Руководство пользователя программного обеспечения для моделирования жидкостей Ansys 2024 Fluent

ГЛАВА 2. ПЛОСКИЙ ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ ПЛАСТИНЫ

Цели

• Создание геометрии в Ansys Workbench для Ansys Fluent
• Настройка Ansys Fluent для ламинарного устойчивого 2D плоского течения
• Настройка сетки
• Выбор граничных условий
• Выполнение расчетов
• Использование графиков для визуализации результирующего поля потока
• Сравните с теоретическим решением с использованием кода Mathematica

Описание проблемы
В этой главе мы будем использовать Ansys Fluent для изучения двумерного ламинарного течения на горизонтальной плоской пластине. Размер пластины считается бесконечным в поперечном направлении, поэтому поток является двумерным, а не трехмерным. Скорость на входе для пластины длиной 2 м составляет 3 м/с, и мы будем использовать воздух в качестве жидкости для ламинарного моделирования. Мы определим скорость profiles и построить проfiles. Начнем с создания геометрии, необходимой для моделирования.

Запуск Ansys Workbench и выбор Fluent

1. Начните с запуска Ansys Workbench. Дважды щелкните Fluid Flow (Fluent), который находится в разделе Analysis Systems в Toolbox.
   Запуск Ansys DesignModeler
2. Выберите Geometry в Project Schematic в Ansys Workbench. Щелкните правой кнопкой мыши по Geometry и выберите Properties. Выберите 2D Analysis Type в Advanced Geometry Options в Properties of Schematic A2: Geometry. Щелкните правой кнопкой мыши по Geometry в Project Schematic и выберите Launch New DesignModeler Geometry. Выберите Units>>Millimeter в качестве единицы длины в меню DesignModeler.
3. Далее мы создадим геометрию в DesignModeler. Выберите XYPlane из Tree Outline слева в DesignModeler. Выберите Look at Sketch. Щелкните вкладку Sketching в Tree Outline и выберите Line. skSketchool. Нарисуйте горизонтальную линию длиной 1,000 мм от начала координат вправо. Убедитесь, что у вас есть P в начале координат, когда вы начинаете рисовать линию. Также убедитесь, что у вас есть H вдоль линии, чтобы она была горизонтальной, и C в конце линии. Выберите Размеры в параметрах эскиза. Щелкните по линии и введите длину 1000 мм. Нарисуйте вертикальную линию длиной 100 мм вверх, начиная с конечной точки первой горизонтальной линии. Убедитесь, что у вас есть P в начале линии и V, указывающая на вертикальную линию. Продолжайте горизонтальной линией длиной 100 мм влево от начала координат, за которой следует еще одна вертикальная линия длиной 100 мм. Следующая линия будет горизонтальной длиной 100 мм, начинающейся с конечной точки предыдущей вертикальной линии и направленной вправо. Наконец, замкните прямоугольник горизонтальной линией длиной 1,000 мм, начинающейся на 100 мм выше начала координат и направленной вправо.
4. Нажмите на вкладку Моделирование в разделе Наборы инструментов для создания эскизов. Выберите в меню Концепт>>Поверхности из эскизов. С помощью Control выберите шесть ребер прямоугольника в качестве базовых объектов и выберите Применить в разделе Подробности. View. Нажмите Generate на панели инструментов. Прямоугольник станет серым. Щелкните правой кнопкой мыши по графическому окну, выберите Zoom to Fit и закройте DesignModeler.
