Binder1 (Методическое указание ЛР по численному моделированию в StarCCM), страница 2

Баумана»ЛОМАКИН В.О.ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ВКЛАПАНЕМетодические указаниядля выполнения лабораторной работыпо дисциплине"Механика жидкости и газа"2014ВведениеРасчеттурбулентныхтеченийвэлементахгидроавтоматикипредставляет серьёзную инженерную задачу. Присутствие плохообтекаемыхэлементов и малых зазоров требуют аккуратности при построениирасчетной сетки.Выбор модели турбулентности также является самостоятельнойзадачей, требующей вдумчивого решения.Расчеты подобного рода позволяют определять коэффициентысопротивления элементов гидроавтоматики без проведения многочисленныхнатурных испытаний или использования неточных аналитическихзависимостей.В общем виде уравнения динамики несжимаемой вязкой среды длятурбулентного режима течения с использованием k-omega моделитурбулентности выглядят следующим образом:Уравнение неразрывности жидкой среды:������ ���++= 0,� – осредненные по времени проекции скоростей жидкости насоответствующие оси.Уравнение изменения количества движения осредненное по времени:������̅() � + � � = − + � − 〈 〉�;где � ̅ - осредненные скорость и давление;()� = 2̃ - тензор вязких напряжений для несжимаемой жидкости;̃ =���1 [2 +���]- тензор скорости деформации;〈 〉 – Рейнольдсовы напряженияСистема уравнений Рейнольдса является незамкнутой в связи сналичием неизвестных Рейнольдсовых напряжений.

Замыкание системыпроизводится с использованием k-ω модели турбулентности. Данная модельсочетает в себе преимущества как k-ω, так и k-ε модели. В пристеннойобласти используется k-ω модель, а в ядре потока k-ε модель.Данная модель включает в себя два уравнения переноса параметровтурбулентности.Уравнение переноса кинетической энергии турбулентности: =22+ �2′ �+�′ �+�′ ��2= − ∗ +�( + ) �;– кинетическая энергия турбулентностиu′i - пульсации скорости – член генерации энергии турбулентности – относительная скорость диссипации турбулентности – турбулентная вязкостьУравнение переноса относительной скорости диссипации энергиитурбулентности:1 + �= 2 − 2 +�( + )� + 2(1 − )2 Рейнольдсевы напряжения в уравнениях динамики находятся наоснове гипотезы Буссинеска:������ ����1 21 +�− � − 3 32 〈 〉 = 2 � � – символ КронеккераПри использовании эмпирических коэффициентов замыкания данныхуравнений можно получить численное решение турбулентного теченияжидкости в расчетной области.Как и любое местное гидравлическое сопротивление клапан обладаетсвоим коэффициентом местного сопротивления, определяемого изсоотношения:∆ = 22Цель работы- познакомится с возможностями моделирования турбулентныхтечений- получить коэффициент сопротивления запорно-регулирующегоэлемента при трех значениях протекающего расхода.Задачи, решаемые в ходе выполнения лабораторной работы:- импортирование 3D-модели в пакет гидродинамическогомоделирования STARCCM+- Настройка размеров расчетной сетки и ее построение с созданиемобласти экструзии- настройка физической модели с выбором модели турбулентности- определение граничных условий- расчет течения и вывод расчетных величин на экран- расчет коэффициента сопротивления клапанаПорядок 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. Контрольный клапанпоказан в практически закрытом положении. Поток входит в ближайшийконец геометрии и выходит из дальнего конца геометрии. Будетиспользована только половина геометрии по причине ее симметричности.Все необходимые поверхности, границы и кривые свойств будут заданы какчасть процесса сеткопостроения..Выполним импорт поверхности и затем зададим настройки, необходимыедля запуска построителя сетки из многогранных ячеек ипостроителяпризматических слоев для получения объемной сетки.- Создайте поддиректорию для лабораторной работы с именем control_valve.-Скопируйтефайлcontrol_valve.stlизустановочнойдиректории/doc/startutorialsdata/mesh/data в Вашу рабочую директорию.- Запустите STAR-CCM+ способом, и выберите пункт меню «Новый расчет»(New Simulation).- Выберите «Файл > Импорт > Импорт поверхностной сетки» (File > Import> Import Surface Mesh).- Используйте инструменты навигации в диалоговом окне для выборарабочей директории и выберите из списка файл control_valve.stl,- Нажмите на кнопку «Открыть» (Open).После импортирования модель отображается в окне геометрическойсцены.Появится диалоговое окно «Параметры импортируемой поверхности»(Import Surface Options).- В этом диалоговом окне выберите «Создать новую часть» (Createnew Part) в режиме импортирования (Import Mode) и установите дюймы(inches) для единиц измерения (Units).- Убедитесь, что в диалоговом окне отмечена галочкой опция«Открыть сцену геометрии после импорта?» (Open geometry scene afterimport?).2)ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПОВ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙТеперьподготовимповерхностидляпостроениясетки,используя инструменты сеткопостроения.

