Laboratorium Modelowania i Symulacji Obliczenia wymiany

Laboratorium Modelowania i Symulacji
Obliczenia wymiany ciepła z
wykorzystaniem programu
Elmer
Daniel Kucharski
(proszę o zgłaszanie błędów i nieścisłości)
1 Wstęp
25.10.2010
Umiejętność wykonywania obliczeń inżynierskich jest niezbędna w pracy każdego
projektanta. Chcąc skonstruować piec elektryczny, czy sprawdzić maksymalną moc
elektryczną jaką można przesłać linią napowietrzną, niezbędne jest rozwiązanie pewnych
równań analitycznych. Z jednej strony wystarczyć może ogólne określenie parametrów
zjawiska – mocy cieplnej, temperatury, czy pobranej energii. Znaczne pewniejsze są
jednak obliczenia polowe, przedstawiające rozkłady przestrzenne poszukiwanych
wielkości, umożliwiające poszukiwanie słabych punktów konstrukcji i ich korektę, co
najczęściej nie jest bezpośrednio widoczne.
Równania matematyczne można rozwiązywać analitycznie, jednak jest to bardzo trudne, a
wiele rzeczywistych problemów jest wręcz nierozwiązywalnych analitycznie. Dlatego
trzeba korzystać z metod numerycznego rozwiązywania równań analitycznych. Jest to
oczywiście sposób przybliżony, jednak w praktyce inżynierskiej dokładności na poziomie
dwóch miejsc po przecinku są wystarczające. Większe dokładności i tak są niemożliwe do
uzyskania w realizacji w rzeczywistych układach.
Procedury rozwiązywania równań różniczkowych, polegają na zastąpieniu ich równaniami
1
prostszymi. Dla przykładu w metodzie różnic skończonych zastępuje się wzór FourieraKirchoffa (1) dla przypadku jednowymiarowego (2) równaniem różnicowym (3).
c w⋅
∂t
=∇⋅ ∇ t pv
∂
(1)
c w⋅
∂t
∂t
=
 pv
∂
∂x
(2)
k
k
k
k
t ki −t k-1
 x i-1 x i i-1  t i-1−t i  i  t i −t i+1
i
c wi⋅γ i
=
−
 p vi

2
 x i-1
 xi
(3)
Znajomość metod numerycznych rozwiązywania równań różniczkowych, jest bardzo
istotna dla każdego inżyniera. Bez znaczenia jest również jego specjalizacja, bowiem
modelowanie
numeryczne
i
symulacje
są
istotne
zarówno
dla
elektryków,
elektrotechników, ale również inżynierowie drogownictwa – badania wytrzymałości
mechanicznej nawierzchni czy barier drogowych, inżynierowie mechanicy motoryzacyjni
– symulacje spalania mieszanki paliwowo-powietrznej czy zachowania nadwozia w
momencie zderzenia, itp.
Rysunek 1: Symulacaja spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku spalinowym,
przeprowadzona w programie ANSYS (http://www.ansys.com/products/fluiddynamics/fluent/features.asp)
2
Istnieje wiele gotowych programów używanych w tym celu. Większość z nich należy do
grupy programów komercyjnych, najczęściej ekstremalnie drogich, na których zakup
mogą pozwolić sobie jedynie instytucje naukowo-badawcze, przemysł. Przykładem mogą
być systemy: ANSYS, Opera, Comsol, czy Flux. Wystarczy jednak przejrzeć choćby hasło
„Computational Electromagnetics” w Wikipedii, by zorientować się w dużej ilości
programów poświęconymi zjawiskom elektromagnetycznym, darmowych, lub takich
których istnieją specjalne wersje demo (studenckie) z pewnymi ograniczeniami.
Rysunek 2: Pole temperatury tworzone w przekroju pomieszczenia przez
oddziaływanie ogrzewania podłogowego.
Elmer jest systemem obliczeniowym stworzonym przez Finnish IT center for science [2] .
