.4. Solving a Linear Buckling Cyclic Symmetry Analysis
- •7.3.5. Solving a Harmonic Cyclic Symmetry Analysis
- •7.3.5.1. Solving a Full Harmonic Cyclic Symmetry Analysis
- •7.3.5.1.1. Solving a Prestressed Full Harmonic Cyclic Symmetry Analysis
- •7.3.5.2. Solving a Mode-Superposition Harmonic Cyclic Symmetry Analysis
- •7.3.5.2.1. Perform a Static Cyclic Symmetry Analysis to Obtain the Prestressed State
- •7.3.5.2.2. Perform a Linear Perturbation Modal Cyclic Symmetry Analysis
- •7.3.5.2.3. Restart the Modal Analysis to Create the Desired Load Vector from Element Loads
- •7.3.5.2.4. Obtain the Mode-Superposition Harmonic Cyclic Symmetry Solution
- •7.3.5.2.5. Review the Results
- •7.3.6. Solving a Magnetic Cyclic Symmetry Analysis
- •7.3.7. Database Considerations After Obtaining the Solution
- •7.3.8. Model Verification (Solution)
- •7.4. Postprocessing a Cyclic Symmetry Analysis
- •7.4.1. General Considerations
- •7.4.1.1. Using the /CYCEXPAND Command
- •7.4.1.1.1. /CYCEXPAND Limitations
- •7.4.1.2. Result Coordinate System
- •7.4.2. Modal Solution
- •7.4.2.1. Real and Imaginary Solution Components
- •7.4.2.2. Expanding the Cyclic Symmetry Solution
- •7.4.2.3. Applying a Traveling Wave Animation to the Cyclic Model
- •7.4.2.4. Phase Sweep of Repeated Eigenvector Shapes
- •7.4.3. Static, Buckling, and Full Harmonic Solutions
- •7.4.4. Mode-Superposition Harmonic Solution
- •7.5. Example Modal Cyclic Symmetry Analysis
- •7.5.1. Problem Description
- •7.5.2. Problem Specifications
- •7.5.3. Input File for the Analysis
- •7.5.4. Analysis Steps
- •7.6. Example Buckling Cyclic Symmetry Analysis
- •7.6.1. Problem Description
- •7.6.2. Problem Specifications
- •7.6.3. Input File for the Analysis
- •7.6.4. Analysis Steps
- •7.6.5. Solve For Critical Strut Temperature at Load Factor = 1.0
- •7.7. Example Harmonic Cyclic Symmetry Analysis
- •7.7.1. Problem Description
- •7.7.2. Problem Specifications
- •7.7.3. Input File for the Analysis
- •7.7.4. Analysis Steps
- •7.8. Example Magnetic Cyclic Symmetry Analysis
- •7.8.1. Problem Description
- •7.8.2. Problem Specifications
- •7.8.3. Input file for the Analysis
- •Chapter 8: Rotating Structure Analysis
- •8.1. Understanding Rotating Structure Dynamics
- •8.2. Using a Stationary Reference Frame
- •8.2.1. Campbell Diagram
- •8.2.2. Harmonic Analysis for Unbalance or General Rotating Asynchronous Forces
- •8.2.3. Orbits
- •8.3. Using a Rotating Reference Frame
- •8.4. Choosing the Appropriate Reference Frame Option
- •8.5. Example Campbell Diagram Analysis
- •8.5.1. Problem Description
- •8.5.2. Problem Specifications
- •8.5.3. Input for the Analysis
- •8.5.4. Analysis Steps
- •8.6. Example Coriolis Analysis
- •8.6.1. Problem Description
- •8.6.2. Problem Specifications
- •8.6.3. Input for the Analysis
- •8.6.4. Analysis Steps
- •8.7. Example Unbalance Harmonic Analysis
- •8.7.1. Problem Description
- •8.7.2. Problem Specifications
- •8.7.3. Input for the Analysis
- •8.7.4. Analysis Steps
- •Chapter 9: Submodeling
- •9.1. Understanding Submodeling
- •9.1.1. Nonlinear Submodeling
- •9.2. Using Submodeling
- •9.2.1. Create and Analyze the Coarse Model
- •9.2.2. Create the Submodel
- •9.2.3. Perform Cut-Boundary Interpolation
- •9.2.4. Analyze the Submodel
- •9.3. Example Submodeling Analysis Input
- •9.3.1. Submodeling Analysis Input: No Load-History Dependency
- •9.3.2. Submodeling Analysis Input: Load-History Dependency
- •9.4. Shell-to-Solid Submodels
- •9.5. Where to Find Examples
- •Chapter 10: Substructuring
- •10.1. Benefits of Substructuring
- •10.2. Using Substructuring
- •10.2.1. Step 1: Generation Pass (Creating the Superelement)
- •10.2.1.1. Building the Model
- •10.2.1.2. Applying Loads and Creating the Superelement Matrices
- •10.2.1.2.1. Applicable Loads in a Substructure Analysis
- •10.2.2. Step 2: Use Pass (Using the Superelement)
- •10.2.2.1. Clear the Database and Specify a New Jobname
- •10.2.2.2. Build the Model
- •10.2.2.3. Apply Loads and Obtain the Solution
- •10.2.3. Step 3: Expansion Pass (Expanding Results Within the Superelement)
- •10.3. Sample Analysis Input
- •10.4. Top-Down Substructuring
- •10.5. Automatically Generating Superelements
- •10.6. Nested Superelements
- •10.7. Prestressed Substructures
- •10.7.1. Static Analysis Prestress
- •10.7.2. Substructuring Analysis Prestress
- •10.8. Where to Find Examples
- •Chapter 11: Component Mode Synthesis
- •11.1. Understanding Component Mode Synthesis
- •11.1.1. CMS Methods Supported
- •11.1.2. Solvers Used in Component Mode Synthesis
- •11.2. Using Component Mode Synthesis
- •11.2.1. The CMS Generation Pass: Creating the Superelement
- •11.2.2. The CMS Use and Expansion Passes
- •11.2.3. Superelement Expansion in Transformed Locations
- •11.2.4. Plotting or Printing Mode Shapes
- •11.3. Example Component Mode Synthesis Analysis
- •11.3.1. Problem Description
- •11.3.2. Problem Specifications
- •11.3.3. Input for the Analysis: Fixed-Interface Method
- •11.3.4. Analysis Steps: Fixed-Interface Method
- •11.3.5. Input for the Analysis: Free-Interface Method
- •11.3.6. Analysis Steps: Free-Interface Method
- •11.3.7. Input for the Analysis: Residual-Flexible Free-Interface Method
- •11.3.8. Analysis Steps: Residual-Flexible Free-Interface Method
- •11.3.9. Example: Superelement Expansion in a Transformed Location
- •11.3.9.1. Analysis Steps: Superelement Expansion in a Transformed Location
- •11.3.10. Example: Reduce the Damping Matrix and Compare Full and CMS Results with RSTMAC
- •Chapter 12: Rigid-Body Dynamics and the ANSYS-ADAMS Interface
- •12.1. Understanding the ANSYS-ADAMS Interface
- •12.2. Building the Model
- •12.3. Modeling Interface Points
- •12.4. Exporting to ADAMS
- •12.4.1. Exporting to ADAMS via Batch Mode
- •12.4.2. Verifying the Results
- •12.5. Running the ADAMS Simulation
- •12.6. Transferring Loads from ADAMS
- •12.6.1. Transferring Loads on a Rigid Body
- •12.6.1.1. Exporting Loads in ADAMS
- •12.6.1.2. Importing Loads
- •12.6.1.3. Importing Loads via Commands
- •12.6.1.4. Reviewing the Results
- •12.6.2. Transferring the Loads of a Flexible Body
- •12.7. Methodology Behind the ANSYS-ADAMS Interface
- •12.7.1. The Modal Neutral File
- •12.7.2. Adding Weak Springs
- •12.8. Example Rigid-Body Dynamic Analysis
- •12.8.1. Problem Description
- •12.8.2. Problem Specifications
- •12.8.3. Command Input
- •Chapter 13: Element Birth and Death
- •13.1. Elements Supporting Birth and Death
- •13.2. Understanding Element Birth and Death
- •13.3. Element Birth and Death Usage Hints
- •13.3.1. Changing Material Properties
- •13.4. Using Birth and Death
- •13.4.1. Build the Model
- •13.4.2. Apply Loads and Obtain the Solution
- •13.4.2.1. Define the First Load Step
- •13.4.2.1.1. Sample Input for First Load Step
- •13.4.2.2. Define Subsequent Load Steps
- •13.4.2.2.1. Sample Input for Subsequent Load Steps
- •13.4.3. Review the Results
- •13.4.4. Use Analysis Results to Control Birth and Death
- •13.4.4.1. Sample Input for Deactivating Elements
- •13.5. Where to Find Examples
- •Chapter 14: User-Programmable Features and Nonstandard Uses
- •14.1. User-Programmable Features (UPFs)
- •14.1.1. Understanding UPFs
- •14.1.2. Types of UPFs Available
- •14.2. Nonstandard Uses of the ANSYS Program
- •14.2.1. What Are Nonstandard Uses?
