Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Моделирование течения через подвижные элементы




При решении инженерных задач достаточно часто встреча­ется ситуа­ция, когда расчетная зона включает в себя подвижные элементы. Они могут переме­щаться линейно, вращаться во­круг некоторой оси или совершать сложное движение. Типичными приме­рами таких случаев могут служить турбомашины, всевоз­можные смеси­тельные устройства и т.п.

В программе Fluent доступны четыре подхода к моделирова­нию тече­ния через подвижные элементы.

1. Single Reference Frame – течение через движущийся элемент рассчи­тывается в подвижной СК, перемещающейся со скоростью элемента. При этом все исходные уравнения за­писываются и реша­ются в относительном виде. Этот метод применим только в том случае, когда вся расчетная область движется с одной скоростью. Для моделей, содержащих од­новременно подвижные и неподвиж­ные части или не­сколько элементов перемещающихся с разными скоро­стями, он неприменим.

2. Multiple Reference Frame – этот подход позволяет рассчиты­вать тече­ния через области имеющие несколько элементов движущихся друг относительно друга. Это достигается за счет разделения мо­дели на зоны. Каждая из них включает в себя элементы, переме­щающиеся с одинаковой скоростью. Для каждой зоны вводится своя подвижная СК. В частном случае некоторые из СК могут быть неподвижными.

3. Mixing Plane – основная идея данного подхода - введение по­верхно­сти на границе между зонами, движущимися друг относительно друга с различными скоростями, и осредне­нии на этой поверхности значений параметров в направле­нии движения. Параметры, осреднен­ные на выходе из од­ной зоны, используются в качестве входного ГУ в зоне, распо­ложенной ниже по течению.

4. Sliding Mash – при этом подходе конечно-элементные сетки разных зон физически движутся друг относительно друга.

Первые три способа используются при решении задач в ста­ционарной постановке, четвертый - только в нестационарной. Подход Single Reference Frame предназначен для случаев, когда вся расчетная область перемеща­ется с одной скоростью. Осталь­ные подходы используются в случаях, ко­гда обтекаемый объект состоит из нескольких элементов, движущихся друг относи­тельно друга с разными скоростями. При использовании вто­рого и третьего подходов происходит осреднение потока на границах ме­жду зонами, что не позволяют моделировать эффекты взаимо­действия между элементами, движущимися с разными скоро­стями. Корректное мо­делирование такого взаимодействия может осуществляться только при использовании подхода Sliding Mash.

7.1. Моделирование течения через подвижные элементы с помощью подхода Single Reference Frame

Подход Single Reference Frame применяется только в случае, когда вся расчетная зона движется с одинаковой скоростью. При этом она содержит одну зону потока и одну СК. Стенки, пере­мещающиеся со скоростью сис­темы координат, могут иметь лю­бую форму. Стенки неподвижные в абсо­лютной СК или пере­мещающиеся с другой скоростью относительно под­вижной СК должны иметь форму поверхности вращения, если движение системы вращательное, или плоскости, если движение системы поступа­тельное. На этих стенках не должно быть выступающих элементов. Дви­жение стенки относительно расчетной области задается с помощью опции Moving Wall в ГУ Wall.

Типичным примером использования подхода Single Reference Frame является задача перемешивания нескольких веществ с по­мощью вращаю­щейся крыльчатки (рис. 7.1). Расчетная область состоит из одной зоны. Движение крыльчатки учитывается ре­шением задачи в подвижной СК, вращающейся с угловой скоро­стью крыль­чатки. С помощью рассматриваемого под­хода задача может быть решена только тогда, когда неподвижная стенка, ог­раничи­вающая расчетную область, является поверхностью вра­щения (рис. 7.1, а). Если она содержит выступающие элементы как, на­пример, на рис. 7.1, б, то подход Single Reference Frame неприме­ним. В этом случае нужно использовать другие способы решения задачи.

Рис. 7.1. Применение подхода Single Reference Frame для исследования течения в смесительном устройстве

 

Подход Single Reference Frame применим как в двухмерной, так и трехмерной постановке. При использовании этого подхода в двухмерной постановке ось вращения может совпадать с осью oz (рис. 7.2, а) или осью ox (рис. 7.2, б). В последнем случае рас­четная модель является осесиммет­ричной. При исследовании те­чения через вращающиеся элементы в осе­симметричной поста­новке в меню Define®Solver в программе Fluent не­обходимо акти­вировать опцию Axisymmetric Swirl (осесимметричная за­дача с вра­щением).

