Руководство по решению тепловых, сопряженных, гидрогазодинамических задач (1050672), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Тепловые нагрузки и граничные условияПрограмма ANSYS поддерживает шесть типов тепловых граничных условий:1. Постоянные температуры.2. Постоянные плотности тепловых потоков.3. Заданные коэффициенты теплоотдачи с соответствующими температурамиокружающей среды.2444. Излучение в окружающую среду с соответствующими коэффициентами излученияповерхностей и температурой окружающей среды.5. Излучение типа поверхность – поверхность с соответствующими коэффициентамиизлучения и номером полости.6.
Адиабатные границы (используются по умолчанию).Дополнительно, постоянные объемные источники тепла могут быть заданы как на жидкость,так и на твердые области.Приемлемые команды приведены ниже.Вы можете задать граничные условия в виде массивов (смотрите Applying Loads UsingTABLE Type Array Parameters в ANSYS Basic Analysis Guide). Также можно задаватьграничные условия посредством функций (смотрите Applying Loads Using Function BoundaryConditions в ANSYS Basic Analysis Guide). Попытка использовать табличные данные вкачестве граничных условий в FLOTRAN приведет к получению ложных результатов.4.4.1.
Задание нагрузок.В таблице приведены нагрузки, которые можно задавать на решаемую во FLOTRANемодель.Семейство команд и маршруты GUI используемые для задания нагрузок.Тип нагрузкиКатегорияСемейство Маршрут GUIкомандТемпература (TEMP)DMain Menu> Solution> Define Loads>Apply> TemperatureКонвекция (CONV), Плотность теплового потока (HFLU), ПоверхностнаяИзлучение (RAD), Излучение типа поверхность-поверхность нагрузка(RDSF)SFMain Menu> Solution> DefineLoads>Apply>Thermal>ConvectionMain Menu>Solution>DefineLoads> Apply> Thermal> Heat FluxMain Menu> Solution> DefineLoads> Apply> Thermal> AmbientRadMain Menu> Solution> DefineLoads> Apply> Thermal> SurfaceRadЭнерговыделение (HGEN)ОбъемнаянагрузкаBFMain Menu> Solution> Define Loads>Apply> Fluid/CFD> Heat GeneratМожно задавать, удалять, оперировать или выводить нагрузки.4.4.1.1.
Использование команд для задания нагрузок.В таблице приведены команды, с помощью которых можно задать нагрузки при выполнениитеплового анализа во FLOTRANе.Команды задания тепловых нагрузок в FLOTRAN.Тип нагрузкиТип моделиКатегори Задание УдалениеяВыводОпериров ЗаданиеаниепараметровТемператураК/э модельУзлыDDDELEDLIST--Конвекция, Плотностьтепловогопотока,Излучение в окр-уюсреду, или излучениетипаповерхностьповерхностьГеометрическаямодельЛинииSFLSFLDELE---ГеометрическаямодельПлощадиSFASFADELESFALISTSFTRANSFGRADК/э модельУзлыSFSFDELESFLIST--К/э модельЭлементыSFESFEDELESFELISTSFSCALE-К/э модельЭлементыSFESFEDELESFELISTSFSCALE-ГеометрическаямодельЛинииBFLBFLDELEBFLLISTBFTRAN-Энерговыделение245Тип нагрузкиТип моделиКатегори Задание УдалениеяВыводОпериров ЗаданиеаниепараметровГеометрическаямодельПлощадиBFABFADELEBFALISTBFTRAN-ГеометрическаямодельОбъемыBFVBFVDELEBFVLISTBFTRAN-К/э модельУзлыBFBFDELEBFLIST--К/э модельЭлементыBFEBFEDELEBFELISTBFSCALE-4.4.1.2.
Задание нагрузок через GUIДоступны все вышеприведенные команды, кроме команд вывода, через маршруты GUI. ВSolution Menu (меню решения) выбирайте операцию (Apply, Delete, и т.д), затем тип нагрузки(temperature, heat flux, etc.), и объект (node, line, or area) на который задаете нагрузку.Например, для задания температурной нагрузки на линии, выберете следующий маршрутGUI:Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Thermal> Temperature> On LinesДля вывода нагрузок выберете следующий путь GUI:Utility Menu> List> Loads> load type4.4.1.3. Решение.Ниже приведен список известных и вычисляемых параметров для определенных типовграничных условий.• Для температурных граничных условий вычисляются плотность теплового потока икоэффициент теплоотдачи.• Если в качестве граничного условия задана плотность теплового потока, товычисляются температура и коэффициент теплоотдачи.• Граничное условие: излучение в окружающую среду, вычисляются: температура,плотность теплового потока.• Граничное условие: излучение типа поверхность-поверхность, вычисляются:температура и плотность теплового потока.• Граничное условие: коэффициент теплоотдачи, вычисляются: температура илиплотность теплового потока.• Граничное условие: адиабатная граница, вычисляется температура.При задании коэффициента теплоотдачи, необходимо, так же, задать температуруокружающей среды.