Instytucja ta traktuje program jako swoistą reklamę swojego ośrodka, udostępniając go
zupełnie za darmo. Rozwój programu jest ciągłym procesem, przy czym dostępny jest
3
nawet jego kod źródłowy, co jest zgodne filozofią tworzenia programów GNU (np.:
Linux). Niezwykle użyteczne jest forum programu, w którym użytkownicy z całego świata
dzielą się spostrzeżeniami i uwagami. Deweloperzy programu udzielają dość szybko
pomocy, przygotowując nawet specjalne wersje programu w razie potrzeby (zostało to
sprawdzone przez autora). Uważa się, że z punktu widzenia biznesu, ten model tworzenia
oprogramowania jest nieodpowiedni dla potrzeb firm. Z tym zdaniem można dyskutować,
jednak dla potrzeb pracy badawczej, oraz dydaktycznej, jest to wręcz idealne rozwiązanie.
Ostatnio Instytut organizuje również konferencje poświęcone tylko temu programowi, co
jeszcze bardziej wpłynie z pewnością na jego popularność. Dzięki specyficznej metodzie
jego rozwoju, coraz więcej naukowców z różnych części świata włącza się w jego
tworzenie i poprawę błędów. Proszę zajrzeć na stronę forum [1].
Ten może trochę egzotyczny sposób rozwoju programu, jest popularny na całym świecie.
Wiele ośrodków badawczych, naukowców chcąc podnieść rangę swojej instytucji tworzy
pewne programy, związane z ich działalnością statutową. Dobrym przykładem może być
program obliczeń matematycznych Scilab, porównywalny z systemem Matlab, tworzony
przez laboratoria INRIA (The French National Institute for Research in Computer Science
and Control), a w tej chwili dalszym jego rozwojem kieruje specjalne konsorcjum,
program osiągnął już wersję o numerze 5.
Elmer wspomaga proces projektowy, oraz badania naukowe w następujących dziedzinach:
●
modelowanie dynamiki płynów
●
obliczenia elektromagnetyczne
●
wymiana ciepła
●
akustyka
●
modelowanie odkształceń
W czasie zajęć z przedmiotu „Modelowanie i Symulacja - Laboratoria”, wykorzystanie
zostanie możliwość programu do symulacji zjawisk ciepłych w stanie stacjonarnym i
niestacjonarnym.
4
1.1 Filozofia systemu
Dla wykonania poprawnych obliczeń każdy program numeryczny wymaga przygotowania
odpowiedniego pliku, bądź plików, w których zostanie opisane zagadnienie numeryczne w
sposób zrozumiały dla danej aplikacji. Elmer wymaga przygotowania:
●
geometrii układu - należy stworzyć plik z siatką
●
plik z opisem problemu (tzw .sif)
System Elmer składa się z następujących programów:
●
ElmerSolver – program rozwiązujący zagadnienie, zapisujący wyniki do pliku .ep
(elmer post)
●
ElmerGrid – program do tworzenia siatki geometrii układu,
●
ElmerMesh2D - program do tworzenia siatki geometrii układu
●
ElmerPost – program prezentujący wyniki obliczeń
●
ElmerFront – graficzny interfejs programu – starego typu, obecnie nie rozwijany
●
ElmerGui – najnowsza wersja graficznego interfejsu użytkownika systemu Elmer,
znacznie rozwinięta w stosunku do poprzednika, znacznie wygodniejsza w użyciu
●
Matc – system obliczeń matematycznych, używany w systemie Elmer
●
Viewfactors
–
program
obliczający
współczynniki
konfiguracji
układu
geometrycznego
System umożliwia tworzenie siatki modelu w programie ElmerMesh2D, bądź
bezpośrednio ElmerGrid. Jest to jednak
przygotowania geometrii układu w wybranym
dość niewygodne, stąd konieczność
zewnętrznym programie np.: Netgen,
Gmsh, etc. Pomocny jest tu program ElmerGrid, który pozwala na transformację siatek
stworzonych w innych programach do postaci zrozumiałej przez Elmer.
1.2 Przygotowanie modelu geometrycznego układu
Program Elmer może z początku wydawać się toporny w obsłudze. Proszę jednak
pamiętać, że za darmo otrzymujemy pełny pakiet obliczeniowy pozwalający na
5
rozwiązywanie bardzo zaawansowanych problemów. Warto więc poświęcić trochę czasu
na jego bliższe poznanie. Jednocześnie z jego poznawaniem, to co wcześniej wydawało się
niewygodne, okazuje się niezwykle pomocne i przyspieszające rozwiązywanie problemów.