Рис. 7.2. Решение задачи с помощью подхода Single Reference Frame в двухмерной постановке: а) – ось вращения oz; б) – ось вращения oz

 

При исследовании течения через подвижный элемент, со­вершающий вращательное движение, целесообразно моделиро­вать только сектор рас­четной области, а на боковых поверхно­стях сектора использовать ГУ пе­риодичности (рис. 7.3). Число периодических эле­ментов определя­ется геометрией подвиж­ного эле­мента. Напри­мер, при исследовании течения через ре­шетку турбома­шины один перио­дический эле­мент содержит, как пра­вило, один или не­сколько межлопа­точ­ных каналов.

Для того, чтобы описать движение рас­четной области с по­мощью подхода Single Reference Frame в про­грамме Fluent необхо­димо выполнить следую­щие действия:

1. В меню Boun­dary Condition опи­сывается подвижная СК. Для этого в поле Zones необходимо вы­брать область течения (если в Gambit не дела­лось никаких дейст­вий с областями тече­ния, то она, как правило, называ­ется Fluid) и нажать кнопку Set. В появившемся меню редактирования свойств области течения (рис. 7.4), в списке Motion Type следует выбрать пункт Moving Reference Frame. Тем самым будет опреде­лено, что данная область течения находится в подвижной СК. После этого ниже упомяну­того списка появится несколько по­лей, в которых нужно задать параметры движения.

Рис. 7.4. Меню Zones

 

Если элемент вращается, то в поле Rotation Speed вводится скорость вращения. В случае линейного перемещения, в поле Transnational Velocity задаются проекции вектора скорости. Одно­временное определение посту­пательного и вращательного дви­жения позволяет задать сложное движе­ние.

Ось вращения задается в полях Rotation Axis Origin (точка оси) и Rota­tion Axis Direction (направление оси) (рис. 7.5), находящихся выше списка Motion Type. Внимание: ось вращения должна быть обязательно описана при использовании угловой периодичности, не зависимо от типа движения СК.

Рис. 7.5. Поле, в котором определяется положение оси вращения

 

2. Описывается движение стенок, ограничивающих расчет­ную об­ласть. Оно определяется в поле Wall Motion в меню зада­ния ГУ стенки Define® Boundary Condition®Wall (рис. 7.6). Если при описании движе­ния элементов в поле Wall Motion выбрана опция Stationary Wall (позиция 1 на рис. 7.6), то это значит, что стенка неподвижна относительно СК, в кото­рой находится зона потока и к которой принадлежит стенка. Таким обра­зом, если зона находится в подвижной СК, то стенка движется относи­тельно абсолютной СК со скоростью подвижной.

Если стенка неподвижна в абсолютной СК или движется со скоростью отличной от скорости движения подвижной системы, то она считается подвижной. В этом случае, в ГУ Wall следует задать параметры движения стенки (в поле Wall Motion выбира­ется опция Moving Wall (рис. 7.6)). Ско­рость движения стенок за­дается подобно тому, как задавалось движение СК.

Опция Relative to Adjacent Cell Zone (позиция 2 на рис. 7.6) определяет то, что скорость движения стенки будет задаваться в подвижной СК.

Опция Absolute (позиция 2 на рис. 7.6) определяет то, что скорость дви­жения стенки будет задаваться в абсолютной СК.

Если стенка неподвижна в абсолютной СК, то следует вы­брать опцию Absolute (позиция 2 на рис. 7.6) и в поле Speed вве­сти скорость равную нулю.

Рис. 7.6. Меню задания граничного условия стенки

 

3. При исследовании течения через вращающиеся элементы в ГУ «давление на выходе (pressure outlet)» можно активировать оп­цию Radial Equilibrium Pressure Distribution. Она позволяет рассчи­тать распределение давления по высоте канала с помощью урав­нения радиального равнове­сия:

.

Учет распределения давления по уравнению радиального равновесия особенно актуален для турбомашин.