5. Теперь дважды щелкнем по сетке в Project Schematic в Ansys Workbench, чтобы открыть окно Meshing. Выберите Mesh в Outline окна Meshing. Щелкните правой кнопкой мыши и выберите Generate Mesh. Будет создана грубая сетка. Выберите Unit Systems>>Metric (mm, kg, N …) в нижней части графического окна. Выберите Mesh>>Controls>>Face Meshing в меню. Щелкните по желтой области рядом с Geometry в Scope в Details of Face Meshing. Выберите прямоугольник в графическом окне. Щелкните по кнопке Apply для Geometry в Details of “Face Meshing”. Выберите Mesh>>Controls>>Sizing в меню и выберите Edge над графическим окном. Выберите 6 ребер прямоугольника. Щелкните Apply для Geometry в Details of Edge Sizing. В Definition в Details of Edge Sizing выберите Element Size в качестве Type, 1.0 mm для Element Size, Capture Curvature в качестве No и Hard в качестве Behavior. Выберите второй тип смещения и введите 12.0 в качестве коэффициента смещения. Выберите более короткий верхний горизонтальный край и примените к этому краю обратный сдвиг. Нажмите Home>>Generate Mesh в меню и выберите Mesh в Outline. Готовая сетка отображается в графическом окне.
   Почему мы создали смещенную сетку?
   Теперь переименуем края прямоугольника. Выберите левый край прямоугольника, щелкните правой кнопкой мыши и выберите Создать именованное выделение. Введите inlet в качестве имени и нажмите кнопку OK. Повторите этот шаг для правого вертикального края прямоугольника и введите имя outlet. Создайте именованное выделение для нижнего более длинного горизонтального правого края и назовите его wall. Наконец, удерживая клавишу Control, выберите оставшиеся три горизонтальных края и назовите их ideal walls. Идеальная стена — это адиабатическая и не имеющая трения стена.
6. Причина использования смещенной сетки в том, что нам нужна более мелкая сетка вблизи стенки, где у нас есть градиенты скорости в потоке. Мы также включили более мелкую сетку, где пограничный слой начинает развиваться на плоской пластине. Выбрать File>>Экспорт…>>Сетка>>Ввод FLUENT File>>Экспорт из меню. Выберите Сохранить как тип: FLUENT Input Files (*.msh). Введите border-layer-mesh .msh s file имя и нажмите кнопку Сохранить. Выберите File>>Сохранить проект из меню. Назовите проект Flat Plate Boundary Layer. Закройте окно Ansys Meshing. Щелкните правой кнопкой мыши по Mesh в Project Schematic и выберите Update.
   Запуск Ansys Fluent
7. Fluent можно запустить двумя способами: дважды щелкнув по Setup в Project Schematic в Ansys Workbench или в автономном режиме из Fluent 2024 R1 в папке приложения Ansys 2024 R1. Вам нужно будет прочитать сетку, если вы запустите Fluent в автономном режиме. AdvantagПреимущество запуска Ansys Fluent в автономном режиме заключается в том, что вы можете выбрать местоположение вашего рабочего каталога, в котором будут храниться все выходные данные. files будут сохранены, см. рисунок 2.6a). Запустите Dimension 2D и Double Precision Solver Fluent. Отметьте Double Precision в разделе Options. Установите количество Solver Processes равным количеству ядер компьютера. Чтобы проверить количество физических ядер, нажмите одновременно клавиши Ctrl + Shift + Esc, чтобы открыть Task Manager. Перейдите на вкладку Performance и выберите CPU в левом столбце. Вы увидите количество физических ядер в правом нижнем углу. Ansys Student ограничен максимум 4 решающими процессами. Закройте окно Task Manager. Нажмите кнопку Start, чтобы запустить Ansys Fluent. Нажмите OK, чтобы закрыть окно Key Behavioral Changes, если оно появилось.
   Рисунок 2.6а) Запуск настройкиПочему мы используем двойную точность?
   Двойная точность даст более точные вычисления, чем одинарная.
8. Проверьте масштаб сетки, выбрав кнопку Scale… в разделе Mesh в General на странице Task. Убедитесь, что Domain Extent указан правильно, и закройте окно Scale Mesh.
