Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
 МегаЛекции

Задание свойств рабочего тела




Следующим важным этапом описания расчетной модели яв­ляется задние свойств рабочего тела. Этот этап необходимо вы­полнить при ре­шении любой задачи. При этом может быть опи­сано одно или не­сколько рабочих тел (в случае решения за­дач многофазного течения, со­пряженного теплообмена и т.п.)

Задание свойств рабочего тела осуществляется в меню Mate­rials (рис.2.9), которое вызывается командой:

ГМ: Define ® Materials.

По умолчанию в качестве рабочего тела используется воздух с посто­янными параметрами.

Программа позволяет работать с двумя типами веществ: твер­дыми (Solid) и жидкостью или газом (Fluid). Выбор типа веще­ства осуществля­ется в списке Material Type (1 на рис. 2.9).

Программа Fluent содержит достаточно большую базу данных ве­ществ, которые можно использовать в расчетах. Доступ к базе осуществ­ляется нажатием кнопки Fluent Database (2 на рис. 2.9).

Рис. 2.9. Меню Materials

 

В окне базы данных материалов (рис. 2.10) в списке Material Type выбирается тип вещества Fluid/Solid. В зависимости от этого выбора в поле Materials бу­дет отображен соответствующий спи­сок доступных веществ. Требуемое рабочее тело может быть вы­брано как по названию, так и по химической формуле. Нужное рабочее тело выбирается и копируется в текущую рас­четную мо­дель нажатием кнопки Copy.

Свойства веществ, которых нет в базе данных программы, могут быть записаны в пользовательскую базу данных. Доступ к ней осуществляется с помощью кнопки User-Defined Database (3 на рис. 2.9). После ее нажатия появится окно, запрашивающее имя базы данных. Там следует выбрать имя существующей или новой базы и нажать кнопку ОК. Копирование те­кущих свойств рабочего тела в базу осуществляется с помощью кнопки Copy Materials from Case (рис. 2.11).

Изменения в пользовательской базе данных материалов осу­ществля­ется нажатием кнопки Save.

Рис. 2.10. Меню встроенной базы данных рабочих тел во Fluent

 

Рис. 2.11. Меню пользовательской базы данных материалов

 

Самую большую часть меню задания свойств рабочих тел за­нимает поле Properties (4 на рис. 2.9). В нем определяются свой­ства рабочего тела и закономерности их изменения в зависимо­сти от параметров потока. Список доступных в этом поле свойств рабочего тела зависит от подклю­ченных физических мо­делей. При решении задач течения жидкостей и га­зов обычно задаются:

- Density – плотность;

- Ср – изобарная теплоемкость;

- Thermal Conductivity – теплопроводность;

- Viscosity – вязкость;

- Molecular weight – молекулярный вес.

Обратите внимание, что рядом с названием каждого пара­метра в скоб­ках указана размерность, а еще правее список (5 на рис. 2.9), в котором выбираются закономерности изменения свойств рабочего тела от пара­метров рабочего процесса. Наибо­лее часто используются следующие за­кономерности:

Constant – параметр не зависит от параметров процесса (ус­тановлен по умолчанию);

Piecewise-linear – кусочно-линейное задание. Зависимость свойств ра­бочего тела от параметров потока задается в таблич­ном виде меню, изо­браженном на рис. 2.12. В нем в поле Points вводится число точек зависи­мости.

Рис 2.12. Меню задания изменения параметра в виде кусочно-линейной функции

Значение параметра потока, чаще всего температуры, и соот­ветст­вующее ему значение свойства потока вводится в поле Data points для ка­ждой точки.

Piecewise polynomial – зависимость свойства рабочего тела от пара­метров потока задается в виде полинома n- ой степени y=A1+A2х+А3х2+…+Аnхn-1. Меню Piecewise polynomial показано на рис. 2.13.

В этом меню в поле Coefficients отмеченном цифрой 1 вво­дится число коэффициентов Ai. В поле Coefficients отмеченном цифрой 2 вводятся со­ответствующие значения коэффициентов.

Ideal gas – устанавливает изменение плотности от параметров потока в соответствии с уравнением состояния идеального газа Менделеева- Клай­перона.

Рис. 2.13. Меню Piecewise polynomial

 

Sutherland – зависимость устанавливает связь вязкости с тем­пературой потока с помощью уравнения Сатерленда:

, где

S, Т, m0 – константы, зависящие от вещества. Меню Suther­land показано на рис. 2.14.

