 |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
Моделирование течения через подвижные элементы
|
|
При решении инженерных задач достаточно часто встречается ситуация когда расчетная зона, течение через которую исследуется, содержит подвижные элементы. Эти элементы могут перемещаться линейно, вращаться вокруг оси или совершать сложное движение. Типичный примером таких расчетных областей могут служить турбомашины, содержащие подвижные рабочие колеса и неподвижные лопатки статора, всевозможные смесительные устройства и т.п.
В программе Fluent существует четыре подхода к моделированию течения через расчетные области, в которых имеются подвижные элементы:
1. Single Reference Frame – течение в движущемся элементе рассчитывается в подвижной системе координат, движущейся со скоростью подвижного элемента. При этом все исходные уравнения записываются и решаются в относительном виде. Этот метод применим только в том случае, когда вся расчетная область движется с одной скоростью. Для областей содержащих подвижные и неподвижные элементы или несколько элементов движущихся с разными скоростями он не применима.
2. Multiple Reference Frame – этот подход позволяет рассчитывать течения в расчетных областях имеющих несколько элементов движущихся друг относительно друга. Это достигается за счет разделения модели на зоны. Каждая из них включает в себя элементы движущиеся с одинаковой скоростью. Для каждой зоны вводится своя подвижная система координат. В частном случае некоторые из систем координат может быть неподвижными.
3. Mixing Plane – основная идея данного подхода - введение на границе между зонами, движущимися друг относительно друга с различными скоростями поверхности на которой осуществляется осреднение параметров в направлении движения. Параметры осредненные на выходе из одной зоны используются в качестве входного условия в зоне расположенной ниже по течению.
4. Sliding Mash – при этом подходе конечно-элементные сетки разных зон физически движутся друг относительно друга.
Первые три способа используются при решении задач в стационарной постановке, четвертый - только в нестационарной. Подход Single Reference Frame предназначен для случаев, когда вся расчетная область перемещается с одной скоростью. Остальные подходы используются в случаях, когда обтекаемый объект состоит из нескольких элементов движущихся друг относительно друга с разными скоростями. При использовании второго и третьего подходов происходит осреднение потока на границах между зонами, что не позволяют моделировать эффекты взаимодействия между элементами, движущимися с разными скоростями. Корректное моделирование такого взаимодействия может осуществляться только при использовании подхода Sliding Mash.
14.1. Моделирование течения через подвижные элементы с помощью подхода Single Reference Frame
Подход Single Reference Frame применяется только в случае, когда вся расчетная зона движется с одинаковой скоростью. При этом она содержит одну зону потока и одну систему координат. Стенки, перемещающиеся со скоростью системы координат, могут иметь любую форму. Стенки неподвижные в абсолютной системе координат или перемещающиеся с другой скоростью относительно подвижной системы координат должны иметь форму поверхности вращения, если движение системы вращательное, или плоскости, если движение системы поступательное. На этих стенках не должно быть выступающих элементов. Движение стенки относительно расчетной области задается с помощью опции Moving Wall в граничном условии Wall.
Типичным примером использования подхода Single Reference Frame является задача перемешивания некоторого вещества с помощью вращающегося импеллера (рис. 14.1). Расчетная область состоит из одной зоны. Вращение импеллера учитывается решением задачи в подвижной системе координат. С помощью рассматриваемого подхода задача может быть решена только в случае, если неподвижная стенка, ограничивающая расчетную область, является поверхностью вращения (рис. 14.1, а). Если она содержит выступающие элементы как на рис. 14.1, б, то подход Single Reference Frame неприменим. В этом случае нужно использовать другие подходы.
Рис. 14.1. Применение подхода Single Reference Frame для исследования течения в смесительном устройстве
Подход Single Reference Frame применим как в двухмерной, так и трехмерной постановке. При использовании этого подхода в двухмерной постановке ось вращения может совпадать с осью oz (рис. 14.2, а) или осью ox (рис. 14.2, б). В последнем случае расчетная модель является осесимметричной. При исследовании течения через вращающиеся элементы в осесимметричной постановке в меню Define®Solver в программе Fluent необходимо активировать опцию Axisymmetric Swirl.