- •14.2.2. Hints for Nonstandard Use of ANSYS
- •Chapter 15: State-Space Matrices Export
- •15.1. State-Space Matrices Based on Modal Analysis
- •15.1.1. Examples of SPMWRITE Command Usage
- •15.1.2. Example of Reduced Model Generation in ANSYS and Usage in Simplorer
- •15.1.2.1. Problem Description
- •15.1.2.2. Problem Specifications
- •15.1.2.3. Input File for the Analysis
- •Chapter 16: Soil-Pile-Structure Analysis
- •16.1. Soil-Pile-Structure Interaction Analysis
- •16.1.1. Automatic Pile Subdivision
- •16.1.2. Convergence Criteria
- •16.1.3. Soil Representation
- •16.1.4. Mudslides
- •16.1.5. Soil-Pile Interaction Results
- •16.1.5.1. Displacements and Reactions
- •16.1.5.2. Forces and Stresses
- •16.1.5.3. UNITY Check Data
- •16.2. Soil Data Definition and Examples
- •16.2.1. Soil Profile Data Definition
- •16.2.1.1. Mudline Position Definition
- •16.2.1.2. Common Factors for P-Y, T-Z Curves
- •16.2.1.3. Horizontal Soil Properties (P-Y)
- •16.2.1.3.1. P-Y curves defined explicitly
- •16.2.1.3.2. P-Y curves generated from given soil properties
- •16.2.1.4. Vertical Soil Properties (T-Z)
- •16.2.1.4.1. T-Z curves defined explicitly
- •16.2.1.4.2. T-Z curves generated from given soil properties
- •16.2.1.5. End Bearing Properties (ENDB)
- •16.2.1.5.1. ENDB curve defined explicitly
- •16.2.1.5.2. ENDB curves generated from given soil properties
- •16.2.1.6. Mudslide Definition
- •16.2.2. Soil Data File Examples
- •16.2.2.1. Example 1: Constant Linear Soil
- •16.2.2.2. Example 2: Non-Linear Soil
- •16.2.2.3. Example 3: Soil Properties Defined in 5 Layers
- •16.2.2.4. Example 4: Soil Properties Defined in 5 Layers with Mudslide
- •16.3. Performing a Soil-Pile Interaction Analysis
- •16.3.2. Mechanical APDL Component System Example
- •16.3.3. Static Structural Component System Example
- •16.4. Soil-Pile-Structure Results
- •16.5. References
- •Chapter 17: Coupling to External Aeroelastic Analysis of Wind Turbines
- •17.1. Sequential Coupled Wind Turbine Solution in Mechanical APDL
- •17.1.1. Procedure for a Sequentially Coupled Wind Turbine Analysis
- •17.1.2. Output from the OUTAERO Command
- •Chapter 18: Applying Ocean Loading from a Hydrodynamic Analysis
- •18.1. How Hydrodynamic Analysis Data Is Used
- •18.2. Hydrodynamic Load Transfer with Forward Speed
- •18.3. Hydrodynamic Data File Format
- •18.3.1. Comment (Optional)
- •18.3.2. General Model Data
- •18.3.3. Hydrodynamic Surface Geometry
- •18.3.4. Wave Periods
- •18.3.5. Wave Directions
- •18.3.6. Panel Pressures
- •18.3.7. Morison Element Hydrodynamic Definition
- •18.3.8. Morison Element Wave Kinematics Definition
- •18.3.9. RAO Definition
- •18.3.10. Mass Properties
- •18.4. Example Analysis Using Results from a Hydrodynamic Diffraction Analysis
- •Index
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •1.1. Методология проектирования технологических объектов
- •1.2. Компьютерные технологии проектирования
- •1.3. Системы автоматизированного проектирования в технике
- •1.4. Системы инженерного анализа
- •2.2.1. Создание и сохранение чертежа
- •2.2.2. Изменение параметров чертежа
- •2.2.3. Заполнение основной надписи
- •2.2.4. Создание нового вида. Локальная система координат
- •2.2.5. Вычерчивание изображения прокладки
- •2.2.6. Простановка размеров
- •2.2.7. Ввод технических требований
- •2.2.8. Задание материала изделия
- •2.3. Сложные разрезы в чертеже детали «Основание»
- •2.3.1. Подготовка чертежа
- •Cохранить документ.