Wprawdzie istnieje możliwość przygotowywania skryptów zawierających geometrię
układu w programie ElmerMesh2D lub ElmerGrid, lecz wygodniejsze jest użycie jednego
z darmowych programów do tworzenia modeli geometrycznych i ich siatek
obliczeniowych. W prezentacji użyty zostanie program Gmsh.
1.2.1 Tworzenie plików egf
Pliki Elmer Geometry File stanowią zbiór instrukcji definiujących elementy składowe
obliczeniowej geometrii. Opis wszystkich możliwych instrukcji zawiera plik dokumentacji
ElmerGridManual.pdf, do którego warto zajrzeć, dla zapoznania się z możliwościami
tworzenia siatek w programie ElmerGrid.
1.2.2 Program Gmsh
Liczna grupa programów darmowych ma w swoim zbiorze nierzadko naprawdę
rewelacyjne programy, mogące śmiało konkurować z wieloma produktami komercyjnymi.
Program Gmsh jest jednym z nich.
Proszę otworzyć program Gmsh (jeżeli brakuje go w menu Start proszę o uruchomienie go
z opcji Run w Menu Start, lub o wpisanie polecenia gmsh w konsoli systemu). Stworzony
zostanie przekrój ściany dwuwarstwowej budynku mieszkalnego.
1. W menu programu wybrać opcję File → New
2. Stworzyć katalog o nazwie inicjały studenta+rad1 (np.: BO_rad1). Proszę nie
tworzyć katalogu na pulpicie (katalog Desktop), gdyż takie katalogi będą
natychmiast usuwane przez administratorów sali komputerowej!
3. Zapisać plik pod nazwą model1.geo. W programie powinna pojawić się nazwa
tego pliku wraz z katalogiem. Jeżeli tak się nie stało, należy zamknąć program i
dwukrotnie kliknąć na tak stworzony plik, bądź wybrać opcję File → Open i
wybrać plik.
4. Uruchomić program Notepad++ i otworzyć w nim ten plik. Wprawdzie program
6
Gmsh pozwala na pełną kontrolę tworzenia pliku modelu z poziomu interfejsu
graficznego, jednak są sytuacje gdy wygodniej jest wprowadzać zmiany
bezpośrednio w pliku tekstowym, dla przykładu korzystanie ze zmiennych
definiujących pewne wymiary, pozwala później na wprowadzanie szybkich zmian
geometrii modelu
5. Definicje zmiennych zostały też wprowadzone w menu programu gmsh, wystarczy
wybrać opcję Geometry → Elementary Enities → Add → New →Parameter i w
oknie które się pojawi wpisać nazwę zmiennej (Name) oraz jej wartość (Value), a
następnie wybrać Add.
6. Zdefiniować zmienną a, która opisuje bok ściany. W pliku modelu powinna pojawić
się linia a= 0.2;
7. W podobny sposób zdefiniować wielkość b= 0.8;
8. W menu Gmsh wybrać opcję Geometry → Elementary Enities → Add → New →
Point. Pojawi się okienko o nazwie Contextual Geometry Definitions, gdzie
wpisujemy w polu X Coordinates, Y Coordinates, Z Coordinates tj. w kolejności
współrzędną X, Y, Z punktu. Ważne pole to Characteristic Length w którym
definiuje się odległość między kolejnymi punktami tworzonej siatki. Zwrócić
uwagę aby zawsze było tam wpisane 0,1. Wielkość ta pozwala na tworzenie siatek o
różnej gęstości, co zostało zaprezentowane na rysunku 3. Po wpisaniu w polach
wszystkich współrzędnych klikamy w pole Add. Po kolei umieszczamy następujące
punkty (0,0,0), (a,0,0), (0,a,0), (a,a,0), (a+b,0,0), (a+b,a,0).
9. Teraz proszę przejść do programu Notepad++. Powinien zapytać się czy chcemy
ponownie wczytać zmieniony przez inny program plik (Reload) odpowiadamy Yes.