7.2. Моделирование течения через подвижные элементы с помощью подхода Multiple Reference Frame

Подход Multiple Reference Frame применяется в случае, когда расчет­ная область содержит элементы, перемещающиеся друг относительно друга с различными скоростями или в случае, ко­гда в ней имеются под­вижные и неподвижные элементы. В этом случае модель потока делится на области течения соответствую­щие подвижным и неподвижным элемен­там: одна или несколько областей на неподвижные зоны и по одной на каждый элемент, движущийся с определенной скоростью.

В качестве иллюстрации на рис. 7.7. представлено схематиче­ское изо­бражение двухступенчатой осевой турбины.

Она состоит из двух ступеней, рабочие колеса которых дви­гаются с различными скоростями U1 и U2. В данном случае вся расчетная область потока через турбину делится на 4 области те­чения разделительными по­верхностями, которые проходят при­мерно через середины осевых зазоров между элементами, дви­жущимися друг относительно друг друга с разными ско­ростями. Поскольку сопловые аппараты неподвижны, то области 1 и 3 мо­гут принад­лежать одной области течения. Области 2 и 4 будут иметь свои подвижные системы координат, которые будут дви­гаться со ско­ростями U1 и U2 соответственно. Области течения определяются в программе Gam­bit на этапе определения гранич­ных поверхно­стей.

Рис. 7.7. Схема расчетной модели осевой турбины

При использовании подхода Multiple Reference Frame области течения разделяются ГУ типа «стенка». Причем, при чтении мо­дели во Fluent, в месте сопряжения двух областей создается две стенки: первая принадле­жит одной, вторая - «экран» (shadow) – другой. «Экраны» создаются в программе Fluent всегда, когда стенка имеет области течения с обеих сто­рон. Эти границы ис­пользуются генератором сеток для разделения зон те­чения. В дальнейшем ГУ Wall (стенка) преобразуются в ГУ Interior (внут­ренняя граница).

К границе между областями предъявляются те же требования, что и при подходе Single Reference Frame – она должна быть по­верхностью вращения или плоскостью и не содержать высту­пающих элементов.

При использовании подхода Multiple Reference Frame все об­ласти те­чения, составляющие модель, должны иметь одинаковую периодичность. Это требование создает неудобства при решении некоторых задач. На­пример, необходимо провести исследование течения в ступени турбома­шины, в одном венце которой 15 ло­паток, в другом – 29. Очевидно, что в этом случае невозможно создать области течения, соответствующие раз­ным венцам с одинаковой периодичностью. Эту проблему можно решить, если изменить число лопаток в венце на несколько штук. В частно­сти, в рассматриваемом примере в одном венце можно взять 15 лопа­ток, а в дру­гом вместо 29 – 30. В результате шаг второго венца незначительно изме­нится, что мало скажется на результа­тах рас­чета. При этом обе области потока будут иметь одинако­вую пе­риодичность и к рассматриваемой за­даче можно приме­нить под­ход Multiple Reference Frame. Часть модели, со­ответст­вующая пер­вому венцу, будет содержать одну лопатку, а область второго венца – две. Уточнить результаты такого расчета можно с помо­щью поправочных коэффициентов, поскольку влияние шага на параметры турбомашины достаточно хорошо изучено.

Для того, чтобы рассчитать течение через подвижные эле­менты с по­мощью подхода Multiple Reference Frame необходимо выполнить следую­щие действия.

1. В программе Gambit необходимо описать области течения, соответ­ствующие подвижным и неподвижным элементам в меню Zones®Specify continuum type ® .

2. На границе, разделяющей области, необходимо ввести по­верхность и установить на ней ГУ типа «стенка» (Wall).

3. В программе Fluent вменю Boundary Condition следует изме­нить тип ГУ у стенок, разделяющих разные области течения, c Wall на Interior. ГУ Interior никаких дополнительных настроек не требует.

4. Для каждой области течения задаются параметры движения и ГУ (в первую очередь на ограничивающих стенках) подобно тому, как это дела­лось при подходе Single Reference Frame.

В ряде случаев неизвестно какое название имеет конкретная область потока. Для того, чтобы установить соответствие имени конкретной сеточ­ной области можно воспользоваться команд­ной: /display> zone-grid, наби­раемой в командной строке. После ее запуска программа выдаст запрос zone id/name(1) [()], в ответ на который необходимо ввести ID номер ГУ. Егоможно узнать в меню Boundary Condition. Для этого в нем в поле Zones нужно выбрать интересующее имя области. ID номер будет высве­чен в поле ID в нижней правой части меню. После выполнения ко­манды ГУ или область течения появится в графическом окне.

