Корисничко упатство за софтвер за симулација на флуентни течности Ansys 2024
ГЛАВА 2. ГРАНИЧЕН СЛОЈ НА РАМНА ПЛОЧА
Цели
- Создавање геометрија во Ansys Workbench за Ansys Fluent
- Поставување на Ansys Fluent за ламинарен стабилен 2D планарен проток
- Поставување Mesh
- Избор на гранични услови
- Вклучување на пресметки
- Користење на парцели за визуелизирање на добиеното поле на проток
- Споредете со теоретско решение користејќи Mathematica код
Опис на проблемот
Во ова поглавје, ќе го користиме Ansys Fluent за да го проучуваме дводимензионалниот ламинарен тек на хоризонтална рамна плоча. Големината на плочата се смета за бесконечна во насока на ширина и затоа протокот е 2D наместо 3D. Влезната брзина за плочата долга 1 m е 5 m/s и ќе користиме воздух како течност за ламинарните симулации. Ќе ја одредиме брзината проfiles и заговор на проfileс. Ќе започнеме со креирање на геометријата потребна за симулацијата.
Стартување на Ansys Workbench и избирање Fluent
- Започнете со лансирање на Ansys Workbench. Кликнете двапати на Fluid Flow (Fluent) кој се наоѓа под Analysis Systems во Toolbox.
Стартување на Ansys DesignModeler
- Изберете Геометрија под Шема на проектот во Ansys Workbench. Кликнете со десното копче на Geometry и изберете Properties. Изберете 2Д тип на анализа под Напредни опции за геометрија во Својства на шематски A2: Геометрија. Десен-клик на Geometry во Project Schematic и изберете Launch New DesignModeler Geometry. Изберете Units>>Milimeter како единица должина од менито во DesignModeler.
- Следно, ќе ја креираме геометријата во DesignModeler. Изберете XYPlane од дрвото на преглед на левата страна во DesignModeler. Изберете Погледни скица Кликнете на табулаторот Скица во прегледот на дрвото и изберете ја линијата
skSketchool. Нацртајте хоризонтална линија долга 1,000 mm од почетокот надесно. Проверете дали имате P на почетокот кога ќе почнете да ја цртате линијата. Исто така, погрижете се да имате H по должината на линијата така што таа да биде хоризонтална и C на крајот од линијата. Изберете Димензии во опциите за скицирање. Кликнете на линијата и внесете должина од 1000 mm. Нацртајте вертикална линија нагоре долга 100 mm почнувајќи од крајната точка на првата хоризонтална линија. Проверете дали имате P кога ја започнувате линијата и V што покажува вертикална линија. Продолжете со хоризонтална линија долга 100 mm лево од почетокот, проследена со друга вертикална линија долга 100 mm. Следната линија ќе биде хоризонтална со должина од 100 mm почнувајќи од крајната точка на поранешната вертикална линија и насочена надесно. Конечно, затворете го правоаголникот со хоризонтална линија долга 1,000 mm која започнува 100 mm над изворот и е насочена надесно.
- Кликнете на јазичето Моделирање под Кутии со алатки за скицирање. Изберете концепт>>Површини од скици во менито. Контрола изберете ги шесте рабови на правоаголникот како основни објекти и изберете Примени во детали View. Кликнете на Генерирање во лентата со алатки. Правоаголникот станува сив. Со десен клик на графичкиот прозорец изберете Zoom to Fit и затворете го DesignModeler.
- Сега ќе кликнете двапати на Mesh под Шема на проектот во Ansys Workbench за да го отвориме прозорецот Meshing. Изберете Mesh во прегледот на прозорецот Meshing. Десен-клик и изберете Generate Mesh. Се создава груба мрежа. Изберете Unit Systems>>Metric (mm, kg, N…) од дното на графичкиот прозорец. Изберете Mesh>> Controls>>Face Meshing од менито. Кликнете на жолтиот регион веднаш до Геометрија под Опсег во детали за поврзување на лица. Изберете го правоаголникот во графичкиот прозорец. Кликнете на копчето Примени за геометрија во детали за „Мрежење на лице“. Изберете Mesh>> Controls>>Sizing од менито и изберете Edge над графичкиот прозорец. Изберете ги 6-те рабови на правоаголникот. Кликнете на Примени за геометријата во „Детали за големината на рабовите“. Под Дефиниција во „Детали за димензионирање на рабовите“, изберете ја големината на елементот како тип, 1.0 mm за големината на елементот, снимете ја кривината како Не и тешко како однесување. Изберете го вториот тип на пристрасност и внесете 12.0 како фактор на пристрасност. Изберете го пократкиот горен хоризонтален раб и нанесете го овој раб со Reverse Bias. Кликнете на Home>>Generate Mesh во менито и изберете Mesh во Outline. Завршената мрежа е прикажана во графичкиот прозорец.