Widać stąd, że wszystkie operacje wykonywane w programie Gmsh są natychmiast
zapisywane w pliku geometrii. Nie ma potrzeby kontrolowania zapisu pliku.
Wygodnie jest mieć zawsze otwarty edytor skryptów, pozwalający na szybkie
zmiany w pliku geometrii i ponowne jego wczytywanie w programie Gmsh. Chcąc
ponownie wczytać plik modelu, wystarczy w oknie programu Gmsh nacisnąć
klawisz „0”, lub wybrać opcję Geometry → Reload.
7
Rysunek 3: Zróżnicowanie siatki przykładowego
modelu, poprzez wykorzystanie wielkości Characteristc
Length
10. Jak widać definicja punktu przedstawia się następująco: Point (numer punktu) =
{x,y,z, characteristic length} Pozwala to bezpośrednie umieszczanie nowych
obiektów w pliku geometrycznym.
Rysunek 4: Punkty tworzące strukturę modelu
11. Geometry → Elementary Enities → Add → New → Straight line. W oknie
graficznym pojawi się napis Select Start Point, należy wybrać jeden z punktów,
następnie pojawi się napis Select End Point, wybrać punkt drugi. W ten sposób
8
należy stworzyć boki dwóch prostokątów (rysunek 5).
12. Teraz należy zdefiniować powierzchnie. Geometry → Elementary Enities →
Add → New → Plane Surface. Napis w oknie graficznym Select Surface
Boundary wymaga
zaznaczenia obwodu powierzchni. Po zaznaczeniu pełnego
obwodu proszę nacisnąć klawisz „e”. Klawisz „q” przerywa operację. To samo
powtórzyć dla drugiego obszaru.
Rysunek 5: Wygląd stworzonego modelu obiektu, program Gmsh
13. Należy jeszcze zdefiniować obszary geometryczne tworzące warunki brzegowe,
oraz tzw. Body (obszary obiektów fizycznych). W programie noszą one nazwę
Physical Group. Wybieramy Geometry → Physical Group→ Add → Surface.
Należy w oknie graficznym wskazać powierzchnię która ma stać się powierzchnią
„fizyczną”. Podobną operację wykonać dla wszystkich powierzchni (dwa obszary
prostokątów) (rysunek 6). Powierzchnie w układzie dwuwymiarowym traktowane
są jako ciała (Body w programie Elmer) układu termicznego.
9
Rysunek 6: Wybór pierwszego z obszarów fizycznych
Rysunek 7: Linia czerwona to przyszły warunek brzegowy
14. Ważne jest również zdefiniowanie granic obiektów, tj linii tworzących, będących
warunkami brzegowymi, biorącymi udział w wymianie cieplnej. Wszystkie
pozostałe linie, będą traktowane jako doskonale izolowane cieplnie (rysunek 7).
10
Rysunek 8: Drugi warunek brzegowy
15. Geometry → Physical Group→ Add → Line. Zaznaczyć linię mającą stać się
linią fizyczną, wcisnąć klawisz „e”. Rysunek 5 przedstawia linię po lewej stronie,
którą należy zdefiniować jako linię fizyczną. To samo wykonać dla linii znajdującej
się po stronie prawej (Rys. 6)
16. Proszę wybrać opcję Tools → Options → Geometry→ Visibility. W oknie jest
ustawiane które elementy siatki są widoczne. Proszę wybrać widoczność Points,
Lines, Surfaces, Volumes.
17. Teraz należy zdefiniować siatkę obiektu. Wybieramy menu Tools → Options →
Mesh→ General. Tu można ustalić tzw. Element size factor, przez który jest
mnożona
ustawiona
wartość
Characteristic
Length
każdego
z
punktu
zdefiniowanego. Ustawiamy wartość na 1. Wielkość Minimum Element Size
ustala minimalny dopuszczalny odstęp między punktami siatki (pozwala ograniczać
jej gęstość), tu proszę wypróbować różne wartości, i sprawdzić jak wpływają na
generowaną siatkę. W polu Geometry w oknie programu zmieniamy tryb na Mesh.
Wybieramy w oknie programu Mesh →
1D
a następnie
Mesh →
2D.
