Binder1 (Методическое указание ЛР по численному моделированию в StarCCM)

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образования«Московский государственный технический университетимени Н.Э. Баумана»ЛОМАКИН В.О.ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛАМИНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ ВКРУГЛОЙ ТРУБЕМетодические указаниядля выполнения лабораторной работыпо дисциплине"Механика жидкости и газа"2014ВведениеДля ламинарного течения жидкости в цилиндрической трубе решениеуравнений Навье-Стокса получены в аналитическом виде.

Поэтому всехарактеристики течения (поля скоростей и давлений) можно получить изтеоретического расчета.В общем виде уравнения динамики несжимаемой вязкой среды дляламинарного режима течения выглядят сдедующим образом:Уравнение неразрывности жидкой среды:∂ux ∂uy ∂uz++= 0,∂x∂y∂zui –проекции скоростей жидкости на соответствующие оси.Уравнение изменения количества движения осредненное по времени: �+ где - скорость и давление;()� = − + ;() = 2 - тензор вязких напряжений для несжимаемойжидкости; =1 [2 +]- тензор скорости деформации.Для бесконечной цилиндрической трубы произвобного профиляуказанная выше система уравнений сводится к простому соотношению: 2 2 =�� 2 + 2Проекции скорости перпендикулярные оси трубы равны нулю.Давление убывает вдоль оси трубы по линейному закону.В случае трубы кругового профиля граничные условия прилипанияжидкости к твердым стенкам будут выглядеть следующим образом:Скорость жидкой среды u=0 для всехточек удовлетворяющихравенству: 2 + 2 = 2 ,где R – радиус трубы.Интегрирование приведенного уравнения для цилиндрической трубыкругового профиля дает слудующие соотношения для профиля скорости втрубе: = 2 ∆4 2�1 − 2� где∆ – перепаддавления на длине трубы lr – текуший радиус – динамический коэффициент вязкостиУказанная выше формула легко приводится к формуле вычисленияпотерь давления по длине трубы: – плотность жидкости∆ = ���� 2где – диаметр трубы��� – средняя по сечению скорость =64 =– коэффициент трения по длине трубы,����– Число РейнольдсаЧисленный расчет такого простого течения дает первоначальныепредставления о работе пакета гидродинамического моделирования, а такжелегко проверяется по известным формулам.Цель работы:-познакомитсясметодикойгидродинамического моделированияработывпрограммном пакете- получить значение перепада давления в трубе круглого сечения приламинарном режиме течения и сравнить его значение с ткоретическимЗадачи, решаемые в ходе выполнения лабораторной работы:-импортирование3D-моделивпакетгидродинамическогомоделирования STARCCM+- Настройка размеров расчетной сетки и ее построение- настройка физической модели- определение граничных условий- расчет течения и вывод расчетных величин на экран- сравнние полученных результатов с теоретическими расчетамиПорядок выполнения работы:Работа проводится группами студентов по два человека на однорабочее место.1)ИМПОРТ РАСЧЕТНОЙ ОБЛАСТИИмпортируется 3D-модель расчетной области в формате Parasolid(x_t).

Модель представляет из себя область течения внутри цилиндрическойтрубы, т.е. цилиндр длиной 500 мм и диаметром 50 мм.Модель импортируется выбором «Файл->Импорт->Импортповерхностной сетки»После импортирования модель отображается в окне геометрическойсцены:2)ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПОВ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙРасчетная область разбивается на границы по типам. В данной работеиспользуются границы:- скорость на входе- давление на выходе- твердые стенкиПосле загрузки расчетная область состоит из одной границы(Boundary 1). Поэтому до определения типа граничных условий необходиморазбить границу расчетной области на три отдельных границы. Это делаетсяс помощью правого щелчка мыши на Regions > Fluid > Boundaries >Boundary 1и выбором в контекстном мену «Split by Patch».

