Руководство по решению тепловых, сопряженных, гидрогазодинамических задач (1050672), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Основы анализа во FLOTRANе2.1. Характеристика элементов, используемых во FLOTRANеЭлементы ANSYS FLOTRAN, FLUID141 и FLUID142, решают распределение температуры идавления в двухмерных и трехмерных потоках для однофазной вязкой жидкости. Для этихэлементов программа ANSYS вычисляет компоненты скорости, давление и температуру всоответствии с законом сохранения массы, импульса и энергии.Двумерные элементыЭлемент РазмерностьГеометрия илиСтепень свободыхарактеристикаFLUID1412-DКвадратичный, четыре узлаилиТреугольник, три узлаСкорость потока, давление,температура,кинетическая энергиятурбулентностидиссипация турбулентнойэнергиимногокомпонентные жидкости(до 6 компонент)FLUID1423-DШестигранник, 8 узловЧетырехгранник, четыреузлаПирамида, 5 узловСкорость потока, давление,температура,кинетическая энергиятурбулентностидиссипация турбулентнойэнергиимногокомпонентные жидкости(до 6)2.1.1 Описание элемента FLUID141Элемент FLUID141 можно использовать для моделирования стационарных илинестационарных тепловых систем, которые включают в себя как жидкие, так и твердыеобласти.
В жидкой области решаются уравнения сохранения для потока вязкой жидкости иэнергии, тогда как в твердой области решается только уравнение энергии. Используйте этотэлемент FLOTRAN CFD для расчета гидравлических параметров и распределениятемператур потока в двумерных задачах (в случае одномерной задачи используйте элементFLUID116). Также элемент FLUID141 можно использовать в анализе взаимодействияжидкость – твердое тело.Для элементов FLOTRAN CFD скорости определяются в соответствии с законом сохраненияимпульса, давление определяется в соответствии с законом сохранения массы, температураопределяется в соответствии с законом сохранения энергии.Используется решатель, реализующий раздельный последовательный алгоритм, сутькоторого заключается в раздельном решении для каждой степени свободы (температуры,давления, скорости и т.д) системы матриц полученных конечно элементной дискретизациейосновного уравнения.
Задача течения жидкости нелинейна и основные уравнения связаныдруг с другом.199Последовательное решение всех основных уравнений с обновлением свойств зависящих оттемпературы или давления составляет глобальную итерацию. Количество глобальныхитераций, необходимых для достижения сходящегося решения может значительноварьироваться в зависимости от решаемой задачи.Транспортные уравнения могут быть решены для жидкости, содержащей до 6 компонент.Вы можете решить систему уравнений во вращающейся при постоянной угловой скоростисистеме координат. Степени свободы – скорости, давление и температура. Два турбулентныхпараметра, кинетическая энергия турбулентности и рассеяние (диссипация) кинетическойэнергии турбулентности, вычисляются, если вы определили свою модель как турбулентную.Для осесимметричных моделей можно рассчитать вихрь – скорость по оси Z (скорость,направленная по нормали к плоскости модели; эту скорость обозначают VZ).
Эту скоростьможно также задать в качестве граничного условия (перемещающаяся стенка).Двумерный жидкостно – тепловой элемент FLUID1412.1.1.1 Исходные данные.Выше на рисунке показана геометрия, расположение узлов и система координат элементаFLUID141. Элемент задается тремя узлами (треугольник) или четырьмя узлами(четырехугольник) и свойствами изотропного материала.Координатная система выбирается в соответствии со значением KEYOPT(3) и может бытьпрямоугольной, осе симметричной или полярной.Анализ взаимодействия жидкость – твердое тело задавайте командами SF, SFA, SFE, илиSFL и поверхностным граничным условием FSIN. Вы должны задать один и тот же номерграницы раздела жидкости и твердого тела (контактирующих друг с другом), где имеетместо передача нагрузки (например, теплового потока).
Более подробную информацию посовместному анализу смотрите в Sequentially Coupled Physics Analysis (последовательныйанализ сопряженных явлений) в ANSYS Coupled-Field Analysis Guide (Руководство посопряженному анализу в ANSYS).2.1.1.2 Элемент жидкостиЕсли номер материала [MAT] элемента FLUID141 равен 1, то этот материал рассматриваетсякак элемент жидкости. Его свойства – плотность, вязкость, теплопроводность и теплоемкостьзадаются серией команд FLDATA. Можно анализировать только одну жидкость, и онадолжна быть однофазной.
Теплопроводность и теплоемкость необходимы только в томслучае, если решаемая задача является по своей природе тепловой. Свойства могут бытьфункцией температуры, которая задается командой FLDATA7,PROT или посредством базыданных свойств (файл floprp.ans). Также плотность может зависеть от давления (по законуидеального газа) если текучая среда является газом.200Доступны 6 моделей турбулентности (стандартная к-ε модель, 4 расширения стандартной к-εмодели и турбулентная модель нулевого уравнения). Вы можете активировать модельтурбулентности командой FLDATA1,SOLU,TURB,T.Опция KEYOPT(1) активирует модель многокомпонентной среды.