- •2.3.2. Черчение по сетке из вспомогательных линий
- •2.3.3. Изображение разрезов
- •2.4. Чертежи общего вида при проектировании
- •3.1. Интерфейс программы
- •3.2. Общее представление о трехмерном моделировании
- •3.3. Основные операции геометрического моделирования
- •3.3.1. Операция выдавливания
- •3.3.2. Операция вращения
- •3.3.3. Кинематическая операция
- •3.3.4. Построение тела по сечениям
- •3.4. Операции конструирования
- •3.4.1. Построение фасок и скруглений
- •3.4.2. Построение уклона
- •3.4.3. Сечение модели плоскостью
- •3.4.4. Сечение по эскизу
- •3.4.5. Создание моделей-сборок
- •3.5. Разработка электронных 3D-моделей тепловых устройств
- •3.5.1. Электронные модели в ЕСКД
- •3.5.2. Электронные «чертежи» в ЕСКД
- •3.5.4. Электронная модель сборочного изделия «Газовая горелка»
- •ГЛАВА 4. ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ ГАЗОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В ANSYS CFX
- •4.1. Область применения ANSYS CFX
- •4.2. Особенности вычислительного процесса в ANSYS CFX
- •4.3. Программы, используемые при расчетах в ANSYS CFX
- •4.4. Организация процесса вычислений в среде пакета Workbench
- •4.4.1. Графический интерфейс пользователя
- •5.1. Постановка теплофизических задач в ANSYS Multiphysics
- •5.2. Решение задач в пакете ANSYS Multiphysics
- •5.2.1. Графический интерфейс пользователя
- •5.2.2. Этапы препроцессорной подготовки решения
- •5.2.3. Этап получения решения и постпроцессорной обработки результатов
- •5.3.5. Нестационарный теплообмен. Нагрев пластины в печи с жидким теплоносителем
- •5.4.1. Температурные напряжения при нагреве
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Alvelius K. Direct numerical simulation of rotating channel flow at various Reynolds numbers and rotation number / K. Alvelius, A.V. Johansson In PhD thesis of K. Alvelius Dept. of Mecanics, KTN. – Stockholm, 1999.
2.Аникеев А. А. Основы вычислительного теплообмена и
гидродинамики : учебное пособие / А. А. Аникеев, А. М. Молчанов,
Д. С. Янышев. – М. : Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010. – 152 с.
3.Арутюнов В.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей : учебник для вузов / В. А. Арутюнов, В. В. Бухмиров, С. А. Крупенников. – М. : Металлургия, 1990. – 239 с.
4.АСКОН : [офиц. сайт] // URL: http://www.ascon.ru.
5.Басов К. А. ANSYS в примерах и задачах / К. А. Басов. – М. : Компьютер Пресс, 2002. – 224 с.
6.Белов И. А. Теплоотдача и сопротивление пакетов труб / И. А. Белов, Н. Ф. Кудрявцев. – Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. – 223 с.
7.Белов И.А. Моделирование турбулентных течений : учеб. пособие / И. А. Белов, С. А. Исаев. – СПб. : Балт. гос. техн. ун-т, 2001. – 108 с.
8.Денисов М. А. Влияние процесса рециркуляции на теплопоглощение металла в печах / М. А. Денисов, Ф. Р. Шкляр // Изв. вузов. Черная металлургия. – 1977. – № 6. – С. 146–149.
9.Денисов М. А. Исследование сложного теплообмена при разных
схемах движения газов в рабочем пространстве печей / М. А. Денисов, Ф. Р. Шкляр, А. Х. Боковикова // Теплообмен излучением и сложный теплообмен : в кн. Тепломассообмен–5. Т. 8. – Минск: Ин-т тепло- и
массообмена АН БССР, 1976. – С. 276–285.
10. Денисов М. А. Математическое моделирование теплофизических процессов. ANSYS и CAE-проектирование : учеб. пособие / М. А. Денисов. – Екатеринбург : УрФУ, 2011. – 149 с.
261
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
11.Дзюзер В. Я. Введение в автоматизированное проектирование : учеб. пособие / В. Я. Дзюзер, В. С. Швыдкий, А. С. Шишкин. – Екатеринбург : УГТУ–УПИ, 2007. – 180 с.
12.Казанцев Е. И. Промышленные печи : справочное руководство для расчетов и проектирования / Е. И. Казанцев. – М. : Металлургия, 1975. – 368 с.
13.Каплун А. Б. ANSYS в руках инженера : практическое руководство / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. – М. : URSS, 2004. – 272 с.
a. Каст В. Конвективный тепло- и массоперенос / В. Каст, О. Кришер,
Г. Райнике, К. Винтермантель. Пер. с нем. – М. : Энергия, 1980. – 49 с.
14.КОМПАС-3D V10. Руководство пользователя. Том I. – М. : ЗАО АСКОН, 2008. – 375 с.
15.КОМПАС-3D V10. Руководство пользователя. Том II. – М. : ЗАО АСКОН, 2008. – 342 с.
16.КОМПАС-3D V10. Руководство пользователя. Том III. – М. : ЗАО АСКОН, 2008. – 424 с.
17.Кривандин В. А. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей / В. А. Кривандин, Ю. П. Филимонов. Т. 1 : Теория и конструкции металлургических печей. – М. : Металлургия, 1978. – 360 с.
18.Лыков А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. – М. : Высшая школа, 1967. – 600 с.
19.Морозов Е. М. ANSYS в руках инженера : механика разрушения / Е. М. Морозов, А. Ю. Муйземнек, А. С. Шадский. – М. : ЛЕНАНД, 2010. – 456 с.
20.Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования : учебник для вузов / И. П. Норенков. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана,
2002. – 336 с.
21. Планковский С. И. Моделирование турбулентных течений в катодных
узлах плазменного |
оборудования / С. |
И. Планковский, О. В. Шипуль, |
В. О. Гарин // Авиационно-космическая |
техника и технология. – 2009. – |
|
№ 5(62). – С. 32–39. |
|
|
262
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
22. Рудницын М. Н. Справочное пособие по сопротивлению материалов / М. Н. Рудницын, П. Я. Артемов, М. И. Любошиц. – Минск : Гос. издат. БССР,
1961. – 516 с.
23. Самарский А. А. Вычислительная теплопередача / А. А. Самарский, П. Н. Вабищевич. – М. : Едиториал УРСС, 2003. – 784 с.
a.Слободянюк В.С. Моделирование вихревых и турбулентных течений
вэлектродуговых устройствах : дис. … докт. техн. наук / В. С. Слободянюк. – Бишкек, 1996. – 376 с.
24. Справочник конструктора печей прокатного производства : в 2 т. / под ред. В. М. Тымчака. – М. : Металлургия, 1970. – 576 с.
25. Тайц Н. Ю. Технология нагрева стали / Н. Ю. Тайц. – М. : Металлургиздат, 1950. – 450 с.
26. Теория тепломассообмена : учебник для вузов / С. И. Исаев [и др.]. – М. : Высшая школа, 1979. – 495 с.
a.Хитрых Д. Проектирование турбомашин : обзор моделей турбулентности / Д. Хитрых // Ansys Solution. – 2005. – № 1(1). – С. 9–11.
27. Чигарев А. В. ANSYS для инженеров : справочное пособие / А. В. Чигарев, А. С. Кравчук, А. Ф. Смалюк. – М. : Машиностроение-1, 2004. – 512 с.
28. Щербаков М. А. Сравнительный анализ моделей турбулентности с использованием научного кода «FASTEST-3D» и коммерческого пакета ANSYS CFX / М. А. Щербаков, А. А. Юн, Б. А. Крылов // Вестник МАИ, Т.16. – 2009. –
№ 5. – С. 116–122.
263
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Учебное электронное текстовое издание
Денисов Михаил Александрович
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
В ANSYS И КОМПАС-3D
Выпускающий редактор |
Н.В. Лутова |
Корректор |
Е.Е. Афанасьева |
Компьютерная верстка |
авторская |
Рекомендовано Методическим советом ФГАОУ ВПО УрФУ Разрешен к публикации 08.12.2015
Электронный формат – pdf Объем 15,52 уч.-изд. л.
