Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева”

РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЙ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

С ПОМОЩЬЮ УНИВЕРСАЛЬНОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА FLUENT

О.В. Батурин, Н.В. Батурин, В.Н. Матвеев

САМАРА 2009

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

Основные условные обозначения

динамика газовый турбулентность fluent

- 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, Нм;

n- частота вращения, мин -1;

p- давление, Па;

R- удельная универсальная газовая постоянная, Дж/(кгК);

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;

- скорость диссипации турбулентной кинетической энергии;

- коэффициент потерь;

- плотность, кг/м3;

- коэффициент восстановления полного давления;

- коэффициент полезного действия;

- приведенная скорость;

- динамическая вязкость, Пас;

- 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-, k-, 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 на запуск 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.



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.

1.2 Работа с моделями: загрузка, запись, импорт и т.п.

Работа с файлами в программе Fluent осуществляется в подменю File. С его помощью можно записывать, читать, импортировать и экспортировать модели и результаты расчетов.

Программа Fluent работает с тремя основными типами файлов:

- *.msh - файл обмена расчетными моделями с программой Gambit, содержит сетку и указание типов ГУ;

- *.cas - основной файл, содержащий расчетную модель Fluent;

- *.dat - файл с результатами расчета.

Рассмотрим наиболее часто используемые команды меню File.

Подменю Read (рис. 1.7.) позволяет читать расчетные модели, результаты расчетов и журнальные файлы. В нем представлены следующие основные команды:

Case - чтение базы данных расчетной модели. С ее помощью могут быть загружены модели, созданные в программах Gambit и Fluent (с расширением *.cas и *.msh соответственно).

Data - чтение результатов расчетов (с расширением *.dat), записанных в программе Fluent.

Case & Data - одновременное чтение базы данных расчетной модели (с расширением *.cas) и результатов расчета в случае, если они имеют одинаковое имя.

Journal - чтение журнала.

Работа с этими команда схожа с работой в проводнике ОС «Windows» и не представляет сложностей.

Подменю Write (рис. 1.8.) позволяет записывать расчетные модели, результаты расчетов и журнальные файлы и т.п.

В меню представлены следующие основные команды:

Case - запись текущей расчетной модели в файл с расширением *.cas.

Data - запись текущих результатов расчетов в файл с расширением *.dat.

Case & Data - одновременная запись расчетной модели и результатов расчета. При этом файл модели и результатов расчета имеют одинаковые имена.

Start Journal - запуск записи журнала. После того, как запущена данная команда, в текстовый журнальный файл записываются все действия, выполненные в программе. Для того, чтобы остановить запись журнала необходимо выбрать команду Stop Journal.

В дальнейшем сделанные записи могут быть использованы для ускоренной автоматизированной настройки расчетных моделей.

Autosave - команда позволяет автоматически записывать расчетную модель и/или результаты расчета через заданное число итераций или шагов по времени (для нестационарных задач). После ее вызова появляется диалоговое окно, изображенное на рис. 1.9, в котором настраиваются параметры автосохранения.

В поле Autosave Case File Frequency (1 на рис. 1.9) указывается число итераций, через которое будет сохраняться модель. В поле Autosave Data File Frequency (2 на рис. 1.9) указывается число итераций, через которое будет сохраняться результаты расчета. Если решение происходит в нестационарной постановке, то вместо числа итераций указывается число шагов по времени. В поле File Name (3 на рис. 1.9) указывается место и имя сохраняемого файла. Следует отметить, что имена файлов, полученных в результате автосохранения, будут состоять из двух частей: заданного имени и номера итерации (шага по времени).

Команда File Hardcopy позволяет сохранять изображения, находящиеся в графических окнах, в виде графического файла в форматах JPG, TIFF и др. Внешний вид меню команды показан на рис. 1.10.

В этом окне в поле Format (1 на рис. 1.10) выбирается графический формат, в котором будет сохранено изображение.

