Температура: ; 273 К (рис. 4.2.7).

Рис. Задание граничных условий I рода



Свойства метки ребра поверхностей 2, 3 и 4:

Тепловой поток q=0 Вт/м2 (рис. 4.2.8).

Рис. Задание граничных условий II рода

ПОЛУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

Выбрать имя задачи в окне свойств. В меню Задача нажать пункт Решить задачу.

В результате получаем цветную карту распределения температуры. Как видно, тело прогрелось до температуры 273 К.

Рис. Распределение температуры по толщине платины в конце нагрева

Нажимаем на вкладку геометрическая модель, затем файл > сохранить как > Нагрев пластины.pbm.

2 этап

Не закрывая задачу, решенную на 1 этапе, переходим к решению задачи на 2 этапе.

ВВОД СВОЙСТВ ЗАДАЧИ

Чтобы создать новую задачу:

1. В меню Файл выбрать пункт Создать.

2. Отметить пункт Задача ELCUT.

3. Ввести имя задачи: нагрев пластины 1.

4. Указать место для задачи: y:\Tevp\2-xx\Фамилия.

5. Указать свойства задачи:

Тип задачи: Нестационарная теплопередача.

Класс модели: Плоская.

Расчет: Обычный.

Файлы: Геометрия: нагрев пластины. mod.

Свойства: нагрев пластины. dht.

6. Выбрать удобные единицы измерения:

Единицы длины: Метры.

Система координат: Декартовы координаты.

Временные параметры: интегрировать по времени.

Интегрировать до 1000 секунд, шагом 20 секунд.

ЗАДАНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ

Двойным нажатием левой кнопки мыши выбрать в окне описания задачи название метки ребра и заполнить появившееся окно свойств метки ребра - поверхность 1:

Температура: ; 1273 К.

СВЯЗКА ЗАДАЧ

Выбрать в окне описания задачи пункт Связи задач и нажать правой кнопкой мыши, выбрать подпункт Свойства задачи (рис. 4.2.10).

Рис. Выбор связи задач

В открывшемся окне найти вкладку Связь задач.

Тип данных: Распределение температуры.

Через Обзор выбрать задачу: нагрев пластины. pbm и нажать кнопку добавить и ОК.

Рис. Связывание двух задач

ПОЛУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

Выбрать имя задачи в окне свойств. В меню Задача нажать пункт Решить задачу.

В результате получаем цветную карту распределения температуры по толщине пластины (рис. 4.2.12).

Рис. Распределение температуры по толщине платины в конце нагрева

Чтобы посмотреть распределение температуры от времени нагрева, необходимо выбрать Вид > График по времени.

Рис. Изменение температуры теплового центра пластины со временем

По результатам расчета видно, что при условиях нестационарного режима температура теплового центра пластины равна 1097,35 К.

Нагрев тела при граничных условиях I рода с переменными теплофизическими свойствами

Отличие от предыдущей задачи состоит в задании теплофизических свойств стали в зависимости от температуры.

ЗАДАНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Двойным нажатием левой кнопки мыши выбрать в окне описания задачи название метки блока и заполнить появившееся окно свойств метки блока - пластина поставив галочку у теплопроводности (нелинейный материал) и теплоемкости (зависит от температуры) согласно.

Рис. Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры

Рис. Зависимость удельной теплоемкости от температуры

ПОЛУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

Выбрать имя задачи в окне свойств. В меню Задача нажать пункт Решить задачу.

В результате получаем цветную карту распределения температуры по толщине пластины.



Рис. Распределение температуры по толщине платины в конце нагрева

Чтобы посмотреть распределение температуры от времени нагрева, необходимо выбрать Вид > График по времени.

Рис. Изменение температуры теплового центра пластины со временем

По результатам расчета видно, что при условиях нестационарного режима температура теплового центра пластины равна 975,4 К.

4.3 Решение задач нагрева в программном комплексе FlowVision

Программный комплекс FlowVision - комплексное многоцелевое решение для моделирования трехмерных течений жидкости и газа, созданный командой разработчиков компании ТЕСИС в тесном сотрудничестве с научно-исследовательскими организациями и промышленными предприятиями в России и за рубежом.

FlowVision основан на численном решении трехмерных стационарных и нестационарных уравнений динамики жидкости и газа, которые включают в себя законы сохранения массы, импульса (уравнения Навье-Стокса), уравнения состояния. Для расчета сложных движений жидкости и газа, сопровождаемых дополнительными физическими явлениями, такими, как, турбулентность, горение, контактные границы раздела, пористость среды, теплоперенос и так далее, в математическую модель включаются дополнительные уравнения, описывающие эти явления.

