Określenie warunków dla brzegów i continuum:

Transkrypt

1 ĆWICZENIE NR 1 Przepływ laminarny Opis problemu: Zadanie stanowi wyznaczenie przepływu w rurze o skokowo zmiennej średnicy. Przepływającym czynnikiem jest woda. 1 Z panelu Operation wybrać opcje Mesh a następnie opcje siatkowania linii Edge. Spowoduje to otworzenie się panelu Mesh Edges. W oknie Edges zaznaczyć wszystkie linie poziome. W polu Spacing wybrać typ podziału Interval Size i ustawić wartość długości podziału na 2.5. Potwierdzić wybór przyciskiem Apply. Szkic zadania i podstawowe wymiary Praca w programie GAMBIT Tworzenie geometrii Z panelu Operation wybrać opcje Geometry a następnie opcje tworzenia powierzchni Face. Spowoduje to otworzenie się panelu roboczego Face. NaleŜy wybrać opcję Create Face i podopcję Rectangle. W panelu Create Real Rectangular Face, wpisać długość (Width) i szerokość (Height) prostokąta odpowiednio 25 i 5 jednostek. W opcji Direction (przycisk rozwijalny) zmienić opcję XY Centered na +X +Y i utworzyć prostokąt naciskając przycisk Apply. Obejrzeć wynik naciskając przycisk Fit to Window w panelu Global Control (pierwszy od lewej w górnym rzędzie). Zmieniając opcję Direction na XY Centered utworzyć drugi prostokąt o wymiarach 50x10. Następnie przesunąć ten prostokąt, otwierając panel Move / Copy Faces i sprawdzając, czy zaznaczone są pola Move oraz Translate. W okienko Global wpisać wartości x=50 oraz y=5. Zatwierdzić wykonanie przyciskiem Apply. Dwa prostokąty przed połączeniem Połączyć oba prostokąty wybierając opcję Boolean Operations oraz podopcję Unite (rozwijanie prawym przysiskiem myszy). W oknie Faces zaznaczyć oba prostokąty. MoŜna to zrobić albo rozwijając listę Face List i przesuwając zaznaczone powierzchnie z okna Available do okna Picked przy uŝyciu przycisków znajdujących się pośrodku, albo naciskając lewym przyciskiem myszy na krawędź wybranej powierzchni przy wciśniętym klawiszy Shift. Zaznaczyć typ łączonych powierzchni jaki Real upewnić się, Ŝe opcja Retain jest wyłączona (jeśli opcja jest włączona to Gambit stworzy połączenie obu prostokątów i pozostawi dodatkowo elementy składowe). Zatwierdzić wykonanie przyciskiem Apply. Prostokąty po połączeniu Tworzenie siatki obliczeniowej: Tworzenie siatki odbywa się w dwóch etapach: siatkowanie krawędzi oraz tworzenie siatki na powierzchni. Podział na liniach poziomych (równomierny) Zaznaczyć środkowa i prawą linię pionową i podzielić je równomiernie z wielkością podziału 0.5. Na koniec wskazać lewą linie pionowa i zadać na niej 10 podziałów. W tym celu naleŝy zmienić przycisk rozwijalny Interval Size (wielkość podziału) na Interval Count (liczba podziałów) wpisać liczbę 10. Sprawdzić, czy typ podziało jest ustawiony na stosunek podziałów (Successive Ratio). Następnie w okienku Ratio wpisać wartość 0.8, aby węzły zagęszczały się przy ściance rury. Jeśli węzły zagęszczają się odwrotnie, naleŝy wcisnąć przycisk Invert. Potwierdzić wybór przyciskiem Apply. Uwaga: na kaŝdym etapie moŝna sprawdzić, jak będzie wyglądał podział naciskając na klawiaturze Enter, a zatwierdzić (Apply) dopiero, gdy uznamy podział za zadowalający. Zagęszczenie siatki przy lewym brzegu Aby stworzyć siatkę powierzchniową naleŝy z panelu Mesh wybrać wybrać opcję Face a