Binder1 (Методическое указание ЛР по численному моделированию в StarCCM), страница 6

В то время как при математическоммоделировании задача является идеально симметричной. Поэтому прирасчете приходится вводить искуственную асиметрию, о которой будетсказано в ходе выполнения работы.В работе будут строится линии тока обтекания цилиндра. Уравнениелиний тока имеет следующий вил: == Цель работы- освоить принципы моделирования двухмерных задач- освоить принципы моделирования нестационарных задач.Задачи, решаемые в ходе выполнения лабораторной работы:- импортирование 3D-модели в пакет гидродинамическогомоделирования STARCCM+- Настройка размеров расчетной сетки и ее построение спреобразованием области в двухмерную- настройка физической модели с выбором стационарной моделиидеальной жидкости, а затем нестационарной модели вязкой жидкости- определение граничных условий- расчет течения и вывод расчетных величин на экран- получение вихревой дорожки с расчетом ее основных параметровПорядок 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).Расчётная область представляет из себя тонкую пластину с вырезаннымцилиндром.

Плоскость пластины перпендикулярна оси Z. Жидкость движетсявдоль оси X.Выполнимимпортповерхностиизатемзададимнастройки,необходимые для запуска построителя сетки из многогранных ячеек ипостроителя призматических слоев для получения объемной сетки.- Создайте поддиректорию для лабораторной работы с именем carman.- Скопируйте файл Carman.x_t в рабочую директорию.- Запустите STAR-CCM, и выберите пункт меню «Новый расчет»- Выберите «Файл > Импорт > Импорт поверхностной сетки».- Используйте инструменты навигации в диалоговом окне для выборарабочей директории и выберите из списка файл Carman.x_t.- Нажмите на кнопку «Открыть».Появится диалоговое окно «Параметры импортируемой поверхности».- В этом диалоговом окне выберите «Создать новую область». Остальныенастройки оставьте по умолчанию.- Убедитесь, что в диалоговом окне отмечена галочкой опция«Открыть сцену геометрии после импорта?».После импортирования модель отображается в окне геометрическойсцены.2)ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПОВ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙТеперь подготовим поверхности для построения сетки, используяинструменты сеткопостроения.

Поверхность, импортированная изParasolid файла, имеет множество частей. Необходимо разделитьимпортированные поверхности, чтобы различные свойства сетки (ифизические свойства) могли быть применены к различным частяммодели.- Откройте папку «Области» и переименуйте регион «Body 1» в«Fluid»,- Откройте папку «Области > Fluid> Границы» и нажмитеправой кнопкой мыши на «Boundary 1» и выберете «Разбить по пути»Появится диалоговое окно «Разделить границы по пятнам».Выполните следующие действия в этой панели:- Выберете входную грань под номером 2, назовите ее «inlet» исоздайте границу- Выберете выходную грань под номером 4, назовите ее «outlet»и создайте границу- Выберете боковые грани под номером 6 и 8, назовите их«symmetry» и создайте границу- Выберете верхнюю и нижнюю грани под номером 3 и 5,назовите их «slipwall» и создайте границу- Нажмите кнопку «Закрыть»- Оставшуюся границу «Boundary 1» переименуйте в «wall»Дерево модели должно выглядеть следубщим образомОбратите внимание, что имена границ являются строковымипостоянными, и поэтому могут быть названы произвольным образом.Желательно только использовать латиницу в именах границ.Выбор типа границы на данном этапе важен, поскольку влияет нато, какая граница имеет призматические слои, построенные на ней, акакая нет.

Все типы границ, кроме стенок, говорят о том, что поумолчанию на них не будут созданы призматические слои.Будем использовать следующие типы границ:Имя границыНовый типinletСкорость на входеoutletДавление на выходеsymmetryПлоскость симметрииWall, slipwallТвердая стенкаГраницу импа плоскость симметрии будем использовать толькоради корректного преобразования трезмерной сетки в двухмерную.Чтобы задать тип границ, выполните следующие действия:- В дереве моделирования выберите элемент «inlet» и выберитеопцию «Скорость на входе» в выпадающем меню «Тип» (Type).- Проделайте то же самое для остальных границ, используязначения типов приведенных в таблице вышеПо 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 «Модель> Сетка 1 > Модели» ивыберите «Выбрать модели построения сетки» в выпадающем меню.Появится диалоговое окно «Сетка 1 Выбор моделей».

