Методические указания по выполнению лабораторных и курсовых работ. Молчанов А.М., Холодов П.В. 2013, страница 8

Подготовка расчетной модели и запуск расчетаДля полного математического описания какого-либо конкретногофизического процесса необходимо определить его условия однозначности.В эти условия входят геометрические параметры, характеризующие формуи размеры области, в которой протекает процесс, физические свойства, атакже краевые условия, подразделяющиеся на начальные (определяющиесостояние исследуемой области перед началом исследования) и граничные(определяющие условия протекания процесса на границах области). [4]Для решения данной задачи определение начальных и граничныхусловий, а также выбор уравнений, которые будут описывать исследуемоеявление, и методов их решения будет производиться в программном блокеANSYS Fluent.

Этот программный блок включает в себя пре- и постпроцессор для решения задач гидрогазодинамики и тепломассобмена иотносится к программным комплексам так называемого «тяжелого класса»,благодаря своим широким возможностям, успешно применяющимся какдля решения инженерных задач, так и для научных исследований.1) Для завершения подготовки расчетной модели и запуска ее на расчетнеобходимо открыть программу FLUENT 14.0 через меню Пуск – ANSYS14.0 – Fluid Dynamics. В появившемся при запуске окне необходимовыполнить следующие настройки (рисунок 19):а) под надписью Dimensions указать размерность задачи (в данномслучае это 2D);б) под надписью Options поставить метку рядом со строкой DoublePrecision двойная точность);б) в случае запуска расчета для серийного режима под надписьюProcessing Options необходимо оставить по умолчанию метку напротивстроки Serial. Это означает, что для расчета будет задействовано только53одно ядро процессора (или один поток). При наличии возможности запускарасчета в параллельном режиме необходимо переставить метку в строкуParallel и указать количество частей (Number of Processes), на котороебудет разделено решение при расчете.Рисунок 19.

Настройки окна запуска ANSYS Fluent.Простой пример: при наличии четырехядерного процессора приотсутствии опции разделения по потокам для полной его загрузкинеобходимо указать число 4, а при наличии разделения ядер по потокам –8.Рекомендуется распараллеливать расчет таким образом, чтобы решательмог четко определить границы раздела. Это можно проиллюстрироватьследующим образом: При делении расчета на 2 части каждый изпроцессоров (потоков) будет рассчитывать 0,5 расчетной области, а затемэти части будут сопрягаться между собой технологией распараллеливания.При разделении расчетной области между 3 процессорами каждый из нихбудет получать решение для 0,3333333… расчетной области. При такомразбиении решатель не может четко определить границы расчетной54области для каждого из них, и при получении общего решения могутвозникать проблемы.После завершения всех необходимых настроек следует нажать наклавишу OK.

После этого запустится непосредственно программа ANSYSFluent. Рабочее окно этой программы состоит из следующих частей(рисунок 20):Рисунок 20. Общий вид рабочего окна программы ANSYS Fluent.а) панель управления программой;б) окно, в котором отображаются необходимые данные (расчетнаясетка, графики невязок, выводимые результаты и т.д.);в) командная строка, через которую вводятся отдельные команды длянастройки модели или программы и выводятся сообщения о производимыхоперациях;г) дерево проекта, в котором отражены основные составляющие работыс моделью;д) окно детальной настройки элемента, выбранного в дереве проекта п.4.2) Необходимо загрузить файл с построенной расчетной сеткой. Этоможно сделать через меню File – Read – Mesh… При загрузке сетки в полекомандной строки будет выводиться последовательность ее обработки.553) Логика построения меню программы ANSYS Fluent отражает общуюпоследовательность подготовки модели к расчету, поэтому при построениимодели необходимо двигаться последовательно от этапа к этапу.Прежде всего, необходимо убедиться еще раз в надлежащем качествесетки для расчета, проверив ее на отсутствие ячеек с отрицательнымобъемом (при наличии таких ячеек расчет не сможет быть произведен).

Впрограмме ANSYS Fluent присутствуют собственные инструменты дляработы с конечно-объемной сеткой, поэтому проверку можно произвестинажатием ЛКМ на кнопку Check и просмотром команд, выводимых вкомандной строке (рисунок 21). Как показано на рисунке, минимальныйобъем и минимальная площадь ячейки расчетной сетки должна бытьположительной.4. Далее необходимо произвести следующие основные настройки дляопределения главных свойств модели:а) в окне настроек General под надписью Time необходимо поставитьметку напротив строки Transient, определив нестационарный тип расчета.Остальные настройки следует оставить по умолчанию, так, как это указанона рисунке 20.Рисунок 21.

Окно настроек General.5) После этого следует перейти в дереве проекта на вкладку Models, гдебудут заданы условия, определяющие тип решаемых уравнений прирасчете.56Для выбора используемой модели турбулентности необходимо 2 разанажать на строку с надписью Viscous в окне настроек Models. Впоявившемся окне Viscous Model необходимо выбрать модель TransitionSST (4 eqn) и нажать ОК, оставив остальные настройки текущей моделитурбулентности без изменения. Все остальные настройки в окне Modelsтакже следует оставить по умолчанию.После редактирования вкладки Models установленные настройкиозначают, что для решения текущей задачи будут использованы уравнениятурбулентного течения вязкой жидкости в изотермической постановке.6) Для определения физических свойств цилиндра и рабочего теланужно перейти на вкладку Materials.