następnie nacisnąć przycisk Mesh Faces, co spowoduje otworzenie się panelu Mesh Faces. Wskazać powierzchnię do siatkowania.. Sprawdzić, czy w oknie schematu (Scheme:) ustawione są elementy (Elements) czworokątne (Quad), a typ tworzenia siatki (Type) jest Submap. Potwierdzić wybór naciskając Apply. Utworzona siatka powierzchniowa Na tym dyskretyzacja obszaru została zakończona. Wybór solvera: Z linii poleceń wybrać Solver > Fluent 5/6 Typ solvera na pasku programu powinien zmienić się z Generic na Fluent 5/6. Określenie warunków dla brzegów i continuum:

2 2 W zakładce General Options w polu Working Directory ustawić dostęp do własnego katalogu (jeśli nie istnieje naleŝy go utworzyć). Pozostałe ustawienia pozostawić bez zmiany! Potwierdzić ustawienia (OK). Z panelu Operation wybrać opcje Zones a następnie opcje zadawania warunków brzegowych Specify Boundary Types. Pod spodem otworzy się panel Specify Boundary Types. Zmienić rodzaj elementów Entity, na których zadawane będą warunki brzegowe z powierzchni (Faces) na krawędzie (Edges). Wskazać dolna, pozioma linie na modelu (z wciśniętym klawiszem Shift), nazwa krawędzi pojawi się w tabelce dolnej w kolumnie Label. Typ warunku brzegowego (Type) naleŝy zmienić ze ścianki (Wall) na oś (Axis). Wpisać nazwę (Name) jako os_symetrii (bez polskich liter i koniecznie z podkreślnikiem). Potwierdzić wciskając Apply. W tym momencie w górnej tabelce pojawi się nazwa utworzonego warunku brzegowego (os symetrii) oraz jego typ (Axis). Wskazać dwie pozostałe linie poziome oraz linię pionową, która znajduje się miedzy nimi. Ustawić typ warunku brzegowego na ścianę (Wall) i wpisać nazwę sciana_rury Wskazać lewą, pionową linię, zadać warunek typu wlot prędkościowy (Velocity Inlet) oraz nazwę wlot_do_rury. Na koniec wskazać pozostała, prawa pionową linię, zadać warunek brzegowy typu wypływ (Outflow) oraz nazwę wypływ_z_rury. Wybrać opcje Specify Continuum Types. Otworzy się okno podobne jak w przypadku warunków brzegowych. NaleŜy zmienić typ geometrii z objętości (Volumes) na powierzchnie (Faces). W okienku graficznym wskazać powierzchnię rury (face.1).typ ośrodka (Type) pozostawić jako płyn (Fluid). Wpisać nazwę woda i potwierdzić (Apply) a następnie zamknąć okno (Close). Wyeksportowanie dwuwymiarowego modelu obliczeniowego do pliku.msh: Z paska poleceń wybrać: File _ Export _ Mesh... Wpisać nazwę pliku (np. rura.msh), zaznaczyć opcje Export 2d Mesh a następnie potwierdzić (Accept). W okienku Transcription sprawdzić, czy pojawił się komunikat: Mesh was successfully written to rura.msh. Zamknąć Gambita. OBLICZENIA Uruchomienie programu Fluent ver. 12 Uruchomić program Fluent. Ustawić wymiary (Options) na 2d i obliczenia w pojedynczej precyzji (pole Double Precision pozostaje niezaznaczone). W opcjach wyświetlania (Display Options) włączyć wyświetlanie siatki po wczytaniu (Display Mesh After Reading) oraz wyświetlanie okien graficznych (Embed Graphics Windows). W polu opcji procesów (Processing Options) zaznaczyć opcję Serial lub pozostawić opcję Parallel, jeśli w okienku Number of Processes jest liczba 2. Wczytanie geometrii obliczeniowej: Sposób 1 (z paska poleceń). File > Read > Mesh Następnie naleŝy w oknie Select File wybrać nazwę pliku (np. siatka.msh) i