www.proCae.ru - это последняя модификация нескольких сайтов CAD, CAE и CAM тематики. На страницах ресурса Вы найдете хорошие статьи, посвященные таким СAD, как SolidWorks, Компас AutoCAD, расчетам в таких CAE, как Ansys, Ansys CFX, Fluent, Star-CD, QForm и многое другое.
| Индекс материала |
|---|
| Течение жидкости |
| Вторая |
| Все страницы |
Рассмотрим решение задачи о течении жидкости методом конечных элементов на примере задачи о внезапном расширении потока жидкости. Выполним решение данной задачи при помощи программного продукта реализующего метод конечных элементов – ANSYS 7.0.
Физическая сущность задачи заключается в том, что при внезапном расширении (рисунок 1) струя, выходящая из узкой части канала, не заполняет вначале всего поперечного сечения широкого канала, а растекается постепенно. В углах между поверхностью струи и стенками образуются замкнутые токи жидкости, причем давление на торцовой стенке 1 по опытам оказывается почти равным статическому давлению на выходе из узкой части канала (р1). При внезапном расширении канала наблюдается значительное гидравлическое сопротивление, т. е. происходит уменьшение полного давления в потоке. Если поместить сечение 2 в таком месте, где поток уже полностью выровнялся, т. е. статическое давление p2 и скорость потока w2 по сечению постоянны, то потери будут равны разности полных давлений
Рисунок 1 - Схема течения при внезапном расширении канала.
Схема трубопровода (расчетной области) приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Схема трубопровода
Алгоритм решения задачи можно представить в следующем виде:
1) идеализация расчетной области (моделирование геометрии потока);
2) разбивка расчетной области на конечные элементы;
3) Наложение условий непроницаемости;
4) определение скорости потока на входной границе и противодавления на выходной границе потока;
5) настройка алгоритма решения задачи (установка параметров потока) и установка параметров жидкости.
6) решение задачи и обработка результатов расчета.
После запуска программы нужно установить класс решаемых задач: в нашем случае – это решение задач гидрогазодинамики. Для установки класса задач нужно активизировать команду Preferences меню ANSYS Main Menu. В появившемся окне (см. рисунок 3) нужно установить флажок в положение FLOTRAN CFD и закрыть окно нажатием клавиши ОК. После этой настройки в ANSYS Main Menu запустить PREPROCESSOR. Решение задачи начинается с установки типа конечных элементов. Для решения задач гидрогазодинамики в ANSYS предусмотрены два типа конечных элементов: FLUID 141 (для решения задач в двухмерной постановке) и FLUID 142 (для решения задач в трехмерной постановке). В данном случае выбираем конечные элементы FLUID 141.
Рисунок 3 - Установка типа решаемой задачи
После установки типа конечного элемента выполняется построение модели геометрии потока жидкости (модель канала). Для этого нужно:
1) построить ключевые точки;
2) построить линии;
3) образовать при помощи линий поверхности.
Для построения ключевых точек выполняется следующая последовательность команд в ANSYS Main Menu: PREPROCESSOR > MODELING > CREATE > KEYPOINTS > IN ACTIVE CS (создание ключевых точек в активной системе координат). В появившемся диалоговом окне (рисунок 4) в разделе NPT Keypoint number задается номер ключевой точки. В окнах X, Y, Z, Location in active CS задаются координаты ключевых точек. Для построения модели требуется восемь ключевых точек.
Завершение выполнения команд осуществляется нажатием кнопки ОК. После построения всех точек рабочая область имеет вид, который представлен на рисунке 5.
Для построения линий выполняется следующая последовательность команд в ANSYS Main Menu: PREPROCESSOR > MODELING > CREATE > LINES > IN ACTIVE COORD (создание линий в активной системе координат). После этого курсор приобретает вид указателя, а в левом нижнем окне появляется диалоговое окно выбора элементов. Указывая курсором последовательно ключевые точки (последовательность соединения точек: 1 – 2, 2 – 3, 3 – 4, 3 – 4, 4 – 5, 5 – 6, 6 – 7, 7 – 8, 8 – 1, 2 – 7), осуществляем построение линий. Завершается выполнение команд нажатием кнопки ОК в диалоговом окне выбора точек. На рисунке 6 показаны линии модели с указанием их номеров.