В этом окневыполните следующие действия:- Выберите модель «Разбиение поверхности» в группе «Поверхностнаясетка»- Выберите «Генератор многогранных ячеек» в группе «Объемная сетка».- Выберите «Генератор призматических слоев» в группе «Дополнительныемодели».- Нажмите на кнопку «Закрыть».Список выбранных моделей можно просмотреть, выбрав папку «Сетка 1 >Модели».Чтобы посмотреть глобальные опорные величины, требуемые длявыбранных моделей сеткопостроителей, откройте папку «Опорныевеличины».

Отобразится список со следующими данными:Чтобызадатьпараметрыопорныхзначений,нажмитенасоответствующую папку и введите нужное значение. Например, чтобызадать базовое значение, выполните следующее:- Нажмите на папку «Опорные величины > Базовый размер» и задайтезначение 5 мм.В данной работе будут использоваться следующие параметрысеткопостроения:ПараметрСвойствоВеличинаБазовый размерЗначение5ммТолщинаАбсолютный20 ммЗначение1.05призматических слоевРастяжениепризматического слояЧисло призматических Значение20слоевКроме настройки базовых величин в данной модели необходимосделать некоторые дополнительные настройки. Желательно сгуститьрасчетную сетку на поверхности обтекаемого цилиндра, а такжеотключить генератор призматического слоя на верхней и нижнейгранице, так как на них впоследствии будет отключено условиеприлипания жидкости, а значит пограничный слой образовываться небудет.- Откройте папку «Области > Fluid > Границы > wall > Условиясетки» для просмотра доступных опций.Мы будем использовать опции «Задать размер на поверхности»для данного случая.- Нажмите на элемент «Задать размер на поверхности» ивключите опцию (отметьте галочкой) «Задать размер на поверхности».Теперь можно задать величины для границы.- Выберите элемент «wall> Сеточные значения» для отображениядоступных параметров.- Выберите элемент «Размер на поверхности > Относительныйминимальный размер» и задайте величину «Процент от базы» как 10.0.- Выберите элемент «Размеры на поверхности > Относительныйжелаемый размер» и задайте величину «Процент от базы» как 20.0.Чтобы отключить генерацию пограничного слоя на верхней и нижнейгранице откройте папку «Области > Fluid > Границы > slipwall > Условиясетки» для просмотра доступных опций.- Нажмите на элемент «Задать параметры призматической сетки» ивыберите опцию «Запретить».Нажмите кнопку «Генерировать объемную сетку» и дождитесьокончания построения сетки.Для визуализации построенной сетки нажмите правой кнопкой мышипо папке «Сцены» и выберите «Новая сцена -> сетка»4) ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЕТКИ В ДВУХМЕРНУЮРасчет задачи на двухмерной сетке существенно сократит времярасчёта и потребные вычислительные ресурсы.Выберете вкладку «Сетка -> Конвертировать в 2D»Обратите внимание, что для успешного преобразования расчетнойсетки в двузмерную необходимо, чтобы одна из границ расчкетной областиледала в плоскости Oxy.Для визуализации расчетной сетки нажмите правой кнопкой мыши попапке «Сцены» и выберите «Новая сцена -> Сетка»На экране появится следующая картинаОбратите внимание, что в дереве модели появились новые элементы«Fluid 2D» и «Physics 1 2D»5)ЗАДАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТАТЕЧЕНИЯ ИДЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ВОКРУГ ЦИЛИНДРАДале необходимо задать физическую модель течения путем правогощелчка мыши на «Модель-> Physics 1 2D» «Выбрать модели»Выбираются следующие модели:- стационарная по времени задача- рабочая среда – жидкость- уравнение состояния – постоянная плотность- решатель - разделенный- режим течения – невязкий6)ЗАДАНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ ДЛЯ РАСЧЕТАТЕЧЕНИЯ ИДЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ВОКРУГ ЦИЛИНДРАВ данной задаче существуют три типа граничных условий.

