Диссертация (785882), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Ориентировочныезначения выбранных параметров качества расчётных сеток при решении задач ВГД сведены в табл. 5.1.Выбор минимальных и максимальных размеров ячеек осуществляется на основе различных соображений, например, геометрических особенностей, используемой модели турбулентности, значений безразмерного параметра + на стенках расчётной области, результатов анализавлияния расчётной сетки на численное решение.Для построения расчётных сеток моделей уплотнений в данной работе используется в качестве основного инструмента коммерческий пакет ANSYS ICEM CFD. Геометрия уплотнений также строится непосредственно в пакете ICEM CFD.
Как было отмечено выше, во всех расчётахиспользуются структурированные гексагональные сетки.В ряде случаев анализ уплотнений связан с внесением измененийв расчётной области и с повторной генерацией сетки. Это становитсянеобходимым при изменении эксцентриситета вала; при изменении размеров пористой зоны, описывающей щёточный пакет; при варьировании некоторых геометрических размеров (например, наклон гребешковлабиринтного уплотнения); при проведении параметрических расчётовили с целью оптимизации размеров уплотнения.Вследствие необходимости перестройки расчётной сетки, процесспостроения геометрии уплотнения и генерации сетки был полностью авТаблица 5.1. Некоторые параметры качества расчётных сетокПараметрОриентир.
значениеМинимальный детерминант ячейки> 0.2 . . . 0.5Минимальный угол в ячейке> 15∘ . . . 20∘Максимальное отношение сторон ячейки< 100 . . . 200(при использовании вычислений с двойной точностью)Максимальное изменение объёма соседних ячеек214< 1000< 4.0 . . . 6.05.1. Методы вычислительной гидродинамикитоматизирован для более удобной работы. Автоматизация достигаетсяпутём разработки программы (скрипта) для генерации геометрии и создания блочной модели для базовой геометрии уплотнения.Пакет ICEM CFD позволяет использовать скрипты, написанные наязыке программирования tcl.
Скрипт считывает параметры геометрической модели (диаметр уплотнения, зазор, эксцентриситет вала, размер пористой зоны и т. д.) из текстового файла. Затем скрипт строитгеометрию расчётной области с помощью встроенных функций для создания и изменения точек, кривых, поверхностей и объёмов. После создания геометрии подгружается заранее подготовленный файл с блочной моделью, описывающей топологию расчётной области.Для примера, в приложении В приведены файл с геометрическимипараметрами и файл генерации полноохватной геометрической моделиуплотнительного узла SSB-1.Создание блочной модели проводится, как правило, вручную единожды.
При изменениях в геометрии, которые не меняют топологиюуплотнения, блочная модель автоматически меняется согласно ассоциированным связям с геометрическими примитивами. Выполнение программы начинается с того, что скрипт считывает текстовой файл с параметрами модифицированной геометрии и генерирует новую геометрию совместно со всеми необходимыми дополнительными примитивами. Затем происходит загрузка готовой блочной модели и обновлениесвязей между геометрическими и блочными примитивами. Данный подход позволяет упростить и ускорить процесс получения новой расчётнойсетки для изменённой геометрии уплотнения.Процесс построения блочной модели также может быть автоматизирован посредством скрипта на tcl.
Трудности при этом заключаютсяв отсутствии в ICEM CFD возможности использовать блоки в качестве переменных, т. е. присваивать им имена при, например, операциях разрезания блока. В соответствующих функциях ссылка на блоки осуществляется по их порядковым номерам, что в известной степени осложняетавтоматизацию.После создания блочной модели в скрипте определяются параметры, контролирующие минимальные и максимальные размеры ячеек, а2155.1.
Методы вычислительной гидродинамикитакже сгущение сетки. Параметры сетки задаются для поверхностей, азатем автоматически переносятся на рёбра блочной модели. Также существует возможность непосредственно изменять число узлов и их распределение на рёбрах блоков.После генерации сетки происходит контроль её качества. Качествоавтоматически построенной сетки проверяется по ряду основных параметров, которые скрипт сохраняет в отдельный текстовый файл.
В конце своей работы скрипт экспортирует полученную сетку в формате указанной расчётной программы. При использовании скрипта программаICEM CFD может запускаться в пакетном режиме из командной строки.Пример сечения расчётной сетки для конфигурации SSB-3 показанна рис. 5.4.5.1.4.
Проверка адекватности модели и проверкадостоверности результатовКак и в случае экспериментальных исследований, качество вычислительного эксперимента основывается на правильном использованииадекватных моделей и подходящих методов. Процесс проверки результатов численного анализа подпадает по общий термин «верификация ивалидизация»2 [92].Под термином «валидизация» понимается процесс, рассматривающий адекватность используемых теоретических моделей, т. e. способность математических моделей с приемлемой точностью описывать поведение физического объекта. Верификация связана с анализом качества вычислительного процесса и достоверности численного решения,т.
е. способности вычислительной модели с приемлемой точностью на2Verification and validation (V&V)Рис. 5.4. Пример расчётной сетки для конфигурации SSB-32165.1. Методы вычислительной гидродинамикиходить численное решение математической модели.Выбор адекватной математической модели основывается на рядеправил, в которых рассматриваются исследуемый физический объекти цели проведения расчётов.