potwierdzić wybór (OK). Sposób 2. nacisnąć ikonę Read a file wybierając opcję Mesh Po wczytaniu pliku Fluent pokaŝe siatkę w oknie graficznym oraz wypisze odpowiedni raport (raport naleŝy kaŝdorazowo przeczytać, poniewaŝ zawiera waŝne informacje dotyczące dalszego postępowania!) Sprawdzenie własności geometrycznych siatki i jej poprawności: W zakładce General w polu Mesh nacisnąć Check i poczekać, aŝ Fluent dokona sprawdzenia siatki. Wyświetlenie raportu Done bez dodatkowych komentarzy oznacza, Ŝe siatka jest poprawna. W innym przypadku (np. ujemne objętości elementów siatki) błędy w siatce zostaną podane w raporcie. Sprawdzenia siatki moŝna dokonać takŝe wybierając z paska poleceń opcję Grid > Check Przeskalowanie siatki: General > Mesh> Scale PoniewaŜ siatka w Gambicie jest tworzona w jednostkach niemianowanych, dlatego do wykonania obliczeń oraz Postprocessingu wymaga ona przeskalowania. W okienku Scale Mesh w polu Scalling naleŝy zaznaczyć opcję Convert Units a w menu rozwijalnym Mesh Was Created In wybrać milimetry. Następnie naleŝy dokonać skalowania naciskając Scale. Po przeskalowaniu siatki w w polu Domain Extents ukaŝą się nowe rozmiary siatki (w metrach). Te jednostki będą później uŝyte przez Fluenta podczas Postprocessingu (wykresy XY itd.). MoŜna je zmienić na inne w rozwijalnym polu View Length Unit In. Wyświetlenie siatki Sprawdzenia, czy poszczególnym krawędziom zostały nadane poprawne warunki brzegowe moŝna dokonać naciskając w polu Mesh przycisk Display Display > Mesh W oknie Mesh Display naleŝy najpierw w polu Options wybrać Edges. Następnie w polu Surfaces moŝna po kolei zaznaczać wcześniej zdefiniowane w GAMBICIE krawędzie: os_symetrii, sciana_rury, wlot_do_rury, wyplyw_z_rury. Naciskając przycisk Display spowodujemy wyświetlenie tych krawędzi (kolor krawędzi zaleŝy od uŝytego warunku brzegowego). Ustawienie solvera: W polu Solver zaznaczyć: Typ solvera (Type) jako Pressure-Based (solver rozprzęgnięty), Velocity Formulation - Absolute, rodzaj przepływu (Time) jako ustalony (Ste-

3 ady). W polu 2d Space wybrać przepływ osiowosymetryczny (Axisymmetric). Na tym kończą się ustawienia w zakładce General. Przechodzimy do zdefiniowania modelu fizycznego (Models). Definiowania modelu fizycznego (zakładka Models) W zakładce i polu Models dokonujemy jedynie ustawienia modelu lepkości. Inne opcje pozostawiamy wyłączone (Off). Ustawienia modelu lepkości: Models > Viscous > Edit W oknie Viscous Models pozostawić model przepływu laminarnego (Laminar). Potwierdzić wybór (OK.). Definiowanie własności ośrodka (zakładka Materials): W polu Materials wybieramy Fluid i przechodzimy do edycji naciskając Create/Edit, co powoduje otwarcie panelu Create/Edit Materials. W oknie Material Type pozostawiamy fluid. Aby zmienić rodzaj płynu w oknie FLUENT Fluid Materials naleŝy nacisnąć przycisk FLUENT Database i otworzyć okno. FLUENT Database Materials. W polu FLUENT Fluid Materials wybrać z listy wodę( water-liquid (<h2o<l>) ). W polu Properities zostaną wyświetlone własności tego ośrodka. Potwierdzić wybór naciskając przycisk Copy i zamknąć okno (Close). W okienku Name pojawiła się nazwa ośrodka (waterliquid), w okienku Chemical Formula symbol chemiczny, a w okienku Properties własności wody (gęstość kg/m3 oraz lepkość kg/m_s). NaleŜy zmienić lepkość wody (Viscosity) na 0.01 kg/m_s (uzasadnienie poda prowadzący). Potwierdzić zmiany naciskając (Change/Create) i opuszczamy okno (Close). Określenie warunków analizy (zakładka Cell Zone Conditions): 1. Zaznaczyć na liście obszar obliczeniowy o nazwie "woda", i przechodzimy do edycji (przycisk Edit). W polu Material Name zmieniamy ośrodek na wodę wybierając z listy water-liquid. Potwierdzić zmianę (OK.). 