FlowVision использует конечно-объемный подход для аппроксимации уравнений математической модели. Уравнения Навье-Стокса решаются методом расщепления по физическим процессам (проекционный метод MAC). FlowVision основан на следующих технологиях вычислительной гидродинамики и компьютерной графики:

• прямоугольная расчетная сетка с локальным измельчением расчетных ячеек

• аппроксимация криволинейных границ расчетной области методом подсеточного разрешения геометрии

• импорт геометрии из систем САПР и конечно-элементных систем через поверхностную сетку

• ядро программы написано на языке C++

• имеет клиент-серверную архитектуру

• пользовательский интерфейс написан для операционных систем семейства Windows

• система анализ результатов расчетов использует высококачественную графику на основе OpenGL

FlowVision построен на базе единой интегрированной среды, в которой препроцессор, решатель и постпроцессор объединены и работают одновременно. Архитектура программного комплекса FlowVision является модульной, что позволяет легко добавлять новые функциональные возможности и вносить улучшения. В функциональное назначение Препроцессора входит импортирование геометрии расчетной области из систем геометрического моделирования, задание модели среды, расстановка начальных и граничных условий, генерация или импорт расчетной сетки и задание критериев сходимости. После этого управление передается Решателю, который начинает процесс счета. При достижении требуемого значения критерия сходимости процесс счета может быть остановлен. Результаты расчета непосредственно во время счета доступны для Постпроцессора, в котором производится обработка данных - визуализация результатов и сохранение их во внешние форматы данных. Такое построение позволяет проводить моделирование и одновременно, визуализируя значение любой газодинамической переменной, анализировать результаты расчета, менять граничные условия и параметры математической модели.

Нагрев тела при граничных условиях I рода с постоянными теплофизическими свойствами

Режим предназначен для расчета нагрева листа металла с толщиной, на порядок меньшей двух других размеров. В качестве граничного условия принята постоянная температура на поверхности металла, а со стороны теплового центра режим условия адиабаты.

Рассмотрим модель однослойной пластины толщиной 0,1 м с граничными условиями I рода с одной стороны и II рода (условия адиабаты) c пяти других сторон. Температура внешней стороны пластины равна 1000 °С.

СОЗДАНИЕ НОВОЙ ДЕТАЛИ

Деталь создается в программе SolidWorks. В меню Файл выберите пункт Создать или нажмите пиктограмму Создать на панели инструментов. В появившемся диалоговом окне Новый документ SolidWorks (рис. 4.3.1) выберите Деталь. Нажмите кнопку ОК. Появится окно новой детали.

Рис. Диалоговое окно Новый документ SolidWorks

Нажмите пиктограмму Эскиз на панели, появившейся слева. Выберите инструмент Прямоугольник на панели Команды эскиза. Переместите указатель в графическую область и наведите его на исходную точку, при этом указатель изменит свой цвет. Нажмите на левую кнопку мыши и переместите указатель вверх, а затем вправо. Для указания конца прямоугольника нажмите на левую кнопку мыши.

Наведите указатель на вертикальную сторону прямоугольника, нажмите на левую кнопку мыши, тем самым выделив ее. Слева на месте дерева конструирования откроется диалоговое окно Свойства линии. В окне группы Параметры введите длину 1000.00 мм, также укажите угол 90.00. Нажмите кнопку ОК.

Чтобы эскиз был виден полностью, выберите Изменить в размер экрана на панели инструментов. Нажмите пиктограмму Ориентация видов и выберите пункт Изометрия. Деталь изобразится в изометрии.

Далее нажмите пиктограмму Элементы и выберите инструмент Вытянутая бобышка/основание на панели Команды элементов. Слева на месте дерева конструирования откроется диалоговое окно Вытянуть.

В окне группы Направление 1 выполните следующие операции:

• Установите для параметра Граничное условие значение На заданное расстояние.

• Введите значение глубины 100.00 мм.

• Нажмите правую кнопку мыши и выберите ОК для создания вытяжки.

Рис. Вытягивание объекта

СОХРАНЕНИЕ ГЕОМЕТРИИ В ФОРМАТЕ VRML

В меню Файл САПР SolidWorks выберите пункт Сохранить как, появится диалоговое окно. Для сохранения файла в нужном каталоге используйте кнопки обзора Windows. Введите имя файла, например, Пластина. Выберите тип файла VRML (*. wrl). Нажмите кнопку Сохранить.

Рис. Сохранение геометрии

ЗАПУСК FLOWVISION

Для того чтобы начать работу в программном комплексе FlowVision, необходимо осуществить следующее. Нажмите кнопку Пуск > Все программы > FlowVision. Появится главное окно программы FlowVision. В меню Файл выберите пункт Предустановки и во вкладке Препроцессор, выберите пункт Показать все.

СОЗДАНИЕ НОВОГО ВАРИАНТА

В меню Файл выберите пункт Создать. После выбора типа варианта появится окно предлагающее импортировать геометрию расчетной области из внешнего файла. Выберите тип импортируемого файла в списке Тип файлов. Выберите нужный файл (например, Пластина) и нажмите кнопку Открыть. После этого геометрия из выбранного файла будет импортирована в вариант. Структура нового варианта появится в рабочем окне, а изображение геометрии в графическом окне.

Откройте раздел Препроцессора в окне рабочего пространства. Чтобы задать математическую модель для Подобласти#1 нажмите правую кнопку мыши на Подобласти#1 в дереве варианта. Граница выбранной подобласти будет показана в графическом окне варианта цветом. Из появившегося контекстного меню выберите пункт Изменить модель. В окне Выбор модели из списка Модель выберите математическую модель Твердый материал. Нажмите клавишу ОК.