Зошто создадовме пристрасна мрежа?
Сега ќе ги преименуваме рабовите на правоаголникот. Изберете го левиот раб на правоаголникот, кликнете со десното копче и изберете Креирај именуван избор.
Внесете го влезот како име и кликнете на копчето ОК. Повторете го овој чекор за десниот вертикален раб на правоаголникот и внесете го штекерот за името. Направете именуван избор за долниот подолг хоризонтален десен раб и наречете го ѕид. Конечно, контролирајте-изберете ги преостанатите три хоризонтални рабови и именувајте ги како идеални ѕидови. Идеален ѕид е адијабатски и без триење.
- Причината за користење на пристрасна мрежа е тоа што ни треба пофина мрежа блиску до ѕидот каде што имаме градиенти на брзината во протокот. Вклучивме и пофина мрежа каде што граничниот слој почнува да се развива на рамната плоча. Изберете File>>Извоз…>>Мрежа>>FLUENT Влез File>>Извоз од менито. Изберете Save as type: FLUENT Input Files (*.msh). Внесете граничен слој-mesh .msh на s file име и кликнете на копчето Зачувај. Изберете File>>Зачувај го проектот од менито. Наведете го проектот Граничен слој на рамна плоча. Затворете го прозорецот Ansys Meshing. Десен-клик на Mesh во Project Schematic и изберете Update.
Стартување на Ansys Fluent
- Можете да го стартувате Fluent на два различни начини, или со двоен клик на Setup во Project Schematic во Ansys Workbench или самостоен режим од Fluent 2024 R1 во папката со апликации Ansys 2024 R1. Ќе треба да ја прочитате мрежата ако го стартувате Fluent во самостоен режим. Авантураtagд од стартувањето на Ansys Fluent во самостоен режим е тоа што можете да ја изберете локацијата на вашиот Работен директориум каде што сите излези files ќе бидат зачувани, видете Слика 2.6а). Стартувајте ги Dimension 2D и Double Precision Solver of Fluent. Проверете ја двојната прецизност под Опции. Поставете го бројот на процеси за решавање еднаков на бројот на компјутерски јадра. За да го проверите бројот на физички јадра, притиснете ги копчињата Ctrl + Shift + Esc истовремено за да го отворите Управникот со задачи. Одете во табулаторот Performance и изберете CPU од левата колона. Ќе го видите бројот на физички јадра на долната десна страна. Ansys Student е ограничен на максимум 4 процеси на решавачи. Затворете го прозорецот Task Manager. Кликнете на копчето Start за да го стартувате Ansys Fluent. Кликнете на ОК за да го затворите прозорецот „Клучни промени во однесувањето“ доколку се појави.
Слика 2.6а) Стартување на поставување
Зошто користиме двојна прецизност?
Двојната прецизност ќе даде попрецизни пресметки од единечна прецизност. - Проверете ја скалата на мрежата со избирање на копчето Scale… под Mesh in General на страницата со задачи. Проверете дали опсегот на доменот е точен и затворете го прозорецот Scale Mesh.
- Кликнете двапати на Models and Viscous (SST k-omega) под Поставување во прегледот View. Изберете Laminar како вискозен модел. Кликнете на OK за да го затворите прозорецот. Кликнете двапати на Граничните услови под Поставување во прегледот View. Кликнете двапати на влезот под Зона на страницата со задачи. Изберете ги компонентите како метод за спецификација на брзината и поставете ја X-брзината [m/s] на 5.
- Кликнете на копчето Примени проследено со копчето Затвори.