9. Дважды щелкните по Models and Viscous (SST k-omega) в разделе Setup в Outline. View. Выберите Laminar в качестве Viscous Model. Нажмите OK, чтобы закрыть окно. Дважды щелкните Boundary Conditions в разделе Setup в Outline View. Дважды щелкните по входу под Zone на странице Task. Выберите Components в качестве Velocity Specification Method и установите X-Velocity [м/с] на 5.
10. Нажмите кнопку «Применить», а затем кнопку «Закрыть».
11. Дважды щелкните ideal_wall в разделе Zones. Отметьте Specified Shear как Shear Condition и оставьте нулевые значения для указанного напряжения сдвига, поскольку идеальная стена не имеет трения. Нажмите кнопку Apply, а затем кнопку Close.
    Почему мы выбрали ламинарную модель в качестве вязкой?
    Для выбранной скорости свободного потока 5 м/с число Рейнольдса вдоль пластины меньше 500,000 500,000, поэтому течение ламинарное. Турбулентное течение вдоль плоской пластины происходит при числах Рейнольдса выше XNUMX XNUMX.
12. Дважды щелкните на «Методы» в разделе «Решение» в разделе «Структура». View. Выберите Standard для Pressure и First Order Upwind для Momentum. Дважды щелкните Reference Values ​​в разделе Setup в Outline View. Выберите Вычислить в поле ввода на странице задач.
    Почему мы используем метод первого порядка «против ветра» для пространственной дискретизации импульса?
    Метод First Order Upwind обычно менее точен, но сходится лучше, чем метод Second Order Upwind. Обычной практикой является начинать с метода First Order Upwind в начале расчетов и продолжать методом Second Order Upwind.
13. Дважды щелкните на пункте «Инициализация» в разделе «Решение» в разделе «Структура». View, выберите Стандартная инициализация, выберите Вычислить из входного поля и нажмите кнопку Инициализировать.
14. Дважды щелкните на «Мониторы» в разделе «Решение» в разделе «Структура». View. Дважды щелкните по пункту Остаточный в разделе Мониторы в Структуре. View и введите 1e-9 как Абсолютный критерий для всех остатков. Нажмите кнопку ОК, чтобы закрыть окно. Выберите File>>Сохранить проект из меню. Выберите File>>Экспорт>>Дело… из меню. Сохранить дело File с названием Плоский пограничный слой пластины. CAS.h5
    Почему мы установили абсолютный критерий на уровне 1e-9?
    В общем, чем ниже абсолютный критерий, тем больше времени займет расчет и тем точнее будет решение. На рисунке 2.12b) мы видим, что уравнения x-скорости и y-скорости имеют меньшие невязки, чем уравнение непрерывности. Наклоны кривых невязок для всех трех уравнений примерно одинаковы с резким нисходящим трендом.
15. Дважды щелкните на Run Calculation в Solution и введите 5000 для Number of Iterations. Щелкните на кнопке Calculate. Расчеты будут завершены после 193 итераций, см. Рисунок 2.12b). Щелкните на Copy Screenshot of Active Window to Clipboard, см. Рисунок 2.12c). Масштабированные остатки можно вставить в документ Word.
    Постобработка
16. Выберите вкладку Results в меню и выберите Create>>Line/Rake… в разделе Surface. Введите 0.2 для x0 (м), 0.2 для x1 (м), 0 для y0 (м) и 0.02 м для y1 (м). Введите x=0.2 м для New Surface Name и нажмите Create. Повторите этот шаг еще три раза и создайте вертикальные линии при x=0.4 м длиной 0.04 м, x=0.6 м длиной 0.06 м и x=0.8 м длиной 0.08 м. Закройте окно.
17. Дважды щелкните на пунктах «Графики» и «XY-график» в разделе «Результаты» в разделе «Структура». View. Снимите флажок Положение по оси X в разделе «Параметры» и установите флажок Положение по оси Y. Установите Направление графика для X на 0 и 1 для Y. Выберите Скорость… и Скорость по оси X в качестве Функции оси X. Выберите четыре линии x=0.2 м, x=0.4 м, x=0.6 м и x=0.8 м в разделе Поверхности.
