Моделирования течения жидкости в канале простейшей формы

− решение уравнений  Навье-Стокса для течения полностью сжимаемой жидкости основано на модификации метода расщепления по физическим переменным и позволяет проводит расчеты при любых числах Маха, включая несжимаемое течение;

− Расчет уравнений  конвективного переноса использует схему повышенной точности;

− Расчет движения жидкостей со свободной поверхностью осуществляется модифицированным методом VOF.

 

Постпроцессор

Постпроцессор FlowVision – современная объектно-ориентированная система, предназначенная для визуализации и анализа сложных течений жидкости и газа.

В постпроцессоре реализованы все классические методы визуализации скалярных и векторных полей:

− Тоновая заливка

− Изолинии

− Изоповерхность

− Вектора

− Графики вдоль  прямой, кривой и окружности

− Характеристики поля в точке

− Интегральные характеристики поля

− Маркеры

В постпроцессоре реализована визуализация векторного поля методами многочастичной анимации – удобное и наглядное средство анализа.

Объектно-ориентированная  структура постпроцессора дает возможность  управления свойствами объектов в реальном времени, что позволяет быстро и качественно произвести анализ сложного течения. Подробнее см. Интерактивная Анимация.

Постпроцессор FlowVision имеет возможность экспорта последовательности изображений, определяемых набором параметров. Это дает широкие возможности для создания презентационных картинок и видеороликов.

Алгоритм  расчета

1. Создание файла расчета: Меню «Файл-Создать». В открывшемся окне выбрать файл 3D-модели с расширением *.wrl или * .stl.

2. Во вкладке « препроцессор» щелкнуть правой кнопкой мыши на «подобласть»

и в выпавшем меню выбрать пункт «подобласть»

 

3. В окне выбора модели выбрать расчетную модель « Несжимаемая жидкость»

4. Раскрыть вкладку «Физические параметры». Открыть вкладку «параметры модели»

Двойным нажатием левой кнопки мыши. Установить модель турбулентности SST.

5. Отредактировать свойства вещества ( открыть вкладку «вещество 0» двойным нажатием левой кнопкой мыши). В открывшемся окне задать парамаетры для заданного расчетного вещества.

6. Открыть Вкладку «Граничные условаия»

Отредактировать соответствующие граничные условия (гр.усл.0, гр.усл1., …) двойным нажатием левой кнопки мыши. «Гр.усл0» в  соответствии с заданным цветом переименовать  в «стенка»

7. Выбрать пункт меню « редактировать граничное условие»

«Тип граници» установить – «стенка».

«Скорость» - «стенка  логарифмический закон»

В ячейке « шероховатость» задать заданное значение согласно исходных данных.

Все остальные  показатели оставить неизменными.

Подтверждением  завершения редактирования в соответствующем окне служит кнопка.

8.Отредактировать  «гр.усл1»

Переименовать во «вход»

Тип граници  –«вход/выход»

 

Тип граничного условия – « нормальная скорость»

Задать «скорость» согласно своим исходным данным.

Скорость задается в м/с.

9. Отредактировать «гр.усл2»

Переименовать в «выход»

Тип гриници  – « свободный выход»

10. Построить начальную сетку.

Х- направление  задать равномерную сетку = 10. Аналогично переделать для У-и Z- направлений. При  построении равномерной сетки необходимо нажать соответствующую  кнопку «Равном.»

При успешном построении, расчетная сетка должна выглядеть  аналогично рисунку

 

11. Задаться оставшееся парамаетры во вкладке « Общие параметры» ( открыть двойным нажатием левой кнопки мыши)

 

 

 

Выбрать вкладку « Шаги» и задать « неявную схему» расчета с шагом «КФЛ» равному 100 и « Макс. Шагом» равному десятой части пролетного времени частици ( как правило это значение задается равным или меньшим 0.001). Обратите внимание, что разделителем является точка, а не запятая.

Остальные парамаетры оставляем неизменными.

12 Создаем расчетные  слои.

Для этого открываем  вкладку « Пост. Проц.» 

Создаем « Шаблон плоскости». Нажав правую кнопку мыши и выбрав пункт меню «Создать слой», «Метод» - «Заливка».

Во вкладке «Начальные точки» не забываем установить галочьку напротив «Использовать расчетную сетку».

Во вкладке  «Раскраска» устанавливаем максимальное значение переменной 100 и минимальное  – 0. Обязательно нажимаем  кнопку  «Переприсвоить»  для запоминания  новых параметров.

12. Для удобного  представления результатов расчета  необходимо рассечь твердотельную  модель вдоль оси симметрии.  Для этого открываем вкладку  «Шаблон плоскости» двойным нажатием  кнопки и редактируем свойства.