- Кликнете двапати на ideal_wall под Zones. Проверете го специфицираното смолкнување како состојба на смолкнување и задржете ги нула вредности за одредено напрегање на смолкнување бидејќи идеалниот ѕид е без триење. Кликнете на копчето Примени проследено со копчето Затвори.
Зошто го избравме Ламинар како Вискозен модел?
За одбраната брзина на слободен тек 5 m/s, Рејнолдсовиот број е помал од 500,000 долж плочата и затоа протокот е ламинарен. Турбулентен проток по рамна плоча се јавува кај броевите на Рејнолдс над 500,000. - Кликнете двапати на Методи под Решение во прегледот View. Изберете Стандарден за притисок и Прв ред наспроти ветерот за моментум. Кликнете двапати на Референтните вредности под Поставување во прегледот View. Изберете Пресметај од влезот на страницата со задачи.
Зошто го користиме методот First Order Upwind за просторна дискретизација на моментумот?
Методот од прв ред нагоре е генерално помалку прецизен, но подобро се конвергира од методот од втор ред нагоре. Вообичаена практика е да се започне со методот First Order Upwind на почетокот на пресметките и да се продолжи со методот Second Order Upwind. - Кликнете двапати на иницијализација под Решение во прегледот View, изберете Standard Initialization, изберете Compute од влезот и кликнете на копчето Initialize.
- Кликнете двапати на Монитори под Решение во преглед View. Кликнете двапати на Residual под Монитори во прегледот View и внесете 1e-9 како апсолутни критериуми за сите остатоци. Кликнете на копчето ОК за да го затворите прозорецот. Изберете File>>Зачувај го проектот од менито. Изберете File>>Export>>Case… од менито. Зачувај го случајот File со името Flat Plate Boundary Layer. CAS.h5
Зошто ги поставивме Апсолутните критериуми на 1e-9?
Општо земено, колку се пониски апсолутните критериуми, толку подолго ќе трае пресметката и ќе даде попрецизно решение. Гледаме на слика 2.12б) дека равенките x-брзина и y-брзина имаат помали резидуи од равенката за континуитет. Наклоните на преостанатите кривини за сите три равенки се приближно исти со остар надолен тренд. - Кликнете двапати на Run Calculation под решение и внесете 5000 за бројот на повторувања. Кликнете на копчето Пресметај. Пресметките ќе бидат завршени по 193 повторувања, видете Слика 2.12б). Кликнете на Копирај слика од екранот на активниот прозорец во таблата со исечоци, видете Слика 2.12в). Скалираните остатоци може да се залепат во документ Word.
Пост-обработка
- Изберете го табот Резултати во менито и изберете Креирај>>Линија/Раке… под Површина. Внесете 0.2 за x0 (m), 0.2 за x1 (m), 0 за y0 (m) и 0.02 m за y1 (m). Внесете x=0.2m за името на новата површина и кликнете на Креирај. Повторете го овој чекор уште три пати и креирајте вертикални линии на x=0.4m со должина 0.04 m, x=0.6m со должина 0.06 m и x=0.8m со должина 0.08 m. Затвори го прозорецот.
- Кликнете двапати на Парцели и XY Plot под Резултати во прегледот View. Отштиклирајте Позиција на оската X под Опции и штиклирајте Позиција на оската Y. Поставете ја насоката на заплетот за X на 0 и 1 за Y. Изберете Брзина… и X Брзина како функција на оската X. Изберете ги четирите линии x=0.2m, x=0.4m, x=0.6m и x=0.8m под Површини.
- Кликнете на копчето Oxes… во прозорецот Solution XY Plot. Изберете ја оската X, отштиклирајте Автоматски опсег под Опции, внесете 6 за Максимален опсег, изберете Општ тип под Формат на броеви и поставете Прецизност на 0. Кликнете на копчето Примени. Изберете ја оската Y, отштиклирајте го Автоматскиот опсег, внесете 0.01 за Максимален опсег, изберете Општ тип под Формат на број и кликнете на копчето Примени. Затворете го прозорецот Оски.