7.3. Моделирование течения через подвижные элементы с помощью подхода Mixing Plane

Подход Mixing Plane применяется в тех же случаях, что и под­ход Mul­tiple Reference Frame. Принципиальным отличием от него является то, что на поверхности, разделяющей разные области течения, вводится так назы­ваемая поверхность смешения (Mixing Plane). На ней параметры на вы­ходе из области, расположенной выше по течению, осредняются в окруж­ном направлении и ис­пользуются в качестве входного ГУ для области, расположенной ниже по течению. Другим отличием от подхода Multiple Reference Frame является то, что при использовании поверхности смеше­ния не требуется соблюдения одинаковой периодичности в раз­ных рас­четных областях течения (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Применение поверхности смешения при исследовании течения в вентиляторе

 

Поверхность смешения должна быть поверхностью враще­ния в слу­чае вращательного движения одной области относи­тельно другой, или плоскостью в случае плоскопараллельного пе­реме­щения. Поверхность смешения может быть перпендикуляр­ной оси вращения, либо параллель­на ей. Это позволяет исполь­зовать поверхность смешения для исследо­вания течения как в осевых, так и радиальных турбомашинах (рис. 7.9).

Однако подходу Mixing Plane присущи и недостатки. Во-пер­вых, при осреднении параметров потока на поверхности смеше­ния вносится допол­нительная погрешность. Во-вторых, при раз­ной периодичности зон потока происходит нарушение баланса расходов, энергии и импульса в расчетной области, что также вносит неточность в расчет. Правда, следует отметить, что эта погрешность относительно не велика и, как правило, не превы­шает 1%.

Рис. 7.9. Расположение поверхности смешения при осевых и радиальных течениях

 

В-третьих, при осреднении происходит «размывание» следов обтекае­мых тел, что не позволяет моделировать их влияние на обтекание элемен­тов, расположенных ниже по потоку или рас­пространение возмущений выше по потоку. Например, это де­лает невоз­можным учет влияния закро­мочного следа или скачков уплотнения на ра­боту последующего венца в турбомашинах.

Для того, чтобы исследовать течение через подвижные эле­менты с по­мощью подхода Mixing Plane необходимо выполнить следующие дейст­вия.

1. В программе Gambit необходимо описать области течения, соответ­ствующие подвижным и неподвижным элементам в меню Zones®Specify continuum type ® .

2. На входе в каждую область течения устанавливается вход­ное ГУ (pressure inlet или mass flow inlet), а на выходе потока из нее – выходное ГУ (pressure outlet). Таким образом, на каждой поверхности, разделяющей области течения, будет задано по два ГУ, принадлежащие разным облас­тям (рис. 7.10).

3. В программе Fluent описываются области течения, пара­метры их движения, настраиваются параметры движения стенок расчетных облас­тей подобно тому, как это делалось при подходах Single Reference Frame и Multiple Reference Frame.

Рис. 7.10. Расположение граничных условий при определении поверхности смешения

 

4. Поверхность смешения описывается с помощью команды Define ® Mixing Plane. Внешний вид ее меню показан на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Меню задания поверхности смешения Define ® Mixing Plane

 

Это меню состоит из трех основных полей: в первом поле Mixing Plane отражается список уже созданных поверхностей смешения. В поле Upstream Zone приведен список всех выходных ГУ модели. Из этого списка необходимо выбрать то условие, ко­торое является выходным для области течения, стоящей выше по потоку относительно поверхности смешения. Здесь происходит выбор границы, на которой будет происходить осредне­ние в ок­ружном направлении. В поле Downstream Zone находится список всех входных ГУ модели. В нем необходимо выбрать входное ус­ловие об­ласти, расположенной ниже по потоку, чем поверхность смешения. На эту границу будут передаваться осредненные па­раметры с поверхности, вы­бранной в списке Upstream Zone.

В рассматриваемом меню существует ряд опций.

В поле Interpolate Points выбирается число сечений, в которых будет происходить осреднение.