В поле Coloring (2 на рис. 1.10) определяется цветовая гамма сохраняемого изображения: Color - цветное; Cray Scale - в оттенках серого; Monochrome - монохромное (двухцветное).

В поле Resolution (3 на рис. 1.10) настраивается разрешение получаемого изображения отдельно по ширине и высоте картинки. Чем оно больше, тем выше качества изображения, но тем больше размер графического файла. По опыту авторов неплохое сочетание разрешения изображения и размера файла будет иметь место в случае, если в поле Width указать 4000, а в поле Height - 2500.

В поле Options (4 на рис. 1.10) находятся настройки изображения записываемого в файл. Опция Reverse Foreground/Background позволяет сохранить требуемую картинку с заменой стандартного для Fluent черного фона графического окна на белый.

Из других команд подменю File следует отметить FileImport и FileExport, с помощью которых осуществляется обмен расчетными моделями и результатами с другими CAE программами.

2. Основные этапы подготовки расчетной модели

Как отмечалось выше, первой задачей, решаемой в программе Fluent, является подготовка и настройка расчетной модели. Она состоит из следующих основных этапов:

- проверки качества и редактирования (при необходимости) конечноэлементной сетки;

- масштабирования сетки (при необходимости);

- выбора типа решателя и постановки задачи;

- задания свойств рабочих тел;

- выбора физических моделей, используемых в расчете;

- выбора модели турбулентности;

- задания ГУ.

При подготовке расчетной модели в программе Fluent пользователь обязательно проходит все эти этапы независимо от решаемой задачи. В более сложных постановках, например в многофазных течениях, наличии горения и т.д., к приведенному выше списку могут добавляться новые операции, но перечисленные выше действия присутствуют всегда.

Ниже подробно будут рассмотрены основные этапы настройки расчетной модели за исключением задания ГУ и выбора моделей турбулентности, которым будут посвящены отдельные разделы.

2.1 Проверка качества конечноэлементной сетки

Проверка расчетной сетки на наличие ошибок осуществляется с помощью команды:

ГМ: Grid Check.

После ее запуска в окне сообщения появятся полные сведения о сетке: размеры, количество и тип конечных элементов и т.п. Если будет найдена ошибка, то будет выдано соответствующее сообщение. В этом случае необходимо вернуться в программу Gambit, найти ошибку и исправить ее.

2.2 Масштабирование расчетной сетки

По умолчанию размеры расчетных моделей в программе Fluent должны быть заданы в метрах. Построение моделей зачастую же удобнее проводить в миллиметрах. В этом случае построенную сетку необходимо уменьшить в 1000 раз. Для этого в программе есть удобная команда масштабирования Scale Grid (рис. 2.1):

ГМ: Grid Scale.

В нем в поле Domain Extents меню приведены максимальные и минимальные координаты модели. Если она была создана в миллиметрах, то до масштабирования эти цифры запредельны.

В меню Scale Grid в поле Grid was created in (сетка была создана в ...) нужно выбрать пункт 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 реальные значения. Отменить масштабирование в случае ошибки можно с помощью кнопки Unscale.

После завершения операции меню необходимо закрыть с помощью кнопки Close.

2.3 Просмотр конечноэлементной сетки

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

ГМ: Display Grid.

В появившемся меню Grid Display (рис. 2.2) в окне Surfaces требуется выбрать все граничные поверхности, которые пользователь хочет просмотреть. Следует обратить внимание на то, что имена в списке совпадают с именами ГУ, заданных при построении модели 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.

В окне Surfaces имеется пункт default - interior, который позволяет просмотреть расчетную сетку модели в целом. Однако ее просмотр оправдан только для двухмерных моделей. Просмотр трехмерной сетки требует значительного времени и компьютерных ресурсов. Поэтому в 3D задачах пункт default - interior выбирать не рекомендуется.

