Ćw. 4 - MEiL

1
Ćwiczenie: Przepływy dwufazowe
Z punktów tych utworzyć krawędzie jak na rysunku
Sformułowanie zadania
W prostokątnym pojemniku zamkniętym ściankami i
wypełnionym powietrzem znajduje się fragment
wypełniony cieczą (osłonięty myślowymi ściankami). W
chwili t = 0 ścianki rozdzielające ciecz od gazu znikają.
Celem jest prześledzenie nieustalonego procesu
rozpływania się wody w pojemniku, a w szczególności
kształtu powierzchni rozdzielającej fazę ciekłą i fazę
gazową.
powietrze
Z krawędzi utworzyć trzy powierzchnie odchylające a
następnie wyciąć je z duŜego prostokąta
Split Face> Split with Faces z opcją Connected. Po tej
operacji otrzymujemy w sumie 5 powierzchni, przy czy
krawędzie je oddzielające są pojedyncze.
woda
Rozszerzeniem zadania jest przypadek, gdy na
wewnętrznych ściankach zbiornika umieszczone są
elementy odchylające.
A. Budowanie geometrii
1. Tworzenie powierzchni
W układzie współrzędnych (+X +Y) utworzyć prostokątne
powierzchnie: face-1 o wymiarach 100x60 oraz face-2 o
wymiarach 50x50.
Od powierzchni facei-1 odjąć powierzchnię face-2 z
jednoczesnym jej zachowaniem.
3. Tworzenie siatki
Na wszystkich powierzchniach tworzymy siatkę:
Mesh > Mesh Faces
Elements = Tri, Type = Pave, Spacing: Interval size =1
Sprawdzić, czy na styku face1 i face2 nie ma podwójnych
krawędzi i ewentualnie połączyć je.
face2
face1
Efektem pracy są dwie połączone powierzchnie face-1 i
face-2.
2. Tworzenie elementów odchylających
Utworzyć 9 punktów o współrzędnych: 70,0; 80,0; 80,10;
100,20; 100,30; 95,30; 60,60; 70,60; 60,50.
4. Ustalenie warunków brzegowych
Ustawić typ solvera na FLUENT 5/6.
Ustalić warunki brzegowe typu WALL dla wszystkich
ścianek zewnętrznych, nadając im nazwy: sciana-lewa,
sciana-prawa, dno, sufit. Krawędziom wewnętrznym,
oddzielającym wodę od powietrza nadać warunek
brzegowy typu INTERNAL.
Wszystkim krawędziom odchylającym nadać warunek
INTERNAL oraz nazwy: odchylacz-dol-1, odchylacz-dol2, odchylacz-bok-1, odchylacz-bok-2, odchylacz-gora-1,
odchylacz-gora-2. Dzięki temu będzie moŜna później,
2
podczas obliczeń, zmienić typ niektórych z tych krawędzi
na WALL, tworząc prawdziwe odchylacze.
powietrze
Odchylacz-gora-1
Odchylacz-gora-2
Odchylacz-bok-2
woda
z listy Fluid Materials wybrać water-liguid (h2o<1>)
> Copy < Close
W rezultacie w bazie dysponujemy dwoma rodzajami
materiałów:
1) air (density = 1.225 kg/m3 – constant, viscosity =
1.7894*10-5 kg/m*s – constant)
2) water-liquid (density = 998.2 kg/m3 - constant,
viscosity = 0.001003 kg/m*s – constant)
Odchylacz-bok-1
8. Nadać nazwy poszczególnym fazom i
przyporządkować materiał
Odchylacz-dol-1
Phases > Primary Phase > Edit
Odchylacz-dol-2
zmienić nazwę z phase-1 na powietrze oraz wybrać z
listy (Phase Material) - air)
Ustalić warunki brzegowe (FLUID) dla obszarów
wewnętrznych pojemnika. Obszarom nadać nazwy: woda i
powietrze.
5. Zapisać wyniki pracy: Main Menu > File > Save As
6. Eksport dwuwymiarowej siatki: Main Menu > File >
Export > Mesh
Phases > Secondary-phase) > Edit
zmienić nazwę z phase-2 na woda oraz wybrać z listy
(Phase Material) - water-liquid
NaleŜy sprawdzić, czy w Cell Zone Contitions obie
powierzchnie (Type) są typu Fluid oraz są zdefiniowane
(Phase) jako Mixture.
Upewnić się, Ŝe nastąpi eksport dwuwymiarowej siatki
(Export 2d Mesh).
Zdefiniować w Operating Conditions ciśnienie
odniesienia oraz sprawdzić, czy grawitacja jest
uwzględniona
B. Obliczenia (FLUENT)
Operating Conditions > Pressure:
Operating Pressure 101325 Pa,
Reference Pressure Location X(m)=0, Y(m)=0.055
1. Uruchomić program FLUENT w wersji 2ddp
2. Wczytać siatkę
Operating Conditions > Gravity On
Solver:
Gravity: Gravitational Acceleration Y = -9.81
(pamiętać o znaku),
Operating Conditions > Variable-Density Parameters:
Specified Operating Density = On
Operating Density = 1.225
9. Sprawdzić warunki brzegowe
Type - Presser Based, Time -Transient, Velocity
Formulation - Absolute, 2D Space - Planar
Wszystkie ściany: sciana-lewa, sciana-prawa, sufit, dno
powinny być typu wall,
Gravity: On
Ściany dzielące oba płyny powinny być typu interior.