Рис. 14.2. Решение задачи с помощью подхода Single Reference Frame в двухмерной постановке: а) – ось вращения oz; б) – ось вращения oz
При исследовании течения через подвижный элемент, совершающий вращательное движение целесообразно моделировать только сектор расчетной области, а на боковых поверхностях сектора использовать граничное условие периодичности (рис. 14.3). Число периодических элементов определяется геометрией подвижного элемента. Например, при исследовании течения через решетку турбомашины один периодический элемент содержит, как правило, одну или несколько лопаток или межлопаточных каналов.
Для того чтобы описать движение расчетной области с помощью подхода Single Reference Frame в программе Fluent необходимо выполнить следующие действия:
1. В меню Boundary Condition определяется подвижная система координат. Для этого в поле Zones необходимо выбрать область течения (если в препроцессоре не делалось никаких действий с областями течения, она, как правило, называется Fluid) и нажать кнопку Set. В появившемся меню редактирования свойств области течения (рис. 14.4) в списке Motion Type следует выбрать пункт Moving Reference Frame. Тем самым будет определено, что область течения находится в подвижной системе координат. После выбора ниже упомянутого выше списка появится несколько полей, в которых нужно задать параметры движения.
Рис. 14.4. Меню Zones
Если элемент вращается, то в поле Rotation Speed вводится скорость вращения. В случае линейного перемещения в поле Transnational Velocity задаются проекции вектора скорости. Одновременное определение поступательного и вращательного движения позволяет задать сложное движение.
Ось вращения задается в полях Rotation Axis Origin (точка оси) и Rotation Axis Direction (направление оси) (рис. 14.5), находящихся выше списка Motion Type. Ось вращения необходимо описывать в случаях вращательного движения системы координат или применения периодического граничного условия
Рис. 14.5. Поле, в котором определяется положение оси вращения
2. Описывается движение стенок, ограничивающих расчетную область. Движение стенок описывается в поле Wall Motion в меню задания граничных условий стенки Define® Boundary Condition®Wall (рис. 14.6). Если при описании движения элементов в поле Wall Motion выбрана опция Stationary Wall (позиция 1 на рис. 14.6), это значит, что стенка неподвижна относительно подвижной системы координат, то есть движется относительно абсолютной системы координат со скоростью подвижной системы. Если стенка неподвижна в абсолютной системе координат или движется со скоростью отличной от скорости движения подвижной системы координат, то она считается подвижной. В этом случае в граничном условии стенка следует задать параметры движения стенки (в поле Wall Motion выбирается опция Moving Wall (рис. 14.6)). Скорость движения стенок задается подобно тому как задавалось движение системы координат.
Опция Relative to Adjacent Cell Zone (позиция 2 на рис. 14.6) определяет, что скорость движения стенки будет задаваться в подвижной системе координат.
Опция Absolute (позиция 2 на рис. 14.6) определяет, что скорость движения стенки будет задаваться в абсолютной системе координат.
Рис. 14.6. Меню задания граничного условия стенки
Если стенка неподвижна в абсолютной системе координат, то следует выбрать опцию Absolute, а в поле Speed ввести скорость равную нулю.
3. При исследовании течения через вращающиеся элементы (например, в турбомашинах) в граничном условии «давление на выходе (pressure outlet)» следует активировать опцию Radial Equilibrium Pressure Distribution. Она позволяет рассчитать распределение давления по высоте канала с помощью уравнения радиального равновесия:
.
14.2. Моделирование течения через подвижные элементы с помощью подхода Multiple Reference Frame
Подход Multiple Reference Frame применяется в случае, когда расчетная область содержит элементы, перемещающиеся друг относительно друга с различными скоростями или в случае, когда в ней имеются подвижные и неподвижные элементы. В этом случае расчетная область делится на области течения соответствующие подвижным и неподвижным элементам: одна или несколько областей на неподвижные зоны и по одной на каждый элемент, движущийся со своей скоростью. В качестве иллюстрации на рис. 14.7. представлено схематическое изображение двухступенчатой осевой турбины.