По умолчанию  координаты Х0 У0 Z0 оставляем неизменными. Ставим галочку напротив «Отсечение» и, при необходимости перевернуть плоскость к наблюдателю, нажимаем кнопку «Наоборот».

13. Для наблюдения  за процессом расчета необходимо  открыть соответствующие вкладки  в меню «Вид»

Поставьте все  галочки как отмечено на рисунке.

14. Для запуска  расчета нажмите .

15. Процесс расчета  можно наблюдать в соответствующих  окнах:

 

 

 

 

 

 

16. Оценить время окончания  расчета можно по вкладке «График». При полной сходимости расчетного  варианта (расчетные кривые выходят  на линейную зависимость и  не изменяются во времени) можно  остановить расчет.

 

 

 

 

 

17. Расчет остановите  нажав кнопку:

При успешном завершении расчета должно появится сообщение

18. Сохраните  результаты в файл.

 

 

 

 

 

4. Расчет параметров по известным зависимостям

Произвожу расчет по следующим формулам:

Число Рейнольдса определяется следующим соотношением: ,

 где ρ — плотность среды,

v — характерная скорость,

l — характерный размер,

μ — динамическая вязкость среды.

Значение 

с учетом шероховатости труб:

Учитывая то что в трубах движется вода при  подсчетах использую средние значение параметров которые изменяются во времени (скорость). Скорость как известно очень меняется при турбулентном режиме, а он у нас именно такой (вблизи стенок скорость равная 0 а ближе к центру наоборот стремится к максимуму). Значение скорости можно снимать в любой точке используя программный расчет. В нас для сравнения при электронном подсчете скорость берется на оси трубы, потому мы будем использовать значения очень близкие к максимальным. Для обеспечения большей точность подсчетов коэффициенты местного сопротивления будем рассчитывать отдельно для прямолинейных участков и для перехода.

Потери по длине канала

Потери при внезапном  сужении (без закругления)

;

Расчет модели 1

 

Расчет модели 3

,

 

5. Вывод результатов в табличном и графическом видах анализ результатов.

№ детали	Расчетные потери, Па	Потери с  программного расчета, Па	Относительная погрешность, %
2	19211,5	7,57979
4	58281,25	6429,92

 

Все зависимости  изображаем в графическом виде:

Деталь 1

На рисунке 1 изображена зависимость скорости по заливке, тоесть большая скорость – начало спектра (красный цвет), минимальная скорость – конец (желтый). Это отображения очень удобно потому что можно увидеть все в сечение и если нужно изменить геометрию тем самым улучшить параметры.

На рисунке 2 изображена зависимость давления по заливке как описано выше.

На рисунке 3 изображены вектора скорости.

На рисунке 4 изображены  графики зависимости давления по длине (желтая линия) и график зависимости скорости по длине (синяя линия).

Также был построен график зависимости давления по длине на внешнем редакторе Microsoft Office Excel 2007 который приведен на рисунке 7.

Рисунок 1- Заливка из модуля скорости

 

 

Рисунок 2 – Заливка из давления.

Рисунок 3 –  Вектора скорости.

Рисунок 4 –  Двумерный график из давления.

 

 

Рисунок 5 - Зависимость давления по длине

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Деталь 2

На 6 изображена зависимость скорости по длине по всем сечении трубы.

На рисунке 7 изображена зависимость давления по заливке.

На рисунке 8 изображены вектора скорости.

На рисунке 9 изображен график зависимости давления по длине.

Также исполнен график на внешнем редакторе Exel, который изображен на рисунке 10.

Рисунок 6 - Заливка  из модуля скорости

Рисунок 7 –  Заливка из давления

Рисунок 8 –  Вектора скорости

Рисунок 9 - Двумерный график из давления

Рисунок 10 - Зависимость давления по длине

 

6. Выводы

Делая данную работу мы пришли к выводу что современное  программное обеспечение для  моделирования намного облегчают  труд инженера, а также без лишних затрат времени и финансов могут производить проектные расчеты. Преимущества: можно наглядно наблюдать за изменениями, и к чему они приводят; огромный экономический эффект; точность расчетов, которую невозможно достичь обычным расчетом, что видно из погрешностей. Я думаю что эти методы просто офигенные и наше будущее за этими методами проектирования. Это есть технология будущего когда натурные испытания будут сведены к минимуму.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Литература

1.  Холпанов Л.П. Математическое моделирование нелинейных термогидрогазодинамических процессов в многокомпонентных струйных течениях

2. Курбацкий А.Ф. Лекции по турбулентности. Новосибирск: Новосибирский госуниверситет, Часть 1. Введение в турбулентность, 2000, 118 с.; Часть 2. Моделирование турбулентных течений, 2001, 136 с.