2. Naciskamy przycisk Operating Conditions. W polu Pressure ustawiamy wartość ciśnienia odniesienia (Operating Pressure) na 0 Pa i potwierdzamy wybór (OK). Określenie warunków brzegowych (zakładka Boundary Conditions): Liczba Reynoldsa dla tego typu przepływów określana jest zaleŝnością: Re=VD/ν=VDρ/µ gdzie: V - prędkość przepływu [m/s] ν - lepkość kinematyczna [m2/s] µ - lepkość dynamiczna [kg/m-s] ρ - masa właściwa (gęstość) [kg/m3] D - średnica rury [m] dla d 1 =10mm i V=0.1m/s otrzymamy Re=1000 co odpowiada przepływowi laminarnemu. W oknie Zone zakładki Boundary Conditions podane są nazwy krawędzi brzegowych i powierzchni (w naszym wypadku są to nazwy krawędzi zdefiniowane w GAMBICIE oraz na górze listy pozycja Default-Interior jako niezdefiniowana nazwa powierzchni). Wybierając dowolna pozycję z ramki Zone, w ramce Type pojawia się odpowiadający jej typ warunku brzegowego. ( Na przykład wybierając w ramce Zone krawędź wlot_do_rury powinien w ramce Type pojawić się typ wlotu prędkościowego (Velocity-Inlet). W celu zdefiniowania wartości prędkości na wlocie naleŝy nacisnąć przycisk Edit, co spowoduje pojawienie się panelu Velocity Inlet. W zakładce Momentum w oknie Velocity Magnitude (m/s) naleŝy wpisać wartość prędkości równą 0.1 m/s (uŝyć kropki dziesiętnej). Pozostałe ustawienia: Velocity Specification Method (Magnitude, Normal to Boundary) oraz Reference Frame (Absolute) pozostawiamy bez zmiany. Potwierdzamy ustawienia naciskając OK. Pozostałe warunki brzegowe (Wall, Axis, Outflow) nie wymagają podawania Ŝadnych dodatkowych danych. Definiowanie warunków odniesienia (zakładka Reference Values) W polu Compute From wybieramy po rozwinięciu wlot_do rury. W polu Reference Valus pokazują się wartości, które będą uŝywane przez FLUENTA w trakcie Postprocessingu. Ustawienie parametrów numerycznych solvera cz.1 (zakładka Solution Methods): W polu Pressure-Velocity Coupling podano aktualnie uŝywany schemat sprzęŝenia prędkość ciśnienie a w polu Spatial Discretization schematy dyskretyzacji równań. Pozostawić wartości domyślne. Ustawienie parametrów numerycznych solvera cz.2 (zakładka Solution Controls): W polu Under-Relaxation Factors wpisane są wartości współczynników podrelaksacji. Pozostawić wartości domyślne. Ustawienie poziomu zbieŝności, sposobu wyświetlania rezydułów oraz monitorowania sił i momentów (zakładka Monitors): W oknie Residuals, Statistics and Force Monitors zaznaczamy Residuals i otwieramy okno edycji (Edit). W oknie Residual Monitors w polu Options zaznaczamy wyświetlanie przebiegu rezydułów Plot a opcję Print to Console pozostawiamy wolną. W polu Equations zwiększamy kryterium zbieŝności dla równania ciągłości oraz składowych prędkości do poziomu 1e-5 (domyślne wartości wynoszą 0,001). Potwierdzić zmiany przyciskiem Ok. 3