- Кликнете на копчето Curves… во прозорецот Solution XY Plot. Изберете ја првата шема под Стил на линија за крива # 0. Изберете без симбол за стил на маркер и кликнете на копчето Примени. Следно, изберете Крива # 1, изберете ја следната достапна шема за стил на линија, без симбол за стил на маркер и кликнете на копчето Примени. Продолжете со оваа шема на избор со следните две кривини # 2 и # 3. Затворете го прозорецот Curves – Solution XY Plot. Кликнете на копчето Save/Plot во прозорецот Solution XY Plot и затворете го овој прозорец. Кликнете на Копирај слика од екранот на активниот прозорец во таблата со исечоци, видете Слика 2.16в).
Заплетот XY може да се залепи во документ Word. Изберете го табулаторот Дефиниран од корисникот во менито и Прилагодено под Функции на теренот. Изберете специфична функција на операндното поле од паѓачкото мени со избирање на Mesh… и Y-Coordinate. Кликнете на Изберете и внесете ја дефиницијата како што е прикажано на Слика 2.16f). Треба да изберете Mesh… и X Coordinate за да ја вклучите координатата x и да ја завршите дефиницијата на функцијата на полето. Внесете eta како ново име на функција, кликнете на Defi,ne и затворете го прозорецот. Повторете го овој чекор за да креирате друга сопствена функција на поле. Овој пат, избираме Брзина… и X Брзина како Функции на поле и кликнуваме на Изберете. Дополнете ја дефиницијата како што е прикажано на Слика 2.16g) и внесете u-divided-by-freestream-velocity како ново име на функцијата, кликнете на Def, еден и затворете го прозорецот.
Зошто создадовме слична координата?
Излегува дека со користење на самослична координата, брзината проfiles на различни позиции во текот на протокот ќе се срушат на една самослична брзина проfile која е независна од локацијата во текот на протокот. - Кликнете двапати на Парцели и XY Plot под Резултати во прегледот View. Поставете X на 0 и Y на 1 како Насока на заплетот. Отштиклирајте Позиција на оската X и отштиклирајте Позиција на оската Y под Опции. Изберете Приспособени функции на поле и eta за функцијата Y-оска и изберете Прилагодени функции на поле и брзина поделена со слободен тек за функцијата X-оска. Поставете го file blasius.dat во вашиот работен директориум. Ова file може да се преземе од sdcpublications.com во картичката Преземања за оваа книга. Видете Слика 2.19 за кодот Mathematica што може да се користи за генерирање на теоретската брзина на Blasius profile за ламинарен граничен слој проток преку рамна плоча. Како ексample, во овој учебник работниот директориум е ֥:\Users\jmatsson. Кликнете на Вчитај File. Изберете Files од типот: Сите Files (*) и изберете го file blasius.dat од вашиот работен директориум. Изберете ги четирите површини x=0.2m, x=0.4m, x=0.6m, x=0.8m и натоварените file Теорија.
Кликнете на копчето Oxes…. Изберете Y-Axis во прозорецот Axes-Solution XY Plot и отштиклирајте Auto. Опсег. Поставете го минималниот опсег на 0 и максималниот опсег на 10. Поставете го типот на float и прецизноста на 0 под Формат на броеви. Внесете го насловот на оската како eta и кликнете на Примени. Изберете X-Axis, отштиклирајте Auto Range под Опции, внесете 1.2 за Maximum Range, изберете float Type под Number Format и поставете Precision на 1. Внесете го насловот на оската како u/U. Кликнете на Примени и затворете го прозорецот. Кликнете на копчето Curves… во прозорецот Solution XY Plot. Изберете ја првата шема под Стил на линија за крива # 0, видете Слика 2.16а). Изберете без симбол за стил на маркер и кликнете на копчето Примени. Следно, не изберете Крива # 1, изберете ја следната достапна шема за стил на линија, без симбол за стил на маркер и кликнете на копчето Примени. Продолжете со оваа шема на избор со следните две кривини # 2 и # 3. Затворете го прозорецот Curves – Solution XY Plot. Кликнете на копчето Save/Plot во прозорецот Solution XY Plot и затворете го овој прозорец.