Рис. Выбор математическом модели

Раскройте папку Подобласти#1 > Физические параметры и найдите элемент Начальные значения в дереве варианта, нажмите правую кнопку мыши и выберите пункт Свойства из контекстного меню. В окне Свойства введите значение температуры пластины в начальный момент времени равной 273К. Нажмите для подтверждения изменений.

Нажмите правую кнопку мыши на Вещество0, выберите пункт Свойства из контекстного меню. В окне Свойства введите следующие теплофизические свойства для стали 20 (рис. 4.3.7):

· плотность - 7850 кг/м3;

· теплопроводность - 38,67 Вт/(м·К);

· теплоемкость - 608,3 Дж/(кг·оС).

Нажмите для подтверждения изменений.

Раскройте папку Гр.условия > Гр.усл.0 и в дереве варианта, нажмите правую кнопку мыши и выберите пункт Редактировать из контекстного меню. Появится окно Редактирование граничного условия (рис. 4.3.8).

В окне Редактирование граничного условия измените тип границы (Стенка), поменяйте тип граничных условий (Нулевой поток). Нажмите клавишу ОК. В папке Гр.условия добавьте Гр.усл.1. В Гр.усл.1 в дереве варианта, нажмите правую кнопку мыши и выберите пункт Редактировать из контекстного меню. Появится окно Редактирование граничного условия. В окне Редактирование граничного условия измените тип границы (Стенка), поменяйте тип граничных условий (Значение на стенке), укажите значение на стенке - 1273К. Нажмите клавишу ОК.

В папке Геометрия необходимо расставить граничные условия.

Так как поставленаая задача одномерная, а полученная геометрическая модель является трехмерной, то необходимо при помощи сетки привести её к одномерной. Для этого необходимо разбить модель на элементы лишь в одном направлении оси, то есть как бы разрезать ее на слои. Выделите элемент дерева Начальная сетка, нажмите правую кнопку мыши. Выберите пункт Свойства. Откройте вкладку У-направление и введите количество сеточных интервалов 15 в окошко, расположенное справа от кнопки Равном. Нажмите на кнопку Равном. Вся область расчета по оси Y будет разбита на указанное число интервалов постоянной длины. Нажмите для подтверждения изменений.

Выделите элемент дерева Общие параметры, нажмите правую кнопку мыши. Выберите пункт Свойства. Установите конечное время (1000), фиксированный шаг (20). Нажмите для подтверждения изменений.

Выберите пункт меню Команда-Сетка & Вычисление или нажмите кнопку в панели инструментов. Вариант запустится на расчет. Для того, чтобы в окне программы появилось окно состояния процесса расчета, выберите пункт меню Вид-Ошибки. В этом окне присутствуют две закладки: Таблица и График. После завершения расчета на экране появится надпись Расчет приостановлен.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ

Откройте раздел Постпроцессора в окне рабочего пространства. Раскройте папку Объекты. Выберите Шаблон плоскости, нажмите правую кнопку мыши. Выберите пункт Свойства. В открывшемся окне введите следующие значения:Х0=0; Y0=0; Z0=1; Xn=0; Yn=0; Zn=1. Поставьте флажок напротив Отсечение. Нажмите для подтверждения изменений.



Рис. Свойства плоскости

Выберите Шаблон плоскости, нажмите правую кнопку мыши. Выберите пункт Создать слой. Из списка переменных выберите Температура. В качестве метода выберите Двумерный график. В Параметрах графика поставьте флажок на Auto, угол-270. Нажмите для подтверждения изменений.

Рис. Создание двухмерного графика

Выберите Шаблон плоскости, нажмите правую кнопку мыши. Выберите пункт Создать слой. Из списка переменных выберите Температура. В качестве метода выберите Заливка.

По результатам расчета видно, что при условиях нестационарного режима температура теплового центра пластины равна 1086.2К.

Рис. Распределение температуры по толщине платины в конце нагрева

Нагрев тела при граничных условиях I рода с учётом зависимости теплофизических свойств от температуры

Режим предназначен, как и в предыдущем случае, для расчета нагрева листа металла с толщиной, на порядок меньшей двух других размеров. В качестве граничного условия принята постоянная температура на поверхности металла, а со стороны теплового центра - условия адиабаты.

Рассмотрим модель однослойной пластины толщиной 0,1 м из стали 20 с граничными условиями I рода с одной стороны и II рода (условия адиабаты) c другой. Температура внешней стороны пластины равна 1000 °С. Время нагрева пластины 1000 с. Зависимость теплофизических свойств согласно табл. 2.1.

Решение задачи аналогично задаче 4.3.2, изменение касается только задания свойств стали Вещество0.

Выберите в меню пункт Инструменты, далее Редактировать базу данных. Появится окно редактора базы данных. Нажмите кнопку Добавить на панели вещества Вещество, после этого откроется диалоговое окно. В диалоговом окне запишите русское название, например сталь 20. Далее запишите это название на английском языке, например stal 20. Нажмите клавишу ОК. Нажмите кнопку Добавить на панели параметров. При этом откроется диалоговое окно. Выберите тип Таблицы. Выберите параметр Плотность из Название русск. Выберите Импорт. Из появившегося списка выберите нужный текстовый файл, ранее созданный в блокноте. Нажмите Открыть. Страница блокнота должна состоять из трех колонок: первая колонка - значения давления, вторая колонка - значения температуры, третья колонка - значения плотности. Нажмите клавишу Да.