620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19
Информационный портал УрФУ http://study.urfu.ru
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Моделирование кумулятивного эффекта в среде ANSYS
Шилин Павел Дмитриевич
АО «КБП», инженер, РФ, г. Тула
Modeling cumulative effects in the environment of ANSYS
Pavel Shilin
JSC "KBP", engineer, Russia, Tula
Аннотация. В статье изложен механизм образования кумулятивной струи. Про-
ведено математическое моделирование данного процесса в среде ANSYS AUTODYN и получены основные характеристики кумулятивного узла.
Abstrac. The article describes the mechanism of cumulative jet formation. Mathematical modeling of this process in ANSYS AUTODYN environment is carried out and the main characteristics of cumulative node are obtained.
Ключевые слова: кумуляция; ansys autodyne; боевая часть.
Keywords: cumulation; ansys autodyne; combat unit.
Эффект концентрации энергии в определенном направлении или в опреде-
ленном месте является кумуляцией. Если при обычном взрыве энергия "разбра-
сывается" во все стороны, то при кумулятивном она "собирается" в некотором направлении. Кумулятивный эффект является глобальным действия взрыва в од-
ном направлении. Он получается при использовании шашек взрывчатых ве-
ществ, имеющих на одном из торцов полость, обычно конической формы. При инициации заряда с противоположной стороны эффект действует в направле-
нии оси симметрии заряда и многократно увеличивается, чем при действии обычных зарядов. Также при добавлении на поверхность выемки тонкого слоя металлической облицовки пробивное действие такого заряда во много раз уси-
ливается.
Для обеспечения минимальной массы КУ принимаем, что он имеет цилин-
дроконическую форму с 2 = 42°, снаряжен взрывчатым веществом Ф – IX– 1,
имеет тонкостенный алюминиевый корпус. Для получения малой стоимости КУ в качестве материала облицовки используем медь.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Проведем моделирование процесса кумуляции рассчитанного кумулятив-
ного узла, с целью подтверждения величины бронепробития и получения основ-
ных характеристик кумулятивной струи. Расчет будет производиться в двумер-
ной постановке в пакете программного комплекса ANSYS Workbench с исполь-
зованием среды ANSYS AUTODYN, который позволяет моделировать крайне сложные быстропротекающие процессы механики сплошной среды, такие как моделирование взрыва, образование и перемещение ударных волн в среде, также позволяет получать результат динамического воздействия и поведения кон-
струкции после контакта с ударной волной, а также моделировать разрушение материала.
Рисунок 1. Модель кумулятивного узла
Материал кумулятивной облицовки — медь (уравнение состояния в форме Ми — Грюнайзена). Заряд ВВ плотностью ρ0 = 1620 кг/м3 имел скорость дето-
нации D = 8730 м/с. Уравнение состояния продуктов детонации брали в форме Джонса — Уилкинса — Ли (JWL). Для воздуха (ρ = 1.225 кг/м3; Cp = 1004
Дж/кг∙К; Cv = 716 Дж/кг∙К.) было выбрано уравнение состояния идеального газа.
Все расчеты выполнены при нормальных атмосферных условиях P=101325 Па.
Для расчетов использована явная схема Годунова второго порядка точности.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Шаг по времени Δt выбирался из условия устойчивости численного решения по числу Куранта. Параметры расчета соответствуют расчетным исследованиям и статистическим данным.
Давление продуктов взрыва, достигающее порядка 100 ГПа, оно во много раз превышает предел текучести материала брони. В связи с этим материал об-
лицовки движется подобно течению жидкости, однако плавления материала не происходит, материал деформируется и превращается в струю только за счет пластических деформаций.
Рисунок 2. Этапы образования детонационной волны
Аналогично жидкости, металл облицовки формирует две зоны —медленно двигающийся «пест», который составляет 70-90 % от массы, и тонкую (около толщины воронки) гиперзвуковую металлическую струю массой 10-30%, пере-
мещающуюся прямолинейно по оси снаряда, скорость которой зависит от скоро-
сти детонации взрывчатого вещества и геометрии воронки.
При схлопывании облицовки боевой части скорости частей струи оказыва-
ются различными, и струя в полёте растягивается. Поэтому отнесение кумуля-
тивного узла от брони на расстояние (фокусное расстояние) позволяет увели-
чить величину бронепробития за счёт удлинения струи. Однако при увеличении расстояния между зарядом и мишенью непрерывность струи нарушается что снижает бронебойный эффект.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
В момент взрыва металлическая обкладка кумулятивной выемки под давле-
нием взрывных газов собирается в некую монолитную массу, имеющую ско-
рость 1-3 км/сек., из которой вперед выходит тонкая металлическая струя, ско-
рость которой в несколько раз выше (9-12 км/сек). Пест движется сравнительно медленно (со скоростью 0,5-1 км/с). Струя, наоборот, обладает весьма большой скоростью поступательного движения. Однако скорость эта различна в различ-
ных частях вдоль струи: головная часть струи имеет наибольшую скорость, а
скорость хвостовой части близка к скорости песта. В зависимости от формы и природы металла облицовки, свойств ВВ заряда и других факторов, скорость го-
ловной части струи может изменяться в широких пределах. Различие скоростей головной и хвостовой частей струи приводит к тому, что струя при движении все время растягивается и в конечном счете распадается на отдельные капли.
Рисунок 3. Этапы образования кумулятивной струи
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
При встрече кумулятивной струи с преградой, на границе возникает очень высо-
кое давление, в 10-100 раз превосходящее предел прочности материала пре-
грады.
Рисунок 4. Результат пробивания стальной пластины
В результате возникающего давления струя начинает вести себя подобно воде, ударившей в ледяную стенку, т.е. ее материал струи растекается в обратном направлении. Т.е. она приобретает свойства квазижидкости. Материал преграды также "вымывается" из зоны высокого давления, причем часть материала выно-
сится вместе с кумулятивной струей к свободной поверхности (т.е. назад, а дру-
гая часть, за счет пластического деформирования, перемещается в радиальном направлении. Таким образом, образуется углубление (кратер), глубина которого увеличивается пока не будет израсходована вся энергия кумулятивной струи.
Список литературы:
1.Инженерные боеприпасы. Руководство по материальной части и приме-
нению. Книга первая. Военное издат-во. Москва. 1976г.
2. Л.П.Орленко. Физика взрыва. Том 2. Физматлит. Москва. 2002г.
2.М.Сухаревский. Взрывчатые вещества и взрывные работы.Том 1. Госу-
дарственное техническое издательство. Москва. 1923г.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
УДК 622.4 + 519.67
Pavel V. Amosov1, Sergey А. Kozirev2, Oleg V. Nazarchuk3
CREATING COMPUTER MODEL OF ATMOSPHERE AEROTHERMODINAMICS OF OPEN PIT IN ANSYS FLUENT
Mining Institute KSC RAS, Apatity, 24 Fersman Str., Apatity, 184209, Russia,
Apatity branch of Murmansk Arctic State University, 29 Lesnaya Str., Apatity, 184209, Russia.
e-mail: vosoma@goi.kolasc.net.ru
The necessity and possibility to create a computer model of the atmosphere aerothermodynamics in an open pit on the basis of the CFD-model and to use it for solving problems of ensuring normal sanitary and hygienic working conditions for miners are substantiated. The authors’ approaches to the creation of aerodynamic models of air motion in a closed volume and the open pit of mine "Zheleznaya" taking into account the thermal factor are described. A good coincidence between the data of the physical experiment and results of calculations for the closed volume is demonstrated, which confirms the adequacy of the created computer model. The results of numerical experiments (velocity fields and temperature distribution in the open pit of mine "Zheleznaya") for the conditions of atmosphere inversion during winter and summer periods are presented.
