Применение программной системы конечно-элементного анализа ANSYS для решения задач гидрогазодинамики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. О важности задачи

Чрезмерное повышение температуры двигателя приводит к выгоранию смазки, нарушению нормальных зазоров между его деталями следствием чего является резкое возрастание их износа. Возникает опасность заедания и заклинивания. Перегрев двигателя вызывает уменьшение коэффициента наполнения цилиндров, а в бензиновых двигателях еще и детонационное сгорание рабочей смеси.

Большое снижение температуры работающего двигателя также нежелательно. В переохлажденном двигателе мощность снижается из-за потерь тепла; вязкость смазки увеличивается, что повышает трение; часть горючей смеси конденсируется, смывая смазку со стенок цилиндра, повышая тем самым износ деталей. В результате образования серных и сернистых соединений стенки цилиндров подвергаются коррозии.

Система охлаждения предназначена для поддержания наивыгоднейшего теплового режима. Системы охлаждения подразделяются на воздушные и жидкостные. Воздушные в настоящее время на автомобилях встречаются крайне редко. Системы жидкостного охлаждения могут быть открытыми и закрытыми. Открытые системы - системы, сообщающиеся с окружающей средой через пароотводную трубку. Закрытые системы разобщены от окружающей среды, а поэтому давление охлаждающей жидкости в них выше. Как известно, чем выше давление, тем выше температура закипания жидкости. Поэтому закрытые системы допускают нагрев до более высоких температур (до 110-120 градусов).

Таким образом задача об оптимизации воздушного тракта очень важна и напрямую влияет на работу как двигателя, так и всего автомобиля вцелом.

2. О пакете ANSYS и модуле ANSYS CFD

ANSYS - универсальная программная система конечно-элементного (МКЭ) анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет, является довольно популярной у специалистов в области компьютерного инжиниринга (CAE, Computer-AidedEngineering) и КЭ решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций), задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей. Моделирование и анализ в некоторых областях промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа "проектирование - изготовление - испытания". Система работает на основе геометрического ядра Parasolid [1].

Программная система КЭ анализа ANSYS разрабатывается американской компанией ANSYS Inc. Компания также выпустила другие системы КЭ моделирования, в том числе DesignSpace, AI Solutions (NASTRAN, ICEM CFD); предназначенные для использования в более специфических отраслях производства.

В качестве стратегического партнёра фирма сотрудничает со многими компаниями, помогая им провести необходимые изменения. Предлагаемые фирмой ANSYS Inc. средства численного моделирования и анализа совместимы с некоторыми другими пакетами, работают на различных ОС. Программная система ANSYS сопрягается с известными CAD-системами Unigraphics, CATIA, Pro/ENGINEER, SolidEdge, SolidWorks, AutodeskInventor и некоторыми другими.

ANSYS CFD - решатели гидрогазодинамики общего назначения. Технология ANSYS CFD открывает доступ к хорошо известным программным продуктам ANSYS FLUENT и ANSYS CFX. Это основные продукты для задач гидрогазодинамики общего назначения, предлагаемые компанией ANSYS, Inc.

Оба решателя разрабатывались в течение десятилетий независимо друг от друга и обладают несколькими существенными отличиями, несмотря на некоторые схожие черты. Оба модуля основаны на методе контрольных объемов, дающем высокую точность, и используют решатель по давлению, что позволяет применять эти продукты для решения широкого круга инженерных задач. Основные отличия состоят в способе интегрирования уравнений течения жидкостей и в стратегиях решения уравнений.

Решатель ANSYS CFX использует сетку конечных элементов (числовые значения в узлах сетки), схожую с теми, что используется в анализе прочности, для дискретизации области. В отличие от ANSYS CFX, решатель ANSYS FLUENT использует сетку конечных объемов (числовые значения в центрах ячеек). В итоге оба подхода формируют уравнения для конечных объемов, которые обеспечивают сохранение значений потока, что является необходимым условием для точных решений задач гидрогазодинамики. В ANSYS CFX особый упор сделан на решение основных уравнений движения (сопряженная алгебраическая сетка), а ANSYS FLUENT предлагает несколько подходов к решению (метод на основе плотности, расщепленный метод на основе давления, сопряженный метод на основе давления). Оба решателя содержат в себе самые ценные возможности физического моделирования для получения максимально точных результатов.

