TEMAT 5. Wprowadzenie do ANSYS Fluent i post-procesora transfer ciepła

Transkrypt

1 TEMAT 5 Wprowadzenie do ANSYS Fluent i post-procesora transfer ciepła W ramach dzisiejszych zajęć poznasz ustawienia preprocesora solvera ANSYS Fluent, podstawowe zasady prowadzenia i nadzorowania obliczeń oraz wybrane narzędzia postprocesora. Przeprowadzisz także eksperyment numeryczny analizę wariantową (parametryczną) 1

2 1. Przygotowanie geometrii Wykorzystując zdobytą wiedzę opracuj w środowisku ANSYS DesignModeler geometrię 2D, zgodnie z rysunkiem (wymiary w mm) zacznij od zmiany jednostek w DesignModeler na mm! Wykorzystaj odpowiednie wiązanie (zakładka Constrains w trybie szkicowania) do umieszczenia środka otworu w środku układu współrzędnych. Upewnij się, że geometria jest odpowiednio zorientowana względem globalnego układu współrzędnych ( x poziomo, y pionowo). Wykorzystaj narzędzie Surfaces From Sketches do wygenerowania wypełnienia zamkniętego, w pełni zdefiniowanego szkicu. 2

3 Parametryzacja geometrii 1. Po pełnym zdefiniowaniu i zwymiarowaniu geometrii, w trybie szkicownika (1) przejdź do okna szczegółów i odnajdź wymiar średnicy/promienia otworu w środku geometrii. 2. Zwróć uwagę, że na lewo od symbolu każdego wymiaru znajduje się białe pole (2), po zaznaczeniu którego pojawia się symbol D i okno dialogowe parametru. 3. Dodaj parametr (3) srednica (nie używaj polskich znaków!) 4. Jeżeli parametr został dodany prawidłowo, efekt powinien być widoczny w postaci dodatkowego modułu Parameter Set w oknie roboczym projektu ANSYS Workbench. 5. Szczegóły wyników parametryzacji są widoczne w zakładce Paramteres Set (2xLPM na module Parameter Set) 3

4 Wygeneruj siatkę obliczeniową dla zaprojektowanej geometrii. Wykorzystaj odpowiednie ustawienia globalne aby uzyskać odpowiedni kształt i wielkość komórek siatki. Nadaj odpowiednie nazwy krawędziom domeny obliczeniowej (funkcja Create Named Selection) 4

5 Eksport danych do solvera 1. Dodaj w oknie roboczym projektu w ANSYS Workbench moduł solvera Fluent i połącz z nim moduł ANSYS Meshing. 2. Przed rozpoczęciem pracy w preprocesorze solvera konieczne jest wyeksportowanie danych geometrii i siatki do solvera. Należy wykorzystać funkcję Update dostępną po kliknięciu 1xLPM w komórce B3 3. Uruchomienie solvera jest możliwe poprzez kliknięcie 2xLPM w komórce C2 lub 1xPPM -> Edit 4. W oknie dialogowym, które pojawi się po uruchomieniu solvera zlokalizuj obszary odpowiedzialne za przełączanie trybu 2D/3D, wykonywanie obliczeń na liczbach pojedynczej i podwójnej precyzji oraz ustawianie liczby równoległych procesów (możliwości zależą tu od parametrów lokalnej maszyny wykorzystywanej do obliczeń) 5. Ustaw tryb obliczeń równoległych (4 procesy) i kliknij OK 6. Po uruchomieniu się solvera zlokalizuj górne paski narzędzi, drzewo projektu, okno szczegółów, okno robocze projektu oraz konsolę. 5

6 Wybrane funkcje drzewa projektu w ANSYS Fluent 1. W zakładce General (1) drzewa projektu zlokalizuj narzedzie Check (2) oraz Report Quality (4), pozwalające na wyświetlenie w oknie konsoli danych dotyczących odpowiednio parametrów geometrycznych modelu (4) oraz jakości siatki (5). Niniejsza zakładka umożliwia także przełączanie między obliczeniami w stanie stacjonarnym i dynamicznym (7) oraz uwzględnienie w obliczeniach wpływu przyspieszenia (np. grawitacji) (8). 2. W oparciu o wskazówki prowadzącego: - w zakładce Models (9) uruchom/aktywuj równanie energii - w zakładce Materials (10) sprawdź właściwości materiału domeny - w zakładce Cell Zone Conditions (11) sprawdź domyślny stan termodynamiczny (płyn/c. stałe) i materiał domeny (docelowo: aluminium) 3. Kolejne omawiane podczas zajęć zakładki dotyczą: - 12: typ i parametry warunków brzegowych - 13: parametry odniesienia na potrzeby obliczeń - 14: schemat dyskretyzacji przestrzennej równań rządzących - 15: warunki inicjalizacji obliczeń - 16: m.in. zapis danych w przypadku obliczeń dynamicznych - 17: podstawowe parametry obliczeń (m.in. liczba iteracji i krok czasowy) i uruchamianie obliczeń - 18: postprocesor solvera: narzędzia do obróbki wyników obliczeń 6

