![]() |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
|
В результате дискретизации каждое из исходных уравнений представляется в виде системы линейных уравнений, неизвестными в которой являются параметры течения, определяемые из решения данного уравнения. Для решения системы алгебраических уравнений в настоящее время используется две группы методов. Методы сопряженных градиентов основаны на отыскании многомерной векторной функции для минимизации невязки, полученной от подстановки приближенного решения в систему линейных уравнений. Наиболее перспективным методом поиска решения системы линейных уравнений является многосеточный метод. В некоторых программах используются некоторые упрощенные алгоритмы – трехдиагональный алгоритм Томаса (TDMA) и метод Гаусса-Зейделя [1,8].
Для повышения устойчивости и сходимости решения чаще всего применяется релаксация [7,8] – ограничение на изменение переменной в течение итерации:
,
где
a – коэффициент релаксации;
i – номер итерации.
Решение уравнений Навье – Стокса численными методами само по себе не представляет сложностей. Действительная сложность связана с определением поля скоростей с неизвестным полем давления. Градиент давления составляет часть источникового члена уравнения Навье – Стокса. Однако в решаемую систему не входят уравнения для определения давлений. Поэтому поле давлений определяется с помощью уравнения неразрывности. Если «правильное» поле давлений подставить в уравнение Навье – Стокса, получаемые в результате его решения скорости будут удовлетворять уравнению неразрывности [7].
Один из вариантов решения системы уравнений выглядит следующим образом:
- задается приближенное поле давлений р*;
- решается уравнение Навье – Стокса, из которого определяются u*,v*,w*;
- определяется поправка давления , где
- поле давлений, удовлетворяющее уравнению неразрывности;
- определяется ;
- находятся уточненные значения скоростей u,v,w;
- определяют распределение температуры T;
- обновляют свойства среды, зависящие от температуры - l, m, ср, R;
- определяют распределение параметров турбулентности;
- обновляют свойства среды, зависящие от параметров турбулентности - mТ.
Приведенный алгоритм называется полунеявным методом для связывающих давление уравнений и более известен под названием SIMPLE [8].
Примерный алгоритм решения уравнений газовой динамики численными методами приведен на рис. 1.11 [26,27].
В качестве критерия сходимости решения чаще всего используется понятие невязки. Пусть для дифференциального уравнения было найдено приближенное решение
. Невязкой называется величина
. Очевидно, что чем ближе невязка к нулю тем ближе полученное численное решение к действительному решению системы уравнений.
Условием сходимости является следующее условие: максимальное значение
не должно превышать некоторого малого числа [8]. Максимальная невязка назначается обычно в пределах 1×10-2…...1×10-4 [26,27].
Описанный выше алгоритм решения системы уравнений Навье – Стокса реализован в современных CFD программных комплексах. С его помощью может быть рассчитано течение в каналах произвольной формы. Процесс численного исследования любого течения с помощью универсальных программных комплексов можно разделить на восемь этапов [1,7,8,9,12,26,28]:
1. выбор расчетной схемы, граничных условий и основных допущений;
2. определение границ рассматриваемой области;
3. создание расчетной конечно-элементной сетки;
4. задание граничных условий;
5. назначение параметров счета;
6. непосредственно расчет;
7. визуализация результатов расчета и определение основных расчетных параметров (интегральных величин скорости, давления, температуры и т.п.);
8. анализ полученных результатов, оценка адекватности распределения параметров по расчетной области.
2. Структура программного комплекса Fluent
История программного комплекса Fluent начинается в 1982 году, когда проблемы вычислительной гидродинамики интересовали весьма узкий круг специалистов. Инженеры американской фирмы Creare, Inc. совместно с группой ученых из Шеффилдского университета (Великобритания) под руководством доктора Ферита Бойсана решили создать простую в использовании, интерактивную CFD -программу для инженерных расчетов. Первый релиз продукта под названием Fluent вышел в октябре 1983 года. Этот проект оказался столь успешным, что в 1990 году разработчики программы создали собственную компанию Fluent, Inc. Фирма развивалась быстрыми темпами, постоянно совершенствуя свой продукт. В сентябре 2000 года компания получила сертификаты ISO 9001 и TickIT. В настоящее время Fluent является одним из лидеров рынка коммерческих CFD программ для решения задач механики жидкостей и газов [25].