STL файл имеет толькоодну часть (Patch), что означает, что только одна поверхность будетсоздана при импортировании любого файла. Необходимо разделитьимпортированную поверхность, чтобы различные свойства сетки (ифизические свойства) могли быть применены к различным частяммодели.- Выберите папку «Геометрия > Части > control_valve >Поверхности > control_valve» (Geometry > Parts > control_valve >Surfaces > control_valve).- Нажмите правой кнопкой мыши и выберите в выпадающемменю «Разделить по углу» (Split by Angle).Появится диалоговое окно «Разделить поверхности по углу»(Split Part Surfaces by Angle). Выполните следующие действия в этойпанели:- Убедитесь, что поверхность control_valve была выбрана.- Задайте величину «Угла (градусы)» (Angle (degrees)) как 45.- Нажмите «Применить» (Apply), затем «Закрыть» (Close).В дереве моделирования появятся новые поверхности.Некоторые поверхности будут повторно объединены с цельюупрощения задания настроек.

Сначала мы объединим все внешниеповерхности стенки:- Выберите control_valve 2, нажмите и удерживайте кнопку<Ctrl> на клавиатуре и затем выберите select control_valve 4,control_valve 5, control_valve 6 и control_valve 11. Поскольку Вывыбрали все границы по очереди, они будут подсвечены вграфическом окне.- Нажмите правой кнопкой мыши на control_valve 2 и выберите«Объединить» (Combine) из выпадающего меню.Все выделенные поверхности будут объединены в control_valve2:- Выберите control_valve 7, control_valve 8, control_valve 9, andcontrol_valve 10, которые являются стенками клапана.- Нажмите правой кнопкой мыши на control_valve 7 и выберите«Объединить» (Combine) из выпадающего меню.Все выделенные границы будут объединены в control_valve 7На данном этапе должно получиться пять поверхностей.Измените их имена в соответствии с таблицей ниже:Для создания острых ребер и характерных особенностей вповерхностных и объемных сетках в импортируемую геометриюнеобходимо добавить характерные кривые.

Поскольку поверхностиSTL не имеют характерных ребер, создадим новые ребра на основекритериев угла.- Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Части >control_valve > Кривые» (Parts > control_valve > Curves) и выберите«Рассчитать кривые части» (Compute Part Curves) из выплывающегоменю.Появится диалоговое окно «Сеточные опции кривых» (Mesh PartCurves Options). В его панели сделайте следующее:- Откройте выбранные части в дереве и убедитесь, что все частивыбраны.- Отмените выбор всех опций, за исключением «Отмечатьострые ребра» (Mark Sharp Edges) в группе «Опции кривой» (PartCurve Options).- Задайте «Угол острого ребра» (Sharp Edge Angle) на 20.Теперь мы можем приступить к созданию областей иопределить подходящие типы границ.Чтобы создать область из частей:- Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Части >control_valve» (Parts > control_valve) и выберите «Назначить частиобластям» (Assign Parts to Regions) из выпадающего меню.- В диалоговом окне «Назначить части областям» (Assign Parts toRegions) задайте следующие параметры:Остальные настройки отставьте заданными по умолчанию.Нажмите на кнопку «Создать области» (Create Regions), затем«Закрыть» (Close).Таким образом, будут созданы области и границы.

Выбор типаграницы на данном этапе важен, поскольку влияет на то, какаяграница имеет призматические слои, построенные на ней, а какая нет.Все типы границ, кроме стенок, говорят о том, что по умолчанию наних не будут созданы призматические слои.Будем использовать следующие типы границ:Имя границыПлоскость симметрииНовый типПлоскость симметрииСтенкаСтенкаВходСкорость на входеСтенка клапанаСтенкаВыходДавление на выходеЧтобы задать тип границ, выполните следующие действия:- В дереве моделирования выберите элемент «Плоскостьсимметрии» (Symmetry Plane) и выберите опцию «Плоскостьсимметрии» (Symmetry Plane) в выпадающем меню «Тип» (Type).- Проделайте то же самое для остальных границ в таблице.По завершению обновленный список границ будет выглядетьследующим образом:3) ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАСЧЕТНОЙ СЕТКИМы будем использовать в данном примере разбиение поверхности игенератор многогранных ячеек вместе с генератором пристеночных слоев.- Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Континуумы» (Continua) ивыберите «Новый > Сеточный континуум» (New > Mesh Continuum).- Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Континуум > Сетка 1 >Модели» (Continua > Mesh 1 > Models) и выберите «Выбрать моделипостроения сетки» в выпадающем меню.Появится диалоговое окно «Сетка 1 Выбор моделей» (Mesh 1 ModelSelection).

В этом окне выполните следующие действия:- Выберите модель «Разбиение поверхности» (Surface Remesher) в группе«Поверхностная сетка» (Surface Mesh).- Выберите «Генератор многогранных ячеек» (Polyhedral Mesher) в группе«Объемная сетка» (Volume mesh).- Выберите «Генератор призматических слоев» (Prism Layer Mesher) вгруппе «Дополнительные модели» (Optional Models).- Нажмите на кнопку «Закрыть» (Close).Список выбранных моделей можно просмотреть, выбрав папку «Сетка 1 >Модели» (Mesh 1 > Models).Чтобы посмотреть глобальные опорные величины, требуемые длявыбранных моделей сеткопостроителей, откройте папку «Опорныевеличины» (Reference Values).