Основные условные обозначения

Расчет течений ЖИДКОСТИ И ГАЗА

с помощью универсального программного комплекса Fluent

 

 

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

 

 

САМАРА

Издательство СГАУ

УДК 004.9(075)

ББК 32.27

Б 287

 

Рецензенты: д-р. техн. наук, проф. С.В. Фалалеев

 

 

Батурин О.В.

Б 28 Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального программ­ного комплекса Fluent. Учеб. пособие/ О.В. Батурин, Н.В. Батурин, В.Н. Матвеев – Самара: Изд-во Самар. гос. аэро­косм. ун-та, 2009. - 151с.: ил.

 

 

В данном учебном пособии изложены основы работы в программе Fluent: задание граничных условий и физических мо­делей потока рабо­чего тела, способов решения уравнений газовой динамики и визуализа­ции полученных результатов.

Пособие разработано на кафедре теории двигателей летательных ап­паратов СГАУ и предназначено для студентов, обучающихся по курсам «Механика жидко­стей и газов», «Теория, расчет и проектирование авиа­ционных двигателей и энер­гетических установок», «Теория авиацион­ных двигателей», «Теория и расчет лопаточных машин», «Агрегаты над­дува двигателей», а также для самостоятельной работы дипломников, аспирантов и на­учных работников, чьи исследования связаны с гидрога­зодинамикой и теплообме­ном.

 

 

УДК 004.9(075)

ББК 32.27

© Батурин О.В., Батурин Н.В., Матвеев В.Н., 2009

© Самарский государственный аэ­рокос­мический университет, 2009

Оглавление

Основные условные обозначения
Введение
1. Общие сведения о работе в программе Fluent
	1.1. Главное меню программы Fluent
	1.2. Работа с моделями: загрузка, запись, импорт и т.п.
2. Основные этапы подготовки расчетной модели
	2.1. Проверка качества конечноэлементной сетки
	2.2. Масштабирование расчетной сетки
	2.3. Просмотр конечноэлементной сетки
	2.4. Другие операции с расчетной сеткой
	2.5. Выбор типа решателя и постановки задачи
	2.6. Учет в расчете уравнения энергии
	2.7. Задание справочного давления
	2.8. Задание свойств рабочего тела
3. Задание граничных условий в программе Fluent
	3.1. Граничное условие «полное давление на входе» (Pressure inlet)
	3.2. Граничное условие «массовый расход на входе» (Mass flow inlet)
	3.3. Граничное условие «статическое давление на выходе» (Pressure outlet)
	3.4. Граничное условие Outflow
	3.5. Условие периодичности
	3.6. Граничное условия «стенка» (Wall)
	3.7. Изменение размерности вводимых параметров
	3.8. Копирование граничных условий с одной расчетной мо­дели на другую
	3.9. Описание свойств области течения
4. Моделирование турбулентности
	4.1. Задание турбулентности в программе Fluent
	4.2. Пристеночные функции
	4.3. Задание дополнительных граничных условий для турбу­лентности
5. Настройка решателя и решение задач в программе Fluent
	5.1. Установка параметров решателя
	5.2. Отображение процесса решения и критерии сходимости
	5.3. Установка начальных значений параметров
	5.4. Запуск решения
	5.5. Проверка баланса расходов
6. Обработка результатов расчета
	6.1. Построение поверхностей, линий и точек, на которых бу­дут ото­бражаться результаты расчета
		6.1.1. Построение вспомогательной точки
		6.1.2. Построение вспомогательной линии
		6.1.3. Построение вспомогательной поверхности
		6.1.4. Построение вспомогательной изоповерхности
		6.1.5. Построение вспомогательной геометрии копирова­нием
		6.1.6. Редактирование списка вспомогательной геометрии
	6.2. Визуализация полей распределения параметров в расчет­ной об­ласти
	6.3. Визуализация векторов скорости
	6.4. Построение линий тока
	6.5. Определение среднеинтегральных значений параметра
	6.6. Построение графиков изменения параметров
	6.7. Отображение периодических и симметричных элементов
	6.8. Задание пользовательских переменных
	6.9. Настройка параметров графического окна
7. Моделирование течения через подвижные элементы
	7.1. Моделирование течения через подвижные элементы с по­мощью подхода Single Reference Frame
	7.2. Моделирование течения через подвижные элементы с по­мощью подхода Multiple Reference Frame
	7.3. Моделирование течения через подвижные элементы с по­мощью подхода Mixing Plane
	7.4. Моделирование течения через подвижные элементы с по­мощью подхода Sliding Mash
	7.5. Стратегия получения решения при моделировании тече­ния через подвижные элементы
8. Пример решения задачи в программе Fluent
Список использованных источников
Приложение 1