В поле Mixing Plane Geometry выбирается тип течения через поверх­ность смешения. Если течение осуществляется вдоль оси вращения, то следует выбирать опцию Axial, а если перпендику­лярно – Radial.

В поле Under – Relaxation устанавливается параметр релакса­ции, ко­торый изменяется в интервале от 0 до 1.

Для создания поверхности смешения необходимо нажать кнопку Cre­ate.

После этого действия в меню настройки параметров вход­ного и вы­ходного ГУ, находящихся на поверхности смешения, поля ввода парамет­ров потока станут неактивными. В списках рядом с ними появятся назва­ния файлов полей параметров, из которых будут читаться значения, соот­ветствующих параметров потока (рис. 7.12).

7.4. Моделирование течения через подвижные элементы с помощью подхода Sliding Mash

Как отмечалось ранее, рассмотренные выше подходы к моде­лирова­нию подвижных зон имеют существенный недостаток. Вследствие осред­нения потока на границе между зонами и ре­шения задачи в стационарной постановке невозможно корректно моделировать взаимодействие подвижных и неподвижных эле­ментов. В частности, не возможно учесть взаимодействие эле­ментов со следами тел, находящихся выше по течению, или со скачками уп­лотнения.

Рис. 7.12. Вид меню задания граничного условия, находящегося на по­верхности смешения

 

Моделировать эти явления в программе Fluent можно с по­мощью под­хода Sliding Mash. Он принципиально отличается от рассмотренных ранее тем, что при его использовании происхо­дит перемещение сетки одной зоны относительно другой (рис. 7.13). Из-за этого задача с та­ким подходом может быть решена только в нестационарной постановке.

Рис. 7.13. Моделирование движения элементов расчетной зоны с помощью подхода Sliding Mash

 

Основным недостатком подхода Sliding Mash является, то, что для его использования требуются значительно большие ресурсы компьютера и время расчета. Кроме того, в случае использова­ния периодических ГУ для корректного решения, как и в под­ходе Multiple Reference Frame, требуется, чтобы периоды разных областей потока совпадали. Поверхность, разде­ляющая две об­ласти должна быть плоскостью или поверхностью враще­ния.

Для того, чтобы исследовать течение через подвижные эле­менты с по­мощью подхода Sliding Mash необходимо выполнить следующие дейст­вия.

1. В программе Gambit необходимо описать области течения, соответ­ствующие подвижным и неподвижным элементам в меню Zones®Specify continuum type ® .

2. В Gambit, как и при подходе Mixing Plane на входе и выходе из каж­дой расчетной области описываются входные и выходные ГУ. В про­грамме Fluent на поверхностях, находящихся на гра­нице двух областей течения, необходимо изменить тип ГУ на In­terface (проницаемая граница). Для этого нужно вызвать команду Define® Boundary Condition. В ее меню в левом окне следует вы­брать нужное ГУ, а в правом - поменять его тип на Interface (рис. 7.14). После этого поя­вится запрос на подтверждение вы­полне­ния команды. ГУ In­terface дополнительных на­строек не требует.

3. В программе Fluent опи­сываются области течения, па­ра­метры их движения, настраи­ваются параметры движения стенок расчетной области по­добно тому, как это делалось при использовании других под­ходов. Единственное отличие заключается в том, что в поя­вившемся меню ре­дактирова­ния свойств области тече­ния (рис. 7.4) в списке Motion Type вместо Moving Reference Frame вы­бирается пункт Moving Mash (под­виж­ная сетка).

4. Для каждой границы ме­жду областями течения созда­ется по­верхность пересечения с помощью команды Define®Grid Inter­face. Ее меню показано на рис. 7.15. В нем, как и в рассмот­рен­ном выше меню задания поверхности смешения De­fine ® Mixing Plane, имеется три основ­ных поля. В левом поле Grid In­terface вводится имя поверхности смеше­ния. Ниже этого поля нахо­дится список уже имеющихся раздели­тельных поверхностей. В центральном и правом поле (Interface Zone 1 и 2) нахо­дятся оди­наковые списки ГУ типа Interface. В этих списках нужно вы­брать границы, примыкающие к поверхности раздела двух под­вижных об­ластей течения: в центральном принадлежащий об­ласти распо­ложенной выше по течению, а в правом – ниже по течению ра­бочего тела.