7 Warunki brzegowe 1. W zakładce Boundary Conditions (1) odnajdź krawędź Heat Source (2)-> Edit (3) 2. Ze względu na modelowanie transferu ciepła w domenie ciała stałego, aktywna jest tylko zakładka Thermal (4) - należy ustawić warunek brzegowy stałej temperatury źródła (5). - z listy rozwijanej domyślnie ustawionej na Constant (6) wybierz New Input Parameter, nazwij drugi parametr wejściowy (pierwszym była średnica otworu źródła ciepła) Tin i ustaw bieżącą wartość temperatury 450 C. 3. W analogiczny sposób należy ustawić warunek brzegowy dla ścian zewnętrznych domeny (Wall1 Wall4), przy czym w ramach ćwiczenia należy przeanalizować wyniki obliczeń dla trzech wariantów tego warunku: a) Konwekcja (Convection): - współczynnik wnikania ciepła ze ściany do otoczenia 100 [W/(m 2 K)] - temperatura otoczenia [K] b) Radiacja (Radiadion): - współczynnik emisyjności 1 - temperatura otoczenia [K] c) Konwekcja i radiacja (Mixed): - jednoczesne zastosowanie parametrów z p. a i b W oparciu o wskazówki prowadzącego ustaw parametr wyjściowy Tout (temperatura średnia na jednej ze ścian Wall) wykorzystując opcję Parameters znajdującą się w zakładce warunków brzegowych tuż pod opcją Edit (3). 7

8 Ustawienie parametrów i uruchomienie obliczeń 1. Z drzewa projektu wybierz zakładkę Monitors, a w niej opcję Residual (1). Analizowany przypadek jest relatywnie prosty, przez co przy ustawieniach domyślnych solvera zadanie zostałoby obliczone bardzo szybko po kilku iteracjach. Aby móc zaobserwować zmianę rezyduów w czasie obliczeń możliwe jest ich sztuczne wydłużenie. Można to zrealizować poprzez wybranie opcji None z listy Convergence Criterion (2). Skutkuje to wymuszeniem prowadzenia obliczeń aż do osiągnięcia zadanej liczby iteracji. 2. Przed rozpoczęciem obliczeń należy zainicjalizować warunki: wybierz z drzewa projektu zakładkę Initialization (3), następnie Hybrid Initialization (4). Wykonaj inicjalizację (5). 3. Z drzewa projektu wybierz zakładkę Run Calculation, następnie ustaw liczbę iteracji 50 i rozpocznij obliczenia przez kliknięcie Calculate. 4. W czasie obliczeń możliwe jest obserwowanie wykresu przedstawiającego zbieżność równania energii w kolejnych iteracjach. 8

9 Postprocesor ANSYS Fluent - kontur 1. W zakładce Graphics (1) wybierz opcję Contours (2) i otwórz: 1xLPM -> Set Up. 2. Z listy rozwijanej Contours Of (3) wybierz temperaturę 3. W oknie Surfaces wybierz powierzchnię, na której ma być wyświetlany rozkład temperatury (4) 4. Opcja Compute (5) umożliwia wyświetlenie zakresu temperatury (6) obliczonego na badanej powierzchni 5. Wygeneruj kontur temperatury w domenie klikając Save/Display 6. Wynik poprawnie obliczonego zadania powinny wyglądać podobnie do przykładu na rysunku (8) 9

10 Postprocesor ANSYS Fluent - wykres 1. W oparciu o wskazówki prowadzącego wygeneruj poziomą linię symetrii domeny obliczeniowej (Create -> Line/Rake). Poprawnie dodaną linię można wyświetlić wracając do zakładki General drzewa projektu i wykorzystując opcję Display. 2. Po dodaniu linii należy z drzewa projektu wybrać z zakładki Results (1) opcję Plots (2), a w niej narzędzie XY Plot (3) 3. W wyświetlonym oknie wykresów należy wybrać wyświetlaną wielkość fizyczną temperaturę (4) i odpowiednią linię, dla której ma być utworzony wykres (5) 4. Wygenerowanie wykresu jest możliwe po kliknięciu Plot (6) 5. Po wyświetleniu wykresu należy go zapisać w uprzednio utworzonym folderze (nazwa bez polskich znaków!) przez zaznaczenie opcji Write to File (7) i kliknięcie Write (zastąpi przycisk Plot) 6. Załadowanie dowolnego pliku danych wykresu możliwe jest po kliknięciu Load File (8) 7. Poprawnie wygenerowany wykres powinien wyglądać podobnie do rysunku (9) UWAGA: Wykres należy wygenerować i zapisać dane dla każdego z trzech wymaganych typów warunku brzegowego na ścianach (Wall) konwekcji, radiacji oraz warunku mieszanego! Następnie w celu porównania efektywności transferu ciepła wszystkie trzy przypadki należy wyświetlić na jednym wykresie 10