Программный комплекс Fluent позволяет решать задачи:
- течения жидкостей и газов в каналах любой формы;
- внешнего обтекания;
- теплопередачи (вынужденную и свободную конвекцию, теплопередачу и лучистый теплообмен);
- течения со свободными поверхностями;
- течения многофазных сред;
- течения реагирующих потоков, включая горение;
- течение твердых частиц и капель жидкости в потоке;
- изменения фазового состояния вещества (плавление, кипение, кристаллизация, испарение, кавитация);
- течения в движущихся каналах (например, в смесительных устройствах и турбомашинах);
- моделирования течения в каналах с меняющейся в процессе решения геометрией;
- акустики и др...
Программа Fluent позволяет решать двухмерные, осесимметричные и трехмерные задачи в стационарной или нестационарной постановках в большом диапазоне скоростей течения. Течение может рассматриваться как невязкое, ламинарное или турбулентное.
Программный комплекс Fluent использует неструктурированную сеточную технологию. Это значит, что конечно-элементная сетка может состоять из элементов разнообразной формы: шестиугольников, четырехугольников и треугольников, гексайдеров, тетрайдеров, призм и пирамид и др.
Конечно-элементная сетка может адаптироваться (сгущаться или укрупняться) по результатам расчета. Это позволяет получить более точное решение для областей с большими градиентами потока, например, для пограничных слоев и скачков уплотнения. Указанная возможность снижает требования к качеству сетки и соответственно время ее создания и время счета.
Для построения моделей решеток турбомашин в программный комплекс входит подпрограмма G/Turbo. Она является своеобразным аналогом TurboGrid, но заметно уступает ему по функциональным возможностям.
Программный комплекс Fluent оснащен средствами проверки качества сетки и исправления найденных дефектов. В последних версиях программы появилась возможность решения задач в каналах, геометрия которых меняется в процессе решения (например, поршнях ДВС).
Программа Fluent обладает большой базой данных рабочих тел, которая включает в себя жидкости, газы и твердые тела. Она может быть расширена за счет пользовательской базы данных. Параметры рабочего тела в расчете могут быть как постоянными, так и меняться в зависимости от параметров течения.
Программный комплекс использует для решения метод конечных объемов и позволяет проводить решения задач с помощью одного из трех алгоритмов:
- неявного алгоритма Pressure Based (в российской литературе его называют алгоритмом установления);
- явного алгоритма Density Based (в российской литературе - алгоритм расщепления);
- неявного алгоритма Density Based.
Решатель программного комплекса позволяет проводить решение на вложенных сетках. Исходные уравнения могут быть дискретизированы по первому, второму или частично третьему порядку точности. Решение может быть распараллелено и решаться на нескольких процессорах.
Во Fluent включены различные физические модели теплопередачи, фазовых переходов, кавитации и др.
В программном комплексе доступны ряд современных моделей турбулентности: Рейнольдса, Спаларта - Аламарса, k-w, k-e, V2F, LES, DES. Повышение точности моделирования пограничных слоев достигается за счет использования пристеночных функций.
Программный комплекс Fluent позволяет использовать большое количество граничных условий на входе и выходе из расчетной области, моделировать подвижные стенки каналов.
В программе реализованы широкие возможности визуализации результатов решения. Возможны построение полей распределения параметров потока, векторов, линий тока, создание анимации, управление отображением модели и т.п. Результаты могут быть представлены в виде графиков, текстовых файлов или интегральных значений параметров.
Расчетная область может быть создана на основе геометрии импортированной из различных CAD программ в форматах: PARASOLID, ACIS, STEP, IGES и др.
Типичный процесс исследования потока с помощью программного комплекса Fluent показан на блок-схеме (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Этапы решения газодинамических задач в программном комплексе Fluent
Первые три этапа решения задачи выполняется в программе Gambit, являющейся составной частью программного комплекса. Остальные этапы реализуются непосредственно в программе Fluent.