Powinniśmy otrzymać siatkę, która wzdłuż jednego boku ma pewną ilość punktów (
współczynnik Characteristic Length dla każdego z punktów 0.1 a współczynnik
Element Size Factor 1). Jeżeli po wybraniu opcji Mesh → 1D nie widać punktów
siatki na liniach tworzących model, należy wybrać ich widok w oknie
Options → Mesh→ Visibility i zaznaczyć opcję Nodes.
11
Tools →
Rysunek 9: Bardzo rzadka siatka modelu. Proszę takiej nie stosować!
18. Jeżeli wygenerowana siatka jest za rzadka (rysunek 9), proszę zmniejszyć opcję
decydujące o gęstości siatki.
19. Siatkę należy zapisać poleceniem File → Save Mesh. W katalogu z plikiem .geo,
powinien pojawić się plik siatki o nazwie <nazwa pliku geometrycznego>.msh.
Rysunek 10: Ostateczny wygląd przygotowanego modelu i stworzonej siatki.
W ten sposób udało się przygotować siatkę modelu. Tak stworzona siatka nie może być
bezpośrednio użyta w programie Elmer. Program Gmsh i Elmer używają własnych
standardów ich zapisu. Wbrew pozorom nie jest to problem. Przy użyciu programu
ElmerGrid dopasujemy siatkę z programu Gmsh do postaci zrozumiałej przez program
Elmer.
1.2.3 Program ElmerGrid
1. W konsoli poleceń systemu (Start→Programy→Akcesoria→Konsola Poleceń)
należy przejść do katalogu w którym stworzony został model geometryczny. W
konsoli poleceń występuje funkcja autouzupełniania nazw plików i katalogów.
12
Wystarczy wpisać początkowe litery pliku, tabulator pozwoli na wybór między
nazwami. Polecam skorzystać z programu TotalCommander, będąc w katalogu z
przygotowanym plikiem siatki modelu, Polecenia→Uruchom Tryb MSDos.
2. Wpisujemy polecenie: ElmerGrid
14
2
<nazwa pliku>.msh -autoclean. To
stworzy pliki modelu w katalogu o nazwie zgodnej z nazwą pliku siatki.
1.2.4 Program ElmerGUI
1. Program ElmerFront był jedynym GUI programu Elmer, pozwalającym na wygodne
tworzenie problemu. W tej chwili rozwijany równolegle jest ElmerGUI, oparty o
bibliotekę okienkową Qt.
2. Uruchamiamy program ElmerGUI – powinien znajdować się na pulpicie.
3. Wybieramy File → Load Mesh File. W oknie wybieramy katalog do którego
tworzyliśmy siatkę za pomocą programu ElmerGrid.
4. Powinno pojawić się okno z graficzną reprezentacją stworzonego wcześniej
modelu. Trzymając lewy klawisz myszy w oknie modelu - obracamy model,
środkowym klawiszem –przesuwamy model, kółkiem myszy dokonujemy operacji
oddalamy lub zbliżamy model.
5. W oknie menu ElmerGUI za pomocą opcji View→Surface Mesh możemy
wyłączyć obraz siatki.
6. Należy też sprawdzić czy w wyniku działania programu ElmerGrid zostały
stworzone poprawne warunki brzegowe. Klikając dwukrotnie na linie, gdzie
definiowaliśmy warunek brzegowy, uzyskamy efekt jego podświetlenia w oknie
reprezentacji geometrycznej oraz podany zostanie jego numer na dole okna
programu. Podobnie jest z obszarami fizycznymi – obiektami.
1.2.5 Opis modelu w programie Elmer
Plik modelu możemy tworzyć zarówno korzystając z menu okienkowego (prostsze
zwłaszcza na początku używania programu) oraz tworząc plik w trybie tekstowym.
Przykłady tworzenia tego typu plików są opisane w bardzo zrozumiały sposób w pliku
ElmerTutorials.pdf który można znaleźć na stronie programu. Spis wszystkich instrukcji
13
definiujących model obliczeniowy znajduje się w pliku
ElmerModelsManual.pdf. W
praktyce najwygodniejsze jest korzystanie z mieszanej metody tworzenia definicji.