В поле Edge Type выбирается вид отображения выбранных границ:

- All - показываются все элементы, принадлежащие элементам геометрии выбранным в списке Surfaces;

- Feature - показывается общий вид элементов, выбранных в поле Surfaces;

- Outline - показывается контур элементов, выбранных в поле Surfaces.

В поле Options выбирается то, что будет отображаться в графическом окне:

Nodes - показываются узлы конечноэлементоной сетки, принадлежащие элементам геометрии, выбранным в поле Surfaces;

Edges - показываются линии, принадлежащие элементам геометрии, выбранным в поле Surfaces;

Faces - показываются поверхности, принадлежащие элементам геометрии, выбранным в поле Surfaces.

Для того, чтобы в графическом окне детально изучить конечноэлементную сетку или результаты расчетов ее можно вращать, перемещать и масштабировать с помощью мыши. Движение мыши с нажатой левой кнопкой вызывает сдвиг модели. Движение мыши с нажатой средней кнопкой вызывает рамку, с помощью которой можно приблизить (если ее вытягивать слева направо) выделенный фрагмент модели или наоборот отдалить (если рамку вытягивать справа налево). Настроить действия, выполняемые с помощью клавиш мыши можно с помощью команды:

ГМ: DisplayMouse Buttons.

В этом меню (рис. 2.3.) из списков, находящихся напротив названий клавиш мыши, можно выбрать действие, которые они выполняют.

2.4 Другие операции с расчетной сеткой

Описанные выше операции с расчетной сеткой являются наиболее употребимыми и применяются при решении любой задачи. Однако возможности программы Fluent по работе с сеткой не оканчиваются ими. Рассмотрим некоторые другие команды работы с сетками. Они сосредоточены в подменю Grid главного меню.

ГМ: GridInfo

Команда позволяет получать информацию о расчетной сетке: размеры, число зон и т.п.

ГМ: GridPolyhedral

Эта команда появилась в последней версии программы Fluent и позволяет преобразовывать тетраэдральные (на основе треугольного элемента) сетки в полиэдральные (рис. 2.4). Построение полиэлементов происходит за счет объединения нескольких треугольных. Команда доступна только для трехмерных моделей.

Рис. 2.4 Преобразование тетраэдральной сетки в полиэдральную

При преобразовании тетраэдральной сетки в полиэдральную число элементов расчетной области уменьшается примерно в 6 раз. Количество узлов новой сетки увеличивается примерно в 5 раз. Поэтому полиэдральная сетка позволяет значительно точнее рассчитывать градиенты изменения параметров по сравнению с тетраэдральной за счет того, что на один конечный элемент приходится больше узловых точек. Огромное количество связей между центром полиэдрической ячейки и узлами на ее гранях обеспечивает большую гибкость при описании движения потока с неизвестной траекторией. Благодаря переменному размеру ячейки сетка лучше вписывается в сложную геометрию расчетной области. Кроме того, считается, что связывание сеток различных областей производится более равномерно при использовании на границе полиэдральной сетки.

При преобразовании тетраэдральной сетки, состоящей из 2 млн. ячеек, в полиэдральную, время расчета модели в 32-разрядной операционной системе сократится примерно втрое. При этом потеря качества решения, вызванная укрупнением сетки, будет незначительной.

ГМ: Grid Smooth/Swap grid.

Команда позволяет провести улучшение конечно-элементной сетки за счет ее сглаживания.

В меню команды нужно нажимать кнопку Smooth (рис. 2.5) (Сглаживание) и затем Swap до тех пор, пока Number faces swapped (Число Заменённых поверхностей) не станет равным 0.

Если Fluent не может улучшить расчетную сетку, то ни одна поверхность заменена не будет.

ГМ: GridTranslate

Команда позволяет линейно переместить расчетную область на требуемое расстояние в направлении любой из трех координатных осей. В нижней части меню приведены текущие координаты крайних точек модели.