Эта опция позволяетотслеживать поведение до шести разных компонент основной жидкости. KEYOPT(4)позволяет использовать смещения для задания движения границ при использованиипроизвольной формулировки Лагранжа Эйлера (ALE). Необходимо задать вещественныеконстанты только в случае, если в модели присутствует распределенное сопротивление илимоделируется вентилятор.2.1.1.3 Распределенное сопротивление.Распределенное сопротивление является удобным способом приближения эффектапористого проводника (например, фильтра). Распределенное сопротивление – этоискусственно наложенная помеха, связанная с не явно смоделированной геометрией.
Любойэлемент жидкости с распределенным сопротивлением будет иметь соответствующуювещественную константу равную 1.Сопротивление потоку, смоделированное как распределенное сопротивление, может иметьместо вследствие одного из следующих факторов или комбинации факторов: локальнаяпотеря напора (K), коэффициент трения (f) или проницаемость (C). Общий градиентдавления является суммой трех составляющих, как показано ниже для направления по оси X.где:ρ = плотность (масса/объем)µ = вязкость (масса/(длина*время))RE = локальное число Рейнольдса (вычисляется программой): RE = ( ρ V Dh) / µf = коэффициент трения (вычисляется программой): f = a RE-bC = проницаемость FLOTRANа (1/length2). Проницаемость FLOTRANа есть величинаобратная внутренней или физической пронициаемости.Если в области распределенного сопротивления присутствуют большие градиенты скорости,следует отключить модель турбулентности установкой ENKE = 0 и ENDS = 1 в этой области.Неньютоновские вязкостные модели также доступны для этого элемента.
В настоящиймомент ANSYS располагает моделями Power Law, Bingham и Carreau.ANSYS также позволяет использовать пользовательскую подпрограмму, предназначеннуюдля вычисления вязкости. Документация подпрограммы UserVisLaw приведена в ANSYSGuide to User Programmable Features (Руководство ANSYS по пользовательским средствампрограммирования).2.1.1.4 Модель вентилятора.Модель вентилятора является удобным способом приближения эффекта вентилятора илинасоса в потоке. Это искусственно наложенный источник движущей силы, которыйобеспечивает параметры, связанные с неявно смоделированным насосом или вентилятором.Прирост давления, связанный с моделью вентилятора задается с помощью вещественныхконстант как произведение градиента давления на длину потока. Для однонаправленноймодели вентилятора (вещественная константа TYPE = 4) задаются три коэффициента.Градиент давления может быть задан как квадратичная функция скорости, как показанониже для направления по оси X.201V – скорость жидкости, коэффициенты C1, C2 и C3 задаются как вещественные константы.Для произвольного направления модели вентилятора (вещественная константа TYPE = 5),три коэффициента являются компонентами фактических коэффициентов по направлениюосей координат.2.1.1.5 Элементы твердой областиЕсли номер материала [MAT] элемента выше 1, этот элемент рассматривается программойкак твердый элемент.
Для таких элементов решается только уравнение энергии. Вы можетезадать вплоть до 100 разных материалов для твердых элементов. Для задания плотности,теплоемкости и теплопроводности для твердых элементов, используйте команду MP.Разрешена зависимость свойств материала от температуры, задается командами MP илиMPDATA.Также разрешены ортотропные изменения со следующим ограничением – пространственноеизменение производится всегда относительно глобальной системы координат. Обратитевнимание на то, что вещественные константы не имеют никакого значения для твердыхэлементов FLUID141.2.1.1.6 Краткое описание входных параметров элемента FLUID141Имя элементаFLUID141УзлыI, J, K, LСтепени свободыVX, VY, VZ, PRES, TEMP, ENKE, ENDSВещественные константы приведены в таблице нижеСвойство материаловДля твердого тела: KXX, KYY, C, DENSЖидкость: Плотность, вязкость, теплопроводность, теплоемкость (используйтекоманды FLDATA MPTEMP и MPDATA).