Базовая поставка программного комплекса включает программы Fluent, Gambit и T-Grid. Все программы англоязычные.
В дополнение к указанным продуктам Fluent, Inc. предлагает несколько отраслевых программных комплексов: Icepak — для расчета температурного состояния электронной аппаратуры, Airpak — для проектирования инженерных систем зданий (системы вентиляции, отопления и пр.) и MixSim — для проектирования смесителей и мешалок и др.
3. Общие сведения о работе в программе Gambit
Программа Gambit - составная часть программного комплекса Fluent и является его основным препроцессором. Gambit создана для ОС UNIX, поэтому для ее работы в Windows необходима эмуляция. В качестве эмулятора обычно используется программа Exceed.
Gambit позволяет:
1. Создавать геометрию расчетной области:
- создавать геометрию внутренними средствами программы;
- импортировать геометрию расчетной области из CAD программ;
- делить или объединять элементы геометрии для построения структурной сетки.
2. Развивать расчетную область на конечные элементы:
- строить конечно-элементные сетки;
- управлять процессом разбиения.
3. Проверять качество расчетной сетки.
4. Определять границы расчетной области, на которых в дальнейшем будут установлены граничные условия.
5. Экспортировать конечноэлементные сетки в Fluent или другие расчетные программы.
Запуск программы Gambit осуществляется нажатием на соответствующий ярлык на рабочем столе или из меню «Пуск»:
Пуск ® Все программы ® Fluent Inc Products ® Gambit 2.3.16 ® Gambit 2.3.16
Перед запуском программы появится диалоговое окно, изображенное на рис. 3.1. В нем в поле Working Directory указывается папка, в которой будут сохраняться файлы данной рабочей сессии. Выбрав папку, следует нажать кнопку Run.
Программа Gambit работает с несколькими типами файлов:
- с расширением *.dbs – файл базы данных модели;
- с расширением *.jou –журнальный файл, в котором записаны все действия пользователя, на его основе можно осуществлять параметризацию модели;
- с расширением *.trn – файл транскрипции;
- с расширением *.lok – файл данных. Он создается только для модели, работа с которой ведется непосредственно в данный момент.
Внимание! В ряде случаев, программа Gambit после некорректного окончания работы может не запускаться. Для того, чтобы она заработала часто достаточно удалить все файлы с расширением .lok из рабочей папки.
При запуске программы в рабочей папке создается папка c именем «GAMBIT #. №№# - <Номер процесса>». При корректном окончании рабочей сессии эта папка удаляется автоматически. В случае некорректного закрытия сессии папка остается, и ее следует удалить вручную.
Окно программы Gambit показано на рис. 3.2. Интерфейс программы состоит из следующих основных элементов:
Верхнего меню – меню, содержащего инструменты управления файлами (чтение, запись, импорт и т.п.) и некоторые настройки программы.
Рис. 3.2. Основное рабочее окно программы Gambit
Области построения модели – места, где отображается активная модель.
Окна сообщений – части экрана, в котором в текстовом виде (на английском языке) показываются результаты выполнения всех команд. В нем также выводятся сообщения об ошибках. Окно сообщений можно раскрыть на все рабочее окно с помощью кнопки в виде стрелки направленной вверх в правом углу окна.
Окна описания кнопок – поля, в котором приводятся краткие описания (на английском языке) действия кнопок или элементов меню на котором в данный момент времени указывает курсор.
Главного меню – основное меню, в котором находятся кнопки доступа к командам построения расчетной области, разбиения ее на конечные элементы и т.д. Структура главного меню показана на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Структура главного меню программы Gambit
Следует обратить внимание на то, что часть кнопок имеет маленький красный треугольник внизу. Это говорит о том, что если щелкнуть на них правой клавишей мыши, то можно получить доступ к дополнительным командам сходного содержания (например, разным способам построения элементов).
К достоинствам интерфейса программы Gambit относится то, что все кнопки снабжены простыми рисунками, отражающими суть операции. Кроме того меню построения/редактирования различных элементов имеют одинаковую структуру, что заметно упрощает работу с программой и сокращает время ее освоения.
Дата публикования: 2015-02-22; Прочитано: 1588 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!