ГМ: GridRotate

Команда позволяет повернуть область на требуемый угол относительно выбранной оси. Меню команды показано на рис. 2.6. Ось вращения задается направляющим вектором в поле Rotation Axis. В поле Rotation Origin задается положение точки, через которую проходит ось. В поле Rotation Angle указывается угол поворота. Как и в меню GridTranslate в нижней части рассматриваемого меню приведены текущие координаты крайних точек модели.

2.5 Выбор типа решателя и постановки задачи

Первым шагом при описании расчетной модели является выбор решателя, с помощью которого будет проводиться решение, а также определения типа задачи (стационарная или нестационарная).

Выбор решателя осуществляется с помощью команды Solver:

ГМ: Define Models Solver.

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

Рис. 2.7 Меню Solver

В поле Solver (1 на рис. 2.7) следует выбрать алгоритм решения. Программа Fluent позволяет использовать четыре алгоритма решения:

- Pressure Based Implicit (в российской литературе его называют неявный алгоритмом установления);

- Density Based Implicit - неявный алгоритм расщепления;

- Density Based Explicit - явный алгоритм расщепления;

- Pressure-based coupled - алгоритм, появившейся в последней версии программы. В нем для поиска полей скоростей и давления используется алгоритм расщепления, а для остальных параметров - алгоритм установления.

Выбор последнего типа решателя осуществляется в меню Sovle Controls Solution. Для того чтобы Pressure-based coupled алгоритм стал доступен в указном месте, в меню Define Models Solver в поле Solver нужно выбрать пункт Pressure Based.

Алгоритм Pressure Based изначально разрабатывался для низкоскоростных потоков (до 0,8М). Density Based алгоритмы создавались для расчетов высокоскоростных транс - и сверхзвуковых потоков. В дальнейшем границы применения решателей расширялись и в настоящий момент они оба одинаково хорошо решают широкий круг задач. Однако для задач со скачками уплотнения рекомендуется использовать Density Based Explicit. Кроме того ряд специальных задач, например двухфазное течение, может быть решено только с помощью Pressure Based.

Явная (Explicit) или неявная (Implicit) схемы выбираются в поле Formulation (2 на рис. 2.7).

В поле Space (3 на рис. 2.7) выбирается размерность задачи:

- 2d - двухмерная;

- Axisymmetric - осесимметричная;

- Axisymmetric Swirl - осесимметричная с вращением;

- 3d - трехмерная.

В поле Time (4 на рис. 2.7) описывается, будет ли решение стационарным Steady или нестационарным Unsteady. Строго говоря, всякое течение в природе является нестационарным. Стационарная постановка - это допущение, принимаемое для сокращения времени расчетов и потребных ресурсов компьютера.

В поле Velocity Formulation (5 на рис. 2.7) определятся система координат, в которой будут задаваться вектора скорости: абсолютной (Absolute) или локальной, связанной с область потока (Relative). Этот выбор актуален для расчетных областей с подвижными элементами.

2.6 Учет в расчете уравнения энергии

При решении большинства задач газодинамики, особенно при исследовании течения 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.

2.7 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 умолчанию в качестве него используется атмосферное давление в САУ - 101325Па. Если в качестве «справочного давления» принять 0, то результаты расчета и исходные данные будут представлены в абсолютных значениях. Изменить значение «справочного давления» можно в меню (рис. 2.8), которое появится в результате выполнения команды:

ГМ: Define Operating Condition.

Значение справочного давления задается в поле Operating pressure.

Если поставить галочку в поле Gravity, то задача будет рассчитываться с учетом действия массовых сил. Необходимость учета гравитации зависит от типа решаемой задачи. Например, для задач течения высокоскоростных потоков действие гравитации ничтожно по сравнению с другими силами. При активации опции Gravity появится дополнительное поле Gravitational Accelerating, в котором будет необходимо задать проекции вектора ускорения свободного падения.

2.8 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, 0 - константы, зависящие от вещества. Меню Sutherland показано на рис. 2.14.

В этом меню в поле Reference Viscosity вводится параметр 0, 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 (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.

3.5 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.

...