Как можно увидеть, в этой вкладкесуществуют два подраздела -Fluid и Solid, т.к. ANSYS Fluentподдерживает технологию сопряженных расчетов тепломассообмена. Вданнойзадачетвердоетеломоделироватьсянебудет,поэтомусосредоточим внимание на части Fluid. По умолчанию в ней добавлентолько один материал – воздух (air). Для просмотра свойств этогоматериала необходимо выделить его ЛКМ и нажать на кнопку Create/Edit.В появившемся окне будут отображены два свойства – плотность (density)и динамическая вязкость (viscosity). Убедившись, что численные значенияфизических свойств заданы правильно, нужно закрыть это окно нажатиемкнопки Close, оставив их без изменения.

Задание плотности как константысвидетельствует о том, что в задаче будет использована гипотеза одвижении несжимаемой среды.7) Для применения выбранной модели рабочего тела к расчетнойобласти необходимо добавить его в элементе Cell Zone Conditions.Поскольку в рамках задачи была оставлена модель рабочего тела поумолчанию, то в этом элементе ничего изменять не следует. Тем не менее,при решении других задач в случае выбора одного или нескольких другихрабочих тел необходимо присваивать их соответствующим частямрасчетной сетки.57Итак, для начала нужно проверить, что в окне элемента Cell ZoneConditions под надписью Type стоит вкладка Fluid.

Затем необходимовыделить строку с надписью fluid в окне Zone, нажать на кнопку Edit иубедиться, что в появившемся окне настроек в строке Material Nameуказано рабочее тело air. После этого нужно закрыть окно настроекнажатием ЛКМ на кнопку Close.8) Перед началом настройки граничных условий (ГУ) нужно задатьопределяющее давление в расчетной области. От этого давления затембудут отсчитываться параметры на всех границах домена. Для этого нужноперейти на вкладку Boundary Conditions и в окне настроек этого элементапроекта нажать на кнопку Operating Conditions. В открытом окненеобходимо убедиться, что задано давление, равное 101325 Па.Оставляем все настройки без изменения и нажимаем на кнопку OK,выходя в главное окно элемента Boundary Conditions.9) Далее необходимо определить граничные условия.

Выбираем строкус надписью inlet. По умолчанию ей придан тип velocity-inlet, оставим егобез изменений и перейдем в непосредственную настройку граничногоусловия нажатием на кнопку Edit.10) В открывшемся окне настроек в графу с надписью VelocityMagnitude нужно ввести значение 1,1 м/с (см. таблицу 1). Во вкладкеTurbulence в том же окне напротив надписи Specification Methodнеобходимо выбрать опцию Intermittency, Intensit and HydraulicDiameter. В графе напротив Turbulent Intensity (%) нужно ввести 0,5, а вграфе напротив Hydraulic Diameter – 0,02 м (соответствующее диаметруцилиндра).

Все произведенные настройки можно увидеть на рисунке 22.58Рисунок 22. Настройки граничного условия inlet.После проверки закрываем окно ГУ inlet кнопкой OK.11) После настроек граничного условия на входе необходимоопределить его на выходе. Выделяем строку outlet и присваиваем ей статусpressure-outlet. Нажимаем кнопку Edit, и в окне настроек на вкладкеSpecification Method выбираем вкладку Intermittency, Intensity andHydraulic Diameter. Вводим те же настройки, что и в ГУ inlet - в графеTurbulent Intensity (%) вводим 0,5, а в графе напротив Hydraulic Diameter –0,02 м.

После этого нажимаем на кнопку OK.12) Далее проверяем остальные граничные условия. Границе symпридаем тип ГУ symmetry, границе wall присваивается одноименный тип.Отметим, что ANSYS Fluent присваивает границам типы, ориентируясь наих имена, что позволяет сэкономить время при настройке ГУ.Мы завершили настройки граничных условий. Теперь необходимоопределить начальные условия, параметры решения выбранной системыуравнений и установки для запуска на расчет.13) Сначала определим параметры расчета.

Для этого переходим навкладку Solution Methods в дереве проекта.Расчет отрывного вихревого течения связан с достаточно большимисложностями. Поэтому для точного отражения картины течения иполучения достоверных результатов необходимо использовать высокийпорядок аппроксимации основных уравнений.59Настроим параметры пространственной дискретизации. В окне поднадписью Spatial Discretization во вкладке Gradient выбираем опциюGreen-Gauss Node Based.В ANSYS Fluent используется модифицированный метод контрольныхобъемов, центрированных по ячейкам. Это означает, что ячейкигеометрической сетки совпадают с ячейками сетки, используемойпрограммой для расчета. Некоторая слабость такого метода заключается втом, что в нем присутствует погрешность при определении параметров,искомых по центрам контрольных объемов, зато повышена точностьопределения параметров, искомых в узлах ячеек (таких, как, например,градиенты скорости, давления и т.д.).