Программа ANSYS использует эту температуру совместно стемпературой поверхности для вычисления плотности теплового потока.Плотность теплового потока и коэффициенты теплоотдачи задаются на внешних границахмодели. Можно, конечно, задать плотность теплового потока или коэффициент теплоотдачина внутреннюю границу модели (например, поверхность взаимодействия жидкости с твердойчастью модели), но делать этого не рекомендуется, поскольку эта информация навернякабудет неверной.
В стандартном анализе, проводимом в FLOTRAN, коэффициенттеплоотдачи на границе жидкости с твердой зоной является определяемым параметром, а неграничным условием. Если вы желаете задать плотность теплового потока или коэффициенттеплоотдачи, то задавайте этот параметр на внешнюю границу твердой поверхности или награнь жидкой области, если твердые области не предусмотрены в модели. Если вы задаликоэффициент теплоотдачи или плотность теплового потока на внутреннюю поверхностьраздела жидкости с твердым телом, то FLOTRAN воспримет это условие как источник теплаили теплоотвод. Температуры можно задавать где угодно.Если необходимо вычислить коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности вокружающую среду, ANSYS использует температуру поверхности совместно с температуройокружающей среды, которую можно задать следующим образом:246Команда:FLDATA14,TEMP,BULK,ValueGUI:Main Menu> Preprocessor> FLOTRAN Set Up> Flow Environment> Ref ConditionsMain Menu> Solution> FLOTRAN Set Up> Flow Environment> Ref ConditionsПри проведении несжимаемого анализа, температурное граничное условие формулируется втерминах общей температуры так же, как и температурное уравнение.Излучение в окружающую среду, симулирует теплопередачу излучением в пространство,температура которого постоянна.
Постоянная температура задается командой SF.Постоянная Стефана – Больцмана задается командой STEF (значение, используемое поумолчанию составляет 0.119E-10 Btu/hr/in2/R4). Форм фактор (угловой коэффициент) равен1.0.Поскольку тепловое излучение проходит через жидкие/газообразные области и“сталкивается” с твердой областью модели, вы можете задать нагрузку внешнего излученияна поверхность раздела жидкость/твердое тело, также как и на внешние границы модели.
Вэтом случае следует задать поверхностную нагрузку либо на твердую поверхность, либо нажидкость. Если Вы зададите нагрузку более, чем на одну поверхность, FLOTRAN задастграничное условие только на одну поверхность и выдаст сообщение о заданиидублированных граничных условий.4.5. Стратегия решения.Выбор оптимального способа решения тепловой потоковой задачи зависит от того,насколько свойства жидкости зависят от температуры.4.5.1. Постоянные свойства жидкости.В данном случае решаемая задача никоим образом не зависит от поля температуры и можетбыть решена без активации решения температурного уравнения.После решения задачи, уравнение температуры становится линейным.
Это уравнение теперьможно решить за одну глобальную итерацию после того, как установите параметрсходимости для температуры равным 1, используя один из предлагаемых ниже вариантов:Команда:FLDATA25,RELX,TEMP,1.0GUI:Main Menu> Preprocessor> FLOTRAN Set Up> Relax/Stab/Cap/DOF RelaxationMain Menu> Preprocessor> FLOTRAN Set Up> Relax/Stab/Cap/Prop RelaxationMain Menu> Solution> FLOTRAN Set Up> Relax/Stab/Cap/DOF RelaxationMain Menu> Solution> FLOTRAN Set Up> Relax/Stab/Cap/Prop RelaxationЗачастую это наиболее легко выполнить полупрямым алгоритмом.Дополнительную информацию смотрите в Решатели FLOTRAN CFD и матричноеуравнение.4.5.2.
Вынужденная конвекция, свойства, зависящие от температурыРежим течения в этом случае зависит от температурного поля. Вы можете задать решениетемпературного уравнения при выполнении каждой глобальной итерации или решить задачутечения, затем активировать решение температурного уравнения. В последнем случае после247решения температурного уравнения необходимо провести повторное решение задачитечения, для того чтобы учесть изменения свойств.Для несжимаемых течений, в случае малых чисел Рейнольдса, малых скоростей потоканагрев за счет сил внутреннего трения не существенен. Однако следует включить опциювязкостного нагрева, если число Рейнольдса выше 2 или при высоких скоростях потока(например, выше 100 м/с в воздухе).