18. Нажмите кнопку Axes… в окне Solution XY Plot. Выберите ось X, снимите флажок Auto Range в разделе Options, введите 6 для Maximum Range, выберите General Type в разделе Number Format и установите Precision на 0. Нажмите кнопку Apply. Выберите ось Y, снимите флажок Auto Range, введите 0.01 для Maximum Range, выберите General Type в разделе Number Format и нажмите кнопку Apply. Закройте окно Axes.
19. Нажмите кнопку Кривые… в окне График решения XY. Выберите первый шаблон под Стиль линии для Кривой № 0. Выберите без символа для Стиль маркера и нажмите кнопку Применить. Затем выберите Кривую № 1, выберите следующий доступный Шаблон для Стиль линии, без символа для Стиль маркера и нажмите кнопку Применить. Продолжайте этот шаблон выбора со следующими двумя кривыми № 2 и № 3. Закройте окно Кривые – График решения XY. Нажмите кнопку Сохранить/Построить график в окне График решения XY и закройте это окно. Нажмите Копировать снимок экрана активного окна в буфер обмена, см. Рисунок 2.16c). XY Plot можно вставить в документ Word. Выберите вкладку User Defined в меню и Custom в разделе Field Functions. Выберите конкретную Operand Field Function из раскрывающегося меню, выбрав Mesh… и Y-Coordinate. Нажмите Select и введите определение, как показано на рисунке 2.16f). Вам нужно выбрать Mesh… и X Coordinate, чтобы включить координату x и завершить определение функции поля. Введите eta в качестве New Function Name, нажмите Defi,ne и закройте окно. Повторите этот шаг, чтобы создать еще одну пользовательскую функцию поля. На этот раз мы выбираем Velocity… и X Velocity в качестве Field Functions и нажимаем Select. Завершите определение, как показано на рисунке 2.16g), и введите u-divided-by-freestream-velocity в качестве New Function Name, нажмите Def,one и закройте окно.
    Почему мы создали самоподобную координату?
    Оказывается, что при использовании самоподобной координаты скорость проfiles в различных положениях по потоку будут разрушаться по одному самоподобному закону скоростиfile который не зависит от местоположения по направлению потока.
20. Дважды щелкните на пунктах «Графики» и «XY-график» в разделе «Результаты» в разделе «Структура». View. Установите X на 0 и Y на 1 в качестве направления графика. Снимите отметку с Положение на оси X и снимите отметку с Положение на оси Y в разделе Параметры. Выберите Пользовательские функции поля и eta для Функции оси Y и выберите Пользовательские функции поля и udivided-by-freestream-velocity для Функции оси X. Поместите file blasius.dat в вашем рабочем каталоге. Это file можно загрузить с sdcpublications.com на вкладке Загрузки для этой книги. См. Рисунок 2.19 для кода Mathematica, который может быть использован для генерации теоретического прогностического расчета скорости Блазиусаfile для ламинарного пограничного слоя течения над плоской пластиной. Как примерample, в этом учебнике рабочий каталог ܥ:\Users\jmatsson. Нажмите на Load File. Выбирать Files типа: Все Files (*) и выберите file blasius.dat из вашего рабочего каталога. Выберите четыре поверхности x=0.2m, x=0.4m, x=0.6m, x=0.8m и загруженный file Теория.
    Нажмите кнопку Axes…. Выберите ось Y в окне Axes-Solution XY Plot и снимите флажок Auto. Range. Установите минимальный диапазон на 0 и максимальный диапазон на 10. Установите тип на float и точность на 0 в поле Number Format. Введите заголовок оси как eta и нажмите кнопку Apply. Выберите ось X, снимите флажок Auto Range в поле Options, введите 1.2 для максимального диапазона, выберите тип float в поле Number Format и установите точность на 1. Введите заголовок оси как u/U. Нажмите кнопку Apply и закройте окно. Нажмите кнопку Curves… в окне Solution XY Plot. Выберите первый шаблон в поле Line Style для Curve # 0, см. рисунок 2.16a). Выберите no Symbol для Marker Style и нажмите кнопку Apply. Затем выберите Curve # 1, выберите следующий доступный шаблон для Line Style, no Symbol для Marker Style и нажмите кнопку Apply. Продолжайте этот шаблон выбора со следующими двумя кривыми # 2 и # 3. Закройте окно Curves – Solution XY Plot. Нажмите кнопку Save/Plot в окне Solution XY Plot и закройте это окно.