Выберите параметр Теплопроводность из Название русск. Выберите Импорт. Из появившегося списка выберите нужный текстовый файл, ранее созданный в блокноте. Нажмите Открыть. Нажмите клавишу Да.

Выберите параметр Удельная теплоемкость из Название русск. Выберите Импорт. Из появившегося списка выберите нужный текстовый файл, ранее созданный в блокноте. Нажмите Открыть. Нажмите клавишу Да. Нажмите клавишу ОК.

Нажмите правую кнопку мыши на Вещество0, выберите пункт Загрузить из базы из контекстного меню. В окне Загрузки вещества из базы выберите сталь 20. Нажмите клавишу ОК.

По результатам расчета видно, что при условиях нестационарного режима нагрева с учетом зависимости теплофизических свойств от температуры температура теплового центра пластины равна 925,929К.

4.4 Решение задач нагрева в многофункциональном программном комплексе конечно-элементных расчетов ANSYS

Это многофункциональный программный комплекс конечно-элементных расчетов. Включает в себя модули расчетов прочности и динамики, температурных полей, гидрогазодинамики, электростатики/электромагнетизма, оптимизации, вероятностных расчетов, высоконелинейных расчетов и т.д. Программа построена на отдельных модулях-подпрограммах для решения каждой из задач, объединяет их также отдельная подпрограмма.

ANSYS Fluent - это современный программный комплекс, позволяющий проводить анализ широкого спектра промышленных задач динамики жидкости и газа (многофазных, реагирующих) потоков с учетом теплообмена (кондуктивного, конвективного и радиационного). В этом комплексе реализованы следующие численные методы и типы расчетных сеток:

· Поддержка неструктурированных расчетных сеток различных типов: 2D и осесимметричные - треугольные и четырехугольные.
3D - тетраэдры, гексаэдры, призмы, пирамиды, полиэдральные ячейки.

· Интерфейсы для сопряжения сеток различного типа.

· Адаптивное сгущение расчетных сеток по заданному критерию либо по результатам расчета.

· Решение полных трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса.

· Три типа решателя: segregate implicit (отдельно неявный); coupled implicit (неявный); coupled explicit (явный).

· Динамические, подвижные, деформируемые сетки с возможностью перестройки сетки налету.

· Схемы аппроксимации уравнений 1, 2 и 3 порядка.

· Алгебраический многосеточный метод решения линеаризованных уравнений.

· Встроенные возможности задания функций для свойств материалов, граничных условий и др.

· Пользовательское программирование на языке С++.

· Широкие возможности распараллеливания.

· Динамическая балансировка загруженности процессоров.

· Интерфейсы с многими CAD/CAE программами.

Возможности програмного комплекса позволяют работать со следующими моделями:

· физические модели;

· модели турбулентности;

· теплопередача;

· модели горения;

· модель Эйлера;

· модель Лагранжа;

· модели Акустики.

Нагрев тела при граничных условиях I рода с постоянными теплофизическими свойствами

Режим предназначен для расчета нагрева листа металла с толщиной, на порядок меньшей двух других размеров. В качестве граничного условия принята постоянная температура на поверхности металла, а со стороны теплового центра режим условия адиабаты.

Рассмотрим модель однослойной пластины толщиной 0,1 м с граничными условиями I рода с одной стороны и II рода (условия адиабаты) c пяти других сторон. Температура внешней стороны пластины равна 1000 °С.

Построение геометрии пластины в САПР SolidWorks аналогично задаче 4.3.1.

Сохраняем полученную модель в САПР SolidWorks (файл > сохранить как), используя только латинский алфавит, в папку, в пути которой также отсутствуют русские буквы. Для импортирования модели в пакет ANSYS, выбираем вкладку ANSYS 14.5 > Workbench.

Окно Workbench, предоставляет пользователю удобный графический интерфейс, в котором хорошо прослеживается весь ход решения. Принцип основан на блок-схемах, который часто встречается в программировании. Связи между блок-схемами отображается в виде линий со стрелками на конце. Это позволяет постороннему пользователю быстро вникнуть в суть задачи. Выбираем в окне компонентов (рис. 4.4.1 слева) Fluid Flow (FLUENT) и методом перетаскивания перемещаем в левую часть окна. Окно Workbench с импортированной в него моделью показано на рис. 4.4.1.

Рис. Окно Workbench

Перед тем как начать работать с Workbench необходимо сохранить проект как wall-plastina_0_1_m. Требования к сохранению такие же как при сохранении геометрической модели в SolidWorks (см. выше).

Наличие галочек справа от модулей компонентов означают, что данные прочитаны и введены корректно. Наличие значков означает что данный модуль требует правки. Значок означает что данные введены в компонент не корректно или требуется его обновление, а значок , что данные не были введены.

Открываем компонент создания сетки Mesh (рис. 4.4.2), два раза нажав на него левой кнопкой мыши. Так как поставленаая задача одномерная, а полученная геометрическая модель является трехмерной, то необходимо при помощи сетки привести её к одномерной. Для этого необходимо разбить модель на элементы лишь в одном направлении оси, то есть как бы разрезать ее на слои.

Рис. Компонент создания сетки Mesh

Для этого выбираем метод создания сетки (рис. 4.4.3): Mesh > Insert > Method.

Рис. Выбор метода создания сетки

В окне деталей метода выбираем сначала модель к которой будем применять данный вид сетки, щелкая по ней правой кнопкой мыши и затем нажимаем во вкладке Geometry кнопку Apply.

Во вкладке Method выбираем Sweep и окно деталей метода принимает другой вид (рис. 4.4.5). Во вкладке Src/Trg Selection выбираем параметр Manual Thin. Во вкладке Source выбираем поверхность параллельно которой будут создаваться слои, щелкнув левой кнопкой мыши на нужной на модели и нажав кнопку Apply. Количество слоев или элементов задается параметром Sweep Num Divs. Устанавливаем 20.

Переходим во вкладку Mesh и в окне деталей сетки (рис. 4.4.6) устанавливаем минимальный размер поверхности элемента (Min Size), максимальный размер поверхности элемента (Max Face Size) и максимальный размер тетрации элемента (Max Tet Size) в соответствующих параметрах равный 2 м. Настройка компонента создания сетки на этом завершается. Нажимаем кнопку и выбираем, начинается процесс генерации сетки.

Рис. Окно деталей сетки

После этого при большом увеличении модели мы увидим элементы сетки.

При желании можно сохранить полученную сетку используя команду File > Export. Обязательно требуется сохранение проекта File > Save Project. Возращаемся в окно Workbench. Если напротив компонента Mesh отображается значок , кликаем по нему правой кнопкой мыши и выбираем Update.

Запускаем следующий модуль компонента блок-схемы (рис. 4.4.1) Setup. Загружается Fluent - главный компонент, который будет использоваться нами при решении задачи.

Первоначально появляется окно запуска Fluent. В нем содержутся пользовательские настройки не влияюшие на результат, а лишь упрощающие работу с программой. Закрываем окно кнопкой OK.

Окно Fluent состоит из нескольких частей: стандартная строка из ниспадающих меню сверху; чуть ниже пиктограммы быстрых операций (открыть, сохранить и т.д.), вкладки быстрого доступа к настройке решетеля, заданию основных свойств и просмотру результатов с левой стороны, параметры настройки для вкладок чуть правее, а также графическое и консольное окна.

Рис Главное окно Fluent

При загрузке сетки модели в окне консоли будет выдано максимальное и минимальное значение координат x, y, z сетки, а также другие проверенные характеристики сетки. При наличии ошибок будет выдано соответствующее предупреждение. При этом все грани будут содержатся в единственном блоке стены -wall, а необходимо, чтобы граничные условия были заданы для каждой грани. Для этого в ниспадающем меню выбираем Mesh > Separate > Faces. Откроется окно Separate Face Zones.

Здесь выбираем раздел Angle (угол), в списке Zones отмечаем зону wall-plastina_0_1_m, записываем угол в 90о и нажимаем кнопку Separate (разделить). Предварительно можно нажать кнопку Report (отчет) и в консольном окне получим информацию о возможности разбиения сплошной оболочки на грани. В итоге получим, что грани с нормальными векторами, которые отличаются более чем на 90о будут установлены как отдельная зона. Зона wall-plastina_0_1_m будет разделена на шесть граней (wall-plastina_0_1_m, wall-plastina_0_1_m:005, wall-plastina_0_1_m:006 и т.д. соответственно). Информация обо всех проделанных действиях отобразится в консольном окне.

В поле Options можно выбрать что именно отображать: Nodes (узлы), Edges (грани), Faces (поверхности), Partitions (разделения). В поле Edge Type (типы граней) можно выбрать отображение: All (все), Feature (особенности), Outline (контуры). При этом необходимо указать для каких поверхностей все это устанавливается в поле Surface, а также можно создать свои различные типы поверхностей, выбирая New Surface, указывая при этом тип поверхности (Surface Types).

Выбираем во вкладке быстрого доступа Models (модель) и в параметрах настройки указываем модель решателя - открыв окно Energy и установив в нем галочку напротив Energy Equation (уравнение энергии). Нажимаем OK.

Рис. Окно Energy

После необходимо задать свойства материала, а именно стали 20, указанные в постановке задачи. Для этого переходим ко вкладке быстрого доступа Materials (материалы) и в параметрах настройки нажимаем кнопку Create/Edit (создать/редактировать). Появляется окно создания и редактирования материалов (Create/Edit Materials). Методы задания свойств материалов приведены в табл. 4.1.

Рис. Окно настройки вкладки Materials



Рис. Окно создания и редактирования материалов

Таблица 4.1. Методы задания свойств материалов во Fluent

Свойства материала Методы задания	Плотность (Density)	Теплоемкость (Ср)	Теплопровод-ность (Thermal Conductivity)
Constant (Постоянная)	+	+	+
User-Defined (Функция определенная пользователем)	+	+	+
Piecewise-Linear (Кусочно-линейная функция)	-	+	+
Piecewise-Polynomial (Кусочный полином)	-	+	+
Polynomial (Полином)	-	+	+
Biaxial (Двуосная функция)	-	-	+
Cyl-Orthotropic (Цилиндро-ортотропная функция)	-	-	+
Orthotropic (Ортотропная функция)	-	-	+
Anisotropic (Анизотропная функция)	-	-	+

Для создания собственной базы данных нажимаем кнопку User-Defined Database (база данных определенная пользователем). При помощи появившегося окна открытия базы данных, создаем новую, прописав в поле для ввода: путь для файла и его название с расширением «***.txt». На вопрос об отутствии такой базы данных и предложение создать её нажимаем кнопку Yes.

В появившемся окне User-Defined Database Materials нажимаем кнопкудля добавления нового материала и его свойств. В окне Material Properties (свойства материала) указываем имя материала в строке Name, его формулу в строке Formula, выбираем тип материала из списка Types (Mixture - смесь; Fluid - жидкость; Solid - твердое тело и т.д.), выбираем свойства материала, которые мы хотим описать из доступных в списке Avaliable Properties, перемещяя их в список Material Properties при помощи кнопки . Кнопка служит для совершения обратного действия. Выбрав из списка Material Properties свойство для редактирования нажимаем кнопку .

В новом окне происходит выбор метода задания свойств материала. Происходит это также при помощи кнопок и , путем перемещения видов задания свойств материала из списка Available Properties в список Material Properties и их последующего редуктирования посредством кнопки . Так решается задача с постоянными коэффициентами плотности, теплопроводности и теплоемкости, то в окне свойств материала выбираем данные параметры -Density, Thermal Conductivity, Cp (Specific Heat), а в окне редактирования метода задания свойств материала выбираем константу для каждого свойства и записываем её в соответствии с поставленной задачей. Окно выбора метода задания свойств материал и окно свойств материала закрываем соответственно кнопками OK и Apply для сохранения введенных данных. А в окне базы данных материалов заданных пользователем выбираем тип материала (Material Type) - твердое тело (Solid), отмечаем созданный нами материал в списке и последовательно нажимаем кнопки Save и Copy.

Итогом всех этих операций является окно создания и редактирования материалов. Вид окна показан на рис. 4.4.19. Нажимаем кнопку Change/Create, а после Close. На этом этапе свойства материала заданы.



Рис. Окно создания и редактирования материалов

Следующим этапом в решении задачи является задание внутренних условий объекта, то есть того что находится внутри поверхности тела. Для этого переходим ко вкладке быстрого доступа Cell Zone Conditions (условия ячеистой зоны) и в параметрах настройки (рис. 4.4.20) изменяем тип материала (Type) на твердое тело (Solid). Программа спросит у пользователя действительно ли требуется смена типа материала. Потверждаем выбор нажав кнопку Yes.

В новом окне можно настроить внутренние условия объекта. Для дальнейшего же решения поставленной задачи требуется всего лишь проверить соответствие материала объекту в меню Material Name и при его несовпадении выбрать имя материала созданного на предыдущем шаге. Сохраняем сделанные изменения, нажав кнопку OK.

Теперь необходимо задать граничные условия объекта. Для этого переходим ко вкладке быстрого доступа Boundary Conditions (граничные условия) и в параметрах настройки попеременно, выбирая поверхности и нажимая кнопку , задаются требуемые условия.

На поверхности wall-plastina_0_1_m, задаем постоянную температуру в 1273 К. Для этого в появившемся окне Wall переходим во вкладку Thermal (Тепловой), выбираем радио-кнопку Temperature (Температура) и в поле Temperature (k) записываем значение 1273. Обязательно проверяем имя материала поверхности (Material Name). При несоответствии выбираем нужное, а именно st20 и сохраняем нажав кнопку OK. На всех остальных поверхностях (wall-plastina_0_1_m:005, wall-plastina_0_1_ m:006 и т.д.) задается отсутствие теплообмена, с помощью приравнивания теплового потока на поверхности к нулю. Для этого выбирается радио-кнопка Heat Flux в окне Wall (рис. 4.4.23) и после проверки имени материала, данные сохраняются нажатием кнопки OK.

Рис. Окно редактирования граничных условий

Дальнейшим шагом является задание начальных условий. Для этого переходим ко вкладке быстрого доступа Solution Initialization (инициализация решения) и в параметрах настройки в графу Temperature (температура) записываем 273 и после потверждаем введенные параметры кнопкой .

На следующем этапе настраиваем отображение графического окна при решении задачи. Для этого переходим ко вкладке быстрого доступа Monitors (отображение) и в параметрах настройки (рис. 4.4.25) нажимаем кнопку , относящуюся к списку Volume Monitors (отображение полученных данных в объеме).