Поверхностные граничные условияHFLUX, CONV, RAD, RDSF, FSINОбъемные нагруженияHGEN, FORCСпециальные возможностиНелинейный, шесть моделей турбулентности, несжимаемый или сжимаемыйалгоритм, стационарный или нестационарный алгоритм, вращающаяся илистационарная система координат, алгебраические решатели, модели вентилятора ираспределенного сопротивления, мультиперенос.KEYOPT(1)Активирует мультиперенос0 -Мультиперенос не активирован2022 - 6 -Количество решаемых уравнений переносаKEYOPT(3)0 -прямоугольная система координат (задана по умолчанию)1 -Симметричная относительно Y-оси2 -Симметричная относительно Х-оси3 -Полярные координатыKEYOPT(4)0 -Не включать смещения.1 -Включить смещения (UX и UY).Вещественные константы для FLUID141Число Имя ЗначениеR1РазмерностьTYPE Распределенное сопротивление или модель вентилятора: 1 = распределенное сопротивление: изотропное2 = распределенное сопротивление: однонаправленное-3 = распределенное сопротивление: заданное направление-4 = модель вентилятора: по осям координат-5 = модель вентилятора: произвольное направление-(нет)для TYPE = 1,2,3 – не используются-DIRдля TYPE = 4 – ориентация вентилятора: 1 = X, 2 = Y, 3 = Z-(нет)для TYPE = 5 – не используется-Kдля TYPE = 1,2 – Безразмерная потеря напора / длина1/LKxдля TYPE = 3 – потеря напора в X направлении1/LC1для TYPE = 4 - постояннаяM/L2t2C1xдля TYPE = 5 – Компонент вектора C1 в X направлении.M/L2t2R4CCxC2C2xдля TYPE = 1,2 - Проницаемостьдля TYPE = 3 – Проницаемость в X направлениидля TYPE = 4 – линейный коэффициентдля TYPE = 5 – Компонент вектора C2 в X направлении.1/L21/L2M/L3tM/L3tR5DhDhxC3C3xдля TYPE = 1,2 – гидравлический диаметрдля TYPE = 3 – гидравлический диаметр в X направлениидля TYPE = 4 – квадратичный коэффициентдля TYPE = 5 – Компонент вектора C3 в X направлении.LLM/L4M/L4R6aax(нет)для TYPE = 1,2 – Коэффициент Рейнольдса, используется при вычислении коэффициента трениядля TYPE = 3 - Коэффициент a в X направлениидля TYPE = 4,5 – не используетсяR2R3203Число ИмяЗначениеРазмерностьR7bbx(нет)для TYPE = 1,2 - экспонента от числа Рейнольдса, используется при вычислении коэффициента трения.для TYPE = 3 – показатель степени b в X направлениидля TYPE = 4,5 – не используетсяR8(нет)FLDIRKy(нет)C1yдля TYPE = 1 – не используетсядля TYPE = 2 – направление течения: 1 = X, 2 = Y, 3 = Zдля TYPE = 3 – потеря напора в Y направлениидля TYPE = 4 – не используетсядля TYPE = 5 – Компонент вектора C1 в Y направлении.1/LM/L2t2R9(нет)Cy(нет)C2yдля TYPE = 1,2 – Не используетсядля TYPE = 3 – проницаемость в Y направлениидля TYPE = 4 – не используетсядля TYPE = 5 – компонент вектора C2 в Y направлении1/L2M/L3tR10(нет)Dhy(нет)C3yдля TYPE = 1,2 – не используетсядля TYPE = 3 – гидравлический диаметр в Y направлениидля TYPE = 4 – не используетсядля TYPE = 5 – Компонент вектора C3 в Y направлении.LM/L4R11(нет)ay(нет)для TYPE = 1,2 – не используетсядля TYPE = 3 – число Рейнольдса в Y направлении.для TYPE = 4,5 – не используется-R12(нет)by(нет)для TYPE = 1,2 – не используетсядля TYPE = 3 – экспонента от числа Рейнольдса в Yнаправлении.для TYPE = 4,5 – не используетсяR13(нет)Kz(нет)C1zдля TYPE = 1,2 – не используетсядля TYPE = 3 – потеря напора в Z (вихрь) направлениидля TYPE = 4 – не используетсядля TYPE = 5 – компонент вектора C1 в Z (вихрь) направлении.1/LM/L2t2R14(нет)Cz(нет)C2zдля TYPE = 1,2 – не используетсядля TYPE = 3 - проницаемость в Z (вихрь) направлениидля TYPE = 4 – не используетсядля TYPE = 5 – компонент вектора C2 в Z (вихрь) направлении.1/L2M/L3tR15(нет)Dhz(нет)C3zдля TYPE = 1,2 – не используетсядля TYPE = 3 – гидравлический диаметр в Z (вихрь)направлении.для TYPE = 4 – не используетсядля TYPE = 5 - компонент вектора C3 в Z (вихрь) направлении.LM/L4R16(нет)az(нет)для TYPE = 1,2 – не используетсядля TYPE = 3 - число Рейнольдса в Z (вихрь) направлении.для TYPE = 4,5 - не используется-R17(нет)bz(нет)для TYPE = 1,2 - не используетсядля TYPE = 3 - экспонента от числа Рейнольдса в Z (вихрь) направлении.для TYPE = 4,5 - не используетсяR19(нет)Коэффициент трансформации конечно – элементной модели-2042.1.1.7 Краткое описание выходных параметров элемента FLUID141Результат вычисления связанный с элементом представляется программой в форме узловыхпараметров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
