|
|
Описание свойств области теченияВ 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 Simylation – LES 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
n - кинематическая вязкость; y – расстояние от стенки. Пограничный слой занимает область потока, для которой величина
Рис. 4.3. График изменения безразмерной скорости потока от безразмерного расстояния от стенки
Величина 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
При решении других задач примерное значение масштаба турбулентности можно определить с помощью следующего соотношения:
k – турбулентная кинетическая энергия; U – осредненная скорость потока. Гидравлический диаметр находится по формуле:
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 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. |
|
, где
- скорость потока, осредненная по касательным напряжениям;
составляет от 0 до 300. Причем в области с 
примерно соответствует случаю, когда вязкий подслой укладывается в первые 1…3 пристеночные ячейки конечноэлементной сетки.
, где
, где
. В большинстве случаев эта величина находится в интервале от 1 до 10.