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. 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). 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 Wygląd siatki na powierzchniach skrzydlo oraz smiglo-cz1 i smiglo-cz2
Cell Zone Conditions > (powietrze) > Operating Conditions W oknie Operating Conditions ustawić wartość ciśnienia odniesienia (Operating Pressure) na 101325 Pa i potwierdzić wybór (OK). 3 Wygląd siatki w objętości polkula Określenie warunków brzegowych: Boundary Conditions > Edit 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) 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 Określenie warunków analizy:
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. 4 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. Kontury ciśnienia statycznego na górnej powierzchni skrzydła Wizualizacja olejowa na górnej powierzchni skrzydła Kontury ciśnienia statycznego na dolnej powierzchni skrzydła
6 Wizualizacja olejowa na dolnej powierzchni skrzydła Wektory prędkości na górnej powierzchni skrzydła Zakończyć pracę z programem Fluent. Wektory prędkości na dolnej powierzchni skrzydła Przykład wizualizacji linii prądu wychodzących z krawędzi natarcia Wizualizacja olejowa na górnej powierzchni skrzydła