Основные условные обозначения

— скорость звука, ;

— критическая скорость, м/с;

D — диаметр, м;

F — площадь проходного сечения, м²;

G — массовый расход воздуха или газа, кг/с;

k — показатель изоэнтропы, турбулентная кинетическая энер­гия, м²/с²;

L — удельная работа, Дж/кг;

m — масса, кг;

М — число Маха (отношение скорости потока к скорости звука); крутя­щий момент, Н м;

n — частота вращения, мин ^-1;

p — давление, Па;

R — удельная универсальная газовая постоянная, Дж/(кг×К);

S — линия тока;

T — температура, К;

t — время, с;

u, v, w — проекции вектора скорости на координатные оси, м/с;

w — скорость в относительном движении, м/с;

x, y, z — координаты, м;

— углы потока в абсолютном движении, град;

— углы потока в относительном движении, град;

e — скорость диссипации турбулентной кинетической энергии;

z — коэффициент потерь;

— плотность, кг/м³;

— коэффициент восстановления полного давления;

— коэффициент полезного действия;

— приведенная скорость;

— динамическая вязкость, Па×с;

— скорость рассеивания турбулентности, угловая скорость, рад/с

 

Индексы

* — заторможенные параметры;

а — осевая проекция;

в — вход, воздух;

г — газ;

пр — профильный, приведенный;

кр. — кромочный, критический;

к — концевой, периферийный;

лам — ламинарный;

отр — отрывной;

ср — средний;

тр — трение;

турб — турбулентный

с — абсолютный;

n — по нормали;

r — радиальный;

x,y,z — проекции на соответствующие координатные оси;

w — относительный

Условные сокращения

ВМ — верхнее меню программы Gambit;

ГДФ — газодинамические функции;

ГМ — главное меню программ Gambit и Fluent;

ГУ — граничное условие;

КЭ — конечные элементы;

ОС — операционная система;

ПД — поршневой двигатель;

ПК — персональный компьютер;

СК — система координат;

ЦИАМ — Центральный институт авиационного моторостроения;

CFD — Computer Fluid Dynamics (общепринятое сокращение «вычисли­тель­ная газовая динамика»).

Остальные обозначения, индексы и условные сокращения объяснены в тексте.

 

 

Введение

Программный комплекс Fluent позволяет решать задачи:

- течения жидкостей и газов в каналах произвольной формы;

- внешнего обтекания;

- теплопередачи (вынужденная и свободная конвекция, тепло­пере­дача и лучистый теплообмен);

- течения со свободными поверхностями;

- течения многофазных сред;

- течения реагирующих потоков, включая горение;

- движения твердых частиц и капель жидкости в потоке;

- изменения фазового состояния вещества (плавление, кипе­ние, кри­сталлизация, испарение, кавитация);

- течения в движущихся каналах (например, в смесительных устройст­вах и турбомашинах);

- моделирования течения в каналах с меняющейся в про­цессе реше­ния геометрией (например, в цилиндрах ДВС);

- акустики.

Типичный процесс исследования потока с помощью про­граммного комплекса Fluent показан на блок-схеме (рис. 1).

Первые три этапа решения задачи выполняются в программе Gambit, являющейся составной частью программного комплекса. Остальные этапы реализуются непосредственно в программе Flu­ent.

Данное методическое пособие посвящено работе в основной части комплекса – про­грамме Fluent и освящает пункты 4……×××7 на блок схеме.

Рис. 1. Этапы решения газодинамических задач в программном комплексе Fluent

 

Программный код Fluent написан на модификации алгорит­мического языка Си, и одинаково хорошо работает на всех из­вестных платформах.

Программа Fluent позволяет решать двухмерные, осесиммет­ричные и трехмерные задачи в стационарной или нестационар­ной постановках в большом диапазоне скоростей потока. Тече­ние рабочего тела может рассматриваться как невязкое, лами­нарное или турбу­лентное.

Программный комплекс Fluent использует неструктурирован­ную се­точную технологию. Это значит, что он может решать за­дачи на конечно-элементных сетках, состоящих из элементов разнообразной формы: шес­тиугольников, четырехугольников и треугольников, гексэдеров и тетра­эдеров, призм, пирамид и др.

Конечноэлементная сетка может адаптироваться (сгущаться или ук­рупняться) по результатам расчета. Это позволяет полу­чить более точное решение для областей с большими градиен­тами параметров потока, например, для по­граничных слоев и скачков уплот­нения. Указанная возможность снижает требова­ния к качеству сетки, сокращает время ее создания и проведения рас­чета, а также позволяет снизить объем оперативной памяти.

