Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

Описание свойств области течения

В меню Boundary Condition (рис. 3.1) в списке Zones кроме ГУ, опи­санных в препроцессоре, имеются условия, определяющие свойства области течения (рабочее тело, система координат и т.п.). Если область не была заранее описана в препроцессоре, то ей автоматически присваивается имя Fluid и тип Fluid (жидкость или газ). Если описыва­лась, то имя и тип области течения соот­ветствуют назначенным впрепро­цессоре. Меню редактирования свойств области течения на примере об­ласти fluid показано на рис. 3.13.

В поле Motion ® Motion Type описывается тип движения рас­сматри­ваемой области. Всего возможны три варианта движения:

- Stationary – область неподвижна;

- Moving Reference Frame – течение в области течения рассмат­рива­ется в подвижной системе координат;

- Mowing Mash – сетка в рассматриваемой области течения движется.

В случае, если рассматриваемая область течения подвижна или нахо­дится в подвижной системе координат, параметры дви­жения задаются аналогично тому, как задавалось перемещение подвижной стенки в меню Wall.

Рис. 3.13. Меню редактирования свойств области течения

 

Примечание. В случае если модель имеет периодические гра­ничные ус­ловия, полученные вращением, то при описании области течения обя­зательно нужно задать ось вращения. Для этого в поле Rotation Axis Di­rection описывается ось вращения в виде проекций век­тора, а в поле Rota­tion Axis Origin определяется точка, через кото­рую ось проходит.

Если поставить галочку в поле Porous, то область течения бу­дет рас­сматриваться как пористое вещество. Эта опция использу­ется при необхо­димости исследования течения через фильтры, песок и т.п.

Меню настройки свойств твердотельной области выглядит анало­гично.




 

 

Моделирование турбулентности

В настоящем разделе будет показано, как реализовать моде­лирование турбулентности непо­средственно в программе Fluent.

4.1. Задание турбулентности в программе Fluent

Задание модели турбулентности осуществляется с помощью команды Define ®Models ®Viscous. Меню этой команды показано на рис. 4.1.

Главным его элементом является поле Model, в котором осу­ществля­ется выбор модели турбулентности. В программе дос­тупны следующие модели:

- Inviscid - невязкий поток;

- Laminar – ламинарный поток;

- Spalart – Allmars – однопараметрическая модель Спалларта Ал­марса;

- k-epsilon – двухпараметрическая модель турбулентности k-e;

- k-omega – двухпараметрическая модель турбулентности k-w;

- Reynolds Stress – модель напряжений Рейнольдса;

- Detached Eddy Simylation – модель отдельных вихрей (DES модель);

- Large Eddy SimylationLES модель.

Приведенный выше список содержит не все доступные в программе модели турбулентности. Большинство из перечислен­ных моделей имеют несколько модификаций, выбор которых происходит в поле опций моде­лей турбулентности. В частности, для модели k-e можно выбрать одну из трех модификаций (стан­дартную, RNG или Realizable), а для модели k-w две модифика­ции (стандартную модель и SST k-w).

Рис. 4.1. Меню выбора модели турбулентности

 

После выбора модели турбулентности появляются поля на­стройки па­раметров выбранной модели. Их можно разделить на группы, показные на рис. 4.1.

Ниже области выбора модели турбулентности находится поле выбора пристеночных функций. О них будет рассказано ниже.

В нижней части меню выбора модели турбулентности име­ется опция Viscous Heating. Активация опции позволяет учиты­вать тепло вязкого тре­ния при решении уравнения энергии.

В поле Model Constants представлены константы уравнений выбран­ной модели турбулентности. Изменяя их можно задать пользовательские модели турбулентности. Однако большинству рядовых пользователей, не имеющих высокой квалификации в области моделирования турбулентно­сти, этого делать не стоит.

Пристеночные функции

Как известно любой поток можно разделить на две принци­пиальные зоны: пограничный слой и ядро потока [15]. Погра­ничный слой может быть ламинарным или турбулентным. Тур­булентный погранслой в свою очередь состоит из ламинарного подслоя, турбулентного слоя и переход­ной зоны (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Структура пограничного слоя: 1 – ламинарное течение; 2 – тур­бу­лентный погранслой; 3 – ламинарный подслой, 4 –переходная зона

 

На рис. 4.3 показано изменение безразмерной скорости по величине безразмерного расстояния до стенки в логарифмиче­ской системе коорди­нат.

