Разработчик: Сметанников Олег Юрьевич, доц. каф. ВМиМ, ПермГТУ

Ламинарное и турбулентное течение

в двумерном расширяющемся канале

.

Наименования продуктов ANSYS, в которых данный пример может быть выполнен	ANSYS/Multiphysics 5.3 ANSYS/FLOTRAN, ANSYS/ED 5.3
Дисциплина	Механика жидкости и газа
Тип анализа	Стационарный
Демонстрируются	Твердотельное моделирование, регулярное разбиение на элементы, создание новой кнопки на инструментальной панели, рестарт вычислений в FLOTRAN

Постановка задачи

Расчетная схема приведена на рисунке. На первом этапе рассчитывается движение жидкости с Re=VD_h/=400 (число Рейнольдса) - ламинарное течение. На втором меняются свойства среды и проводится расчет турбулентного течения, использующий в качестве начального приближения результаты первого этапа. Третий этап - расширение выходной зоны (удлинение) и решение задачи турбулентного течения воздуха. Во всех трех вариантах задается скорость потока на входе и нулевое давление на выходе. На стенках канала действует гипотеза полного прилипания.

И
сходные данные:

Размеры канала в метрах даны на рисунке

1 этап: =1 кг/м³; =0. 1 кг/мс

2 этап: =0. 001 кг/мс

3 этап: =1. 205 кг/м3 =1. 813*10^-5 кг/мс Vвх=2 м/с

Поэтапное решение задачи.

Подготовка исходных данных.

1. Начальные установки:

M_M: Preferences

1. 1. Отметить FLOTRAN CFD

1. 2. OK (задача решается пакетом FLOTRAN)

2. Выбор типа элемента:

M_M: Preprocessor Elem. Type  Add / Edit / Del

2. 1. Add

2. 2. Выбрать группу элементов FLOTRAN CFD

2. 3. Выбрать элемент FLUID 141

2. 4. OK

2. 5. Close

3. Построение прямоугольника входной зоны:

M_M: Preprocessor Modeling - Create  - Areas - Rectangle  By dimensions

3. 1. Ввести X1=0 X2=4

3. 2. Ввести Y1=0 Y2=1

3. 3. Apply

4. Прямоугольник выходной зоны

4. 1. Ввести X1=6 X2=12

4. 2. Ввести Y1=0 Y2=2.5

4. 3. OK

T_B: Save_db

5. Создание переходной зоны

M_M: Preprocessor Modeling  - Create  - Lines - Lines  Tan to 2 lines

(строим гладкую кривую, касательную двум соединяемым линиям)

5. 1. Отметить мышью L1 (смотри рисунок)

5. 2. OK

5. 3. Отметить мышью ее правую КТ

5. 4. OK

5. 5. Отметить мышью L2

5. 6. OK

5. 7. Отметить левую КТ линии L2

5. 8. OK

5. 9. Cancel

Генерируем область по четырем ключевым точкам переходной зоны:

M_M: Preprocessor - Modeling - Create  - Areas - Arbitrary  Through keypoints

5. 10. Отметить четыре угловых точки переходной зоны мышью

5. 11. OK

T_B: Save db

6. Задание формы элемента

M_M: Preprocessor - Meshing - Shape & Size  Element shape

6. 1. Выбрать Mapped (Quad/Hex) (разбиение на элементы будет регулярным)

6. 2. Отметить Yes для Use free mesh (в случае необходимости четырехсторонние элементы будут заменяться на треугольные)

6. 3. Выбрать значение No midside nodes для параметра KSTR (удаление промежуточных узлов)

6. 4. OK

7. Установка параметров разбиения на элементы.

Для всех подобластей задачи используется регулярное разбиение (РР). Размеры элементов задаются при помощи указания количества разбиений на линиях с коэффициентом сгущения.

U_M:  Plot  Lines

M_M: Preprocessor - Meshing - Shape & Size  - Lines - Picked lines

7. 1. Отметить мышью линии L1, L3 (см. рисунок)

7. 2. Apply

7. 3. Ввести 12 в NDIV (линии L1 и L3 разбиваются на 12 элементов)

7. 4. Ввести 2 в Space (стороны элементов в начале линий в 2 раза меньше, чем в конце)

7. 5. Apply

Та же операция повторяется для переходной зоны:

7. 6. Отметить мышью линии L5, L6 (смотри рисунок)

7. 7. Apply

7. 8. Ввести 9 в NDIV

7. 9. Ввести 1 в Space

7. 10. Apply

Выходная зона:

7. 11. Отметить мышью L2 (см. рисунок)

7. 12. Apply

7. 13. Ввести 13 в NDIV

7. 14. Ввести 0. 4 в Space

7. 15. Apply

7. 16. Отметить мышью L4 (см. рисунок)

7. 17. Appy

7. 18. Ввести 13 в NDIV

7. 19. Ввести 2.5 в Space

7. 20. Apply

Разбиение вертикальных линий:

7. 21. Отметить мышью L7L10

7. 22. OK

7. 23. Ввести 10 в NDIV

7.24. Ввести -2 в Space (при отрицательном коэффициенте Space сгущение осуществляется на обоих концах линии)

7. 25. OK

8. Разбиение на конечные элементы

M_M:  Preprocessor - Meshing - Mesh - Areas - Mapped  3 or 4 sided

8. 1. Pick all

9. Добавление кнопки на инструментальной панели.