В этом меню в поле Ref­erence Viscosity вводится па­раметр m0, в поле Reference Tempera­ture – T, а поле Effec­tive Tem­perature – S. Для воз­духа коэффициенты уравне­ния Са­терленда заданы по умолча­нию и в корректи­ровке не нуж­даются.

Список описанных в рас­четной модели рабо­чих тел показан в списке Fluent Fluid/Solid Materials (6 на рис. 2.9).

Для сохранения изме­не­ния свойств рабочего тела необходимо обяза­тельно на­жать кнопку Change/Create. После за­вершения операции меню необходимо закрыть с помощью кнопки Close.


 

 

3. Задание граничных условий в программе Fluent

Важной составляющей успешного решения системы уравне­ний Навье – Стокса является корректное задание ГУ. Этот про­цесс значительно ос­ложняется тем фактом, что до сих пор нет их математиче­ского обоснова­ния [5].

Задание ГУ на непроницаемых стенках не представляет собой значи­тельных затруднений. В этом случае на стенке задается ус­ловие равенства нулю всех компонентов вектора скорости и тем­пература стенки или теп­ловой поток через нее (тепловое ГУ пер­вого или второго рода).

В отношении числа и вида ГУ на проницаемых границах нет ясности. Для расчета невязких течений с помощью нестационар­ных уравнений движения в форме Эйлера для m – мерного тече­ния (m=1,2,3) на границе, через которую поток входит в расчет­ную область с дозвуковой скоростью, необходимо задать m+1 ус­ловий. На выходной границе требуется задать только одно усло­вие. В случае сверхзвукового течения на входе следует задавать m+2 условия, а на выходной границе ни одного [3].

Система уравнений Навье – Стокса смешанная гиперболиче­ски – па­раболического типа относительно времени и описанный выше подход формально к ней неприменим. Однако при реше­нии уравнений Навье – Стокса в приближении тонкого слоя, по-видимому, должно быть доста­точно условий, соответствую­щих уравнениям Эйлера [5].

Выбор величин, используемых в качестве ГУ, произ­волен. Для дозву­ковых внутренних течений чаще всего, на входе в рас­чет­ную область за­даются полные давление и температура, а также направ­ляющий вектор скорости. На выходной границе за­дается статическое дав­ление. В случае, когда на входе в расчет­ную область скорость потока сверхзвуковая, то на входной гра­нице дополнительно задается статическое давление, а на вы­ходе ГУ вообще не задаются [3,5].

Меню задания ГУ в программе Fluent (рис. 3.1) вызывается командой:

ГМ: Define ® Boundary Condition.

В нем в поле Zone нахо­дится список всех ГУ, оп­реде­ленных в препроцессоре (Gam­bit или другом). Если вы­брать имя одного из них, на­пример pressure_inlet.3 (рис. 3.1), то в окне Type синим цве­том будет указан тип ГУ уста­новленный в препроцессоре. В случае необ­ходи­мости в окне Type тип ГУ можно поменять. Обратите внимание, что гра­ничным по­верхно­стям, не опи­санным в препроцес­соре, авто­мати­чески присваивается гра­ничное ус­ло­вие стенки (Wall).

Чтобы задать ГУ в окне Zone необходимо выбрать нужную границу, убедиться, что в окне Type его тип указан верно, и на­жать кнопку Set.

Как видно из меню Boundary Condition (рис. 3.1) программа Fluent по­зволяет использовать достаточное количество разновид­ностей ГУ. Наибо­лее часто используются следующие:

- Pressure inlet – задание полного давления и температуры на входе в расчетную область;

- Velocity inlet – задание вектора скорости и температуры на входе в расчетную область. Данное ГУ неприменимо для сжи­маемых потоков;

- Mass flow inlet – задается масовый расход и полная тем­пе­ратура потока на входе в расчетную область;

- Pressure outlet – выходное ГУ, определяющее статиче­ское давле­ние на выходе;

- Outflow – выходное ГУ, показывающее какая доля рас­хода выхо­дит через данную границу;

- Wall – ГУ стенки;

- Periodic – периодическое ГУ;

- Symmetry – симметрия;

- Axis – ось для осесимметричных задач;

- Pressure far field – задет постоянное давление и направле­ние по­тока на удалении от объекта. Применя­ется для решения задач внешнего обтекания.

Остальные ГУ применяются при решении специали­зирован­ных задач и редко применяются. ГУ Velocity inlet и Outflow можно использовать только при исследовании несжимаемых по­токов. Использование их в за­дачах с учетом сжимаемости некорректно.

Параметры, которые необходимо ввести в меню ГУ зависят от под­ключенных физических моделей.