Gravity: Gravitational Acceleration:
Wszystkie ścianki odchylaczy powinny być typu interior.
X=0; Y = -9.81 (pamiętać o znaku!), Z=0
10. Ustawić parametry szczegółowe rozwiązania
5. Ustawić model przepływu wielofazowego
Solution Methods: Naciskamy klawisz Default,
otrzymując ustawienia typowe:
3. Przeskalować siatkę (siatka w mm)
Mesh > Scale > Mesh Was Created in mm > Scale > Close
4. Ustawić metodę rozwiązania
Models > Multiphase > Edit
Model - Volume of Fluid
Number of Eulerian Phases = 2,
Volume Fraction Parameters:
Scheme = Explicit
Courant Number=0.25
6. Ustawić model lepkości płynu
Define > Models > Viscous > Laminar
7. Wybrać rodzaj płynu
Ściągnąć z bazy danych dane dla wody:
Define > Materials > Fluent Database
Pressure-Velocity Coupling:
Scheme: SIMPLE
Spatial Discretization:
Gradient: Least Squares Cell Based
Pressure: Presto,
Momentum: First Order Upwind,
Volume Fraction: Geo-Reconstruct.
Transient Formulation: First Order Implicit
11. Zdefiniować funkcję określającą rozkład ciśnienia w
obszarze zajętym przez wodę w momencie inicjalizacji (z
3
wykonania tego punktu moŜna z braku czasu ew.
zrezygnować):
Define(z paska poleceń) > Custom Field Functions >
Calculator
Wobec ∆p=ρgh funkcja ta ma postać 9.81*1000*(0.05-y),
gdzie y jest współrzędną w kierunku osi y (w metrach),
g=9.81 m/s2, ρ=1000kg/m3.
Uwaga: do zdefiniowania funkcji naleŜy uŜywać
wyłącznie przycisków dostępnych z panelu!
12. Ustawić wartości residułów
16. Zdefiniowanie punktów kontrolnych
o następujących nazwach i współrzędnych:
np. czujnik-1 x=0.1, y=0, czujnik-2 x=0.1, y=0.06.
Są to punkty w prawym dolnym i górnym rogu duŜego
pojemnika.
Surface > Points > Coordinates
Monitors > Residual
17. Automatyczny zapis wyników i tworzenie filmów
Aby wpisać do formuły współrzędną y, naleŜy w
oknie Field Functionc ustawić Mesh, w polu poniŜej
Y-Coordinate i nacisnąć przycisk Select.
Na końcu naleŜy nacisnąć przycisk Define.
Dla wszystkich residuów pozostawić kryterium zbieŜności
równe 0.001, natomiast wyłączyć opcję Print i Plot
(miejsce na ekranie będzie potrzebne!)
13. Inicjalizacja
Solution Initialization >
Dokonać inicjalizacji poprzez wprowadzenie wszędzie
zerowych wartości ciśnienia, składowych prędkości oraz
zawartości fazy objętościowej.
14. NałoŜenie łatek (Patch) – część 1:
Solution Initialization > Patch
Obszar (Zone to Patch) cieczy naleŜy wypełnić wodą
Zone to Patch = woda, Phase = woda, Variable =
Volume Fraction, Value = 1 > Patch
Sprawdzić poprawność tej części patchowania:
Graphics and Animation > Contours > Set Up
Contours of Phases > Phase: woda >Display
15. NałoŜenie łatek (Patch) – część 2 (tego punktu nie
wykonujemy, jeśli nie definiowano funkcji ciśnienia
pkt. 11):
NaleŜy teraz zadać zmianę ciśnienia w obszarze
wypełnionym przez wodę zgodnie ze zdefiniowaną
funkcją:
Solution Initialization > Patch
Zone to Patch = woda, Phase = Mixture, Variable =
Pressure, Use Field Function = On, Field Function =
custom-function-0 > Patch
Sprawdzić poprawność inicjalizacji – część 2:
Display > Contours > Contours of Pressure> Display
Zadanie polega ono na ustawieniu automatycznego zapisu
wyników oraz wykonaniu filmów obrazujących zmiany w
czasie: a) kształtu powierzchni swobodnej, b) wektorów
prędkości w analizowanym obszarze, c) zmiany ciśnienia
w jednym z punktów (czujnik-1 lub czujnik-2).
a) Ustawić automatyczny zapis wyników obliczeń co
kaŜde 50 kroków czasowych
Calculation Activities > Edit
Autosave every 50 Time Steps,
W polu When the Data is Saved, Save the Case
wciskamy opcję Each Time,
File Name: Cw4,
kończymy naciskając Ok.
b) Definiowanie filmów
Calculation Activities > Solution Animations >
Create/Edit
W polu Animation Sequences ustawiamy wartość =2.