Программа Fluent обладает большой базой данных свойств рабочих тел, кото­рая включает в себя сведения о жидкостях, га­зах и твердых телах. Она может быть рас­ширена за счет пользо­вательских баз. Параметры рабочего тела в расчете могут быть как постоянными, так и ме­няться в зависимости от параметров потока.

Программный комплекс использует для решения метод ко­нечных объ­емов и позволяет проводить решение задач с помо­щью одного из трех ал­горитмов:

- неявного алгоритма Pressure Based (в российской литера­туре его на­зывают алгоритмом установления);

- явного алгоритма Density Based (в российской литературе - алго­ритм расщепления);

- неявного алгоритма Density Based.

Решатель программного комплекса позволяет проводить ре­шение на вложенных сетках. Исходные уравнения могут быть дискретизированы по первому, второму или частично третьему порядку точности. Решение может быть распараллелено и осуществляться на нескольких процессорах.

Во Fluent включены различные физические модели таких процессов, как: теплопе­редача, фазовые переходы, кавитация и др.

В программном комплексе доступны следующие моде­ли тур­булентности: Рейнольдса, Спаларта - Ала­марса, k-w, k-e, V2F, LES, DES. Повышение точности моделирования по­гранич­ных слоев достигается за счет использования пристеночных функ­ций.

Программа Fluent позволяет использовать боль­шое количе­ство гра­ничных условий на входе и выходе из расчет­ной области, моделировать подвижные стенки каналов.

В программе реализованы широкие возможности визуализа­ции ре­зультатов решения. Возможно построение полей распре­деления парамет­ров потока, векторов, линий тока, создание анимации, управление ото­бражением модели и т.п. Результаты могут быть представлены в виде гра­фиков, текстовых файлов или интегральных значений параметров.

К сожалению, объем данного издания не позволяет показать всех воз­можностей препроцессора и рассказать обо всех коман­дах. Поэтому ин­формация, приведенная в методическом посо­бии, дает представление лишь об основ­ных и наиболее приме­нимых командах, применяемых при решении задач течения жид­костей и газов.

Авторы выражают благодарность Рабкесову И.В., Шаблию Л.С., Попову Г.М., Ворошнину Д.В. и Беляеву В.В., оказавшим помощь при написании данной книги.

 

 

1. Общие сведения о работе в программе Fluent

Штатный запуск программы осуществляется нажатием на со­ответст­вующий ярлык на рабочем столе или из меню «Пуск» ОС «Windows»: Пуск ® Все программы ® Fluent Inc Products ® Fluent 6.3.23 ® Fluent 6.3.23.

После этого появляется меню (рис. 1.1), предлагающее вы­брать раз­мерность задачи, которую предстоит решить. Всего воз­можно четыре ва­рианта:

- 2d – двухмерная;

- 2ddp – двухмерная c двойной точностью;

- 3d – трехмерная;

- 3ddp – трехмерная с двойной точностью.

Поле выбора размерности нажимается кнопка Run. Это дей­ствие вызо­вет появление рабочего окна программы Fluent (рис. 1.2).

В последние несколько лет боль­шое распространение получили многопроцес­сорные ПК. В настоя­щий момент почти вся новая вычис­литель­ная техника имеет по два про­цессора (ядра), все чаще встре­чаются четырех­процес­сорные ПК. При опи­санном выше спо­собе запуска про­граммы Fluent будет при решении исполь­зовать только один процессор, не зависимо от их ко­личе­ства на компьютере. Это тео­ретиче­ски позволяет на многопроцессор­ном ПК запускать в разных окнах не­сколько задач отличающихся на­пример, ГУ или на­стройками решателя.

Рис. 1.2. Окно программы Fluent

 

Возможен также запуск программы таким образом, чтобы в решении были задействованы несколько процессоров, что суще­ственно (практиче­ски пропорционально числу ядер) ускорит процесс решения. Для того, чтобы запустить Fluent с использова­нием нескольких процессоров необ­ходимо проделать следующие манипуляции:

1. Щелкнуть правой клавишей мыши на ярлыке программы Fluent на рабочем столе OC «Windows» и в появившемся списке выбрать пункт «Свойства».

2. В появившемся меню в поле «Объект» находится путь к файлу за­пускающему Fluent (например, C:\Fluent.Inc\ntbin\ntx86 \fluent.exe -r6.3.26). В этом поле, после пути, следует дописать две дополнительные команды. Первая команда имеет вид «–tХ» и указывает на то, что про­грамма будет запущена на нескольких процессорах. В ней Х – число ис­пользуемых процессоров. На­пример, команда «–t2» указывает назапуск Fluent на двух про­цессорах.