21. Нажмите «Копировать снимок экрана активного окна в буфер обмена» (см. рисунок 2.16c). График XY можно вставить в документ Word. Выберите вкладку «Определено пользователем» в меню и «Пользовательский». Выберите конкретную функцию операнда из раскрывающегося меню, выбрав «Сетка…» и «X-координата». Нажмите «Выбрать» и введите определение, как показано на рисунке 2.17e). Введите rex в качестве имени новой функции, нажмите «Определить» и закройте окно. Дважды щелкните «Графики» и «XPlotsot» в разделе «Результаты» в разделе «Структура». View. Установите X на 0 и Y на 1 в разделе «Направление графика».
22. Снимите отметку с Положение по оси X и снимите отметку с Положение по оси Y в разделе Параметры. Выберите Потоки на стенках и Коэффициент трения на поверхности для Функции оси Y и выберите Пользовательские функции поля и rex для Функции оси XX. Поместите file «Теоретический коэффициент трения кожи» в вашем рабочем каталоге. Нажмите «Загрузить» File. Выбирать Files типа: Все Files (*) и выберите file «Теоретический коэффициент трения поверхности». Выберите стену в разделе «Поверхности» и загруженную file Трение кожи под File Данные. Нажмите кнопку Оси…. Проверьте ось X, установите флажок для Log в разделе Параметры, введите Re-x в качестве Заголовка оси и снимите флажок Авто. Диапазон в разделе Параметры установите Минимум на 100 и Максимум на 1000000. Установите Тип на float и Точность на 0 в разделе Формат чисел и нажмите кнопку Применить. Проверьте ось Y, установите флажок для Log в разделе Параметры, введите Cf-x в качестве Метки и снимите флажок Авто. Диапазон, установите Минимум на 0.001 и Максимум на 0.1, установите Тип на float, Точность на 3 и нажмите кнопку Применить. Закройте окно. Нажмите кнопку Сохранить/Построить график в окне График решения XY. Нажмите кнопку Кривые… в окне График решения XY. Выберите первый шаблон в разделе Стиль линии для Кривой № 0. Выберите без символа для Стиль маркера и нажмите кнопку Применить. Далее выберите Curve # 1, выберите следующий доступный Pattern для Line Style, no Symbol для Marker Style и нажмите кнопку Apply. Закройте окно Curves – Solution XY Plot. Нажмите кнопку Save/Plot в окне Solution XY Plot и закройте это окно. Нажмите Copy Screenshot of Active Window to Clipboard (Копировать снимок экрана активного окна в буфер обмена, см. рисунок 2.16c). XY Plot можно вставить в документ Word.
23. Теория
24. В этой главе мы сравнили Ansys Fluent velocity profileс теоретической скоростью Блазиуса profile для ламинарного потока на плоской пластине. Мы преобразовали нормальную к стене координату mal в координату подобия для сравнения profiles в разных положениях по потоку. Координата подобия определяется как где y (м) - нормальная к стенке координата, определяется как
25. где y (м) — нормальная к стенке координата, U (м/с) — скорость свободного потока, x (м) — расстояние от начала продольной оси стенки, а θ) м2 /с) — кинематическая вязкость жидкости. U (м/с) — скорость свободного потока, x (м) — расстояние от начала продольной оси стенки, а θ) м2 /с) — кинематическая вязкость жидкости.

