Диссертация (785882), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Консервативная дискретизация системы уравнений Навье-Стоксаоснована на комбинации метода контрольных объёмов и метода конечных элементов. В стационарных расчётах применяется псевдо-нестационарный решатель. Для решения дискретизированных уравнений используется связанный многосеточный метод.Пакет CFX состоит из трёх автономных модулей-программ, работа скоторыми осуществляется по отдельности: модуль для пре-процессора(CFX-Pre), модуль решателя (CFX-Solve) и модуль для пост-процессора (CFX-Post). В модуле пре-процессора подготавливается файл, с помощью которого запускается расчёт в модуле решателя.
При завершении работы модуля решателя происходит сохранение всех результатовв отдельный файл, который затем открывается в модуле пост-процессора для обработки. Каждая из компонент пакета CFX обладает удобнымпользовательским интерфейсом.Программа CFX предоставляет широкие возможности по выбору ииспользованию различных моделей, среди которых целый набор моделей турбулентности, возможность проводить автоматическую инициализацию решения и др.
На разных этапах моделирования выдаютсяразличные диагностические сообщения, упрощающие работу с пакетоми проведение расчётов. Пакет CFX позволяет проводить расчёты в различных параллельных режимах. Все необходимые для этого действия(декомпозиция расчётной области и т. д.) происходят автоматически сиспользованием встроенных алгоритмов.Порядок дискретизации уравнений может быть задан с помощьюкоэффициента перехода от схемы первого порядка к схеме второго порядка. Значение вещественного коэффициента изменяется в диапазонеот 0 до 1.
Значение 0 соответствует схеме первого порядка, которая может быть использована в начале расчётного процесса для достиженияпредварительной сходимости. Конечные результаты должны быть получены со значением коэффициенты 0.75 или выше. Значение 1 соответствует схеме дискретизации второго порядка. В данной работе припроведении окончательных расчётов используется значение 1.В качестве критериев сходимости используются заданные максимальные уровни для осреднённых невязок уравнений (как правило <2205.2. Описание моделей уплотнений5 × 10−6 ) и глобальных законов сохранения (1%), а также постоянствофизических характеристик (расход, давление в определённых точках,силы).
В случаях, когда заданные критерии сходимости для невязокне могут быть достигнуты, в качестве основного критерия рассматривается постоянство физических характеристик при уровне невязок <1 × 10−4 .Удобной особенностью пакета CFX является мощный встроенныйязык выражений CEL, позволяющий проводить параметризацию модели и контролировать процесс расчёта.
Помимо стандартных операций ифункций в язык выражений также включена библиотека специальныхпроцедур, позволяющих выполнять операции, типичные для пост-процессора (возвращение значения переменной в определённой точке, интегрирование по заранее определённой поверхности и т. д.). Некоторыетипичные выражения, используемые в моделях уплотнений, с их расшифровкой приведены в табл. 5.2.Выражения могут быть использованы для параметризации граничных условий в модели (пункт 1 в табл. 5.2).Как отмечалось выше, о сходимости численного решения необходимо судить не только по уменьшению невязок уравнений, но и по истории изменения характерных физических параметров в итерационномпроцессе.
Пункт 2 в табл. 5.2 содержит три примера таких параметров(расход, сила на валу, коэффициент перекрёстной жёсткости соответственно). Для определения расхода и силы используются встроенныефункции massFlow() и force_y(), для которых обязательным аргументом является область интегрирования (в данном случае выходная поверхность с именем OUTLET и поверхность вала с именем ROTOR 2). Параметр delta, определённый пользователем, содержит значение эксцентриситета вала.Статичное смещение вала в горизонтальном направлении (пункт 3в табл.
5.2) задаётся на этапе генерации сетки. В модели данное выражение используется как для расчёта эксцентриситета вала (параметр√︀delta, = 02 + 02 ), так и в дальнейшем при обработке результатов впост-процессоре.Большой блок выражений связан с определением параметров мо2215.2. Описание моделей уплотненийТаблица 5.2. Примеры выражений, используемых в моделях пакета CFXВыражениеКомментарий1n rotor = -6000 [rev min^-1]Скорость вала, [об/мин]2mDot = -massFlow()@OUTLET*1000Расход на выходе, [г/с]forceY rotor2 = force_y()@ROTOR 2Компонента силы на валyKxy rotor2 = forceY rotor2/delta/1000Перекрёстная жёсткость, [Н/мм]3z0 = 0.2e-3 [m]Смещение вала по гориз. оси4C = (1/epsilon^3)*((1-epsilon)/d)^2Коэффициент epsilon=1-((pi*d^2*N)/(4*bb*cos(phi)))Пористость CR1 n = a n*Dynamic Viscosity*bstep*Один из коэффициентовkstep*cut coeff up*cut coeff down5сопротивленияa n = 72*Wu tau * C * mod anКоэффициент dt = if(citern<iter1,dt1,dt2)Итерационный шагdt1 = 1e-5 [s]Начальное значение шагаdt2 = 12e-5 [s]Основное значение шагаiter1 = 30Число итераций с dt1дели пористой среды, которая используется для описания щёточногопакета в базовой модели щёточного уплотнения (пункт 4 в табл.