U_M: Menu Ctrls  Edit Toolbar

9. 1. Ввести nsl, nsll,, 1 в строке Selection после *ABBR

9. 2. Accept

На инструментальной панели появилась новая кнопка NSL, соответствующая команде выделения узлов, принадлежащим уже выделенным линиям

9. 3. Ввести tri, / triad, off в Selection после *ABBR

9. 4. Accept

Кнопка tri удаляет с графического поля изображение локальной системы координат

10. Граничные условия

U_M: Plot  Nodes

U_M: Select  Entities

10. 1. Nodes

10. 2. By Num / Pick - Выделение узлов мышью или по номерам

10. 3. OK

10. 4. Выбрать Box в диалоговом окне

10. 5. Не отпуская левой кнопки мыши, выделить узлы на левой границе входной зоны.

10. 6. OK

Граничные условия на входе:

M_M: Preprocessor Loads  - Loads - Apply  - Fluid / CFD - Velocity  On Nodes

10. 7. Pick all (Все выделенные ранее узлы)

10. 8. Ввести 2 в VX

10. 9. Ввести 0 в VY (компоненты вектора скорости)

10. 10. OK

Граничные условия на стенках канала

U_M: Plot  Lines

U_M: Select  Entities

10. 17. Lines

10. 18. By Num / Pick

10. 19. OK

10. 20. Отметить мышью линии L1L6 (смотри рисунок)

10. 21. OK

10.22. Макрокомандой (кнопка NSL на T_B) выделяем узлы, принадлежащие выделенным линиям

U_M: Plot  Nodes

M_M: Preprocessor Loads  - Loads - Apply  - Fluid / CFD - Velocity  On Nodes

10. 23. Pick all

10. 24. Ввести VX=0 VY=0

10. 25. OK

Выделить все:

U_M: Preprocessor Loads  - Loads - Apply  - Fluid / CFD - Pressure DOF  On Nodes

10. 26. Box

10. 27. Выделить узлы на правой границе

10. 28. OK

10. 29. Ввести 0 в Value

10. 30. OK

U_M: Select  Everything

T_B: Save_db

Решение задачи

11. Свойства среды

M_M: Solution  Flotran setup  Fluid properties

11. 1. OK (все свойства - константы)

11. 2. Ввести Density=0. 1 (плотность)

11. 3. Ввести Viscosity=0. 01 (вязкость)

11. 4. OK

12. Параметры численного расчета

M_M: Solution  Flotran setup  Execution Ctrl

12. 1. Ввести Global iterations=20 (число итераций)

12. 2. OK

13. Запуск FLOTRAN (решение задачи)

M_M: Solution  Run FLOTRAN

На экране показывается график нормализованной среднеквадратичной разности решений на текущей и предыдущей итерациях.

Анализ результатов (ламинарное течение)

14. Чтение результатов для анализа

M_M: General Postproc  - Read results - Last Set (результат последней итерации)

15. Изображение поля скоростей в векторной форме

M_M: General Postproc  Plot results  Vector plot - Predefined

15. 1. Выбрать DOF solution

15. 2. Velosity

15. 3. OK

Ламинарное течение (с измененной вязкостью)

Уменьшим вязкость в 10 раз. При этом в дальнейших расчетах FLOTRAN будет использовать в качестве начального приближения результаты последней итерации предыдущего расчета.

16. Уменьшение вязкости

M_M: Solution  Flotran setup  Fluid properties

16. 1. OK (все параметры - const)

16. 2. Ввести Viscosity=0. 001

16. 3. OK

M_M: Solution  Run Flotran

Просмотр результатов – по аналогии с п.п. 14-15.

Турбулентное движение воздуха в канале (с его удлинением)

17. Удаление граничных условий (давления на выходе)

M_M: Preprocessor Loads  Delete  - Fluid / CFD - Pressure DOF  On Nodes

17. 1. Pick all

18. Удлинение выходной зоны

M_M: Preprocessor Modeling - Create  Areas - Rectangles  By dimensions

18. 1. Ввести X1=12 X2=24

18. 2. Ввести Y1=0 Y2=2. 5

18. 3. OK

M_M: Preprocessor- Numbering controls  Merge items - произвести слияние совпадающих ключевых точек и линий для всех объектов

18. 4. All (слияние всех объектов)

18. 5. OK

18. 6. Close

U_M: Plot  Lines - по изображению в графическом окне убедиться в слиянии новой прямоугольной области со смежной.

19. Разбиение нового прямоугольника на элементы

M_M: Preprocessor - Meshing - Shape & Size - Lines - Picked lines

19. 1. Отметить мышью правую границу

19. 2. OK

19. 3. Ввести NDIV=10

19. 4. Ввести Space= -2

19. 5. Apply

19. 6. Отметить линии L11,L12 (см. рисунок)

19. 7. OK

19. 8. Ввести NDIV=20

19. 9. Ввести Space=1

19. 10. OK

T_B: Save_db

M_M: Preprocessor - Meshing - Mesh  - Areas - Mapped - 3 or 4 Sided

19. 11. Выделить мышью новый прямоугольник