Рисунок 6 - Линии модели с их обозначением
Для построения поверхностей выполняется следующая последовательность команд в ANSYS Main Menu: PREPROCESSOR > MODELING > CREATE > AREAS >ARBITRARY > BY LINES (построение плоскостей на линиях). При этом, как и при построении точек изменяется вид курсора на указатель и появляется окно выбора линий. После выбора линий образующих замкнутый контур нажимается кнопка APPLY. Завершение выполнение команд осуществляется нажатием клавиши ОК в окне выбора линий.
После построения модели геометрии потока, модель разбивают на конечные элементы. Для этого выполняется последовательность команд в ANSYS Main Menu: PREPROCESSOR >MESHING > MECH TOOL. При этом появляется диалоговое окно атрибутов разбиения (рисунок 7).
Рисунок 7 - Окно выбора атрибутов разбиения
Используя соответствующие опции данного окна, могут быть установлены атрибуты разбиения для линий и поверхностей. Для установки атрибутов разбиения линии, нажатием клавиши SET в разделе LINES, вызывается диалоговое окно выбора линий. При этом курсор изменяет свой вид на указатель, которым выбираются нужные линии. После выбора нужных линий, выбор подтверждается нажатием клавиши APPLY в окне. После нажатия клавиши APPLY появится окно для задания параметров атрибутов разбиения (см. рисунок 8). В разделе SIZE Element edge length окна атрибутов разбиения задается количество узлов на выбранной линии. Для линий L1, L14 это значение равно 14, линий L3, L5 – 45, линий L8, L9 – 7, линии L4 – 15, линий L2, L6 – 3. После заполнения раздела SIZE Element edge length нажимается клавиша APPLY.
После установки атрибутов разбиения для линий в окне MESH TOOL (рисунок 7) нажатием клавиши MESH активизируется процедура разбиения поверхности конечными элементами. При этом курсор изменяет свой вид на указатель, и в левом нижнем углу появляется окно выбора поверхностей. Процедура разбиения заключается в следующем: курсором выбираются поверхности, подлежащие разбивке и затем, подается команда ОК в окне выбора поверхностей. Модель, разбитая на конечные элементы представлена на рисунке 9. После этого PREPROCESSOR закрывается. Вся дальнейшая работа проходит в SOLUTION.
Рисунок 9 - Конечно-элементная модель исследуемого канала
Следующим этап решения задачи – наложение граничных условий. Первое накладываемо граничное условие – это условие непроницаемости.
Наложение условий непроницаемости производится набором команд в ANSYS Main Menu: SOLUTION > DEFINE LOADS > APPLY > FLUID/CFD > VELOCITY > ON NODES. При выполнении этого набора команд курсор изменяет свой вид на указатель, а в левом углу появляется окно выбора узлов. В окне выбора узлов установить BOX – выбор узлов рамкой (см. рисунок 10).
Рисунок 10 - Окно выбора узлов
Рамкой выбираются линии: L1, L2, L3, L5, L6, L7. После выбора нажимается клавиша ОК. В появившемся окне (см. рисунок 11) задаются параметры скорости по осям координат. После задания значений скорости (Vx = 0 м/с, Vy = 0 м/с) нажимается клавиша ОК. На модели это отражается в виде красных стрелок приложенных к узлам линий.
Далее производится определение скорости потока на входе в канал. Для определения повторяется та же последовательность команд, что при задании условия непроницаемости. Скорость на входе: Vx = 0,2м/с. При выборе узлов выбираются все узлы линии L8 кроме смежных узлов (узлов принадлежащих одновременно двум линиям: L1 – L7, L1 – L8)
После задания скорости на входе производиться задание противодавления на выходе. Для этого выполняется следующая последовательность команд в ANSYS Main Menu: SOLUTION > DEFINE LOADS > APPLY FLUID/CFD > PRESSURE DOF > ON NODES. Так же, как и при определении скорости появляется окно выбора узлов. На выходной границе канала (линия L4) выбираются все узлы, включая смежные. После указания узлов в окне выбора нажимается клавиша ОК. В появившемся при этом окне (см. рисунок 12) задается значение давления. Задаваемая величина давления (противодавления на выходе из канала) равна нулю. Это соответствует установленному в ANSYS давлению равному 105 Па (референтный уровень). В данном случае величину больше нуля воспринимается, как избыточное давление (манометрическое).
Следующим этапом решения задачи является определение физических свойства жидкости и параметров потока (поток адиабатный, турбулентный, несжимаемый). Плотность ? = 1000 кг/м3, коэффициент динамической вязкости 0,001 Па с.
Поток жидкости в задаче принимается турбулентным.