5.2).Выражения применяются как для различных параметров пористой модели (например, пористость epsilon), так и для определения реальныхразмеров пористой среды в аналитическом виде в зависимости от рабочих параметров.Для иллюстрации аналитического определения размеров пористойобласти в табл. 5.2 приведено выражение для одного из коэффициентовсопротивления CR1 n. Переменная Dynamic Viscosity является внутренней переменной CFX, соответствующей динамической вязкости.
Выражение bstep используется для определения размера пористой средыв осевом направлении, т. е. физический размер пористой области можетбыть уменьшен с помощью данного параметра в осевом направлении. Взависимости от реальной толщины пакета, заданной с помощью дополнительного выражения, коэффициент bstep может принимать два значения: 0 приводит к «отключению» пористой модели в текущей ячейке,а 1 к использованию значения расчётного коэффициента .2225.2. Описание моделей уплотненийВыражение kstep аналогично контролирует величину радиальногозазора между кончиками волокон и валом. Два последних коэффициента в выражении CR1 n используются для описания пустот в щёточномпакете, которые могут появляться при его сегментации (см. ур. (3.33) иур. (3.34)).Также реализована возможность прямой модификации коэффициентов сопротивления (параметр mod an в выражении a n).В последнем пункте табл.
5.2 приведены несколько выражений дляуправления за величиной шага итерационного процесса при стационарном расчёте. Задаются две величины: меньшее значение шага dt1 используется на первых итерациях (число итераций с шагом dt1 определяется выражением iter1), затем происходит переключение на болеевысокое значение шага dt2, которое используется на всех последующихитерациях. Такое автоматическое переключение между итерационнымишагами реализовано с помощью встроенного условного оператора if.Аналогичные выражения задаются для итерационного шага, используемого в уравнении энергий.Для более сложных задач управления процессом решения (например, задание специальных граничных условий), а также для модификации и расширении различных моделей в пакете CFX поддерживаетсяиспользование предкомпилированных пользовательских функций, написанных на языке Фортран (User Fortran).В процессе проведения расчёта решатель CFX генерирует текстовыйфайл, в котором содержится полная информация об используемых моделях и расчётной сетке, а также о протекании итерационного процесса.Многие параметры модели и вычислительного процесса могут быть изменены «на лету» без остановки расчёта, что упрощает управление иконтроль за сходимостью.Наличие текстового файла расчёта также упрощает работу с ужевыполненными расчётами, т.
к. все параметры модели и процесс сходимости могут быть просмотрены в любом текстовом редакторе без необходимости запуска CFX.Многие функции пре-процессора, решателя и пост-процессора могут быть также выполнены из командной строки без использования гра2235.2. Описание моделей уплотненийфического пользовательского интерфейса.Обработка результатов расчёта в CFX-Post также может быть полностью автоматизирована с помощью скриптов, написанных на языкеPerl. Разработанные скрипты для моделей уплотнений генерируют текстовые файлы, в которых сохраняются как основные граничные условия для более удобной последующей идентификации (например, эксцентриситет вала, перепад давления, скорость вращения вала, частотапрецессии), так и необходимые для последующей обработки результатырасчёта (расход, силы на валу и на статоре, распределения давлений восевом и окружном направлениях, и т.
д.).Данные текстовые файлы используются в дальнейшем анализе результатов, например, при определении динамических коэффициентовжёсткости и демпфирования с использованием результатов несколькихрасчётов, выполненных для разных значений частоты прецессии вала.При необходимости указанные методы автоматизации различныхэтапов процесса получения численного решения позволяют с использованием отработанной модели полностью автоматизировать процессВГД-расчёта уплотнения от создания геометрии уплотнения и генерации расчётной сетки до сохранения результатов и, например, перехода к следующему расчёту с изменённым перепадом давления. Головнойоболочкой при этом служат скрипты и функции, написанные в однойиз систем инженерных расчётов (коммерческой MATLAB или некоммерческой OCTAVE).
Такой подход используется как для проведения параметрических расчётов (варьирование перепада давления, скорости вращения вала и закрутки потока газа на входе в уплотнение), так и длявыполнения оптимизационных расчётов (поиск оптимальной геометрииканала уплотнения).5.2.2. Модель уплотнения в пакете FLUENTПрограмма ANSYS FLUENT также является коммерческим пакетомобщего назначения для решения различных задач гидро- и аэродинамики [86] и представляет собой альтернативу пакету CFX. В пакете FLUENTимеется несколько решателей, основным из которых является раздель-2245.2. Описание моделей уплотненийный метод на основе схемы SIMPLE.В данной работе результаты моделирования лабиринтных и щёточных уплотнений в пакете FLUENT использовались в основном для сравнения с результатами, полученными с помощью пакета CFX, в процессеверификации и валидизации.Концепция пакета FLUENT заметно отличается от концепции пакетаCFX.
Пакет FLUENT состоит из одной пользовательской оболочки, в которой происходит вся работа (пре-процессор, решение, пост-процессор).Параметризация расчётной модели в FLUENT представляется болеесложной по сравнению с CFX. Встроенный механизм предкомпилированных функций пользователя UDF (User Defined Functions) являетсямощным инструментом для модификации различных моделей, создания собственных моделей и доступа к результатам во время расчёта,однако требует предварительной компиляции функций, написанных наязыке С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