Необходимовыбрать входную границу и создать из нее отдельную границк под именемInlet. А также выходную границу под именем Outlet.По умолчанию все границы определены как стенки. Изменим типграницы для «Входа» (Inlet) и «Выхода» (Outlet).Выберите папку «Regions > Fluid > Boundaries > Inlet» и задайте «Тип»(Type) как «Скорость на входе»Выберите папку «Regions > Fluid > Boundaries > Inlet» и задайте «Тип»(Type) как «Давление на выходе»3) ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАСЧЕТНОЙ СЕТКИВыбираются модели сеточного генератора как показано на рикнкениже, путем правого щелчка мыши по «модель->Mesh->Выбрать млделипостроения сетки»Во вкладке «Модель->Mesh 1->Справочные величины» настраиваютсяосновные параметры расчетной сетки:- базовый размер 5 мм- толщина пограничного слоя 5 мм- растяжение пограничного слоя 1.2- число призматических ячеек – 54)ПОСТРОЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ СЕТКИНажмите на кнопку «Построить объемную сетку»После построения сетки создайте сцену для отображения сетки путемправого щелчка мыши на «Сцены» и выбором «Новая сцена->Сетка»Правой кнопкой мыши по папке «Производные части» «Новая часть->Сечение->Плоскость» создаем продольное сечение трубы.Всвойствах сеточной сцены во вкладке «Части» выбираем созданноесечение и проводим ВИЗУАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ СЕТКИ.5)ЗАДАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИДале необходимо задать физическую модель течения путм правогощлчка мыши на «Модель-> Physics 1» «Выбрать моделли»Выбираются следующие модели:- стационарная по времени задача- рабочая среда – жидкость- уравнение состояния – постоянная плотность- решатель - разделенный- режим течения – ламинарный.6)ЗАДАНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙОпределяются граничные условия.

На выходе задается давление 0 Па.При расчете несжимаемой жидкости физический смысл имеет перепаддавления между точками расчетной области, поэтому задание абсолютногонуля на выходе из трубы не влияет на результат расчета. На входе задаетсяскорость течения 0,02 м/с для получения ламинарного режима при числеРейнольдса 1000.7)СОЗДАНИЕ ОТЧЕТОВ И МОНИТОРОВПравым щелчком мыши выбираем «Отчеты» и создаем два отчета«Осреднение по поверхности».

Называем из «p_in» и «p_out» В свойствахкоторых выбираем «Части» и выбираем выходную и входную границу дляодного и второго отчета.Во вкладке свойств «Скалярная функция» выбираем «Total Pressure»Функция Total Pressure возвращает значение статического давления искоростного давления: = + 22Далее выделяем оба созданных отчета и правой кнопкой мышивыбираем «Создать монитор и рисунок из отчета». Во всплывающем окневыбираем «Отдельный рисунок».В папке «Мониторы» и «Графики» появились соответствующиеэлементы. Созланные мониторы позволяют видеть численное значениесозданных отчетов в окне выводы, а графики изменение величин во времярасчета.8)СОЗДАНИЕ ВИЗУАЛИЗАЦИИ РАСЧЕТАПравым щелчком мыши по папке «Сцены» создаем сцену дляизображения скаляров.

Во вкладке «Скаляр 1» в свойствах вкладки «Части»выбираем созданное ранее сечение. А во вкладке «Скадярное поле»выбираем «Velocity->Амплитуда»На данной сцене будет показано распределение модуля скоростижидкости в трубе9)ЗАПУС РАСЧЕТАНажмите на кнопку запуска расчетаРасчетпрекращается,когдарасчетныезначениядавлениясущественно не меняются от итерации к итерации.10)АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТАПолученный перепад давления и профиль скорости сравниваете стеоретическими значениями.11)РАСЧЕТ С ИЗМЕНЕННОЙ ДЛИНОЙ НАЧАЛЬНОГОУЧАСТКАДля сокращения длины начального участка вязкость жидкостиизменяется в 1000 раз и расчет проводится заново.

Проводится сравнениерезультатов нового расчета с аналитическим решением.Отчёт по лабораторной работе должен содержать:1.Уравнения динамики жидкости при ламинарном режиме течения2.Фотографии полей распределения скоростей и давлений,полученные расчетным путем3.Аналитический расчет перепада давления в трубе при двухзначениях вязкости жидкости4.Сравнениерезультатованалитического решения. Выводы.численногомоделированияиСписок литературы:1.Лойцянский Л.

Г.Механика жидкости и газа : учебник для вузов /Лойцянский Л. Г. - 7-е изд., испр. - М. : Дрофа, 2003. - 840 с. - (Классики отечественнойнауки). - ISBN 5-7107-6327-6.2.С. Патанкар Численные методы решения задач теплообмена и динамикижидкости – New York: Hemisphere Publishing Corporation, 1980.3.STAR CCM User GuideКонтрольные вопросы:1.Какую топологию могут иметь контрольные объемы расчетнойсетки?2.Почему расчетная сетка вблизи твердых стенок отличается отсетки в ядре потока?3.Какими уравнениями описывается ламинарное течение в трубекруглого сечения?4.Какие граничные условия являются корректными для решениязадачи ламинарного течения в круглой трубе?5.Почему при расчете с водой в качестве выбранной жидкостирезультаты моделирования существенно отличались от аналитическогорешения?Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образования«Московский государственный технический университетимени Н.Э.