Модуль ANSYS CFD является высокомасштабируемым. Время разработки продукта может быть сокращено благодаря функции высокопроизводительного расчета ANSYS CFD HPC. Она позволяет делать расчеты больших моделей на параллельных расчетных кластерах. Линейная масштабируемость была продемонстрирована на более чем тысяче процессоров.

На создание решателей ANSYS для течений жидкостей и газов потрачено более тысячи человеко-лет исследований и разработок. Эти усилия выгодно отличают программные продукты ANSYS от конкурентов благодаря опыту, надежности, широкому набору продуктов и максимальной аналитической глубине. Решатели для гидрогазодинамики компании ANSYS широко используются компаниями по всему миру.

3. Специализированные инструменты для анализа жидкостей и газов

Гибкость и общеприменимость решателей важны, но иногда они не требуются для решения конкретных специализированных задач. В дополнение к инструментам для решения задач гидрогазодинамики общего назначения ANSYS предлагает узкоспециализированные решения для анализа жидкостей и газов. Эти решения часто называют вертикальными приложениями из-за способа интеграции всех шагов системы анализа специфического типа в программный модуль. Технологии ANSYS предлагают специфические отраслевые функции и терминологию.

Турбомашиностроение - один из самых удачных примеров вертикально интегрированной задачи анализа жидкостей и газов, поскольку геометрии и физические процессы во всех областях вращающихся машин схожи. Технология ANSYS для турбосистем включает в себя специализированные инструменты для работы с геометрией и сеткой, а также специализированные модели.

В конечном итоге пользователи могут создавать собственные вертикальные приложения в рамках продуктов моделирования жидкостей/газов общего назначения. Модуль ANSYS CFX предлагает настраиваемый мастер установок и язык описания; ANSYS FLUENT - определяемые пользователем функции.

Совместно с инструментами написания сценариев, доступными во всех приложениях ANSYS Workbench, они могут быть использованы для создания специализированных вертикальных приложений. Не редки случаи, когда аналитический отдел создает подобное вертикальное приложение, которое используется и в конструкторском отделе. Основное преимущество такого подхода - повторяемое с высокой точностью управление процессом моделирования и, следовательно, контроль качества любых гидрогазодинамических процессов.

4. Преимущества решений компании ANSYS для моделирования жидкостей и газов

Технология анализа течений жидкостей и газов компании ANSYS позволяет выполнять глубокий анализ механики жидкости во многих типах изделий и процессов, что дает возможность не только снизить необходимость дорогостоящих прототипов, но и получить исчерпывающие данные, которые не всегда доступны при проведении экспериментальных исследований. Моделирование жидкостей и газов может служить дополнением к физическому эксперименту. Некоторые разработчики используют моделирование для анализа новых систем перед принятием решения о том, какие эксперименты проводить и в каком количестве. Во время поиска неисправностей вызывающие трудности задачи решаются быстрее и точнее, поскольку анализ гидрогазодинамики выделяет не только следствие неисправности, но и ее причину. Во время оптимизации конструкции нового оборудования за короткий промежуток времени можно выполнить много аналитических вычислений типа "что-если". Результатом этого становится лучшее соответствие продукта, увеличенная производительность, надежность. ANSYS продолжит внедрять инновации в свои разработки, чтобы пользователи могли заменить традиционные капиталоемкие процессы разработки на процесс разработки продукта, на основе инженерных расчетов.

5. Плоская задача моделирования течения воздуха в трубопроводе

Для построения модели использовались ключевые точки, которые в последствии соединялись линиями. Затем, на основе полученного контура, была создана плоская модель трубопровода. При построении использовался элемент 2D FLOTRAN 141.

Следующим этапом построения модели является ее разбиение.

Затем необходимо задать граничные условия. На стенках скорость течения ставим равной 0. Задаем скорость на входе в трубу 25 м/с, на выходе из трубы задаем давление равное 0.