11 Obliczenia modelu dynamicznego (Transient) 1. Aby wykonać symulację zmian rozkładu temperatury w czasie z drzewa projektu ponownie wybierz zakładkę General, a w niej, w polu Time zmień opcję Steady na Transient 2. W zakładce Calculation Activities ustaw zapis wyników po każdym kroku czasowym (Autosave Every (Time Step)) 3. Wróć do zakładki Run Calculation (zwróć uwagę na znacznie bardziej rozbudowany wachlarz dostępnych ustawień, związanych z prowadzeniem symulacji dynamicznej) 4. Ustaw krok czasowy na 0.2 [s] (w takich odstępach czasowych dostępne będą wyniki obliczeń) 5. Ustaw liczbę kroków czasowych (Number of Time Steps) na 50 (2) symulacja potrwa 50 x 0.2 [s] = 10 [s] 6. Maksymalna liczna iteracji (Max Iterations/Time Steps) w jednym kroku czasowym powinna wynosić 10 (3) 7. Raportowanie wyników (Reporting Interval) w konsoli solvera powinno następować co 10 iteracji (4) 8. Uruchom ponownie obliczenia, a po ich zakończeniu zamknij solver 11

12 Post-procesor ANSYS Results kontur i animacja 1. Po wyłączeniu solvera, spośród dostępnych modułów do okna roboczego projektu dodaj Results i połącz odpowiednio z solverem (1): komórka C3 z D2 2. Zapoznaj się z interfejsem post-procesora, zidentyfikuj górne paski narzędzi, drzewo projektu, okno szczegółów operacji oraz okno robocze projektu. 3. Z górnych pasków narzędzi wybierz narzędzie do wizualizacji wyników Contour (2) i zatwierdź przez kliknięcie OK w wyświetlonym oknie dialogowym Insert Contour. 4. W oknie szczegółów ustal powierzchnię, na której będzie wyświetlony kontur (3) oraz wyświetlaną wielkość fizyczną temperaturę (4). Następnie z listy rozwijanej Range (5) wybierz Local. 5. Liczbę wyświetlanych konturów (6) ustaw na Zatwierdź ustawienia klikając Apply (7). Powinien wyświetlić się rozkład temperatury w domenie jak na rysunku. 7. Następnie z górnych pasków narzędzi wybierz symbol zegara (8) i w tabeli (9) zawierającej wyniki z wszystkich kroków czasowych kliknij 2xLPM na pierwszy wiersz (Time = 0 [s]). 8. Odtworzenie animacji zmiany temperatury aluminiowej płyty w czasie jest możliwe po kliknięciu symbolu taśmy filmowej (10) 9. Po przetestowaniu animacji zamknij post-procesor i otwórz ponownie solver. W zakładce General zmień ustawienia na obliczenia stanu ustalonego (Steady). Zamknij solver. 12

13 Analiza parametryczna modelu 1. Dwukrotnie kliknij w oknie roboczym projektu ANSYS Workbench na moduł Parameter Set. Otworzy się okno parametryzacji modelu jak na rysunku. 2. W oknie zawarta jest tabela ogólnych właściwości dodanych parametrów (1), oraz tabela umożliwiająca zmianę wartości dla parametrów wejściowych (2) i obserwację wyników obliczenia parametrów wyjściowych (3). Błyskawica w komórce symbolizuje, że dany wariant wciąż oczekuje na przeliczenie. 3. Wpisz do tabeli kilka wartości średnicy źródła ciepła (srednica) i temperatury jego powierzchni (Tin) aby kolejno przetestować wpływ ich zmian na wartość parametru wyjściowego temperatury ściany płyty (tout) 4. Przebudowa geometrii, generacja siatki oraz obliczenia dla każdego zadanego wariantu zostaną wykonane z poziomu ANSYS Workbench automatycznie po kliknięciu Update All Design Points (4). 13