Рис. 14.7. Схема расчетной модели осевой турбины
Она состоит из двух ступеней, рабочие колеса которых двигаются с различными скоростями U1 и U2. В данном случае вся расчетная область потока через турбину делится на 4 области течения разделительными поверхностями, проходящими примерно по серединам зазоров между элементами, движущимися друг относительно друг друга с разными скоростями. Поскольку сопловые аппараты неподвижны, то вместо областей 1 и 3 может быть создана одна общая. Области течения определяются в программе Gambit на этапе определения граничных поверхностей. Области 2 и 4 будут иметь свои подвижные системы координат, которые будут двигаться со скоростями U1 и U2 соответственно.
При использовании подхода Multiple Reference Frame области течения разделяются граничными условиями «стенка». Причем при чтении модели во Fluent в месте сопряжения двух областей создается две стенки: первая принадлежит одной, вторая -«экран» (shadow) – другой. «Экраны» создаются в программе Fluent всегда, когда стенка имеет области течения с обеих сторон. Эти границы используются генератором сеток для разделения зон течения, и могут быть преобразованы в граничное условие interface (проницаемая граница) при задании граничных условий. К границе между зонами предъявляются те же требования что и при подходе Single Reference Frame – она должна быть поверхностью вращения или плоскостью и не содержать выступающих элементов. При использовании подхода Multiple Reference Frame области течения должны иметь одинаковую периодичность. Это требование создает неудобства при решении некоторых задач. Например, необходимо провести исследование течения в ступени турбомашины, в одном венце которой 15 лопаток, в другом – 29. Очевидно, что в этом случае невозможно создать области течения, соответствующие разным венцам с одинаковой периодичностью. Эту проблему можно решить, если изменить число лопаток в венце на несколько штук. В частности в рассматриваемом примере в одном венце можно взять 15 лопаток, а в другом вместо 29 – 30. В результате шаг второго венца незначительно изменится, что мало скажется на результатах расчета. При этом области потока можно будут иметь одинаковую периодичность и к рассматриваемой задаче можно применить подход Multiple Reference Frame. В этом случае область соответствующая первому венцу будет содержать одну лопатку, а область второго венца – два. Уточнить результаты такого расчета можно с помощью поправочных коэффициентов, поскольку влияние шага на параметры турбомашины достаточно хорошо изучено.
Для того чтобы исследовать течения через подвижные элементы с помощью подхода Multiple Reference Frame необходимо выполнить следующие действия.
1. В программе Gambit необходимо описать области течения соответствующие подвижным и неподвижным элементам в меню Zones®Specify continuum type 
® 
.
2. В программе Fluent меню Boundary Condition следует изменить тип граничного условия у стенок, разделяющих разные области течения c Wall на Interface. Граничное условие Interface никаких дополнительных настроек не требует.
3. Для каждой области течения задаются параметры вращения и граничные условия подобно тому, как это делалось при подходе Single Reference Frame. Для областей потока, неподвижных в абсолютной системе координат настройки в меню Zones можно не проводить.
В ряде случаев не неизвестно какое название имеет конкретная область потока. Для того чтобы установить соответствие имени конкретной сеточной области можно воспользоваться командной: /display> zone-grid набираемой в командной строке. После ее запуска программа выдаст запрос zone id/name(1) [()] в ответ на который необходимо ввести ID номер граничного условия. Его можно узнать в меню Boundary Condition. Для этого в нем в поле Zones нужно выбрать интересующее имя области. ID номер будет высвечено в поле ID в нижней правой части меню.
14.3. Моделирование течения через подвижные элементы с помощью подхода Mixing Plane
Подход Mixing Plane применяется в тех же случаях, что и подход Multiple Reference Frame. Принципиальным отличием от него является то, что на поверхности разделяющей разные области течения вводится так называемая поверхность смешения (Mixing Plane) на которой происходит процедура осреднения параметров потока в направлении движения. На поверхности смешения параметры на выходе из области, расположенной выше по течению осредняются и используются в качестве входного граничного условия для области расположенной ниже по течению. Другим отличием от подхода Multiple Reference Frame является то, что при использовании поверхности смешения не требуется соблюдения одинаковой периодичности в разных расчетных областях течения (рис. 14.8).