Мы также использовали безразмерную продольную скорость u/U, где u — размерная скоростьfile.

u/U был построен в зависимости от ȟ для Ansys Fluent velocity profiles в сравнении с теоретическими проfile и все они схлопнулись на одной и той же кривой согласно определению самоподобия.

Уравнение пограничного слоя Блазиуса задается выражением

Толщина пограничного слоя определяется как расстояние от стенки до места, где скорость в пограничном слое достигла 99% от значения набегающего потока.

Для ламинарного пограничного слоя илиr имеем следующее теоретическое выражение для изменения толщины пограничного слоя в зависимости от продольного расстояния x и числа Рейнольдса ܴ.

• Соответствующее выражение для толщины пограничного слоя в турбулентном пограничном слое имеет вид
• Локальный коэффициент поверхностного трения определяется как локальное напряжение сдвига стенки, деленное на динамическое давление.
• Теоретический локальный коэффициент трения для ламинарного течения определяется по формуле
• а для турбулентного течения имеем следующее соотношение

Ссылки

1. Ченгель, Я. А. и Чимбала Дж. М., Основы механики жидкости и ее применение, 1-е издание, McGraw-Hill, 2006.
2. Ричардс, С., Чимбала, Дж. М., Мартин, К., Учебное пособие по ANSYS Workbench – Пограничный слой на плоской пластине, Университет штата Пенсильвания, редакция от 18 мая 2010 г.
3. Шлихтинг, Х. и Герстен, К., Теория пограничного слоя, 8-е пересмотренное и дополненное издание, Springer, 2001.
4. Уайт, Ф.М., Механика жидкости, 4-е издание, McGraw-Hill, 1999.

Упражнения

1. Используйте результаты моделирования Ansys Fluent в этой главе для определения толщины пограничного слоя в положениях по потоку, как показано в таблице ниже. Заполните недостающую информацию в таблице. ܷ — скорость пограничного слоя на расстоянии от стенки, равном толщине пограничного слоя, а U — скорость свободного потока.
   

   x (м)	o (mm) Беглый	o (mm) Теория	Процентная разница	U 8 (РС)	U (РС)	v (m2/с)	Re x
   0.2						.0000146
   0.4						.0000146
   0.6						.0000146
   0.8						.0000146

2. Измените размер элемента на 2 мм для сетки и сравните результаты на графиках XY коэффициента поверхностного трения в зависимости от числа Рейнольдса с размером элемента 1 мм, который использовался в этой главе. Сравните ваши результаты с теорией.
3. Измените скорость свободного потока на 3 м/с и создайте график XY, включая прогностический показатель скорости.fileс при x = 0.1, 0.3, 0.5, 0.7 и 0.9 м. Создайте еще один график XY с самоподобным прогностическим уравнением скоростиfiles для этой более низкой скорости свободного потока и создайте график XY для коэффициента поверхностного трения в зависимости от числа Рейнольдса.
4. Используйте результаты моделирования Ansys Fluent в упражнении 2.3 для определения толщины пограничного слоя в положениях по потоку, как показано в таблице ниже. Заполните недостающую информацию в таблице. — скорость пограничного слоя на расстоянии от стенки, равном толщине пограничного слоя, а U — скорость свободного потока.
   

   x (м)	o (mm) Беглый	o (mm) Теория	Процентная разница	U 8 (РС)	U (РС)	v (m2/с)	Re x
   0.1						.0000146
   0.2						.0000146
   0.5						.0000146
   0.7						.0000146
   0.9						.0000146

Таблица 2.2 Сравнение Fluent и теории для толщины пограничного слоя
Измените скорость свободного потока на значение, указанное в таблице ниже, и создайте график XY, включающий кривую скорости.files при x = 0.2, 0.4, 0.6 и 0.8 м. Создайте еще один график XY с самоподобным прогностическим уравнением скоростиfiles для скорости свободного потока и постройте график XY для коэффициента поверхностного трения в зависимости от числа Рейнольдса.

PDF скачать: Руководство пользователя программного обеспечения для моделирования жидкостей Ansys 2024 Fluent

Ссылки

• Руководство пользователя