Рис. 7.15. Меню Define®Grid Interface

 

В этом меню доступны ряд опций.

Опцию Periodic следует активировать, если решаемая задача периоди­ческая.

Активация опции Couple приведет к тому, что на поверхности сопря­жения двух областей будет учитываться теплоперенос.

Для принятия сделанных настроек необходимо нажать кнопку Create, после чего в левом списке появится имя создан­ной поверхности пересече­ния.

4. В меню Define ® Models ® Solver задается, что решение за­дачи будет в нестационарной постановке (Unsteady).

5. Величина шага по времени может быть найдена по соот­ношению:

, где

- средний размер ячейки, мм;

w - угловая скорость, рад/сек;

R – радиус, мм.

При этом за один шаг по времени сетка одной области тече­ния сме­стится относи­тельно другой на одну ячейку.

6. Перед решением за­дачи можно просмотреть, как будет двигаться одна область течения относительно другой. Перед вы­полнением этой опе­рации следует сохранить расчетную модель. Визуализация движения об­ластей друг от­носительно друга про­исходит с помощью команды Solver®Mesh Motion. Ее меню пока­зано на рис. 7.16.

Рис.7.16. Меню Solver®Mesh Motion

 

В этом меню в поле Time Step задается шаг по времени, а в поле Num­bers of Time Steps задается интересующее пользователя число ша­гов по времени. После этого нажимается кнопка Pre­view.

После работы с этой ко­мандой следует вновь загру­зить рас­четную мо­дель, со­храненную ранее, для того, чтобы вернуть сетку в исход­ное поло­жение.

7. Запускается рас­чет. Решение можно считать за­конченным, когда не­вязки по итерациям бу­дут меняться перио­дично, напри­мер, так, как изо­бражено на рис 7.17.

Рис.7.17. Изменение невязок по итерациям при установившемся решении в нестационарной постановке

 

7.5. Стратегия получе­ния решения при моделировании течения через подвижные элементы

При решении задач с подвижными элементами независимо от под­хода, используемого при моделировании, не всегда удается запустить процесс решения. Во многом это связано с тем, что на него в начальной стадии сильно влияет начальное поле распре­деления параметров, задавае­мое в процессе инициализации. Чем сложнее задача, тем сложнее реша­телю найти нужное распреде­ление параметров, отталкиваясь от началь­ного приближенного поля. Чем сложнее задача, тем ближе должно быть начальное поле к реальному. Очевидно, что задать та­кое поле на начальном этапе довольно трудно, поскольку зачастую оно неиз­вестно. Для того, чтобы преодолеть эти проблемы применяются несколько подхо­дов. Наиболее часто поступают следующим образом.

1. Исследование течения через расчетную модель, содержа­щую под­вижные элементы, на первом этапе проводится без учета движения. Расчет начинается с неподвижными элемен­тами. Затем, после полу­чения устойчивого решения, под­ключа­ется движение областей потока и стенок.

2. Расчет начинается с первым порядком точности дискрети­зации, за­тем, после получения устойчивого решения, порядок точности меняется на более высокий.

3. При расчете течения через турбомашины, расчет начина­ется с менее нагруженных режимов вблизи расчетной точки или при пониженном пе­репаде давления. Затем, после получения ус­тойчивого решения, перепад давления постепенно изменяется в несколько приемов до требуемого зна­чения. После каждого из­менения ГУ необходимо дождаться получения устойчивого ре­шения, затем менять требуемые режимные факторы.

4. При расчете с использованием Pressure Based решателя, в качестве метода дискретизации по давлению следует выбирать схему PRESTO.


 

 

8. Пример решения задачи в программе Fluent

В данном примере рассматривается течение вязкого, сжимае­мого, однофазного потока в лопаточном венце осевой турбины. Процесс создания расчетной модели, нанесения сетки на нее и предварительное назначение граничных условий были подробно описаны в работе [2] (разделы 2.9.2, 3.6.2, 4). Внеш­ний вид мо­дели показан на рис. 8.1.

Рис. 8.1 Схе ма расчетной модели для исследования течения газа в элементарном венце турбины

 

На расчетном режиме поток в рассматриваемом элементар­ном ЛВ имеет следующие параметры:

- угол входа потока a=59,1°;

- угол выхода потока a=27,1°;

- приведенная изоэнтропическая ско­рость на выходе из ре­шетки на расчетном режиме lc1=0,77.