На входезадается постоянная скорость набегающего потока. Для получения картиныобтекания цилиндра идеальной жидкостью теоретически можно задаватьлюбое значение скорости, решение при этом только масштабируется, но всвязи с применением численного метода лучше задавать небольшие значенияскорости для уменьшения численной ошибки при расчете. Поэтому зададимскорость на входе равной 0,001 м/с.Значение давления на выходной границе оставим по умолчаниюравным 0 Па.Граничные условия на твердой стенке при расчете идеальной жидкостипредполагают равенство нулю нормальной составляющей скорости настенке.7)РАСЧЕТ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕЧЕНИЯСоздайте скалярную сцену скоростей обтекания нажав правой кнопкоймыши на папку «Сцены» и выбрав в меню «Новая сцена -> Скаляр»Во вкладке «Скаляр 1 -> Скалярное поле -> Функция» выбираем«Velocity->Амплитуда»Нажмите кнопку запуска расчета «Выполнить»Откройте созданную скалярную сцену и убедитель, что решение непретерпевает существенных изменений после некоторого числа проденныхитераций.Заметьте, что скорость в верхней и нижней части цилиндра равнаудвоенной скорости набухающего потока, что и следует из теоретическихрешений.Измените скалярную функцию сцены на «pressure» и оценитераспределение давления при обтекании круглого цилиндра.

Распределениедавления вокруг цилиндра симметрично относительной обеих осей. Давлениев лобовой части цилиндра равно половине произведение плотности жидкости(по умолчанию 1000 кг/м3) на квадрат скорости набегающего потока – 0,0005Па, что также согласуется с теоретическими результатами.Течение ижеальной жидкости хорошо визуализируется с помощьюоиниц тока. Для их построения нажмите правой кнопкой мыши на папку«Производные части» и выберете «Линия тока».В открывшемся окне выбирете все настройки как показано на рисункениже. А именно выбирете начальную часть «fluid 2D: inlet». U-разрегениеизмениете на 100, а V-разрешение на 1.Тем самым мы будем строить линии тока (а именно интегрироватьуравнение линии тока) от входной границы, а их количество будет равнятся100.После нажатия кнопки «Применить» окно отображений будетвыглядеть следующим образом:Появивщеяся вторая линейка цвета говорит о том, что на линиях токатакже можно выводить любую скалярную функцию.Нажмите правой кнопкой мощи по синей линейке цвета и вовсплывающем окне выберете «Velocity->Амплитуда».В настройках скалярной чцены нажмите правой кнопукой мыши навкладку «Скаляр 1» и во всплывающем окне выбирете «Переключательвтдимости» для скрытия поля давления.Окно изображений будет выглядеть следующим образом:После расчета течения идеальной жидкости вокруг цилиндранеобходимо перейти к расчету вязкого обтекания.8)ЗАДАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТАТЕЧЕНИЯ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ ВОКРУГ ЦИЛИНДРАНажмите правой кнопкой мыши на вкладку «Модель-> Physics 1 2D» иво всплывающем меню выбираете «Выбрать модели».В открывшемся меню снимите выделение с моделей «Стационарный»и «Невязкий» и выберете «Нестационарный (неявный)» и «Ламинарный».Нестационарный расчет выбран с целью возмжности получениянестационарной вихревой дорожки за цилиндром.Зайдите во вкладку «Решатели->Нестационарный (неявный)» иизмените в окне свойств шаг по времени на 1с.При расчете течения вязкой жидкости желательно убрать условиеприлипания жидкости к верхней и нижней границе, поэтому зайдите вовкладку «Области->Fluid 2D->Границы->slipwall->Физические условия>задания сдвиговых напряжений» и выбирете в окне свойств «Скольжение».Тем самым мы уменьшим влияние этих границ на течение вокруг цилиндра.Дляполучениявихревойдорожкинеобходимоввестивматематическую модель начальную несимметрию.