- Кликнете на Копирај слика од екранот на активниот прозорец во таблата со исечоци, видете Слика 2.16в). Заплетот XY може да се залепи во документ Word. Изберете го табот Дефинирано од корисникот во менито и Прилагодено. Изберете специфична функција Операнд од опаѓачкото мени со избирање Mesh… и X-Coordinate. Кликнете на Изберете и внесете ја дефиницијата како што е прикажано на Слика 2.17д). Внесете rex како ново име на функција, кликнете на Define и затворете го прозорецот. Кликнете двапати на Plots и XPlotsot под Резултати во прегледот View. Поставете X на 0 и Y на 1 под Насока на заплетот.
Отштиклирајте ја Позиција на оската X и отштиклирајте ја Позиција на оската Y под Опции. Изберете ѕидни текови и коефициент на триење на кожата за функцијата Y-оска и изберете Прилагодени функции на поле и rex за функцијата XX-оска. Поставете го file „Теоретски коефициент на триење на кожата“ во вашиот работен директориум. Кликнете на Вчитај File. Изберете Files од типот: Сите Files (*) и изберете го file „Теоретски коефициент на триење на кожата“. Изберете го ѕидот под Површини и вчитаниот file Триење на кожата под File Податоци. Кликнете на копчето Оски…. Проверете го X-Axis, штиклирајте го полето за Log под Опции, внесете Re-x како Наслов на оската и отштиклирајте Auto. Опсег под Option set Minimum на 100 и Maximum до 1000000. Поставете Type на float и Precision на 0 под Number Format и кликнете на Apply. Проверете ја Y-Oxis, штиклирајте го полето за Log под Опции, внесете Cf-x како Label и отштиклирајте Auto. Опсег, поставете Минимум на 0.001 и Максимум на 0.1, поставете го Тип на плови, Прецизност на 3 и кликнете на Примени. Затворете го прозорецот. Кликнете на Save/Plot во прозорецот Solution XY Plot. Кликнете на копчето Curves… во прозорецот Solution XY Plot. Изберете ја првата шема под Lin. e Стил за крива # 0. Изберете без симбол за стил на маркер и кликнете на копчето Примени. Не,xt изберете Крива # 1, изберете ја следната достапна шема за стил на линија, без симбол за стил на маркер и кликнете на копчето Примени. Затворете го прозорецот Curves – Solution XY Plot. Кликнете на копчето Save/Plot во прозорецот Solution XY Plot и затворете го овој прозорец. Кликнете на Копирај снимка од екранот на активниот прозорец во таблата со исечоци, видете Слика 2.16в). Заплетот XY може да се залепи во документ Word.- Теорија
- Во ова поглавје, го споредивме Ansys Fluent velocity profiles со теоретската Blasius брзина проfile за ламинарен проток на рамна плоча. Ја трансформиравме ѕид-нормалната мал координата во координата на сличност за споредба на проfileе на различни локации во текот на протокот. Координатата на сличност е дефинирана со тоа каде y (m) е ѕид-нормална координата, се дефинира со
- каде што y (m) е координата на ѕидот-нормална, U (m/s) е брзината на слободниот тек, x (m) е растојанието од потеклото на ѕидот во текот на протокот и ¥) m2 /s) е кинематска вискозност на течноста. U (m/s) е брзината на слободниот тек, x (m) е растојанието од потеклото на ѕидот во насока на струјното струење и m2/s) е кинематската вискозност на течноста.
Ја користевме и недимензионалната брзина на проток u/U каде u е димензионалната брзина проfile.
u/U беше нацртан наспроти за Ansys Fluent velocity profiles во споредба со теоретскиот про- на Бласиусfile и сите тие се срушија на истата крива според дефиницијата за себе-сличност.
Равенката на граничниот слој Блазиус е дадена со
Дебелината на граничниот слој е дефинирана како растојание од ѕидот до локацијата каде што брзината во граничниот слој достигна 99% од вредноста на слободниот тек.
За ламинарен граничен слој илиr, го имаме следниот теоретски израз за варијација на дебелината на граничниот слој со растојание од проточен тек x и Рејнолдсов број ִ.
- Соодветниот израз за дебелината на граничниот слој во турбулентен граничен слој е даден со
- Локалниот коефициент на триење на кожата е дефиниран како локално напрегање на ѕидот поделено со динамички притисок.