FLOTRAN автоматически включает вязкостный нагревдля сжимаемых течений. Включить опцию вязкостного нагрева для несжимаемых теченийможно следующим образом:Команда:FLDATA1,SOLU,IVSH,TGUI:Main Menu> Preprocessor> FLOTRAN Set Up> Solution OptionsMain Menu> Solution> FLOTRAN Set Up> Solution Options4.5.3. Естественная конвекция, свойства зависящие от температуры.В этом случае движение потока вызвано изменением плотности, которое возникает за счеттемпературных изменений. Необходимо включить обе опции.Также необходимо выполнить следующее:• Задайте ускорение свободного падения:Команда:ACELGUI:Main Menu> Preprocessor> FLOTRAN Set Up> Flow Environment> GravityMain Menu> Solution> FLOTRAN Set Up> Flow Environment> Gravity•Включите опцию переменной плотности:Команда:FLDATA13,VARY,Label,TRUE (Label = свойство жидкости)GUI:Main Menu> Preprocessor> FLOTRAN Set Up> Fluid propertiesMain Menu> Solution> FLOTRAN Set Up> Fluid propertiesДля воздуха в программе заданы типы свойств, использующие постоянное давление длявычисления плотности в соответствии с законом идеального газа.
Этим обеспечиваетсястабильность вычисления плотности, которая может быть нарушена флуктуациями давления.Решение задач естественной конвекции сходится медленно и может быть более стабильным,если для давления и температуры активирован алгоритм TDMA. Количество итерацийопределяется как (количество узлов)/10, но не должно быть менее 100.4.5.4. Сопряженный теплообмен.Когда свойства твердых зон модели отличаются на несколько порядков от свойствжидкости/газа, то такая задача называется задачей некорректного сопряженноготеплообмена.
В этом случае вряд ли удастся получить удовлетворительный результат,воспользовавшись методом TDMA, в не зависимости от заданного количества итераций.Получить доступ к методу TDMA можно следующим образом:Команда:FLDATA18,METH,TEMP,1GUI:248Main Menu> Solution> FLOTRAN Set Up> CFD Solver Controls> Temp Solver CFDМетод Conjugate Residual предлагает большую функциональность и требует немного большепамяти, чем метод Tri-Diagonal Matrix Algorithm (TDMA). Способы установки этого метода:Команда:FLDATA18,METH,TEMP,2GUI:Main Menu> Solution> FLOTRAN Set Up> CFD Solver Controls> Temp Solver CFDДля настройки метода можно управлять такими параметрами, как критерий сходимости иколичество используемых поисковых векторов (более подробную информацию по этимпараметрам можно найти в описании команды FLDATA18 в ANSYS Commands Reference).Однако метод conjugate residual хоть и обладает высокой скоростью решения, но не подходитдля решения сложных задач.Более устойчивое решение некорректных задач теплообмена обеспечивает методPreconditioned Conjugate Residual, который требует гораздо больше памяти, чем методыTDMA или Conjugate Residual.
Метод PCR позволяет управлять количеством используемыхпоисковых векторов, вплоть до 30. Существуют следующие способы задания этого метода:Команда:FLDATA18,METH,TEMP,3GUI:Main Menu> Solution> FLOTRAN Set Up> CFD Solver Controls> Temp Solver CFDПримечаниеДля узлов, составляющих твердую область модели, значение, котороесохраняется в файле Jobname.RFL в столбце плотность (DENS) являетсярезультатом плотности и теплоемкости.Оценить деятельность методов Conjugate Residual и Preconditioned Conjugate Residual можнозаглянув в файл Jobname.DBG (описан в FLOTRAN CFD Solvers and the Matrix Equation).Наиболее устойчивым и в то же время наиболее требовательным к размеру памяти методомрешения сопряженных задач теплообмена является метод Preconditioned GeneralizedMinimum Residual. Способы установки этого метода:Команда:FLDATA18,METH,TEMP,4GUI:Main Menu> Solution> FLOTRAN Set Up> CFD Solver Controls> Temp Solver CFDДля температуры метод Preconditioned Generalized Minimum Residual (PGMR) активен поумолчанию.Хотя для метода PGMR существуют те же управляемые параметры, что и для метода PCCR,используются разные, установленные по умолчанию, значения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