При исследовании течения газов в элементах двигателей наи­более часто на входе задаются ГУ Pressure inlet или Mass flow inlet (предпочти­тельнее использовать первое), а на выходе Pressure outlet.

Внимание! При вводе числовых значений в программе Fluent деся­тичная и дробная часть числа обязательно разделяются точ­кой.

3.1. Граничное условие «полное давление на входе» (Pressure inlet)

Меню задания ГУ «полное давление на входе» (pressure-inlet), пока­зано на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Меню Pressure inlet

 

Входное граничное условие описывается в следующей после­дователь­ности.

В поле Gauge Total Pressure (1 на рис. 3.2) вводится значение полного давления на входе в расчетную область. Необходимо помнить, что в про­грамме Fluent задается избыточное, относи­тельно заданного в меню Oper­ating Condition, давление. Если справочное давление равно нулю, то вво­дится абсолютное значе­ние давления. Если справочное давление отлича­ется от нулевого, то вводится значение р0изб*= р0*-рсп, где

р0изб* - значение давления, которое необходимо задать в поле Gauge Total Pressure;

р0* - абсолютное значение давления;

рсп – справочное давление.

Значение параметра может быть задано постоянным по рас­сматривае­мой границе, либо переменным в зависимости от ко­ординат в декартовой или цилиндрической системе координат. Выбор типа распределения пара­метров осуществляется в выпа­дающем списке, находящемся правее поля, в котором вводится значение параметра (2 на рис. 3.2). По умолчанию там установ­лена опция constant, что говорит о том, что значение параметра не меняется на границе.

Зависимость параметра от координат называется профилем (Profile) и задается в виде текстового файла. Профиль описывает изменение одной или нескольких переменных №2…№Z от другой №1. Файл профиля явля­ется обычным текстовым файлом с любым расширением (или без него). Профиль может быть создан на основе проведенных ранее предварительных расчетов с помощью команды File ® Write ® Profile или вручную в текстовом файле.

Синтаксис файла, определяющего изменение параметров, следующий:

((имя профиля латинскими буквами <пробел> n - число точек про­филя)

(название переменной №1

значения переменной №1 в столбик друг под другом. Их число равно n

)

(название переменной №2

значения переменной №2 в столбик друг под другом. Их число равно n

)

… (название переменной №Z

значения переменной №Z в столбик друг под другом. Их число равно n

))

Например, профильный файл, описывающий изменение полной тем­пературы по радиусу по 6 точкам, выглядит следую­щим образом:

((profile 6)

(r

0.099000

0.099612

0.100224

0.100837

0.101449

)

(total-temperature

708.179993

750.420044

792.442261

832.731567

872.273865

911.032532

))

Меню File ® Write ® Profile показано на рис. 3.3. В нем для за­писи профиля необхо­димо в поле Surfaces выбрать границу, про­филь на кото­рой необ­ходимо сохранить, а в поле Values вы­брать параметры, распреде­ление которых необ­ходимо внести в файл профиля.

Перед использованием профиля в качестве ГУ его необхо­димо прочи­тать с помощью команды Define ® Profiles или File ® Read ® Profile. В этом случае в списке правее вводимого пара­метра (2 на рис. 3.2) появится перечень загруженных профилей, из кото­рых нужно выбрать требуемый.

В поле Supersonic Gauge Pressure (3 на рис. 3.2) задается ста­ти­ческое давление по­тока для случая сверх­звукового те­чения на входе. При дозву­ковом те­чении на входе в данном поле можно оставить нулевое зна­чение. Однако для ста­бильно­сти решения в нем це­лесообразно вво­дить значение дав­ления, близкое к стати­че­скому на данной гра­нице.

В поле Direction Specification Method (4 на рис. 3.2), в меню Pressure inlet, опреде­ляется направление вектора ско­рости на входной границе. Век­тор скорости может быть задан двумя спо­собами:

- Normal to Boundary – перпендикулярно границе;

- Direction Vector – по направляющим косинусам.

При выборе второго способа появятся поля X-Component, Y-Component и Z-Component, в которых задаются направляющие ко­синусы угла входа потока a (для двухмерной задачи X-Component Y-Component равны коси­нусу и синусу угла соответственно). При определении знака косинуса не­обходимо учитывать направление потока. Если направление проекции скорости потока совпадает с направлением координатной оси, то направ­ляющий косинус по­ложителен. В противном случае – отрицателен.