При запуске Fluent в многопроцессорном варианте размер­ность задачи должна быть указана заранее. Поэтому вторая ко­манда указывает на раз­мерность (2d или 3d). Таким образом, для запуска программы для решения трехмерных задач с использова­нием двух процессоров многопроцессор­ного ПК в поле «Объект» в меню «Свойства» ярлыка программы на рабо­чем столе должно быть написано: C:\Fluent.Inc\ntbin\ntx86\fluent.exe -r6.3.26 –t2 3d.

После этого следует запустить Fluent, дважды щелкнув левой клави­шей мыши на ярлыке на рабочем столе. Программа запус­тится, минуя диалоговое окно на рис. 1.1.

Как видно из рис. 1.2, окно программы Fluent состоит из трех основ­ных элементов:

- Главного меню, находящегося в верхней части основного окна. Че­рез него осуществляется доступ к основным ко­мандам и меню про­граммы;

- Окна сообщений, в котором находится командная строка, от­куда можно получить доступ ко всем командам про­граммы. Кроме того, в окне сообщений отображаются ре­зультаты выполнения команд и сообщения об ошибках;

- Графических окон, в которых отображаются результаты рас­чета и по­строений. Число графических окон может быть любым, но удоб­нее использовать не более четырех.

1.1. Главное меню программы Fluent

Главное меню программы Fluent функционально может быть разбито на пять основных секций.

1. Подменю работы с расчетной моделью (File) (рис. 1.3), ко­торое включает в себя команды чтения, записи, импорта, экс­порта моделей и баз данных результатов расчета, запись резуль­татов в виде графических фай­лов и т.п.

2. Подменю подготовки расчетной модели (Grid и Define) (рис. 1.4), в которых сосредоточены команды проверки сетки, манипуляций с ней, за­дания физических моделей, граничных ус­ловий, моделей турбулентности и т.п.

3. Подменю Solve (рис. 1.5), которое включает в себя ко­манды на­стройки решателя, инициализации начальных значе­ний, запуска решения и управления отображением процесса ре­шения и т.п.

Рис. 1.3. Подменю работы с расчетной моделью (File)

Рис. 1.4. Подменю подготовки расчетной модели (Grid и Define)

 

4. Подменю Adapt (рис. 1.5), которое предоставляет доступ к командам адаптации сетки по результатам реше­ния.

5. Подменю отображения результатов расчета (Surface, Display, Plot и Report) (рис. 1.6), в которых сосредото­чены ко­манды отображение резуль­та­тов расчета различ­ными спо­собами: в виде по­лей, векто­ров, графиков, ин­тегральных значений пара­метров и т.д.

Рис. 1.6. Подменю отображения результатов расчета

 

В процессе знакомства с программой многие из пере­числен­ных меню и подменю будут рассмотрены подробно.

Нужно отметить, что не все доступные в программе Fluent команды представлены в верх­нем меню. Там приве­дены лишь наиболее часто ис­пользуемые команды. На самом деле число команд программы Flu­ent заметно больше. Дос­туп ко всем коман­дам осуще­ствляется из команд­ной строки окна со­общений. Пра­вила работы с ней заключа­ются в следую­щем.

Если поставить курсор в окне сообщений Enter, то пользова­телю бу­дет предоставлен весь список доступных команд и меню (названия меню име­ют в конце знак «/»).

adapt/ file/ report/

define/ grid/ solve/

display/ parallel/ surface/

exit plot/ view/

Как видно, на верхнем уровне список меню во многом сов­падает с на­званиями подменю главного меню. Для того, чтобы войти в нужное под­меню необходимо набрать его название в ко­мандной строке. Причем не обязательно вводить название пол­ностью, достаточно набрать несколько первых букв (например, для меню file это f ¿). Для просмотра доступных команд и меню на те­кущем уровне также используется клавиша Enter. Для меню file список доступных команд и меню выглядит следующим обра­зом:

/file>

auto-save/ read-case-data start-journal

binary-files? read-field-functions start-transcript

confirm-overwrite? read-journal stop-journal

define-macro read-macros stop-macro

execute-macro read-profile stop-transcript

export/ read-transient-table write-cleanup-script

import/ set-batch-options write-field-functions

read-case show-configuration write-macros

Аналогично, набирая имя требуемой команды, меню полно­стью или начальные буквы, можно запустить ее.

Для того, чтобы перейти в меню высшего уровня (например, из file об­ратно в главное) необходимо в командной строке ввести букву «q» и на­жать кнопку Enter.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: