Основные условные обозначения

Расчет течений ЖИДКОСТИ И ГАЗА

с помощью универсального программного комплекса Fluent

Батурин О.В.

Б 28Расчет 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

— 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, Н м;

n — частота вращения, мин ^-1;

p — давление, Па;

R — удельная универсальная газовая постоянная, Дж/(кг×К);

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;

e — скорость диссипации турбулентной кинетической энергии;

z — коэффициент потерь;

— плотность, кг/м³;

— коэффициент восстановления полного давления;

— коэффициент полезного действия;

— приведенная скорость;

— динамическая вязкость, Па×с;

— 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-w, k-e, 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 назапуск 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.

Рис. 1.3. Подменю работы с расчетной моделью (File)

Рис. 1.4. Подменю подготовки расчетной модели (Grid и Define)

 

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.

---

Предыдущая12345678Следующая