Ćw. 5 - MEiL

1
ĆWICZENIE
Ustalony trójwymiarowy przepływ
nieściśliwy z oderwaniem
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobem
modelowania przepływów trójwymiarowych oraz obróbka
trójwymiarowych wyników graficznych.
Opis problemu:
Zadanie polega na wyznaczeniu opływu wokół skrzydła
typu delta ustawionego pod duŜym katem natarcia (30°),
wyposaŜonego w śmigło, umieszczone w szczelinie .
Przepływ odbywa się w zamkniętej przestrzeni tunelu
aerodynamicznego i posiada płaszczyznę symetrii wymiary
tunelu BxHxL=150x200x600 mm). Przepływającym
czynnikiem jest powietrze o prędkości V=10m/s i ciśnieniu
p=101325 Pa.
Opis modelu geometrycznego:
Model rozwaŜany w tym ćwiczeniu jest właściwie półmodelem, w którym odwzorowano tylko połowę skrzydła
delta oraz połowę kręgu śmigła. Tym samym załoŜono
przepływ symetryczny względem płaszczyzny XZ. W celu
lokalnego zagęszczenia siatki wokół skrzydła, model
umieszczono w półkuli, w której zastosowano znacznie
gęstsza siatkę, niŜ w pozostałym obszarze.
Model obliczeniowy w całości
Dzięki
zastosowaniu
warunku
brzegowego
typu
INTERFACE na brzegu półkuli, moŜna moŜliwe jest
obracanie półkuli (wraz z modelem) dla uzyskania
ustawienia skrzydła pod róŜnymi kątami natarcia (nie
będzie to wykonywane podczas tego ćwiczenia, ale jest
moŜliwe).
Wykonanie modelu geometrycznego
Wymiary obszaru obliczeniowego
Schemat układu przepływowego
a) podstawowe obiekty geometryczne:
1) utworzyć 3 punkty (A, B, C) w płaszczyźnie XY,
połączyć je liniami prostymi a następnie stworzyć na ich
podstawie powierzchnię (opcja WIREFRAME) o nazwie
„skrzydlo”
L.p. Współrzędna X Współrzędna Y
A
10
0
B
10
30
C
-40
0
2) utworzyć koło w płaszczyźnie YZ (Face, Circle) o
promieniu r = 5 i nazwie „smiglo”, następnie przesunąć je
(opcja Move, Translate) o wektor [-10;0;0]
3) obrócić powierzchnie „skrzydlo” i „smiglo” o kąt +30°
(opcja Move, Rotate) względem osi Y (Axis, Define,
Direction: Y Positive > Apply)
4) utworzyć prostokątną powierzchnię w płaszczyźnie XZ
Centered o wymiarach 300x800 (Width x Height) i
nazwie”noz”
5) utworzyć kulę o promieniu r = 50 (Volume, Sphere) i
nazwać ją „kula”
6) utworzyć prostopadłościan (Volume, Brick) o
wymiarach: 600x300x200 (Width x Depth x Height) i
nazwie „tunel”. Przesunać go następnie (Move, Translate) o
wektor [50;0;20]
b) operacje na obiektach:
1) przedzielić kulę (Split Volume) za pomocą powierzchni
„noz” (Split with Faces (Real)) z zachowaniem narzędzia
2
tnącego (włączona opcja Retain, opcje Bidirectional i
Cennected wyłączone). Skasować półkulę pozostającą po
ujemnej stronie osi Y (Delete Volumes).
2) przedzielić prostopadłościan „tunel” (Split Volume) powierzchnią „noz” (Split with Faces (Real)) pozostawiając
narzędzie tnące (włączona opcja Retain, opcje Bidirectional i Cennected wyłączone). Skasować prostopadłościan
pozostający po ujemnej stronie osi Y (Delete Volumes).