Для отображения результатов решения в графическом виде в новом окне ставим галочку напротив Plot (график) и снимаем напротив Print to Console (печать в окне консоли), при этом должно быть указано окно 2 (Window - 2). В Report Type (тип отчета) выбираем из списка Max (максимальный), в Field Variable (переменная область) выбираем Temperature и Static Temperature. В списке Cell Zones (зоны объекта) выбираем plastina_0_1_m. После выбираем, что будет откладываться по оси х (Х Asis) -Flow Time (течение времени) и через какие промежутки требуется полученние данных из программы для графика (Get Data Every) -1 Time Step (1 шаг по времени). Для сохранения введеных данных нажимаем кнопку OK. Точно также создаем еще одно отображение полученных данных в объеме, но Report Type присваиваем значение Min, и получаем отображение графика минимальной температуры, то есть температуры теплового центра.

Далее для ускорения расчета задачи, отменим расчет уравнения потоков или истечения. Переходим ко вкладке быстрого доступа Solution Controls (управление решением) и в параметрах настройки нажимаем кнопку . В новом окне Equations (уравненения) снимаем выделение с пункта Flow (поток, истечение) и нажимаем OK.

Рис. Окно настройки вкладки Solution Controls

Для запуска расчета переходим ко вкладке быстрого доступа Run Calculation (запуск расчета) и в параметрах (рис. 4.4.29) указываем Time Step Size (размер шага по времени) - 50, и Number of Time Steps (количество шагов по времени) - 40. После нажимаем кнопку для запуска расчета и ждем определенное количество времени. Как правило время расчета такой задачи не превышает 1 минуты.

Рис. Окно настройки вкладки Run Calculation

В графическом окне 1 отображаются изменение энергии на каждом шаге итерации (рис. 4.4.30), а в графическом окне 2 зависимость температуры от времени нагрева в тепловом центре и на поверхности.



Рис. График изменения энергии на каждом шаге итерации

Рис. График зависимости температуры от времени нагрева

В програмном комплексе Fluent есть встроенный постпроцессор, то есть программа предоставляющая результаты расчета в понятном и красивом виде. Для того чтобы узнать точное значение температуры теплового центра воспользуемся им. Переходим ко вкладке быстрого доступа Graphics and Animations (графика и анимация), в ней (рис. 4.4.32) в окне Graphics (графика) выбираем параметр Contours (контуры) и нажимаем кнопку .

Рис. Окно настройки вкладки Graphics and Animations

В новом окне (рис. 4.4.33) в списке Options (настройки) ставим галочки напротив пунктов: Filled (заполнение), Node Values (значения узла), Global Range (глобальное масштабирование), Auto Range (автоматическое масштабирование). В списках Contours of (контуры чего-либо) выбираем из списков: Temperature и Static Temperature (статическая температура), а в списке Surfaces (поверхности) отмечаем всё. Нажимаем кнопку . В окне Contours отобразится минимальная (min) и максимальная (max) температуры.

Рис. Окно отображения контуров

В графическом окне отобразится рис. 4.4.34, который показывает распределение температуры по толщине пластины визуально, при помощи цветной легенды. Максимальная температура в этой задаче не требуется, так как из условия она известна и равна 1273 К, а минимальная температура в данном случае составит 1255,218 К в конечный момент времени, то есть через 2000 секунд после начала нагрева. Самым большим минусом программы является, то что она не запоминает промежуточные данные температуры в процессе нагрева. Хотя при большом желании и это требование можно исправить, настроив должным образом отображение полученных данных в объеме.

Рис. Графическое окно, показывающее распределение температуры по толщине пластины визуально

Кроме встроенного во Fluent постпроцессора, существует еще один (CFD-Post), запуск которого осуществляется открытием последнего компонента Result блок-схемы в Workbench.

Отличаются они только внешним видом, и при настройке постпроцессора во Fluent данные из него автоматически импортируются CFD-Post. Таким образом блок-схема Workbench приобретает законченный вид, что означает полностью решенную задачу.

Нагрев тела при граничных условиях I рода с учётом зависимости теплофизических свойств от температуры

Режим предназначен, как и в предыдущем случае, для расчета нагрева листа металла с толщиной, на порядок меньшей двух других размеров. В качестве граничного условия принята постоянная температура на поверхности металла, а со стороны теплового центра - условия адиабаты.

Рассмотрим модель однослойной пластины толщиной 0,1 м из стали 20 с граничными условиями I рода с одной стороны и II рода (условия адиабаты) c другой. Температура внешней стороны пластины равна 1000 °С. Время нагрева пластины 1000 с. Зависимость теплофизических свойств согласно табл. 2.1.

Решение задачи аналогично задаче, изменение касается только задания свойств стали с учетом зависимости от температуры.

Создание пользовательской базы данных

При решении задач можно воспользоваться встроенной базой данных, но если необходимый материал отсутствует, то можно создать свою базу, которая будет отвечать всем требованиям. Это удобно при большом количестве опытов с постоянным обращением к одинаковым материалам, так как не нужно каждый раз задавать свойства материала вручную. Данный способ был описан выше при решении задачи.