После того как модель готова и заданы граничные условия можно приступать к решению задачи и просмотру полученных результатов.

Рис. График распределения давления по трубе



Рис. График распределения скоростей

Рис. Построение линий тока

6. Оптимизация воздушного тракта

Области, в которых образуются завихрения, необходимо оптимизировать. ansys газодинамическое моделирование оптимизация

Рис. Давление в трубопроводе после оптимизации

Рис. Скорости

Рис. Траектории движения частиц

В результате оптимизации скорость увеличилась на 7 %, следовательно, охлаждение трубы происходит более интенсивно.

Ниже приведен листинг программы по оптимизации геометрии трубопровода:

/NOPR! Suppress printing of UNDO process

/PMACRO! Echo following commands to log

FINISH! Make sure we are at BEGIN level

/CLEAR,NOSTART! Clear model since no SAVE found

! WE SUGGEST YOU REMOVE THIS LINE AND THE FOLLOWING STARTUP LINES

! WE SUGGEST YOU REMOVE THIS LINE AND THE FOLLOWING STARTUP LINES

! WE SUGGEST YOU REMOVE THIS LINE AND THE FOLLOWING STARTUP LINES

! WE SUGGEST YOU REMOVE THIS LINE AND THE FOLLOWING STARTUP LINES

! WE SUGGEST YOU REMOVE THIS LINE AND THE FOLLOWING STARTUP LINES

/input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1

/GRA,POWER

/GST,ON

/PLO,INFO,3

/GRO,CURL,ON

/CPLANE,1

/REPLOT,RESIZE

WPSTYLE,,,,,,,,0

!*

/NOPR

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,0

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,1

/GO

!*

*ASK,x,x coordinate of KP 7 (Default = 750),750

*ASK,y,y coordinate of KP 7(Default = 40),40

*ASK,xx,x coordinate of KP 8 (Default = 815),815

*ASK,yy,y coordinate of KP 8 (Default = 20),20

!*

/PREP7

!*

ET,1,FLUID141

!*

K,,,,,

K,,0,420,,

K,,615,420,,

K,,615,0,,

K,,615,450,,

K,,615,-30,,

K,,x,y,,

K,,xx,yy,,

K,,1260,148,,

K,,870,-77,,

K,,1255,145,,

K,,890,-65,,

K,,1396,-98,,

K,,1030,-308,,

K,,1406,-92,,

K,,1020,-314,,

K,,1586,-260,,

K,,1818,-395,,

KDELE, 18

K,18,1354,-395,,

FLST,2,2,3,ORDE,2

FITEM,2,17

FITEM,2,-18

KDELE,P51X

/FOC,1,0.3,,,1

/REP,FAST

/FOC,1,0.3,,,1

/REP,FAST

/FOC,1,0.3,,,1

/REP,FAST

/FOC,1,0.3,,,1

/REP,FAST

FLST,3,2,8

FITEM,3,1744.1,-283.7,0

FITEM,3,1537.2,-407.8,0

K,,P51X

/AUTO,1

/REP,FAST

LSTR, 1, 2

LSTR, 2, 3

LSTR, 3, 5

LSTR, 5, 9

LSTR, 9, 11

LSTR, 11, 13

LSTR, 13, 15

LSTR, 17, 18

LSTR, 14, 12

LSTR, 16, 14

LSTR, 12, 10

LSTR, 10, 8

LSTR, 8, 7

LSTR, 7, 6

LSTR, 6, 4

LSTR, 4, 1

LSTR, 4, 3

LSTR, 12, 11

LSTR, 14, 13

FLST,3,1,8

FITEM,3,1608,-141.45,0

K,,P51X

FLST,3,1,8

FITEM,3,1311.4,-432.25,0

K,,P51X

LARC, 17, 15, 19

/REPLOT,RESIZE

KPLOT

LARC, 16, 18, 20

/REPLOT

LPLOT

/UI,MESH,OFF

ESIZE,10,0,

FLST,2,4,4

FITEM,2,16

FITEM,2,1

FITEM,2,2

FITEM,2,17

AL,P51X

FLST,2,10,4

FITEM,2,4

FITEM,2,12

FITEM,2,13

FITEM,2,11

FITEM,2,18

FITEM,2,14

FITEM,2,17

FITEM,2,3

FITEM,2,5

FITEM,2,15

AL,P51X

FLST,2,4,4

FITEM,2,6

FITEM,2,18

FITEM,2,9

FITEM,2,19

AL,P51X

FLST,2,6,4

FITEM,2,21

FITEM,2,19

FITEM,2,7

FITEM,2,10

FITEM,2,20

FITEM,2,8

AL,P51X

MSHAPE,0,2D

MSHKEY,0

!*

CM,_Y,AREA

ASEL,,,, 1

CM,_Y1,AREA

CHKMSH,'AREA'

CMSEL,S,_Y

!*

AMESH,_Y1

!*

CMDELE,_Y

CMDELE,_Y1

CMDELE,_Y2

!*

/AUTO,1

/REP,FAST

/AUTO,1

/REP,FAST

/REPLOT

/AUTO,1

/REP,FAST

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

APLOT

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

FLST,5,3,5,ORDE,2

FITEM,5,2

FITEM,5,-4

CM,_Y,AREA

ASEL,,,,P51X

CM,_Y1,AREA

CHKMSH,'AREA'