4 Ustalenie przybliŝenia początkowego (zakładka Solution Initialization): W menu rozwijalnym Compute From wybieramy nazwę warunku brzegowego "wlot_do_rury". W ramce Initial Values pojawiają się wartości zadeklarowane dla tego warunku (Gauge pressure = 0 Pa, Axial Velocity = m/s oraz Radial Velocity = 0 m/s). MoŜna takŝe wpisać inne wartości z klawiatury. W celu dokonania inicjalizacji naciskamy przycisk Initialize. Rozpoczęcie obliczeń (zakładka Run Calculation): W okienku Number of Iteration wpisujemy liczbę iteracji równą 1000 a następnie rozpoczynamy obliczenia naciskając przycisk Calculate. Uwaga: Obliczenia przerywane są w jednym z dwóch przypadków: 1) osiągnięta została zadana liczba iteracji bez osiągnięcia zadanej zbieŝności (np. w powyŝszym przykładzie). 2) osiągnięta została zbieŝność na zadanym poziomie. Wówczas w oknie Fluenta pojawi się komunikat o osiągnięciu zbieŝności (solution is converged) Wizualizacja wyników obliczeń (zakładka Graphics and Animations) 1. Wyświetlanie map konturowych: W polu Graphics zaznaczamy opcję Contours i przechodzimy Options okna Contours zaznaczamy opcje Filled, Global Range oraz Auto Range. W polu Contours of w górnym oknie wybieramy z menu Pressure a w oknie dolnym Static Pressure. Po naciśnięciu klawisza Display otrzymujemy mapę ciśnienia w przewodzie. Mapa konturowa ciśnienia statycznego W celu wyświetlenia mapy konturowej prędkości w polu Contours of w górnym oknie wybieramy z menu zamiast Pressure opcję Velocity a w oknie dolnym Velocity Magnitude. Po naciśnięciu klawisza Display otrzymujemy mapę prędkości w przewodzie. Mapa wektorowa prędkości pokolorowana modułem prędkości 3. Wyświetlanie linii prądu: W polu Graphics zaznaczamy opcję Pathlines i przechodzimy Options pozostawiamy włączone opcje Node Values, Auto Range oraz Relative Pathlines. W polu Style wybieramy z menu opcję line. W polu Color by wybieramy w górnym oknie opcję Velocity a w oknie dolnym Velocity Magnitude. Na koniec w polu Release from Surfaces zaznaczamy wlot_do rury. Po naciśnięciu klawisza Display otrzymujemy obraz linii prądu w przewodzie. Linie prądu wychodzące z wlotu do rury W celu zobrazowania wiru, który powstał na uskoku rury, naleŝy zaznaczyć równieŝ brzeg o nazwie "sciana_rury. Po ponownym naciśnięciu klawisza Display otrzymujemy poprawiony obraz linii prądu w przewodzie. Wizualizacja wiru powstałego na uskoku przewodu 4. Profile prędkości w przekroju wlotowym i wylotowym (zakładka Plots) W polu Plots zaznaczamy opcję XY Plots i przechodzimy Options pozostawiamy zaznaczone opcje Node Values i Position on X Axis. W ramce Plot Direction wpisujemy wartości X=0 oraz Y=1. W ramce Y Axis Function wybieramy z menu opcję Velocity w górnym polu oraz Velocity Magnitude w polu dolnym. W polu Surfaces zaznaczamy wlot_do_rury i wyplyw_z_ rury. Po naciśnięciu klawisza Plot otrzymujemy wykres jak poniŝej. 4 Mapa konturowa prędkości 2. Wyświetlanie map wektorowych: W polu Graphics zaznaczamy opcję Vectors i przechodzimy Options zaznaczamy opcje Global Range, Auto Range oraz Auto Scale. W polu Vectors of w górnym oknie wybieramy z menu Velocity a w oknie Color by wybieramy Velocity w górnym oknie a w oknie dolnym Velocity Magnitude. Po naciśnięciu klawisza Display otrzymujemy mapę wektorową prędkości w przewodzie. Rozkłady prędkości w przekroju wlotowym i wylotowym przewodu 5. Profil prędkości w przewodzie w miejscu rozszerzenia W tym celu naleŝy najpierw utworzyć pomocniczą linię w miejscu rozszerzenia przewodu, czyli dla x=0.025 m. Z paska narzędzi wybieramy opcję Surface a następnie Iso- Surfes. W oknie Iso-Surface w górnym polu Surface of Constant wybieramy z listy opcję Mesh a w dolnym X-