Использование уравнений, описывающих турбулентность, приводит к тому, что в дополнение к перечисленным ГУ необхо­димо задавать допол­нительные параметры в поле Turbulence (5 на рис. 3.2). Об этом бу­дет рассказано ниже в разделе 4, посвящен­ном заданию турбулентности в программе Fluent.

Для задания полной температуры потока на входе нужно в верхней части меню Pressure inlet нажать на закладку Thermal (6 на рис. 3.2) и, в ставшем доступном поле Total Temperature, вве­сти значение температуры.

3.2. Граничное условие «массовый расход на входе» (Mass flow inlet)

Меню ГУ Mass flow inlet (рис. 3.4) во многом подобно меню Pressure inlet (рис. 3.2) и отличатся только тем, что поле Gauge Total Pressure заме­нено по­лем Mass flow Rate, куда вводятся зна­чения массового расхода на границе.

Если расчетная модель периодическая и является одной из n частей, составляющих область течения, то вводимая величина расхода должна быть уменьшена в n раз.

 

Рис. 3.4. Меню Mass flow inlet

3.3. Граничное условие «статическое давление на выходе» (Pressure outlet)

Меню описания ГУ «статическое давление на выходе» Pres­sure outlet показано на рис. 3.5. В нем, в поле Gauge Pressure (1 на рис. 3.5), необхо­димо ввести статическое давление на выходе из расчетной области (если справочное давление не равно нулю, то давление - избыточное). Это един­ственное необходимое для ре­шения выходное ГУ.

При решении задач течения газов в каналах достаточно часто наблю­дается втекание потока через выходную границу вследст­вие, например, вихревых течений вблизи нее. Параметры вте­кающего воздуха (направле­ние потока, температура и параметры турбулентности) для таких случаев необходимо определить. Это делается в меню Pressure Outlet аналогично тому, как задаются соответствующие параметры на входной границе. Об­ратные те­чения на границах отрицательно влияют на сходимость. Поэтому конфигурацию расчетной области следует выбирать так, чтобы их избегать. Если исследуемая расчетная область заведомо не имеет обрат­ных втеканий, то параметры втекающего потока можно задать прибли­женно.

Рис. 3.5. Меню Pressure Outlet

 

Опция Radial Equilibrium Pressure Distribution (2 на рис. 3.5) по­зволяет учесть распределение давления по высоте канала с по­мощью уравнения радиального равновесия, что повышает точ­ность моделирования течения в турбомашинах и в осесиммет­ричных каналах с закруткой потока.

Опция Target Mass Flow Rate (3 на рис. 3.5) позволяет допол­нительно задать расход рабочего тела на выходе.

3.4. Граничное условие Outflow

Для несжимаемых течений на выходной границе может быть установ­лено ГУ Outflow. Меню его задания показано на рис. 3.6.

Это ГУ показывает, какая доля расхода выходит из расчетной области через данную границу. Значение доли расхода вводится в поле Flow Rate Weighting. Она изменяется от 0 до 1. Если сущест­вует несколько границ с таким ГУ (рис. 3.7), то сумма долей рас­ходов через них должна равняться еди­нице.

Рис. 3.6. Меню граничного условия Outflow Рис. 3.7. Расчетная область с несколькими выходами

Условие периодичности

Меню задания периодического ГУ (Periodic) показано на рис. 3.9. В нем необходимо указать, как образованы пе­риодические границы: вра­ще­нием модели относительно оси (Rotational) (рис. 3.8, а) или линейным пе­ремещением Translational (рис. 3.8, б).

При использовании пе­риоди­ческих границ, полученных вра­ще­нием при описа­нии об­ласти течения (раздел 3.9), обязательно не­обходимо описать ось, относи­тельно которой вращается гра­ница.

Рис. 3.8. Периодическое граничное условие: а – полученное вращением; б – полученное линейным перемещением

3.6. Граничное условия «стенка» (Wall)

Меню задания ГУ «не­проницаемая стенка» пока­зано на рис. 3.10.

Данное усло­вие описы­вает взаимодейст­вие стенки с потоком. Оно в основном оп­реде­ляет движе­ние стенки и теп­ловой поток, прохо­дящий через нее к потоку или от него.

Рис. 3.10. Меню граничного условия «непроницаемая стенка»

 

Движение стенки задается в поле Wall Motion (1 на рис. 3.10). Воз­можны два варианта движения:

- Stationary Wall – стенка неподвижна относительно области течения, к которой она принадлежит;

- Moving wall – стенка подвижна относительно своей зоны по­тока.

При выборе последнего пункта в поле Motion появляется до­полни­тельное поле (2 на рис. 3.10), в котором задаются тип дви­жения стенки:

- Translation – поступательное;

- Rotational – вращательное;

- Components – комбинированное.