Film 1 – Nazwę sequence-1 zmieniamy na pow-swob,
w polu Every ustawiamy wartość 10, w polu When
zmieniamy Iteration na Time Step. Naciskamy Define i
ustawiamy dalej:
W polu Display Type wybieramy Contours, naciskamy
Edit i przechodzimy do nowego okna. W polu Contours
of wybieramy Phases i Volume Fraction, w polu Phase
zmieniamy powietrze na woda. Naciskamy Display. W
oknie nr 1 ukazuje się obraz faz po inicjalizacji.
Wychodzimy z tego okna naciskając Close oraz z okna
Animation sequences naciskając Ok. Przechodzimy do
definiowania drugiego filmu.
Film 2 – Nazwę sequence-2 zmieniamy na wektory.
W polu Every ustawiamy wartość 10, w polu When
zmieniamy Iteration na Time Step. Naciskamy Define i
ustawiamy dalej:
W oknie Window zmieniamy nr okna z 1 na 2 i
naciskamy Set. W polu Display Type wybieramy
Vectors, naciskamy Edit i przechodzimy do nowego
okna.
4
W polu Vectors of pozostawiaramy Velocity, w polu
Phase pozostawiaramy mixture, w polu Color by
ustawiamy Phases i poniŜej Volume fraction, w polu
Phase ustawiamy woda. Parametr Scale zwiększamy do 4,
parametr Skip do 5. Naciskamy Display. W oknie nr 2
ukazuje się pusty obraz wektorów (nic jeszcze nie
obliczono). Wychodzimy z tego okna naciskając Close
oraz z okna Animation sequences naciskając Ok.
Wychodzimy z okna Solution Animation przez Ok.
20. Analiza wyników
Zmiana kształtu powierzchni swobodnej i wektory
prędkości dla obu faz
w chwili t=0
c) rejestracja zmiany ciśnienia w punkcie czujnik-1
Monitors > Surface Monitors > Create
Nazwę surf-mon-1 zmieniamy na czujnik-1, w polu
Options pozostawiamy jako aktywną tylko opcję Plot. W
polu Get Data Every ustawiamy wartość 10, i zmieniamy
Iteration na Time Step. W polu Report Type ustawiamy
Area-Weighted Average, w oknie Field Variable
ustawiamy Pressure oraz Static Pressure, w oknie Phase
pozostawiamy Mixture. W oknie Surfaces wybieramy
czujnik-1. Naciskamy Ok.
18. Iterowanie
po 50 krokach czasowych (0.1 s)
po 100 krokach czasowych (0.2 s)
Run Calculation >
Ustawienia:
Time Stepping Method = Fixed,
Time Step Size = 0.002 s,
Number of Time Steps = 10,
Max Iterations per Time Step = 20
Naciskamy Calculate i rozpoczynamy obliczenia.
Po wykonaniu pierwszych 10 kroków czasowych
(komunikat Calculation Complete) sprawdzamy wygląd
powierzchni swobodnej (powinien być jak na rysunku).
po 150 krokach czasowych (0.3 s)
Graphics and Animation > Contours > Set Up
Contours of Phases > Phase: woda > Display
po 200 krokach czasowych (0.4 s)
Sprawdzamy, czy na dysku zapisane są pliki pow-swob i
wektory (oba z rozszerzeniem .hmf).
po 250 krokach czasowych (0.5 s)
Wykonujemy następne 40 kroków czasowych i
sprawdzamy, czy na dysku zapisały się pliki z
rozszerzeniem .dat i .cas
Wykonać następnych 340 kroków czasowych
19. Oglądanie nagranych filmów
Graphics and Animation > Solution Animation
Playback > Set Up
W oknie Sequences uaktywniamy jeden z nagranych
filmów aa następnie wykorzystując przyciski
oglądamy nagrany materiał.
po 300 krokach czasowych (0.6 s)
21. Modyfikacja zadania (GAMBIT)
Dokonać modyfikacji zadania zmieniając warunek
brzegowy na wybranych odchylaczach z INTERIOR na
WALL. Po wykonaniu tego naleŜy dokonać ponownej
5
inicjalizacji a potem iterować jak poprzednio ze
zmienionym krokiem czasowym na 0.002s.
Przepływ z odchylaczem z boku i na górze
po 350 krokach czasowych (0.7 s)
w chwili t=0
po 400 krokach czasowych (0.8 s)
po 50 krokach czasowych (0.1 s)
po 450 krokach czasowych (0.9 s)
po 100 krokach czasowych (0.2 s)
po 500 krokach czasowych (1.0 s)
po 150 krokach czasowych (0.3 s)
po 200 krokach czasowych (0.4 s)
po 250 krokach czasowych (0.5 s)
po 300 krokach czasowych (0.6 s)