Keywords: open pit, atmospheric aerothermodynamics, CFD model, initial and boundary conditions, verification, inversion, velocity field, temperature.
П.В. Амосов1, С.А. Козырев2, О.В. Назарчук3
РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ АЭРОТЕРМОДИНАМИКИ АТМОСФЕРЫ КАРЬЕРА В ANSUS FLUENT
Горный институт КНЦ РАН, ул. Ферсмана, 24, Апатиты, 184209, Россия
Филиал Мурманского арктического государственного университета, ул. Лесная, 29, Апатиты, 184209,
Россия, e-mail: vosoma@goi.kolasc.net.ru
Обоснованы необходимость и возможность создания компьютерной модели аэротермодинамики атмосферы карьера на базе CFD-модели и ее использования к решению задач по обеспечению нормальных санитарногигиенических условий труда горнорабочих. Описаны авторские подходы по созданию аэродинамических моделей движения воздуха в замкнутом объеме и карьере рудника «Железный» с учетом теплового фактора. Продемонстрировано хорошее совпадение данных физического эксперимента и результатов расчетов для замкнутого объема, что подтверждает адекватность созданной компьютерной модели. Представлены результаты численных экспериментов (поля скорости и распределения температуры в карьере рудника «Железный») для условий инверсии атмосферы в зимний и летний периоды.
Ключевые слова: карьер, аэротермодинамика атмосферы, CFD-модель, начальные и граничные условия, верификация,инверсия, поле скорости, температура.
DOI 10.15217/issn1998984-9.2018.44.121 |
|
рьерного транспорта повысилась, выросла мощность си- |
||||
Введение |
ловых установок. В сочетании с неблагоприятными метео- |
|||||
В 70-80-х годах прошлого столетия в Советском |
рологическими условиями (штили, инверсии температуры) |
|||||
все это усугубляет ситуацию с обеспечением нормальных |
||||||
Союзе учеными СО и КФ АН СССР разработаны математи- |
||||||
условий труда горнорабочих и позволяет утверждать, что |
||||||
ческие модели и созданы для ЭВМ серии ЕС компьютер- |
||||||
проблема проветривания глубоких карьеров по-прежнему |
||||||
ные программы, которые использовались специалистами в |
||||||
остается актуальной. |
|
|||||
области рудничной аэрологии при решении проблем есте- |
|
|||||
|
Создание высокопроизводительных компьютеров, |
|||||
ственного и искусственного проветривания карьеров [1, |
|
|||||
разработка |
программных комплексов вычислительной |
|||||
2]. С распадом СССР, сокращением финансирования науки |
||||||
гидродинамики, подготовка нового поколения специали- |
||||||
и отъездом ученых исследования по нормализации атмо- |
||||||
стов в области информационных технологий создали не- |
||||||
сферы карьеров на базе программных кодов практически |
||||||
обходимую материальную и профессиональную базу для |
||||||
остановились. Значительный объем программ |
оказался |
|||||
того, чтобы на новом уровне развития попытаться воссо- |
||||||
утерянным и непереведенным на персональные компью- |
||||||
здать |
компьютерные модели |
аэротермодинамики атмо- |
||||
теры, которые постепенно вытеснили вычислительные |
||||||
сферы |
карьеров и применить |
их к решению задач по |
||||
машины серии ЕС. В тоже время проблемы, стоящие перед |
||||||
обеспечению нормальных санитарных условий для горно- |
||||||
специалистами научных организаций и сотрудников служб |
||||||
рабочих. В |
настоящее время |
наблюдается повышенный |
||||
горнорудных предприятий по обеспечению нормальных |
||||||
интерес, как преподавателей высших учебных заведений |
||||||
санитарно-гигиенических условий атмосферы |
карьеров |
|||||
горного профиля в своей преподавательской деятельно- |
||||||
остались и требуют своего решения. Тем более, что со |
||||||
временем карьеры стали глубже, производительность ка- |
сти, так и специалистов в области рудничной аэрологии и |
|
_______________________________________________________________ ________________________________________
1.Амосов Павел Васильевич, канд. техн. наук, вед. науч. сотр. лаб. № 24 Горного института КНЦ РАН, e-mail: vosoma@goi.kolasc.net.ru
Pavel V. Amosov, Ph.D (Eng.), Leading Researcher of Lab. N 24, Mining Institute KSC RAS
2.Козырев Сергей Александрович, д-р техн. наук, зав. Лаб. № 24 Горного института КНЦ РАН, e-mail: skozirev@goi.kolasc.net.ru Sergey A. Kozirev, Dr Sci. (Eng.), Head of Lab. N 24, Mining Institute KSC RAS
3.Назарчук Олег Васильевич, магистрант, каф. Физики, биологии и инженерные технологии, филиал Мурманского Арктического государственного университета в г. Апатиты, е-mail: oleg.nazar4uk@ goi.kolasc.net.ru
Oleg V. Nazarchuk, Master of the department of Physics, biology and engineering, Apatity Branch of Murmansk Arctic State University
Дата поступления – 26 марта 2018 года
121
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ · АВТОМАТИЗАЦИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ |
|
|
|
|
|
Известия СПбГТИ(ТУ) №44 2018 |
|
||||||||||
охраны окружающей среды (в первую очередь атмосфе- |
ры которой на результатах физического эксперимента |
||||||||||||||||
ры) в научных исследованиях к использованию, так назы- |
тестировали численную схему КАБАРЕ. |
|
|
|
|||||||||||||
ваемых CFD-моделей [3-6]. В подавляющем большинстве |
Как и разработчики программного продукта |
||||||||||||||||
случаев речь идет о применении двухмерных и объемных |
ANSYS Fluent, авторы выполнили собственные численные |
||||||||||||||||
компьютерных моделей турбулентных течений воздуха в |
эксперименты в двухмерной постановке. Математическое |
||||||||||||||||
приближении несжимаемой жидкости, как в подземных |
описание модели является традиционным для турбулент- |
||||||||||||||||
выработках, так и в карьерах. Из известных публикаций, в |
ных процессов [12]: осредненные по Рейнольдсу уравне- |
||||||||||||||||
которых представлены результаты исследований аэротер- |
ния Навье-Стокса, |
полное уравнение неразрывности, |
|||||||||||||||
модинамики атмосферы карьеров, можно назвать весьма |
стандартная |
k |
|
-модель (с включенными в про- |
|||||||||||||
ограниченное число. В исследовании специалистов Горно- |
граммный |
комплекс |
|
ее модификациями) |
и |
уравнение |
|||||||||||
го института КНЦ РАН предпринята попытка учесть влия- |
|
||||||||||||||||
энергии. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ние теплового фактора на структуру потоков атмосферы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Для учета теплового эффекта использованы два |
|||||||||||||||||
карьера. Указанное исследование выполнено на базе чис- |
|||||||||||||||||
подхода: |
приближение Буссинеска (именно этот подход |
||||||||||||||||
ленной модели в двухмерной постановке, которая создана |
|||||||||||||||||
тестировали |
разработчики |
программы ANSYS |
Fluent на |
||||||||||||||
в программном коде COMSOL с использованием подхода |
|||||||||||||||||
экспериментальных данных работы [9]) и модель «несжи- |
|||||||||||||||||
слабой сжимаемости |
[7]. |
Raj |
K.V., |
представляющий |
|||||||||||||
маемого |
идеального |
|
газа», предполагающая |
функцио- |
|||||||||||||
University of Alaska |
Fairbanks (USA), на базе численной |
|
|||||||||||||||
нальную зависимость плотности воздуха только от темпе- |
|||||||||||||||||
объемной модели, |
разработанной в |
программном ком- |
|||||||||||||||
ратуры. |
Интерес ко |
|
второму подходу не |