CMSEL,S,_Y

!*

AMESH,_Y1

!*

CMDELE,_Y

CMDELE,_Y1

CMDELE,_Y2

!*

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

/REPLOT,RESIZE

FINISH

/SOL

FLST,5,16,4,ORDE,6

FITEM,5,2

FITEM,5,-7

FITEM,5,9

FITEM,5,-16

FITEM,5,20

FITEM,5,-21

CM,_Y,LINE

LSEL,R,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,S,_Y

CMDELE,_Y

!*

!*

!*

DL,_Y1,,VX,0,1

DL,_Y1,,VY,0,1

!*

CMDELE,_Y1

!*

/DIST,1,1.37174211248,1

/REP,FAST

FLST,5,1,4,ORDE,1

FITEM,5,8

CM,_Y,LINE

LSEL,R,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,S,_Y

CMDELE,_Y

!*

/GO

!*

DL,_Y1,,PRES,0,1

!*

CMDELE,_Y1

!*

FLST,5,1,4,ORDE,1

FITEM,5,1

CM,_Y,LINE

LSEL,R,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,S,_Y

CMDELE,_Y

!*

!*

!*

DL,_Y1,,VX,26.72,1

DL,_Y1,,VY,0,1

!*

CMDELE,_Y1

!*

FLDATA12,PROP,DENS,8

FLDATA13,VARY,DENS,0

FLDATA12,PROP,VISC,8

FLDATA13,VARY,VISC,0

FLDATA12,PROP,COND,0

FLDATA13,VARY,COND,0

FLDATA12,PROP,SPHT,0

FLDATA13,VARY,SPHT,0

!*

FLDATA7,PROT,DENS,AIR-IN

FLDATA8,NOMI,DENS,-1

FLDATA9,COF1,DENS,0

FLDATA10,COF2,DENS,0

FLDATA11,COF3,DENS,0

FLDATA7,PROT,VISC,AIR-IN

FLDATA8,NOMI,VISC,-1

FLDATA9,COF1,VISC,0

FLDATA10,COF2,VISC,0

FLDATA11,COF3,VISC,0

FLDATA12,PROP,IVIS

FLDATA7,PROT,COND,CONSTANT

FLDATA8,NOMI,COND,-1,

FLDATA9,COF1,COND,0

FLDATA10,COF2,COND,0

FLDATA11,COF3,COND,0

FLDATA7,PROT,SPHT,CONSTANT

FLDATA8,NOMI,SPHT,-1,

FLDATA9,COF1,SPHT,0

FLDATA10,COF2,SPHT,0

FLDATA11,COF3,SPHT,0

!*

FLDATA2,ITER,EXEC,40,

FLDATA2,ITER,OVER,0,

FLDATA2,ITER,APPE,0,

FLDATA3,TERM,VX,0.01,

FLDATA3,TERM,VY,0.01,

FLDATA3,TERM,VZ,0.01,

FLDATA3,TERM,PRES,1e-008,

FLDATA3,TERM,TEMP,1e-008,

FLDATA3,TERM,ENKE,0.01,

FLDATA3,TERM,ENDS,0.01,

FLDATA5,OUTP,SUMF,10,

!*

FLDATA15,PRES,REFE,14.7,

FLDATA16,BULK,BETA,1e+015,

FLDATA17,GAMM,COMP,1.4,

FLDATA14,TEMP,NOMI,70,

FLDATA14,TEMP,TTOT,70,

FLDATA14,TEMP,BULK,70,

TOFFSET,0,

!*

FINISH

/PREP7

FLST,5,15,4,ORDE,6