В расчете моделируется продувка элементарного ЛВ на экс­периментальном стенде. При этом полагается, что на входе в решетку подается воздух с давле­нием, величина которого опре­деляется требуемой приведенной изоэнтропической скоростью l1s. Отвод воздуха осуществляется в атмосферу.

Таким образом, основываясь на сказанном выше, в расчете можно принять, что рабочее тело в канале – воздух. Давление на выходе из решетки и температура на входе равны атмосферным (р1=101325Па, Т0*=288К).

Параметры рабо­чего тела счи­таются подчиняющимися закону идеального газа. Задача бу­дет решаться в стационарной поста­новке. Используемая модель тур­булентно­сти - RNG k-e.

Расчетная модель имеет следующие граничные условия (рис. 8.1):

- на входной границе - полные давление и температура потока, направляющие косинусы вектора скорости и граничные условия турбулентности;

- на выходной границе – статическое давление;

- на боковых поверхностях - периодическое граничное усло­вие;

- на стенках лопатки - условие неприлипания рабочей среды.

Давление на входе в решетку турбины р0* принимается в за­висимости от требуемой приведенной скорости l1s. Зная вели­чину l1s, можно найти ГДФ . Тогда полное давление на входе в элементарный венец будет равно:

.

Шаг. 1. Запуск программы Fluent.

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.

Перед открытием рабочего окна программы появится меню (рис. 1.1), пред­лагающее выбрать тип ре­шаемой задачи из четы­рех предло­жен­ных ва­риантов:

2d – двухмерная;

2ddp – двухмерная c двойной точностью;

3d – трехмерная;

3ddp – трехмерная с двойной точ­ностью.

В рассматриваемом случае задача яв­ляется двухмерной. После выбора нужно нажать кнопку Run. Это действие вызовет появле­ние ра­бочего окна программы Fluent (рис. 1.2).

Шаг. 2. Чтение расчетной модели, созданной в программе Gambit.

Чтобы прочитать созданную расчетную модель, необ­ходимо в главном меню выбрать:

ГМ: File ® Read ® Case.

В появившемся стандартном окне проводника ОС «Windows» нужно найти место, где был сохранен файл обмена, выбрать его и подтвердить выбор кнопкой OK.

При чтении файла в окне сообщений Fluent появятся полные сведения о модели, содержащейся в читаемом файле: размеры, количество, и тип конечных элементов и т.п.

Шаг. 3. Проверка конечно-элементной сетки на наличие ошибок.

Проверка расчетной сетки на наличие ошибок осуществля­ется с помощью команды:

ГМ: Grid ® Check.

После ее запуска программа проверит конечно-эле­ментную сетку, а в окне сообщения появятся полные сведе­ния о конечно-элементной сетке. Если будет найдена ошибка, то будет выдано соответствующее сообщение. В этом случае необходимо вер­нуться в программу Gambit, найти ошибку и исправить ее.

Шаг. 4. Масштабирование конечно-элементной сетки.

Размеры расчетных моделей в программе Fluent должны быть обязательно заданы в метрах. Построение же моделей удобнее проводить в миллиметрах. Так, рассматриваемая модель межло­паточного ка­нала была создана в миллиметрах. Поэтому постро­енную сетку нужно уменьшить в 1000 раз. Для этого в программе есть удобная команда масштабирования Scale Grid (рис. 2.3). Она вызывается из главного меню командой:

ГМ: Grid ® Scale.

В поле Domain Ex­tents меню приведены максимальные коор­динаты модели. По­скольку она создана в миллиметрах, то до масштабирования эти цифры запредельны (47,77 м).

В меню Scale Grid в поле Grid was created in (сетка была соз­дана в..) нужно выбрать миллиметры mm (или другую единицу измерения, в которой была создана расчетная модель), а затем нажать кнопку Scale. Модель будет автоматиче­ски смасштабиро­вана. Следует обратить внимание на то, что в поле Domain Extents раз­меры модели примут правильные значе­ния. Отменить мас­штаби­рование в случае ошибки можно с по­мощью кнопки Un­scale.

После завершения операции меню необ­ходимо закрыть с по­мощью кнопки Close.