3) zmienić nazwy pozostałych dwóch objętości na „tunel” i
„polkula” (Volume > Modify Volume Label)
4) przedzielić powierzchnię „smiglo” (Split Face) powierzchnią „noz” (Split with Faces) usuwając narzędzie
tnące (opcja Retain wyłączona, opcje Bidirectional i Cennected wyłączone). Skasować część powierzchni „smiglo”
pozostającą po ujemnej stronie osi Y (Delete Faces).
5) odjąć objętość „polkula” od objętości „tunel” (Volume >
Split Volume > Split with Volumes) z zachowaniem
półkuli oraz jedną powierzchnią łączącą o obie objętości
(opcja Retain wyłączona, opcja Connected włączona, opcja
Bidirectional wyłączona).
6) przedzielić objętość „polkula” za pomocą powierzchni
„skrzydlo” i „smiglo” (Volume < Split Volume > Split with Faces) bez zachowania tych powierzchni (opcja Retain
wyłączona, opcje Bidirectional i Connected wyłączone)
7) sprawdzić, czy pomiędzy objętościami „tunel” i „polkula” jest tylko jedna powierzchnia i ew. połączyć, jeśli są
dwie (Face > Connect Faces). Rozwinąć okno Faces i nacisnąć kilkakrotnie na krawędź czaszy kulistej przy wciśniętym klawiszu Shift. W oknie po prawej stronie powinna pojawić się nazwa tylko jednej powierzchni, a w oknie komunikatów programu (Transcript) powinien pojawić się komunikat: „ERROR: Entity face.nr currently exist in the select list”.
Warunki brzegowe dla obszaru obliczeniowego
W modelu uŜyto następujących warunków (rys. 4):
1) Symmetry - na płaszczyźnie symetrii układu tunel-model
(uwaga: są tam dwie powierzchnie)
2) Wall - na ścianach bocznych tunelu aerodynamicznego
3) Velocity Inlet – wlot prędkościowy (na wlocie do tunelu)
4) Outflow – wypływ (wylot z tunelu)
5) Wall - na powierzchniach skrzydła
6) Fan – wentylator (śmigło)
Siatkowanie modelu:
1) utworzyć siatkę na powierzchni skrzydła oraz śmigła (są
to 3 powierzchnie), siatka typu Tri/Pave, Interval size = 2
2) utworzyć siatkę na powierzchni sfery oraz powierzchni
leŜącej w płaszczyźnie symetrii (2 powierzchnie), siatka typu Tri/Pave, Interval size = 5
3) utworzyć siatkę w objętości „polkula”(siatka Tet/Hybrid
Tgrid, Interval size = 1) – generator siatki powinien wyświetlić komunikat: „Mesh generated for volume polkula: mesh
volumes = 12729”
4) utworzyć siatkę na zewnętrznych ścianach tunel oraz na
powierzchni wlotu i wylotu (Tri/Pave, Interval size = 20)
5) utworzyć siatkę na powierzchni symetrii tunelu (Tri/Pave,
Interval size = 1)
6) utworzyć siatkę w objętości „tunel”(siatka Tet/Hybrid
Tgrid, Interval size = 1) – generator siatki powinien wyświetlić komunikat: „Mesh generated for volume tunel: mesh volumes = 19193”
Zadanie warunków brzegowych:
Dla ułatwienia warunki brzegowe zostaną zadane przed
siatkowaniem modelu. Wszystkie warunki brzegowe w
modelu trójwymiarowym odnoszą się do powierzchni (Face), zaś strefy wypełnione płynem (Fluid) bądź ciałem stałym (Solid) deklarowane są na objętościach (Volume). Stanowi to istotna róŜnice pomiędzy modelami dwuwymiarowymi oraz osiowosymetrycznymi, w których warunki brzegowe zadawano na krawędziach (Edge), a strefy ośrodka
zadawano na powierzchniach (Face).
Wygląd siatki na powierzchniach „skrzydlo” oraz „smiglo-cz1” i
„smiglo-cz2”
3
Cell Zone Conditions > (powietrze) > Operating
Conditions
W oknie Operating Conditions ustawić wartość ciśnienia
odniesienia (Operating Pressure) na 101325 Pa i potwierdzić wybór (OK).