Под безразмерным расстоянием до стенки понимается вели­чина , где

- скорость потока, осредненная по касательным напряже­ниям;

n - кинематическая вязкость;

y – расстояние от стенки.

Пограничный слой занимает область потока, для которой ве­личина составляет от 0 до 300. Причем в области с находя­щемся в диапа­зоне от 0 до 5 находится вязкий подслой. От 5 до 60 – переходная зона и свыше 60 – турбулентный по­гранслой.

Рис. 4.3. График изменения безразмерной скорости потока от безразмерного расстояния от стенки

 

Величина примерно соответствует случаю, когда вяз­кий под­слой укладывается в первые 1…3 пристеночные ячейки ко­нечноэлемент­ной сетки.

Модели турбулентности семейства k-e и Рейнольдса не по­зволяют в полной мере смоделировать эффекты, происходящие вблизи стенок. Мо­дели семейства k-w и Спаларта Алламарса способны хорошо описывать явления вблизи стенок только при высоком качестве расчетных сеток там. Поэтому для качествен­ного моделирования течения в погранслоях в про­грамме Fluent используются пристеночные функции. Всего доступно три ос­новных пристеночных функции:

- Standard Wall Functions – стандартная пристеночнная функ­ция;

- Non Equilibrium Wall Functions – неравновесная пристноч­ная функ­ция;

- Enhanced Wall treatment – расширенное пристеночное моде­лирова­ние.

Используемые пристеночные функции можно разделить на две груп­пы. При использовании первых двух полагается, что толщина погра­нич­ного равна толщине первого от стенки ряда ячеек. В нем не рассчиты­ва­ются эффекты вязкости, а профиль скорости и других параметров опре­де­ляется по эмпирическим зависимостям. При расширенном пристеноч­ном моделировании погранслой моделируется сеткой высокого качества. В по­гранс­лое располагается несколько сеточных слоев. Причем вязкий под­слой занимает не менее трех ячеек. Точность моделирования обеспе­чива­ется применением модифицированных уравнений для различных об­ластей погранслоя, решения которых сшиваются с помощью сложной демпфи­рующей функции, что позволяет по­лучать монотонно изменяю­щиеся поля пара­метров.

Стандартная пристеночнная функция (Standard Wall Func­tions) приме­няет для описания изменения параметров потока по­лей эмпирические уравнения. Они плохо описывают сложные трехмерные потоки, течения с низкими числами Рейнольдса, от­рывные явления, течения с большими градиентами и т.п.

Неравновесная пристночная функция (Non Equilibrium Wall Functions) дает лучшие результаты при моделировании трехмер­ных течений, течений с отрывами и большими градиентами за счет использования улучшенных уравнений.

Эти две пристеночные функции рекомендуется использовать с моде­лями турбулентности Рейнольдса и моделями семейства k-e. При этом ве­личина y+ должна находится в интервале от 30 до 300. Уменьшить вели­чину y+ можно за счет сгущения сетки в пристеночной области. Разряже­ние сетки наоборот увеличивает y+ .

При расширенном пристеночном моделировании (Enhanced Wall treatmen) для разных областей погранслоя используются разные зависимости. Границы применимости уравнений для разных зон слоя определяются по величине y+. Для решения турбулентного слоя применяется модель турбу­лентности для больших чисел Рейнольдса. Для вязкого подслоя использу­ется упрощенная мо­дель. Эта пристеночная функция применяется для мо­делей се­мейства k-w и модели Спаларта Алламарса. При использовании расширенного пристеноч­ного моделирования ве­личина y+ должна быть примерно равна единице.

Модели турбулентности, используемые в программе Fluent (кроме k-e) обладаю свойством масштабируемости. Они имеют специальные процедуры, которые позволяют их использо­вать на сетках, у которых ве­личина y+ находится в интервале от 1 до 30. Однако масштабирование происходит с некоторой потерей точ­ности расчета.

Задание дополнительных граничных условий для турбулентности

При использовании двухпараметрических моделей турбулент­ности на проницаемых границах типа «вход» требуется дополни­тельно задавать две величины, характеризующие турбулентность входящего потока.