Рис. 14.8. Применение поверхности смешения при исследовании течения в вентиляторе
Поверхность смешения должна быть поверхностью вращения, в случае вращательного движения одной области относительно дугой, или плоскостью в случае плоскопараллельного перемещения. Поверхность смешения может быть перпендикулярной оси вращения, либо параллельной ей. Это позволяет использовать поверхность смешения для исследования течения как в осевых, так и радиальных турбомашинах (рис. 14.9).
Однако подходу Mixing Plane присущи и недостатки. Во-первых, при осреднении параметров потока на поверхности смешения вносится дополнительная погрешность. Во вторых, при разной периодичности зон потока происходит нарушения баланса расходов, энергии и импульса в расчетной области, что также вносит неточность в расчет. Правда следует отметить, что эта погрешность определении расходов, энергии и импульсов относительно не велика и как правило не превышает 1%.
Рис. 14.9. Расположение поверхности смешения при осевых и радиальных течениях
В третьих, при осреднении происходит «размывание» следов обтекаемых тел, что не позволяет моделировать взаимодействие на течение элементов, расположенных выше по потоку, чем поверхность смешения. Например, это делает невозможным учет влияния закромочного следа или скачков уплотнения на работу последующего венца в турбомашинах.
Для того чтобы исследовать течения через подвижные элементы с помощью подхода Mixing Plane необходимо выполнить следующие действия.
1. В программе Gambit необходимо описать области течения соответствующие подвижным и неподвижным элементам в меню Zones®Specify continuum type 
® 
.
2. На входе в каждую область течения устанавливается входное граничное условие (pressure inlet или mass flow inlet), а на выходе потока из нее – выходное граничное условие (pressure outlet). Таким образом, на каждой поверхности, разделяющей области течения будет задано по два граничных условия, принадлежащие разным областям.
Рис. 14.10. Расположение граничных условий при определении поверхности смешения
3. В программе Fluent описываются области течения, параметры их движения, настраиваются параметры движения стенок расчетной области подобно тому, как это делалось при подходах Single Reference Frame и Multiple Reference Frame.
4. Поверхность смешения описывается с помощью команды Define ® Mixing Plane. Внешний вид этого меню показан на рис. 14.11.
Рис. 14.11. Меню задания поверхности смешения Define ® Mixing Plane
Это меню состоит из трех основных полей: в первом поле Mixing Plane отражается список уже созданных поверхностей смешения. В поле Upstream Zone приведен список всех выходных граничных условий модели. Из этого списка необходимо выбрать то условие, которое является выходным граничным условием области течения стоящей выше по потоку относительно задаваемой поверхности смешения. Здесь происходит выбор границы, на которой будет происходить осреднение. В поле Downstream Zone находится список всех входных граничных условий модели. В нем необходимо выбрать входное граничное условие области, расположенной ниже по потоку, чем поверхность смешения. На эту границу будут передаваться осредненные параметры.
В рассматриваемом меню существует ряд опций:
В поле Interpolate Points выбирается число сечений в которых будет происходить осреднение.
В поле Mixing Plane Geometry выбирается тип течения через поверхность смешения. Если течение осуществляется вдоль оси вращения, то следует выбирать опцию Axial, а если перпендикулярно – Radial.
В поле Under – Relaxation устанавливается параметр релаксации, который находится в интервале от 0 до 1.
Для создания поверхности смешения необходимо нажать кнопку Create.
После этого действия в меню настройки параметров входного и выходного граничных условий находящихся на поверхности смешения поля ввода параметров потока станут неактивными, в списках рядом с ними, появятся название файлов полей параметров из которых будут читаться граничные условия (рис. 14.12).
14.4. Моделирование течения через подвижные элементы с помощью подхода Sliding Mash
Как отмечалось ранее, рассмотренные выше подходы к моделированию подвижных зон имеют существенный недостаток. Вследствие осреднения потока на границе между зонами и решения задачи в стационарной постановке не корректно моделируются взаимодействия подвижных и неподвижных элементов. В частности не учитывается взаимодействие элементов со следами тел находящихся выше по течению или скачками уплотнения.