Określenie warunków brzegowych:
Boundary Conditions > Edit
Wygląd siatki w objętości „polkula”
W tej części ćwiczenia definiujemy następujące warunki
brzegowe:
1) wlot prędkościowy (Velocity Inlet) - prędkość na wlocie
(Velocity Magnitude) = 10 m/s
2) smiglo (fan) – ustalamy skok ciśnienia na 0 (Pressure
Jump = Constant = 0 Pa). W tej części ćwiczenia śmigło
nie będzie się obracać, zostanie ono włączone dopiero w
drugiej części ćwiczenia.
3) wylot tunelu (Outflow) – ustawienia pozostawiamy bez
zmiany (Flow Rate Weighting = 1).
Ustawienie wielkości reszt:
Monitors > Residuals > Edit
Wyłączyć opcję wyświetlania histogramów dla rezydułów
(Print to Console), zaznaczyć opcję Plot.
Zadać wartości wszystkich rezydułów na poziomie 10-3. Potwierdzić wybór (OK).
Wygląd siatki w objętości „tunel”
Wyeksportować siatkę (3d) i zakończyć pracę z programem
Gambit.
OBLICZENIA PRZEPŁYWOWE W PROGRAMIE
FLUENT
Uruchomić Fluenta w wersji trójwymiarowej o zwyczajnej
precyzji obliczeń (3d), wczytać utworzony w Gambicie plik
z siatką obliczeniową, sprawdzić poprawność siatki, przeskalować (siatka była utworzona w centymetrach).
Ustawienia solvera przepływowego:
General > Solver
Solver rozsprzęŜony (Type: Density Based),
Przepływ ustalony (Time: Steady)
Prędkość (Velocity Formulation: Absolute)
Model trójwymiarowy (3D Space)
Definiowanie modelu:
Obliczenia przeprowadzimy dla modelu płynu lepkiego,
przyjmując 1-no równaniowy model turbulencji
Models > Viscous >Edit
Zmienić model lepkości z laminarnego (Laminar) na lepki
turbulentny (Spalart-Allmaras).
Ustawienie modelu płynu nieściśliwego:
Materials > Fluid > Create/Edit
Pozostawić ustawienia ośrodka o stałej gęstości (Density =
Constant)
Określenie warunków analizy:
Inicjalizacja rozwiązania
Solution Initialization >
zadać wartości z wlotu (Compute from: wlot):
- ciśnienie (Gauge Pressure) = 0 Pa
- składowa X prędkości (X-Velocity) = 10 m/s
- składowa Y prędkości (Y-Velocity) = 0 m/s
- składowa Z prędkości (Z-Velocity) = 0 m/s
Rozpoczęcie obliczeń:
Wykonanie obliczeń (Run Calculation)
Wykonać ok. 200 iteracji i przejść do analizy wyników
Analiza wyników obliczeń:
Ustalenie lustrzanego widoku:
Display > Views >
W polu Mirror Planes zaznaczyć pl_symetrii i nacisnąć
Display
A. Wyniki dla przypadku wyłączonego śmigła
1. Rozkłady ciśnienia na górnej i dolnej powierzchni
skrzydła
4
W tym celu naleŜy utworzyć 2 płaszczyzny o stałych wartościach współrzędnej X:
Surface > Iso-Surface
w oknie Iso-Surface w polu stałych wartości (Surface Of
Constant) wybrać siatkę (Mesh), w polu poniŜej wybrać
współrzędną X (X Coordinate). W polu stałej wartości (Iso
Value) podać wartości współrzędnej x płaszczyzny (np.
0.05), a w polu nazw (New Surface Name) podać jej nazwę
(np. x=0.05). Potwierdzić wybór (Create). Tak samo utworzyć płaszczyznę dla x=0.2.