случаен, т.к. |
|||||||||||||
плексе ANSYS Fluent, |
промоделировал процесс переноса |
|
|||||||||||||||
нашел применение в диссертационной работе Raj K.V. [8] |
|||||||||||||||||
загрязнений в карьере для условий инверсии температуры |
|||||||||||||||||
в приложении к изучению аэротермодинамики атмосферы |
|||||||||||||||||
в стабильном пограничном слое [8]. Автор указанной ра- |
|||||||||||||||||
карьера, расположенного в Арктической зоне. |
|
|
|||||||||||||||
боты позиционирует свое исследование, как пионерское в |
|
|
|||||||||||||||
Отметим, что |
заметных |
различий |
в результатах |
||||||||||||||
Северной Америке. |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
численных |
экспериментов |
при |
применении |
указанных |
||||||||
В представляемой |
статье изложены отдельные |
||||||||||||||||
подходов в рассматриваемой задаче авторами не обнару- |
|||||||||||||||||
моменты авторского опыта создания компьютерной моде- |
|||||||||||||||||
жено. Более подробно этот вопрос авторы предполагают |
|||||||||||||||||
ли аэротермодинамики атмосферы карьера на базе про- |
|||||||||||||||||
изложить позже в публикации, |
посвященной валидации |
||||||||||||||||
граммного комплекса ANSYS Fluent. Авторы полагают, что |
|||||||||||||||||
модели |
для |
исследования |
турбулентной |
естественной |
|||||||||||||
изложенный материал будет полезен пользователям ука- |
|||||||||||||||||
конвекции в замкнутых областях. |
|
|
|
|
|||||||||||||
занной программы, |
на базе которой |
предпринимаются |
|
|
|
|
|||||||||||
В качестве примера результатов физического [9, |
|||||||||||||||||
попытки моделировать аэродинамические процессы с уче- |
|||||||||||||||||
11] и численного экспериментов на рисунках 1 и 2 пред- |
|||||||||||||||||
том теплового фактора не только в замкнутых областях |
|||||||||||||||||
ставлены графические зависимости вертикальной компо- |
|||||||||||||||||
(на что изначально ориентируют разработчики програм- |
|||||||||||||||||
ненты скорости и температуры, соответственно, в обозна- |
|||||||||||||||||
мы), но и в таких открытых системах, как карьеры и хво- |
|||||||||||||||||
ченных выше сечениях модели. |
|
|
|
|
|||||||||||||
стохранилища. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Валидация модели аэротермо- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
динамики в замкнутом объеме |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Прежде, чем приступать к созданию модели карь- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ера авторам пришлось практически повторить путь разра- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ботчиков программного продукта ANSYS Fluent (версия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
17.0), которые в целях верификации программы выполни- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ли сопоставление результатов численных экспериментов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
по моделированию аэродинамических процессов с учетом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
теплового фактора с экспериментальными данными рабо- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ты [9]. Считается, что указанная публикация является |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
одной из немногих, в которой достаточно подробно опи- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
саны результаты экспериментов, |
рассматривающиеся в |
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|||||
качестве надежного бенчмарка, признанный вычислите- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
лями во всем мире. В частности, результаты эксперимента |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
приняты за основу при верификации вычислительных ме- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
тодик в европейском сообществе инженеров и вычислите- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
лей ERCOFTAC [10]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Физические эксперименты с тепловой конвекцией |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
выполнялись в вытянутом по высоте объеме прямоуголь- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ной формы, внутренние размеры которого составляли |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2,19 м по высоте, 0,076 м по ширине и 0,52 м в глубину. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Полость заполнена воздухом при нормальном давлении. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Температуры самых |
крупных стенок |
следующие: одна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
«холодная» – 288,25 К и противоположная «горячая» – |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
307,85 К. Все остальные границы являлись адиабатиче- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
скими. В трех сечениях физической модели на высотных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
отметках 0,109 м (сечение 1), 1,09 м (сечение 2) и 2,071 м |
|
|
|
|
|
|
б) |
|
|
|
|
||||||
(сечение 3), составляющих от высоты модели 0,05, 0,5 и |
Рисунок 1. Распределения вертикальной компоненты скорости в |
||||||||||||||||
0,95, получены экспериментальные данные температуры и |
контролируемых сечениях модели: а) численный и б) физический |
||||||||||||||||
эксперименты (крест – сечение 1, звездочка - сечение 2 и жирная |
|||||||||||||||||
вертикальной компоненты скорости. В графической форме |
|||||||||||||||||
|
|
|
точка – сечение 3) |
|
|
|
|||||||||||
результаты экспериментов приведены в статье [11], авто- |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Под символом (а) представлены результаты численного |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
эксперимента |
с использованием |
модели «несжимаемого |
|||||||||
122
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ · АВТОМАТИЗАЦИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ |
Известия СПбГТИ(ТУ) №44 2018 |
|
идеального газа». Под символом (б) изображены обоб- |
вблизи стенок моделируемой области, что можно видеть |
|
щенные на одном графике результаты физического иссле- |
на рисунке 3. |
|
дования. |
|
|
а)
б)
Рисунок 2. Распределения температуры в контролируемых сечениях модели: а) численный и б) физический эксперименты (крест
– сечение 1, звездочка - сечение 2 и жирная точка – сечение 3)
Добиться достаточно хорошего совпадения результатов, помимо аккуратного задания параметров компьютерной модели (выбор решаемых дифференциальных уравнений, описания граничных и начальных условий), по мнению авторов, удалось за счет двух моментов.
Во-первых, пришлось существенно улучшить качество сетки, добившись размера элементов порядка 0,004 м (их общее число почти 6000). Параметры качества сетки (Orthogonal Quality и Skewness) имеют рекомендуе-
мые разработчиками программы значения [12]: 0,99999 и 6,01420·10-7, соответственно.
Во-вторых, подобрать схемы дискретизации для уравнения давления: не применять (либо Linear, либо
Standard, либо Second Order) и использовать (либо PRESTO!, либо Body Force Weighted). Именно в этом слу-
чае удается достичь аккуратного описания поля скорости
Рисунок 3. Структура скоростного поля в верхней части моделируемой области: слева – схема Standard и справа – схема
PRESTO!