Рис. 14.12. Вид меню задания граничного условия находящегося на поверхности смешения
Моделировать эти явления в программе Fluent можно с помощью подхода Sliding Mash. Он принципиально отличается от рассмотренных ранее тем, что при его использовании происходит физическое перемещение сетки одной зоны относительно другой (рис. 14.13). Из-за этого задача с таким подходом может быть решена только в нестационарной постановке.
Рис. 14.13. Моделирование движения элементов расчетной зоны с помощью подхода Sliding Mash
Основным недостатком подхода Sliding Mash является, то, что для его использования требуются значительно большие ресурсы компьютера и время расчета. Кроме того, в случае использования периодических граничных условий для корректного решения, как и в подходе Multiple Reference Frame, требуется чтобы периоды разных областей потока совпадали. Поверхность, разделяющая две области должна быть плоскостью или поверхностью вращения.
Для того чтобы исследовать течения через подвижные элементы с помощью подхода Sliding Mash необходимо выполнить следующие действия.
1. В программе Gambit необходимо описать области течения соответствующие подвижным и неподвижным элементам в меню Zones®Specify continuum type ® .
2. Как и при подходе Mixing Plane на входе и выходе из каждой расчетной области описываются граничные условия. Однако при подходе Sliding Mash на поверхностях, находящихся на границе двух областей течения, должно быть установлено граничное условие Interface.
3. В программе Fluent описываются области течения, параметры их движения, настраиваются параметры движения стенок расчетной области подобно тому, как это делалось при использовании других подходов. Единственное отличие заключается в том, что в появившемся меню редактирования свойств области течения (рис. 14.4) в списке Motion Type вместо Moving Reference Frame выбирается пункт Moving Mash (подвижная сетка).
4. Для каждой границы между областями течения создается поверхность пересечения с помощью команды Define®Grid Interface. Это меню показано на рис. 14.14. В этом меню, как и в рассмотренном выше меню задания поверхности смешения Define ® Mixing Plane имеется три основных поля. В левом поле Grid Interface вводится имя поверхности смешения. Ниже этого поля находится список уже имеющихся разделительных поверхностей. В центральном и правом поле (Interface Zone 1 и 2) находятся одинаковые списки граничных условий типа Interface. В этих списках нужно выбрать границы, примыкающие к поверхности раздела двух подвижных областей течения: в центральном принадлежащий области расположенной выше по течению в правом – ниже.
Рис. 14.14. Меню Define®Grid Interface
В этом меню доступны ряд опций:
Опцию Periodic следует активировать, если решаемая задача периодическая.
Активация опции Couple приведет к тому, что на поверхности сопряжения двух областей будет учитываться теплоперенос.
Для принятия сделанных настроек необходимо нажать кнопку Create, после чего в левом списке появится имя созданной поверхности пересечения.
4. В меню Define ® Models ® Solver задается, что задача будет решаться в нестационарной постановке.
5. Величина шага по времени находится по соотношению:
, где
- средний размер ячейки, мм;
w - угловая скорость, рад/сек;
R – радиус, мм.
При таком подходе за один шаг по времени сетка одной области течения сместится относительно другой на одну ячейку.
6. Перед решением можно просмотреть, как будет двигаться одна область течения относительно другой. Перед выполнением этой операции следует сохранить расчетную модель. Визуализация движения областей друг относительно друга происходит с помощью команды Solver®Mesh Motion. Меню команды показано на рис. 14.15.
Рис.14.15. Меню Solver®Mesh Motion
В этом меню в поле Time Step задается шаг по времени, а в поле Numbers of Time Steps задается интересующее пользователя число шагов по времени. После этого нажимается кнопка Preview.
После работы с этой команды следует вновь загрузить расчетную модель, сохраненную ранее, для того чтобы вернуть сетку в исходное положение.
7. Решение можно считать законченным когда невязки по итерациям будут меняются периодично, как изображено на рис 14.16.
Дата публикования: 2015-02-20; Прочитано: 756 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!