1. Model →Setup w otwartym oknie ustawień odszukujemy pole opatrzone nazwą
Simulation type. Możemy tu zmieniać rodzaj obliczeń z punktu widzenia
dynamiki, między Steady State (stan stacjonarny) oraz Transient – obliczenia dla
stanu nieustalonego. W oknie można zmienić nazwę problemu, aczkolwiek nie jest
to wymagane.
2. Proszę zdefiniować rodzaj zjawisk fizycznych używanych w obliczeniach.
Model→Equations→Add. Zaznaczyć w polu Bodies wszystkie dostępne Body (1 i
2), będąc w zakładce Heat Equation i zaznaczyć ten wzór jako Active. Kliknąć
OK.
3. Proszę zdefiniować właściwości materiałowe modelu. Model→Material→Add.
Możemy stworzyć oddzielne materiały dla każdego z ciał. Należy podać parametry:
Density (gęstość) 100 kg/m3, Heat capacity (ciepło właściwe) 1000 J/kgK,
znajdujące się w zakładce General. W zakładce znajduje się najważniejszy
parametr dla obliczeń w stanie ustalonym - Heat conductivity (przewodność
cieplna), którą również należy zdefiniować. Należy zaznaczyć do którego ciała
program ma przypisać dane wartości i potwierdzić ustawienia OK. Wybierając
lewym klawiszem myszy określone ciało można sprawdzić podane wielkości.
4. Proszę
zdefiniować
warunki
brzegowe
(Boundary
conditions)
Model→Boundary condition. W oknie wybieramy ciało, a z listy jego warunków
brzegowych konkretną linię. Klikając dwukrotnie lewym klawiszem na danym
warunku, powinniśmy spowodować jego podświetlenie w oknie prezentacji modelu.
Można zdefiniować typowe rodzaje warunku brzegowego:
1. Dirichleta → zdefiniować temperaturę w pewnym punkcie w Kelvinach,
2. Neumanna → zdefiniować pochodną temperatury w pewnym punkcie (czyli
gęstość strumienia cieplnego Heat Flux w W/m2
3. Warunek brzegowy 3 rodzaju: definicja temperatury zewnętrznej External
Temperature w Kelvinach oraz współczynnika przejmowania ciepła Heat
14
Transfer Coeff. W/m2K
5. Warunki brzegowe należy przyjąć w następujący sposób: wszystkie warunki
brzegowe muszą mieć zdefiniowaną wielkość External Temperature np. 300 K.
6. Po zdefiniowaniu problemu, źródeł ciepła (Body Force) oraz warunków
brzegowych, należy wygenerować plik typu *.sif. Sif→Generate.
7. Oraz dokonać jego zapisu File → Save project. To polecenie dokonuje zapisu
całego problemu łącznie ze wszystkimi opcjami programu ElmerGUI. Drugie
polecenie File →
Save dokonuje jedynie zapisu pliku sif, co jest szybszą
czynnością, w przypadku dokonania niewielkiej zmiany w parametrach modelu.
8. Po zapisaniu pliku modelu proszę wczytać do Notepada++ plik <nazwa
probelmu>.sif. To właśnie ten plik używany jest przez program ElmerSolver.
9. Proszę uruchomić obliczenia (menu Run → Start Solver). Można również to
uczynić z poziomu konsoli systemu. Wymaga to jej uruchomienia w katalogu z
modelem
(w
którym
znajduje
się
plik
ELMERSOLVER_STARTINFO).
Najwygodniej przeprowadzić tę operację z poziomu programu TotalCommander,
gdzie w menu Commands (Polecenia) znajduje się Run Dos (Uruchom Tryb Ms
Dos). Zaletą tego jest uruchamianie konsoli z już wybranym katalogiem problemu.
10. Wystarczy wpisać ElmerSolver, w celu uzyskania rozwiązania problemu. Jeżeli
program nie wyrzucił żadnych błędów, oznacza to poprawnie zakończenie pracy
programu, co oczywiście nie musi oznaczać poprawności uzyskanych wyników.
11. Aby obejrzeć wyniki można uruchomić program ElmerPost w menu Run→Start
Postprocessor. Opis pracy z programem zawiera instrukcja post.pdf. Innym
sposobem jest program uruchamiany w menu Run→Postprocessor (VTK).