Шаг. 5. Просмотр конечно-элемент­ной сетки.

Просмотреть ко­нечно-эле­ментную сетку загружен­ной мо­дели можно с по­мо­щью команды:

ГМ: Display ® Grid.

В появившемся меню Grid Display (рис. 8.2) в окне Surfaces требуется выбрать все граничные поверхности, которые пользо­ватель хочет про­смотреть. Следует обра­тить внимание на то, что имена в списке совпа­дают с именами гра­ничных усло­вий, задан­ных в Gambit. Для про­смотра вы­бранных эле­ментов сетки нужно на­жать кнопку Display.

В результате выпо­л­нения команды поя­вится графиче­ское окно, в ко­тором будет изображена расчетная сетка или вы­бран­ные элементы мо­дели (рис.8.3).

Для того, чтобы изу­чить конечно-эле­мент­ную сетку вни­ма­тельнее, нужно ис­пользовать мышь. Движение мыши с нажатой левой кнопкой вызывает сдвиг мо­дели. Движение мыши с на­жа­той средней кнопкой вызывает по­явле­ние рамки, с помощью ко­торой можно приблизить (если рамку вытягивать слева на­право) выде­ленный фрагмент модели или, наоборот, отдалить (если рамку вы­тягивать справа налево).

Если в окне Surfaces снять выделение с пункта default – inte­rior, то в окне можно будет увидеть только контур модели, без расчетной сетки.

Шаг 6. Задание опций решателя.

В качестве первого действия при описании расчетной модели следует выбрать решатель, с помощью которого будет прово­диться решение, а также определить стационарность или неста­ционар­ность задачи. Этот выбор осуществляется с помощью ко­манды Solver:

ГМ: Define ® Models® Solver.

В меню Solver (рис.2.7) нужно обратить внимание на следую­щие пункты:

- для ре­шения рассматриваемой задачи целесообразно выбрать Pressure Based;

- в поле Space выбирается двухмерная задача 2d;

- в поле Time - стационар­ная задача Steady.

Рис. 8.3. Результат отображения расчетной сетки

 

Шаг 7. Учет в расчете уравнения энергии.

При решении задач газодинамики в элементах двигателя нужно обязательно учитывать изменение температуры потока и тепловые явления (теплообмен и теплопе­редачу). Для этого не­обходимо подключить к решению уравнение энергии с помо­щью команды:

ГМ: Define ® Models® Energy.

В появившемся окне нужно поставит галочку в строке Energy Equation и нажать ОК.

Шаг. 8. Определение модели турбулентности.

Поток газа в ПЧ турбомашин характеризуется наличием тур­булентности – беспорядочного движения вихревых масс. При этом на основное направление скорости накладываются попе­речные составляющие, вызывающие сильное перемешивание жидкости/газа.

Для задания модели турбулентности необходимо выбрать ко­манду:

ГМ: Define ® Models® Viscous.

В появившемся списке моделей турбулентности нужно вы­брать модель турбулентности k-e (k-epsilon). В появившемся меню отмечается модель RNG и ставится галочка в графе Viscous Heating, что позволит учитывать тепло, выделяющееся от вязкого трения слоев газа.

Шаг. 9. Задание свойств рабочего тела.

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

ГМ: Define ® Materials.

В рассматриваемой задаче в качестве рабочего тела использу­ется воздух. Он установлен в программе Fluent по умолчанию. При решении задач течения газов в решетках турбомашин и ка­налах двигателя обязательно нужно учитывать сжимаемость ра­бочего тела. По­этому следует задать зависимость плотности газа от параметров потока. Чаще всего для этого пользуются уравне­нием состояния идеального газа (Менделеева – Клайперона).

Для того, чтобы осуществить эту установку, в меню Materials в списке Density нужно выбрать пункт Ideal-gas.

Зависимость вязкости от температуры задается в виде урав­нения Сатерленда (см. п. 2.8). Чтобы это описать в программе, в меню Materials в списке Viscosity нужно выбрать пункт Sutherland.

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

Шаг. 10. Задание справочного давления.

Особенность программы Fluent состоит в том, что давление, получаемое и задаваемое в расчете, является избыточным. То есть для того, чтобы получить истинное значение давления необхо­димо прибавить к нему так называемое «справочное давление». По умолч

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



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