- Теоретскиот коефициент на локално триење за ламинарен проток се одредува со
- а за турбулентен тек ја имаме следната релација
Референци
- Ченгел, YA и Цимбала Ј.М., Основи и апликации за механика на флуиди, 1-во издание, МекГро-Хил, 2006 година.
- Ричардс, С., Цимбала, Ј.М., Мартин, К., Упатство за работна маса на ANSYS – Граничен слој на рамна плоча, Универзитетот Пен Стејт, 18 мај 2010 година, ревизија.
- Schlichting, H., and Gersten, K., Boundary Layer Theory, 8th Revised and Enlarged Edition, Springer, 2001 година.
- Вајт, ФМ, Механика на флуиди, 4-то издание, МекГро-Хил, 1999 година.
Вежби
- Користете ги резултатите од симулацијата на Ansys Fluent во ова поглавје за да ја одредите дебелината на граничниот слој на позициите во текот на протокот како што е прикажано во табелата подолу. Пополнете ги информациите што недостасуваат во табелата. Ƿ е брзината на граничниот слој на растојание од ѕидот еднаква на дебелината на граничниот слој и U е брзината на слободен тек.
x (м) o (mm) Течно
o (mm) Теорија
Процентуална разлика U 8 (m/s)
U (m/s)
v (m2/s)
Re x 0.2 .0000146 0.4 .0000146 0.6 .0000146 0.8 .0000146 - Променете ја големината на елементот на 2 mm за решетката и споредете ги резултатите во XY парцели на коефициентот на триење на кожата наспроти Рејнолдсовиот број со големината на елементот од 1 mm што се користеше во ова поглавје. Споредете ги вашите резултати со теоријата.
- Променете ја брзината на слободен тек на 3 m/s и креирајте XY Plot вклучувајќи брзина profiles на x = 0.1, 0.3, 0.5, 0.7 и 0.9 m. Создадете друг XY Plot со само-слична брзина проfiles за оваа помала брзина на слободен тек и креирајте XY запис за коефициентот на триење на кожата наспроти Рејнолдсовиот број.
- Користете ги резултатите од симулацијата на Ansys Fluent во вежба 2.3 за да ја одредите дебелината на граничниот слој на позициите во текот на протокот како што е прикажано во табелата подолу. Пополнете ги информациите што недостасуваат во табелата.е брзината на граничниот слој на растојание од ѕидот еднаква на дебелината на граничниот слој и U е брзината на слободен тек.
x (м) o (mm) Течно
o (mm) Теорија
Процентуална разлика U 8 (m/s)
U (m/s)
v (m2/s)
Re x 0.1 .0000146 0.2 .0000146 0.5 .0000146 0.7 .0000146 0.9 .0000146
Табела 2.2 Споредба помеѓу Флуент и теорија за дебелина на граничниот слој
Променете ја брзината на слободен проток на вредноста наведена во табелата подолу и креирајте XY Plot вклучувајќи брзина проfiles на x = 0.2, 0.4, 0.6 и 0.8 m. Создадете друг XY Plot со само-слична брзина проfiles за вашата брзина на слободен проток и креирајте XY Plot за коефициентот на триење на кожата наспроти Рејнолдсовиот број.
| Студент | X-Брзина U (m/s) | Максимум Опсег (m/s) за X Брзина Заплет |
| 1 | 3 | 4 |
| 2 | 3.2 | 4 |
| 3 | 3.4 | 4 |
| 4 | 3.6 | 4 |
| 5 | 3.8 | 4 |
| 6 | 4 | 5 |
| 7 | 4.2 | 5 |
| 8 | 4.4 | 5 |
| 9 | 4.6 | 5 |
| 10 | 4.8 | 5 |
| 11 | 5.2 | 6 |
| 12 | 5.4 | 6 |
| 13 | 5.6 | 6 |
| 14 | 5.8 | 6 |
| 15 | 6 | 7 |
| 16 | 6.2 | 7 |
| 17 | 6.4 | 7 |
| 18 | 6.6 | 7 |
| 19 | 6.8 | 7 |
| 20 | 7 | 8 |
| 21 | 7.2 | 8 |
Преземете PDF: Корисничко упатство за софтвер за симулација на флуентни течности Ansys 2024