Нагрев воздуха. Ansys CFX

Редактор статьи: Кирилл "deLuther" Сергеев

1. Постановка задачи: Построить 2D модель нагревания воздуха в замкнутом объеме - квадратной камере со стороной 5 см. Температура стенок камеры постоянна и равна 65 оС. Первоначальная температура воздуха в объеме постоянна 25 градусов С, давление 3 атм. Получить распределение в заданном прямоугольнике изменяющееся с течением времени. Получить зависимость температуры от времени в точке, находящейся в центре области.

2. Создание геометрии и расчетной сетки. Расчетную сетку строим в Ansys Workbench. Запускаем ее сначала в режиме создания геометрии.

При помощи пункта меню «создание примитивов» создаем параллелепипед со сторонами 5 см на 5 см на 1 мм (1 мм - это предполагаемая в дальнейшем толщина расчетной кубической сетки). На этом создание геометрии закончено.

Запускаем модуль создания сетки. Стираем старый метод создания сетки, создаем новый метод Hex.Dominant.

Масштабируем сетку(Mesh Control=>Sizing). Задаем размер ячейки 1 мм.

Генерируем сетку. Получаем сетку в одну кубическую ячейку в толщину. Сохраняем ее. Закрываем Workbench.

3. Задание физики процесса. Открываем Pre Ansys CFX. Импортируем туда сгенерированную сетку. Указываем, что задача динамическая (т.е. параметры меняются с течением времени) Simulation Type -Transient.

Задаем в свойствах Simulation Type время расчета (Total Time)=7 c, шаг расчета (Timesetps)=0.2 c.

Создаем новый домен. Убеждаемся, что его свойства: тип домена - жидкость или газ (DomainType=Fluid Domain), материал - воздух при 25 С (FluidsList=Air at 25 C). Меняем давление (Reference Pressure) =3 atm, указываем, что конвекция есть (Buoyancy=Buoyant), задаем ускорение свободного падения против оси y (Gravity Y Dim. = -9.81), Buoy.Ref. Temp=40 C.

На самом деле Buoy.Ref. Temp это Tref в модели Буссинеска для определения плотности для веществ с постоянной плотностью, при выборе веществ с плотностью зависящей от температуры, давления или других переменных среды. Например, в случае идеального газа автоматически выбирается Full Buoyancy Model и Buoy.Ref. Temp меняется на Buoy. Ref. Density. Что касается модели Буссинеска, то она связывает разность плотностей rho-rho ref с разностью температур T-Tref через коэффициент теплового расширения, выражение можно увидеть в хелпе, поискав по ключевому слову Boussinesq. Эта модель подходит только при малой разнице температур, что обходится через моделирование задачи как динамического процесса. В-принципе, для данной задачи более подходящим значением Tref могло бы быть 65 C. Прим. Ред.

На вкладке Fluid Model указываем, что производится расчет передачи тепла (Heat Transfer=Thermal Energy), указываем, что нет турбулентности у воздуха (Turbulence=non).

Создаем граничные условия. На широких боковых сторонах задаем свойство зеркальной симметрии (Boundary Type =Symmetry), а узкие стороны определяем как плоскости температурой 65С. (Boundary Type=Wall, Boundary Details =>Heat Transfer=> Option=Temperature; Fixed Temperature=65 C).

Задаем начальные условия по всему объему (Global Initialization). Задаем первоначальные компоненты скорости газа (velocity components) равные 0, относительное давление (Relative pressure)= 0, температуру =25 С.

Задаем свойства выходной информации Output Control
Указываем, что сохранять нужно температуру и скорость с интервалом 1 с:
(Transient Results =Selected Variables, Output Variables List =Temperature, Velocity
Transient Results 1 => Output Frequency=Time Interval=1 c).

Для увеличения скорости счета в свойствах Solver Control задаем Max. Coeff. Loop = 5

Записываем файл с описанием задачи def. И запускаем ansys solver.

По окончанию расчета запускаем ansys post.
Добавляем плоскость XY, отключаем ее видимость, помещаем на эту плоскость значения температуры (contour).

Для того чтобы посмотреть картину в динамике воспользуемся Timestep Selector или создадим анимацию в Animation.

Для того, чтобы вывести зависимость температуры от времени в некоторой точке, установим сначала эту точку insert=>location=>point
Добавим новый график insert-Chart указывая в качестве местоположения (location) добавленную точку.

Для контроля за процессом решения, логично включить мониторинг температуры в нужной точке непосредственно в процессе решения.

Для этого на вкладке Output Control->Monitor, включить Monitor Options. В Monitor Points and Expressions добавить новую точку (кнопка Add New Item), в Output Variable List выбрать интересующие переменные (в нашем случае Temperature) и задать координаты точки. При решении, в Solver Manager, будет добавлена вкладка на которой будет отображаться история для заданной точки. Прим. Ред.