5 Coordinate. W oknie Iso-Values wpisujemy a w oknie New Surface Name wpisujemy nazwę przekroj x=0.035m. Tworzymy płaszczyznę naciskając przycisk Create. W celu zrobienia wykresu przechodzimy do zakładki Plots. Postępujemy jak powyŝej z tym, Ŝe w polu Surfaces odznaczamy wlot_do_rury, zaznaczamy natomiast przekroj x=0.025m. Pozostawiamy takŝe dla porównania zaznaczony przekrój wyplyw_z_rury. Po naciśnięciu klawisza Plot otrzymujemy wykres jak poniŝej. 5 Rozkład prędkości (składowa w kier. x) dla x=0.035 m 6. Profil prędkości w obszarze wiru W tym celu naleŝy najpierw utworzyć pomocniczą linię dla x=0.035 m. Z paska narzędzi wybieramy opcję Surface a następnie Iso-Surfes. W oknie Iso-Surface w górnym polu Surface of Constant wybieramy z listy opcję Mesh a w dolnym X-Coordinate. W oknie Iso-Values wpisujemy a w oknie New Surface Name wpisujemy nazwę przekroj x=0.035m. Tworzymy płaszczyznę naciskając przycisk Create. Nowopowstały przekrój pokazano na rysunku poniŝej. 7. Rozkład ciśnień w osi i na ściance przewodu W polu Plots zaznaczamy opcję XY Plots i przechodzimy Options pozostawiamy zaznaczone opcje Node Values i Position on X Axis. W ramce Plot Direction zmieniamy wartości na X=1 oraz Y=0. W ramce Y Axis Function wybieramy z menu opcję Pressure w górnym polu oraz Static Pressure w polu dolnym. W polu Surfaces zaznaczamy os_symetrii i sciana_rury. Po naciśnięciu klawisza Plot otrzymujemy wykres jak poniŝej. przekrój x=0.035 m W celu wykreślenia profilu prędkości postępujemy analogicznie jak opisano wyŝej. Po naciśnięciu klawisza Plot otrzymujemy następujący wykres. Rozkład prędkości (Magnitude) dla x=0.035 m Z analizy tego wykresu wynika, Ŝe w całym przekroju przewodu prędkości przepływu są dodatnie, podczas gdy z obrazu linii prądu wyraźnie wynika, Ŝe w pobliŝu ścianki mamy do czynienia z przepływem powrotnym. Aby to uwidocznić w ramce Y Axis Function w polu dolnym zamiast opcji Velocity Magnitude wybieramy opcję Axial Velocity. Po naciśnięciu klawisza Plot otrzymujemy prawidłowy wykres z ujemnymi wartościami prędkości przy ściance. Rozkład ciśnień w osi i na ściance przewodu 8. Wyznaczenie strumienia masy przepływającego przez rurę (zakładka Reports): W polu Reports podświetlamy opcję Fluxes i przechodzimy Options zaznaczamy Mass Flow Rate a w ramce Boundaries zaznaczamy wlot_do_rury i wyplyw_z_ rury. Po naciśnięciu klawisza Compute w polu Results odczytujemy strumień masy wpływającego przez wlot_do_rury ( kg/s) oraz strumień masy wypływający z rury ( kg/s). W polu Net Results odczytujemy wartość e-9, która jest miarą dokładności dokonanych obliczeń. Zakończenie pracy z Fluentem: NaleŜy zapisać model obliczeniowy wraz z wynikami pod wybrana nazwą a następnie zamknąć Fluenta. Jeśli wyniki nie zostały zapisane, Fluent przypomni o tym komunikatem (Warning: OK. to quit?).