Kontury ciśnienia statycznego na górnej powierzchni skrzydła
Wektory prędkości w płaszczyźnie x = 0.05
Kontury ciśnienia statycznego na dolnej powierzchni skrzydła
Wektory prędkości w płaszczyźnie x = 0.2
Definiowanie linii do wizualizacji linii prądu:
Wektory prędkości na górnej powierzchni skrzydła
Wektory prędkości na dolnej powierzchni skrzydła.
Wizualizowania wirów krawędziowych:
Dla celów wizualizacji przydatne będzie wcześniejsze zdefiniowanie specjalnej linii, biegnąca blisko krawędzi natarcia skrzydła. Z linii tej startować będą linie prądu (podczas
wizualizacji). Aby stworzyć taką linie (Rake) naleŜy najpierw wyświetlić samo skrzydło korzystając z opcji:
Display > Mesh (Uwaga: wcześniej naleŜy wyłączyć lustrzane odbicie, Ŝeby nie pomylić połówki rzeczywistego
skrzydła i połówki lustrzanej !)
W oknie Options wybrać Faces a w oknie Surfaces podświetlić „skrzydlo”.
Następnie tworzymy linię, biegnącą wzdłuŜ krawędzi natarcia:
Surface > Line/Rake
Przy wyłączonej opcji Line Tool w ramce Options wybieramy w ramce Type opcję Rake. W polu Number of Points
pozostawiamy wartość = 10. Następnie wciskamy przycisk
Select Points With Mouse. W oknie graficznym, gdzie jest
wyświetlono skrzydło wskazujemy prawym przyciskiem
myszy dwa punkty (początek i koniec), definiujące prostą, w
polu New Surface Name wpisujemy jej nazwę (np.
5
kraw_natarcia) a następnie potwierdzamy wybór przyciskiem Create. Podobnie moŜna zdefiniować linię pokrywającą się z krawędzią spływu.
(Uwaga: Ustawienie przycisków myszy moŜemy sprawdzić
za pomocą polecenia Display > Mouse Buttons)
Wizualizacja linii prądu:
Display > Path Lines
W celu wizualizacji linii prądu w oknie Release from Surfaces wskazujemy wcześniej utworzoną krawędź natarcia
jako linię, z której naleŜy rozpocznie się kreślenie linii prądu. (moŜna równieŜ w tym celu uŜyć powierzchni skrzydła).
Wizualizacja olejowa na dolnej powierzchni skrzydła
B. Obliczenia dla przypadku z włączonym
śmigłem.
Przykład wizualizacji linii prądu rozpoczynających się od krawędzi natarcia
W dalszej części ćwiczenia naleŜy dokonać obliczeń i wizualizacji wyników dla przypadku z włączonym śmigłem:
Define > Boundary Conditions > smiglo > Edit
smiglo (Fan) - skok ciśnienia (Pressure Jump) = 200 Pa
(Constant - stały)
Pozostałe warunki brzegowe bez zmian.
Inicjalizujemy rozwiązanie i wykonujemy 200 iteracji.
Analiza wyników obliczeń dla włączonego śmigła:
Wizualizacja linii prądu wychodzących z powierzchni skrzydła
Wizualizacja olejowa
Display > Path Lines
W polu Options zaznaczyć Oil Flow, w polach On Zone
oraz Release from Surfaces zaznaczyć skrzydlo. Wyświetlić obraz naciskając Display.
Wizualizacja olejowa na górnej powierzchni skrzydła
Kontury ciśnienia statycznego na górnej powierzchni skrzydła
Kontury ciśnienia statycznego na dolnej powierzchni skrzydła
6
Wizualizacja olejowa na dolnej powierzchni skrzydła
Wektory prędkości na górnej powierzchni skrzydła
Wektory prędkości na dolnej powierzchni skrzydła
Przykład wizualizacji linii prądu wychodzących z krawędzi natarcia
Wizualizacja olejowa na górnej powierzchni skrzydła
Zakończyć pracę z programem Fluent.