В случае выбора поступательного движения в поле (Speed) (3 на рис. 3.10) задается скорость движения. В поле (Direction) (4 на рис. 3.10) с по­мощью направляющего вектора определяется на­правление движения стенки.

В случае выбора вращательного движения Rotational (2 на рис. 3.10) необходимо задать ско­рость вращения и направление оси вращения с по­мощью направляющих косинусов (Rotation Axis Origin).

В поле Shear condition (5 на рис. 3.10) определяется поведение потока у стенки. Чаще всего задается условие не прилипания (no slip) - равенство нулю скорости на стенке.

В программе Fluent имеется возможность учета влияния ше­роховато­сти стенки на течение. Величина шероховатости вво­дится в поле Rough­ness Height (6 на рис. 3.10).

Для того, чтобы описать тепловое взаимодействие стенки с потоком нужно нажать на закладку Thermal в верхней части меню Wall (7 на рис. 3.10). В результате меню задания ГУ стенки примет вид, показанный на рис. 3.11.

Тепловой поток от стенки к рабочему телу может быть задан несколь­кими способами:

- Heat Flux – задается непосредственно тепловой поток;

- Convection – задаются условия, описывающие конвекцию: темпе­ра­тура потока вблизи стенки и коэффициент тепло­пере­дачи a;

- Temperature – задается температура стенки;

- Radiation - задаются параметры, характеризующие излуче­ние те­пла стенкой;

- Mixed – комбинированное задание.

Рис. 3.11. Подменю задания теплового потока через стенку

 

Чаще всего применяются первые три условия. Для определе­ния тепло­вого взаимодействия стенки и потока необходимо за­дать материал стенки. Для этого из списка Material Name надо выбрать нужный материал. Предварительно его следует описать в меню Define ® Materials, как это было показано в п. 2.8.


3.7. Изменение размерности вводимых параметров

Обратите вни­мание на то, что в полях, в которых требуется вводить численные значе­ния параметров, ря­дом с его назва­нием в скобках ука­зана размер­ность. На­пример, на рис. 3.11 мож­но увидеть над­пись Heat Flux (w/m2). По умолчанию все перемен­ные в про­грамме Fluent вводятся в сис­теме СИ. Од­нако в ряде случаев пользоваться раз­мерностью в сис­теме СИ неудобно. Например, угловую скорость на прак­тике проще зада­вать в об/мин, а не в рад/сек. При вводе зависимо­стей свойств рабочих тел от па­ра­метров потока в кусочно-линей­ном виде, температуру удобнее вводить в градусах Цельсия, так как. в таком виде эта ин­форма­ция чаще всего приво­дится в справочни­ках.

Изменить размерность вводимых параметров можно с помо­щью ко­манды Define ® Units. Внешний вид меню этой команды показан на рис. 3.12.

В этом меню в списке Quantities выбирается назва­ние пара­метра (на английском языке), размерность кото­рого нужно изме­нить. После этого в поле Units появится список доступных вари­антов размер­ностей параметра. Из них выбирается требуемый. После выполнения дан­ной команды, введенные ранее значения данной переменной, будут авто­матически пересчитаны в уста­новленной размерности.

В поле Set All to можно выбрать систему измерений, в кото­рой будут вводится все параметры по умолчанию (СИ, кгс или британская).

Примечание. В случае выбора другой размерности темпера­туры, пе­ред рас­четом ее следует изменить обратно на Кельвины, так как рас­чет в других еди­ницах температуры не поддержива­ется.

3.8. Копирование граничных условий с одной расчетной мо­дели на другую

Иногда возникает ситуация, когда необходимо скопировать ГУ из од­ной расчетной модели на другую. Например, такая не­обходимость может возникнуть при исследовании влияния рас­четной сетки на получаемые ре­зультаты. В этом случае не­сколько расчетных моделей имеют одинаковую конфигурацию, ГУ, но различную сетку.

Команда копирования ГУ вызывается из командной строки. Для того, чтобы скопировать ГУ необходимо набрать file (¿ - En­ter) (переход в под­меню file), затем набрать команду write-bc (¿). В ответ на появившийся запрос следует задать имя файла, в ко­торый будут записаны наложен­ные ГУ. Он будет сохранен в ра­бочей папке. Для чтения соз­данного ранее файла с ГУ необхо­димо, находясь в подменю file (¿), на­брать команду read-bc (¿). В ответ на появившийся запрос нужно ввести имя файла, со­держа­щего ГУ.
Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...