В программе Fluent возможно 4 варианта задания ГУ турбу­лентности входящего потока:

- K end Epsilon – непосредственное задние параметров турбу­лентной кинетической энергии k, скорости диссипации турбулентной кине­тической энер­гии e, скорости рас­сеива­ния турбулент­ности w. Как правило, при решении инже­нерных задач эти параметры неиз­вестны и трудно осязаемы физически. Поэтому при решении при­кладных задач этот способ применяется редко;

- Intensity and Hydraulic Diameter - задание интенсивности тур­булент­ности и гидравлического диаметра;

- Intensity and Length Scale - задание интенсивности турбулент­ности и длины турбулентного смешения;

- Intensity and Viscosity Ratio - задание интенсивности турбу­лентности и коэффициента вязкости.

Тип ГУ для турбулентности выбирается в списке Speciation Method в поле Turbulence в меню задания входного условия (5 на рис. 3.2)

Систематизированных сведений о численных значениях сте­пени тур­булентности в характерных сечениях проточной части ГТД не имеется. Встречаются лишь различные данные об изме­рениях термоанемометрами и косвенных оценках степени турбу­лентности в конкретных условиях в аэродинамических трубах или турбинах. Как правило, масштаб турбу­лентности не превы­шает 20%, но в большинстве случаев находится в ин­тервале от 1 до 10%. При масштабе турбулентности Е=5% поток счита­ется полностью турбулентным. Наиболее часто встречающиеся в на­учно-технической литературе приближенные значения степени турбулентности в каналах ГТД [7] приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Приближенные значения степени турбулентности потока в элементах ГТД

Элемент ГТД Степень турбулентно­сти
Непосредственно за жаровой трубой КС 15…...…20%
После сборного коллектора, перед СА первой ступени 3…...4%
За сопловой решеткой, перед РК первой ступени 4…...5%
За рабочим колесом, на входе в СА второй сту­пени 4…...8%
Перед решетками лопаток воздушных аэроди­на­мических стендов с плавным входом 0,3…...0,6%
При установке перфорированных успокоитель­ных решеток 1…...2,5%
При специальных турбулизирующих сетках До 12%
В горле сопловых решеток (независимо от сте­пени турбулентности на входе) 0,5...…0,8%

 

При решении других задач примерное значение масштаба турбулент­ности можно определить с помощью следующего соот­ношения:

, где

k – турбулентная кинетическая энергия;

U – осредненная скорость потока.

Гидравлический диаметр находится по формуле:

, где

П – периметр сечения;

F – его площадь.

Длина смешения может быть принята равной dс=0,4d, где d - толщина вытеснения пограничного слоя.

Коэффициент вязкости представляет собой отношения тур­булентной вязкости к ламинарной . В большинстве случаев эта величина нахо­дится в интервале от 1 до 10.

Для решения задач течения жидкостей и газов в каналах наи­более предпочтительным ГУ для турбулентности является зада­ние масштаба турбулентности и гидравлического диаметра (In­tensity and Hydraulic Di­ameter).

При исследовании течения вблизи пристенных зон предпоч­тительным является задание интенсивности турбулентности и длины турбулентного смешения (Intensity and Length Scale).

Для решения задач внешнего обтекания больше подходит за­дание ин­тенсивности турбулентности и коэффициента вязкости (Intensity and Vis­cosity Ratio).

При моделировании турбулентности с помощью алгебраиче­ских мо­делей турбулентности дополнительные ГУ не требуются.


 

 

5. Настройка решателя и решение в программе Fluent

Настройка параметров решателя является важнейшим этапом решения газодинамической задачи в CFD программах. От кор­ректности настройки решающего модуля зависит возможность получения решения, его точ­ность и время счета.

В программе Fluent настройка решающего модуля состоит из несколь­ких этапов:

- выбор типа решателя, размерности задачи и ее постановки;

- настройка решателя: выбор схем дискретизации, парамет­ров релакса­ции и т.п.;

- инициализация – назначение значений параметров потока на первой итерации;

- выбор условия завершения решения;

- настройка отображения процесса решения;

- непосредственно расчет.

Большинство действий решателем производится в подменю Solve, за исключением выбора типа решателя, размерности за­дачи и ее постановки, которые осуществляются в меню ГМ: De­fine ® Models® Solver и было описано в разделе 2.5.






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2024 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.