Компьютерная модель аэротермодинамики атмосферы карьера
Сучетом накопленного опыта авторы приступили
ксозданию компьютерной модели аэротермодинамики атмосферы карьера. В качестве объекта выбран карьер рудника «Железный» Ковдорского ГОКа в геометрических границах 2014 года. Для существенного упрощения подготовительной работы по созданию геометрического образа карьера и значительного снижения затрат времени на вычислительные эксперименты решено остановиться на двухмерной задаче.
Геометрия карьера в сечении Запад-Восток подготовлена на первоначальном этапе в сеточном генераторе GAMBIT, а далее в модуле SpaceClaim. Размер области моделирования составляет 6000х2000 м. При построении сетки использовалось несколько методов: начинали с метода Quad/Tri (квадратно-треугольный) с интервалом расчѐта 10, что позволило сгенерировать мелкую сетку в карьере и более грубую сетку над карьером, а заканчивали созданием практически равномерной сетки по всему объему модели. Основные расчеты аэротермодинамических процессов выполнялись на последней существенно более качественной сетке со средним размером элемента около 15 м и их количеством почти 50 тысяч. Показатели качества сетки лежат в допустимых диапазонах [12]: Orthogonal Quality в пределах от 0,40 до 1,00 (рисунок 4а)
и Skewness в пределах от 0,00 до 0,78 (рисунок 4б). Область моделирования имеет следующие грани-
цы: входная (поступление атмосферного воздуха с западного направления), выходная (восточная граница).
а)
б)
Рисунок 4. Показатели качества расчетной сетки модели карьера: а) Orthogonal Quality и б) Skewness
123
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ · АВТОМАТИЗАЦИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Известия СПбГТИ(ТУ) №44 2018
верхняя (свободная атмосфера) принята на уровне 2000 м, нижняя совпадает с профилем карьера. На указанных границах для компонент скорости и температуры выбраны граничные условия (см. таблицу), которые обеспечили устойчивость вычислений и достижение физически разумных результатов. Для рассчитываемых переменных стандартной (k–ε)-модели турбулентности использованы значения по умолчанию.
Выбор граничных условий по трем позициям заметно отличается от используемых американским иссле-
дователем Raj K.V. [8].
На выходной границе Raj K.V. использовал условие Flow Rate Weighting = 1, что для единственной выходной границы означает условие сохранения входного и выходного потоков субстанции. Авторские попытки применить указанное условие оказались неудачными, что заставило искать наиболее подходящее и физически обоснованное (таблица). Следует отметить, что условие Flow Rate Weighting = 1 безукоризненно работает в моделях несжимаемой жидкости.
На верхней границе для компонент скорости Raj K.V. использовал условие «стенки», что физически неверно. Наиболее подходящими условиями для этой границы являются условие симметрии (таблица), либо условие Дирихле, соответствующее скорости движения воздуха на высоте границы.
Таблица. Граничные условия для компонент скорости и температуры
Граница |
Компонента скорости |
Температура |
||
|
|
|
||
|
горизонтальная |
вертикальная |
|
|
|
Профиль скоро- |
|
Профиль темпера- |
|
Вход |
сти (степенной |
0 |
туры (линейный |
|
|
закон*) |
|
закон**) |
|
|
|
|
|
|
|
Профиль скоро- |
|
Профиль темпера- |
|
Выход |
сти (степенной |
0 |
туры (линейный |
|
|
закон*) |
|
закон**) |
|
|
|
|
|
|
Верхняя |
Условие симмет- |
Условие |
Условие сим- |
|
граница |
рии |
симметрии |
метрии |
|
Нижняя |
«Стенка» |
«Стенка» |
Нулевой поток |
|
граница |
||||
|
|
|
||
Примечание: * – аналитическая зависимость вида u z u10 z /10 1/ 7
, где u10 – скорость ветра на высоте +10 м над поверхностью
борта карьера; z – высота над бортом карьера.
** – аналитическая зависимость вида T z T z , где T0 – температура на борту карьера; – температурный0 градиент.
На нижней границе Raj K.V. применял физически верное граничное условие, которое для ночного времени в зимний период года для карьеров Аляски имеет экспериментальное подтверждение (плотность теплового потока составляет -16 Вт/м2, т.е. земля остывает [8]). Из-за отсутствия обоснованных экспериментальных данных по этой проблеме авторы в численных экспериментах на настоящем этапе использовали указанное в таблице условие и реализовали в модели возможность задания различных условий по температуре на отдельных участках рельефа карьера. Это позволяет учесть меняющиеся в течение суток условия теплообмена на различных бортах карьера.
В качестве начальных условий принимались при нормальной величине давления (101325 Па) значения горизонтальной и вертикальной компоненты скорости 0,1 и 0 м/с, соответственно, а также значение температуры, соответствующее температуре воздуха на полувысоте модели над бортом карьера. Как и для граничных условий начальные значения рассчитываемых переменных стан-
дартной (k–ε)-модели турбулентности приняты по умолчанию.
Приведем некоторые результаты расчетов, выполненные на базе созданной модели аэротермодинамики атмосферы карьера. На рисунке 5(а, б) для зимних условий (январь) при инверсии температуры с градиентом +0,01 К/м представлены поле скорости (рисунок 5а) и пространственное распределение температуры (рисунок 5б) в моделируемой области при скорости ветра 1 м/с на высоте +10 м над бортом карьера. Аналогичный расчет выполнен для инверсионного состояния атмосферы в летний период (июль).