12. Wybieramy opcję View→Surfaces. W oknie które się pojawi wybieramy Surface i
Temperature.
13. Proszę wybrać wyświetlanie na ekranie kolorów temperatur, w celu pozyskania
informacji o tym jaki kolor odpowiada jakiej wartości temperatur (Colorbar)
15
14. Należy wykonać obliczenia problemu dla różnych warunków brzegowych,
materiałów, z wyłączoną i włączoną radiacją. Sprawdzić powstałe różnice w
tworzonych polach temperatury. Zanotować w protokole wartości parametrów
materiałowych. Najwygodniej jest nie zmieniać parametrów materiałowych w
ElmerGUI, ale bezpośrednio w pliku case.sif, tworzonym w programie ElmerGUI.
1.2.6 Obliczenia w stanie nieustalonym
1. Proszę spróbować dokonać obliczeń w stanie nieustalonym
2. Model →Setup w otwartym oknie ustawień odszukujemy pole opatrzone nazwą
Simulation type. Proszę zmieniać rodzaj obliczeń na Transient – obliczenia dla
stanu nieustalonego. Te obliczenia wymagają definicji kroku czasowego oraz ich
ilości. Opcja Timestep intervals to wartość ilości kroków czasowych, a Timestep
sizes – wielkości kroku czasowego. Mnożąc jedną wartość przez drugą uzyskujemy
całkowity czas symulacji. Proszę podać przykładowe wartości Timestep intervals
– 300, Timestep sizes – 10. Czas trwania symulowanego zjawiska – 3000 s.
3. Powinno się jeszcze zdefiniować tzw. warunek początkowy – stan cieplny
początkowy dla modelu. Jeżeli nic nie zostanie tu zdefiniowane, program uznaje, że
w całej objętości obiektu panuje temperatura 0 K.
4. Po zdefiniowaniu problemu, źródeł ciepła oraz warunków brzegowych, należy
wygenerować plik typu *.sif. Sif→Generate.
5. Oraz dokonać jego zapisu File → Save project. To polecenie dokonuje zapisu
całego problemu łącznie ze wszystkimi opcjami programu ElmerGUI. Drugie
polecenie File →
Save dokonuje jedynie zapisu pliku sif, co jest szybszą
czynnością, w przypadku dokonania niewielkiej zmiany w parametrach modelu.
6. Proszę uruchomić obliczenia (menu Run → Start Solver). Obliczenia będą trwały
znacznie dłużej, gdyż program musi dokonać obliczeń dla 300 kroków czasowych –
rozwiązać więc problem dla stanu stacjonarnego trzysta razy.
7. Proszę uruchomić program Run→Postprocessor (VTK). Proszę przejść do menu
16
File→Open i sprawdzić czy wszystkie kroki czasowe zostały odczytane (Timestep
– Start oraz End). Jeżeli odczytany został jedynie pierwszy krok czasowy należy
wybrać przycisk All.
8. Aby obejrzeć nagrzewania elementu, proszę włączyć obraz pola temperatury oraz
przejść do menu
Edit→Time step control. W oknie wybrać ilość powtórzeń
odtwarzania (Increment) oraz wcisnąć przycisk Loop. Kolejne obrazy pola
temperatury powinny być widoczne na ekranie.
9. Ciekawym sposobem analizy pola temperatury jest wyłączenie obrazu typu Surface
(kliknąć na opcję Surfaces) włączenie obrazu izoterm (Isocontours). Widać wtedy
kolejne położenia wnikającej fali temperatury.
10. Proszę dokonać ponownych obliczeń dla przypadku innych parametrów
materiałowych. Proszę zwłaszcza porównać zjawiska cieplne zachodzące dla
materiałów bezwładnych (znaczna wartość ciepła właściwego i masa właściwa) z
materiałami szybko reagującymi na zmianę temperatury. Sprawdzić czasy
nagrzewania dla różnych materiałów o znacznych wartościach gęstości i ciepła
właściwego i mniejszych. Kiedy materiał nagrzewa się dłużej, a kiedy krócej.
Bibliografia
1. http://www.elmerfem.org/forum/ - forum programu Elmer
2. http://www.csc.fi – strona programu Elmer
17