Задание переменных свойств материала с помощью кусочно-линейной функции

Для этого необходимо знать значение теплофизических коэффициентов хотя бы в двух точках, чтобы построить прямую, проходящую через эти точки. При этом, чем больше точек - тем точнее кусочно-линейная функция будет совпадать с графиком изменения теплофизических свойств материала. Но иногда хватает и трех точек для точного описания, если график изменения свойств материала состоит из двух прямых (или кривых с большим радиусом кривизны).

Рассмотрим на примере коэффициента теплопроводности. В окне свойств материала в списке Material Properties выбираем Thermal Conductivity и нажимаем . В открывшемся окне выбора метода задания свойства материала из списка Available Properties выбираем piecewise-linear, перемещаем в другой список с помощью кнопки и нажимаем .

В новом окне Piecewise-Linear Profile в поле Points задаем количество точек, для которых хотим присвоить значения. В поле Data Points кнопками и выбираем точки и вводим для них значения температуры (Temperature) и соответствующие этой температуре значение коэффициента теплопроводности (Value). Нажимаем Ok в обоих окнах.

Задание переменных свойств материала с помощью полиномиальной функции

Необходимо знать уравнение описывающее изменение теплофизических коэффициентов от температуры в виде степенной функции. Вычислительный комплекс ANSYS позволяет использовать уравнения до 7 степени включительно, но это не всегда целесообразно. Лучше описывать зависимости полиномом первой или второй степени.

В окне выбора метода задания свойства материала из списка Available Properties выбираем polynomial, перемещаем в другой список с помощью кнопки и нажимаем . Откроется окно Polynomial Profile.

В поле Coefficients в правом верхнем углу рабочего окна указывается количество членов уравнения (коэффициентов), а ниже Coefficients в полях под номерами 1, 2, 3 и т.д. вводятся значения коэффициентов, стоящих перед температурой в уравнении, описывающем закон изменения теплофизических свойств материала. В поле 1 вводится коэффициент, стоящий при температуре в нулевой степени, в поле 2 - коэффициент, стоящий при температуре в первой степени, в поле 3 - коэффициент при температуре во второй степени и т.д. Если коэффициенты малы, например 0,000002 или -0,000000015, то удобнее их сразу записывать в виде 2е-6 и -15е-9. После того, как заполнены все необходимые поля, нажимаем Ok, Ok.

Задание переменных свойств материала с помощью кусочно-полиномиальной функции

Если изменение свойств материала описывается несколькими степенными функциями, то описать его можно с помощью кусочного полинома. При этом необходимо знать точку, в которой эти функции совпадают. Как и при задании изменения с помощью полиномиальной функции лучше описывать зависимости полиномом первой или второй степени.

В окне выбора метода задания свойства материала из списка Available Properties выбираем piecewise-polynomial, перемещаем в другой список с помощью кнопки и нажимаем . Откроется окно Piecewise-Polynomial Profile.

Рис. Окно ввода данных для кусочно полинома

В окне ввода данных (рис. 4.4.39) в поле Ranges необходимо ввести количество линий, составляющих кривую изменений свойств материала. В поле Range с помощью кнопок и можно переходить от одной линии к другой и задавать коэффициенты соответствующих этим линиям полиномов. В полях Minimum и Maximum указываются минимальное и максимальное значение определяющих факторов для данной кривой (для коэффициента теплопроводности - это температура). Значение Maximum автоматически становится Minimum для следующей линии. В поле Coefficients под номерами 1, 2, 3 и т.д. вводятся значения коэффициентов, стоящих перед определяющим фактором в уравнении, описывающем закон изменения теплофизических свойств материала. В конце нажимаем Ok, Ok.

Анализ способов задания переменных свойств материала

При решении задач в программном комплексе ANSYS с разными способами задания переменных свойств материала можно сделать следующие выводы:

1. При использовании полиномиальной функции высокая точность описания изменения свойств материала наблюдается, как правило, при использовании высоких степеней. Но это может значительно усложнить задачу.

2. При использовании кусочно-полиномиальных функций необходимо точно определить точку пересечения функций, а также важно не использовать полиномы высоких степеней.

3. Самым удобным способом является задание кусочно-линейных функций. Но для наибольшей точности решения требуется указать как можно большее значение точек. Решение при этом не усложняется, а описание зависимостей свойств материала близко к графику.



5. Моделирование воздушно-водяного кожухотрубчатого теплообменника типа «труба в трубе»

Цель работы: смоделировать работу прямоточного воздушно-водяного кожухотрубчатого теплообменника типа «труба в трубе», если известно, что температура холодного (внутреннего) теплоносителя (вода) составляет 333 К, горячего (внешнего) теплоносителя (воздух) - 550 К; расходы воды и воздуха составляют по 0,7 кг/с; материал стенок - алюминий. Также необходимо оптимизировать работу теплообменника по величине получаемого теплового потока и среднемассовой температуре воды на выходе из теплообменника.

СОЗДАНИЕ ГЕОМЕТРИИ

Открвыем ANSYS 14.5 > Workbench. Выбираем в окне компонентов (рис. 5.1 слева) Fluid Flow (FLUENT) и методом перетаскивания перемещаем в левую часть окна. Заходим в Geometry как показано на рис. 5.1 и выбираем удобную систему единиц измерения (например, метры) и нажимаем Ok.

...