а)
б)
Рисунок 5. Структура скоростного поля (а) и пространственное распределение температуры (б) для условий зимы
а)
б)
Рисунок 6. Распределение горизонтальной компоненты скорости вдоль трех вертикалей (in – вход; out – выход; x_2000 – восстановлена от подошвы центра карьера): а) зима и б) лето
124
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ · АВТОМАТИЗАЦИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ |
Известия СПбГТИ(ТУ) №44 2018 |
|
||||
Сравнительный анализ результатов показывает, |
7. Амосов П.В., Новожилова Н.В. Исследование влия- |
|||||
что имеются некоторые качественные и количественные |
ния температурного градиента на формирование метео- |
|||||
различия, как в структуре скоростного поля, так и конфи- |
полей атмосферы карьера (на базе численного моделиро- |
|||||
гурации изолиний пространственного распределения тем- |
вания) // Горный информационно-аналитический бюлле- |
|||||
пературы. Наиболее контрастно различия в скорости |
тень. Спецвыпуск. "Глубокие карьеры". 2015. С. 528-534, |
|||||
можно наблюдать вдоль вертикали (x_2000), восстанов- |
456-457. |
|
|
|
||
ленной от подошвы центра карьера. На рисунке 6(а, б) |
8. Raj K.V. Three dimensional computational fluid dynam- |
|||||
приведены распределения горизонтальной |
компоненты |
ics models of pollutant transport in a deep open pit mine un- |
||||
скорости для зимнего (рисунок 6а) и летнего (рисунок 6б) |
der Arctic air inversion and mitigation measures / Thesis of |
|||||
времени. |
|
|
Ph.D. |
|
URL: |
|
По-видимому, основной причиной качественного |
https://scholarworks.alaska.edu/handle/11122/5756 |
(дата |
||||
и количественного несовпадения в поведении кривых яв- |
обращения: 17.10.2017). |
|
|
|||
ляются различия в значениях плотности атмосферы при |
9. Betts P.L., Bokhari I.H. Experiments on turbulent natu- |
|||||
зимних и летних температурах. Здесь же приведены про- |
ral convection in a enclosed tall cavity // International Journal |
|||||
фили горизонтальной компоненты скорости на входной |
of Heat and Fluid Flow. 2000. Vol. 21. P. 675-683. |
|
|
|||
(in) и выходной границах (out). |
|
|
10. ERCOFTAC, European research community on flow, |
|||
|
|
|
turbulence and combustion. URL: http://www.ercoftac.org/ |
|||
|
Заключение |
(дата обращения: 17.06.2016). |
|
|
||
В статье описан опыт отдельных этапов работ по |
11. Головизнин В.М., Короткин И.А., Финогенов С.А. |
|||||
созданию компьютерной модели аэротермодинамики ат- |
Моделирование турбулентой естественной конвекции в |
|||||
мосферы карьера в программном продукте ANSYS Fluent. |
замкнутых вытянутых по высоте областях // Вычислитель- |
|||||
Отмечены два существенных момента, которые в рамках |
ная механика сплошных сред. 2016. Т. 9, № 3. С. 253-263. |
|||||
разработки аэродинамической модели с учетом теплового |
12. ANSYS Help Viewer. |
|
|
|||
фактора для замкнутого объема позволили в выполнен- |
|
References |
||||
ных численных экспериментах выйти на уровень резуль- |
|
|||||
татов разработчиков программы, т.е. практически выпол- |
1. Penenko V.V. Metody chislennogo modelirovaniya at- |
|||||
нить валидацию построенной модели. Для этого необхо- |
mosfernyh processov. L.: Gidrometeoizdat, 1981. 352 s. |
|||||
димо построить качественную расчетную сетку, а при ре- |
2. Normalizaciya atmosfery glubokih kar'erov / Otv. red. |
|||||
шении аэротермодинамической задачи применять для |
N.Z. Bitkolov, V.V. Penenko. L.: Nauka, 1991. 295 s. |
|
|
|||
уравнения давления следующие схемы дискретизации ‒ |
3. Kachurin N.M., Komissarov M.S., Koroleva O.S. Diffuziya |
|||||
PRESTO! или Body Force Weighted. |
|
|
pylegazovyh primesej v atmosfere ot tochechnogo istochnika |
|||
Пояснен авторский выбор граничных и начальных |
zagryazneniya vozduha // Izvestiya vuzov. Gornyj zhurnal. |
|||||
условий в компьютерной модели аэротермодинамики ат- |
2012. №5. S. 73-79. |
|
|
|
||
мосферы карьера рудника «Железный». |
|
4. YAstrebova K.N. Povyshenie intensivnosti estestven- |
||||
Представлены некоторые |
результаты |
численных |
nogo vozduho-obmena v rabochih zonah kar'erov na osnove |
|||
экспериментов для условий инверсии температуры в зим- |
aehrodinamicheskogo |
profilirovaniya podvetrennyh |
bortov: |
|||
ний и летний периоды. Отмечены качественные и количе- |
dis. . kand. tekhn. nauk. URL: http://xn----etbhhidsfiu1b6f.xn- |
|||||
ственные отличия в результатах горизонтальной компо- |
p1ai/system/files/lib/sci/aspirantdoctorant/avtoreferaty/2015/ |
|||||
ненты скорости вдоль вертикальной оси и расположении |
2015 3/yastrebova_dissertaciya.pdf (data obrashcheniya: |
|||||
изолиний температуры для зимних и летних условий, что |
24.06.2015). |
|
|
|
||
может быть обусловлено именно учетом в модели зависи- |
5. Gridina E.B., CHerkaj Z.N. Aehrologiya gornyh predpri- |
|||||
мости плотности атмосферы от температуры. |
|
yatij (kar'e-rov): uchebnoe posobie. S-Pb: LEMA, 2017. 190 s. |
||||
|
|
|
6. Kozyrev S.A., Amosov P.V. Modelirovanie raspredeleniya |
|||
|
Литература |
vozdushnyh potokov v glubokih kar'erah // Gornyj zhurnal. |
||||
1. Пененко В.В. Методы численного моделирования ат- |
2014. № 5. S. 7-11. |
|
|
|
||
мосферных процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 352 с. |
7. Amosov P.V., Novozhilova N.V. Issledovanie vliyaniya |
|||||
2. Нормализация атмосферы глубоких карьеров / Отв. |
temperaturnogo gradienta na formirovanie meteopolej at- |
|||||
ред. Н.З. Битколов, В.В. Пененко. Л.: Наука, 1991. 295 с. |
mosfery kar'era (na baze chislennogo modelirovaniya) // |
|||||
3. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. |
Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten' Specvypusk. |
|||||
Диффузия пылегазовых примесей в атмосфере от точеч- |
"Glubokie kar'ery". 2015. S. 528-534, 456-457. |
|
|
|||
ного источника загрязнения воздуха // Известия вузов. |
8. Raj K.V. Three dimensional computational fluid dynam- |
|||||
Горный журнал. 2012. №5. С. 73-79. |
|
ics models of pollutant transport in a deep open pit mine un- |
||||
4. Ястребова К.Н. Повышение интенсивности есте- |
der Arctic air inversion and mitigation measures / Thesis of |
|||||
ственного воздухообмена в рабочих зонах карьеров на |
Ph.D. |
|
URL: |
|||
основе аэродинамического профилирования подветрен- |
https://scholarworks.alaska.edu/handle/11122/5756 |
(data |
||||
ных бортов:дис…. канд. техн. наук. URL: http://xn---- |
obrashcheniya: 17.10.2017). |
|
|
|||
etbhhidsfiu1b6f.xn--p1ai/system/files/lib/sci/aspirant- |
9. Betts P.L., Bokhari I.H. Experiments on turbulent natu- |
|||||
doctorant/avtoreferaty/2015/2015- |
|
|
ral convection in a enclosed tall cavity // International Journal |
|||
3/yastrebova_dissertaciya.pdf |
(дата |
обращения: |
of Heat and Fluid Flow. 2000. Vol. 21. P. 675-683. |
|
|
|
24.06.2015). |
|
|
10. ERCOFTAC, European research community on flow, |
|||
5. Гридина Е.Б., Черкай З.Н. Аэрология горных пред- |
turbulence and combustion. URL: http://www.ercoftac.org/ |
|||||
приятий (карьеров): учеб. пособие. С-Пб: ЛЕМА, 2017. 190 |
(data obrashcheniya: 17.06.2016). |
|
|
|||
с. |
|
|
11. Goloviznin V.M., Korotkin I.A., Finogenov S.A. Mod- |
|||
6. Козырев С.А., Амосов П.В. Моделирование распре- |
elirovanie turbulentoj estestvennoj konvekcii v zamknutyh |
|||||
деления воздушных потоков в глубоких карьерах // Гор- |
vytyanutyh po vysote oblastyah // Vychislitel'naya mekhanika |
|||||
ный журнал. 2014. № 5. С. 7-11. |
|
|
sploshnyh sred. 2016. T. 9, № 3. S. 253-263. |
|
|
|
|
|
|
12. ANSYS Help Viewer. |
|
|
|
125