Основным методом проверки адекватности моделей является сравнительный анализ с данными экспериментальных исследований. При этом необходимо учитывать погрешностьэкспериментальных результатов.Процесс верификации можно разделить на верификацию программы расчёта и на проверку достоверности решения. Особенную важностьпервый тип верификации получает при разработке собственных расчётных программ.К первоначальной верификации полученных результатов относится анализ сходимости решения.
Как отмечалось выше, сходимость расчёта проверяется по значениям осреднённых невязок дискретизированных уравнений и общих балансов (вычислительная сходимость), а также, в случае стационарного расчёта, постоянством физических характеристик (физическая сходимость).Исследование независимости численного решения от расчётной сетки является важным этапом проверки достоверности результатов. Зависимость от сетки проверяется путём выполнения ряда одинаковых расчётов на вычислительных сетках с отличающейся густотой и распределением узлов. При этом выбираются параметры, по которым проводится исследование независимости решения, например: величина скоростив определённой точке расчётной области, максимальное значение числаМаха по всей расчётной области, значение массового расхода через выходную область, а также другие интегральные характеристики.
Выборпараметров для проверки должен учитывать первоначальную цель моделирования. Так, независимость решения от сетки по расходу не означает наличие независимости решения по аэродинамическим силам.Для проверки независимости численного решения от сетки необходимо провести как минимум три расчёта: на грубой сетке, на «стандартной» сетке и на густой сетке.
Если разница между результатами, полученными на «стандартной» и густой сетках, лежит в заданном диапазоне точности, то «стандартная» сетка считается обеспечивающей чис2175.1. Методы вычислительной гидродинамикиленное решение, не зависящее от расчётной сетки. Если разница велика,но необходимо выполнить новый расчёт на более густой сетке и т. д.Размеры «стандартной» и густой сеток должны значительно отличаться друг от друга, чтобы была возможность зафиксировать влияниесетки на результаты.
Теоретически, размеры сеток должны отличатьсяна порядок. На практике это условие не всегда может быть выполнено.В этом случае анализ чувствительности решения может быть проведённа сетках, размеры которых отличаются друг от друга в разы. В противном случае по полученным результатом трудно судить о реальнойзависимости решения от сетки.Помимо размеров сетки на результаты численного решения большое влияние может оказывать распределение узлов сетки в расчётнойобласти (при неизменном общем числе узлов). Важной характеристикойявляется густота сетки в областях высоких градиентов и в пристеночных зонах.
Этот аспект должен учитываться при проведении анализачувствительности сетки. Как отмечалось выше, для проверки адекватности используемой расчётной сетки важными результатами являютсязначения параметра + на стенках ротора и статора, который используется при выборе модели турбулентности. Данный безразмерный параметр зависит от решения, поэтому процесс нахождения адекватнойсетки по параметру + в общем случае также включает в себя проведение тестовых расчётов на нескольких сетках.Анализ чувствительности численного решения также должен проводиться по отношению к отдельным параметрам используемых моделей и подмоделей.
Источником расхождений в результатах численногорешения часто оказывается модель турбулентности, а также параметрыв выбранной модели турбулентности. Среди других факторов, которыепотенциально могут оказывать заметное влияние на решение, следуетотметить размеры входных и выходных областей расчётной области,критерии сходимости, методы решения.Примеры проведения исследования независимости решения от расчётной сетки, а также анализ влияние других факторов на результатымоделирования уплотнений приведены в разделе 5.3.Прямой проверкой достоверности результатов численного решения2185.2. Описание моделей уплотненийявляется их сравнение с экспериментальными данными.
При выполнении сравнительного анализа важно иметь максимальное согласованиемежду вычислительной моделью и условиями проведения экспериментов. В первую очередь это касается размеров и границ расчётной области, а также граничных условий. Например, относительно небольшиеотличия или упрощения в конфигурации входных и выходных областейв модели уплотнения могут приводить к значительным отличиям в результатах. Также при проведении сравнительного анализа необходимоиметь информацию о различных погрешностях, возникающих при проведении экспериментальных исследований.5.2.
Описание моделей уплотненийВ данном разделе приводится описание моделей лабиринтных и щёточных уплотнений с использованием трёх программных пакетов вычислительной гидродинамики общего назначения. Два пакета являютсякоммерческими программами, один пакет представляет собой свободно распространяемую библиотеку с открытым кодом. Также приводится анализ моделей уплотнений с позиций организации вычислительногопроцесса и обработки результатов.Моделирование течения среды в каналах уплотнений может бытьвыполнено с помощью коммерческих программ общего назначения, таких как ANSYS CFX, ANSYS Fluent, CD-adapco STAR-CD, NUMECA и других,так и с использованием бесплатных программ с открытым кодом. Вкачестве примера для последнего случая можно привести крупный пакет прикладных программ OpenFOAM, который по своим возможностямпрактически не уступает коммерческим продуктам.5.2.1.
Модель уплотнения в пакете CFXANSYS CFX представляет собой коммерческий пакет общего назначения, предназначенный для решения различных задач гидро- и аэродинамики, а также смежных задач [85]. В данной работе пакет CFX используется в качестве основного инструмента для моделирования уплотне-2195.2. Описание моделей уплотненийний.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