FITEM,5,2

FITEM,5,-6

FITEM,5,9

FITEM,5,-16

FITEM,5,20

FITEM,5,-21

CM,_Y,LINE

LSEL,R,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,S,_Y

CMDELE,_Y

!*

!*

DL,_Y1,,VX,0,1

DL,_Y1,,VY,0,1

!*

CMDELE,_Y1

!*

/REPLOT,RESIZE

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

/DIST,1,0.729,1

/REP,FAST

FINISH

/SOL

FLDATA2,ITER,EXEC,40,

FLDATA2,ITER,OVER,0,

FLDATA2,ITER,APPE,0,

FLDATA3,TERM,VX,0.01,

FLDATA3,TERM,VY,0.01,

FLDATA3,TERM,VZ,0.01,

FLDATA3,TERM,PRES,1e-008,

FLDATA3,TERM,TEMP,1e-008,

FLDATA3,TERM,ENKE,0.01,

FLDATA3,TERM,ENDS,0.01,

FLDATA5,OUTP,SUMF,10,

!*

FLDATA12,PROP,DENS,8

FLDATA13,VARY,DENS,0

FLDATA12,PROP,VISC,8

FLDATA13,VARY,VISC,0

FLDATA12,PROP,COND,0

FLDATA13,VARY,COND,0

FLDATA12,PROP,SPHT,0

FLDATA13,VARY,SPHT,0

!*

FLDATA7,PROT,DENS,AIR-IN

FLDATA8,NOMI,DENS,-1

FLDATA9,COF1,DENS,0

FLDATA10,COF2,DENS,0

FLDATA11,COF3,DENS,0

FLDATA7,PROT,VISC,AIR-IN

FLDATA8,NOMI,VISC,-1

FLDATA9,COF1,VISC,0

FLDATA10,COF2,VISC,0

FLDATA11,COF3,VISC,0

FLDATA12,PROP,IVIS

FLDATA7,PROT,COND,CONSTANT

FLDATA8,NOMI,COND,-1,

FLDATA9,COF1,COND,0

FLDATA10,COF2,COND,0

FLDATA11,COF3,COND,0

FLDATA7,PROT,SPHT,CONSTANT

FLDATA8,NOMI,SPHT,-1,

FLDATA9,COF1,SPHT,0

FLDATA10,COF2,SPHT,0

FLDATA11,COF3,SPHT,0

!*

FLDATA15,PRES,REFE,14.7,

FLDATA16,BULK,BETA,1e+015,

FLDATA17,GAMM,COMP,1.4,

FLDATA14,TEMP,NOMI,70,

FLDATA14,TEMP,TTOT,70,

FLDATA14,TEMP,BULK,70,

TOFFSET,0,

!*

SOLVE

/REPLOT,RESIZE

FINISH

/POST1

SET,LAST

!*

/EFACET,1

PLNSOL, PRES,, 0

!*

/EFACET,1

PLNSOL, V,SUM, 0

)/GOP! Resume printing after UNDO process

)! We suggest a save at this point

7. Объемная задача моделирования течения воздуха в трубопроводе

Для удобства построения модели был выбран пакет SolidWorks. Затем, полученная модель импортировалась и была подготовлена к работе в ANSYS.

После подготовки было выполнено разбиение модели.

Размещено на Allbest.ru

...