Uporabniški priročnik za programsko opremo za simulacijo tekočine Ansys 2024 Fluent

POGLAVJE 2. MEJNA PLAST RAVNE PLOŠČE

Cilji

• Ustvarjanje geometrije v Ansys Workbench za Ansys Fluent
• Nastavitev Ansys Fluent za Laminar Steady 2D Planar Flow
• Nastavitev mreže
• Izbira robnih pogojev
• Tekoči izračuni
• Uporaba grafov za vizualizacijo nastalega polja toka
• Primerjajte s teoretično rešitvijo z uporabo kode Mathematica

Opis težave
V tem poglavju bomo uporabili Ansys Fluent za preučevanje dvodimenzionalnega laminarnega toka na vodoravni ravni plošči. Šteje se, da je velikost plošče neskončna v smeri razpona, zato je tok 2D namesto 3D. Vhodna hitrost za 1 m dolgo ploščo je 5 m/s in za laminarne simulacije bomo kot tekočino uporabili zrak. Določili bomo hitrost profiles in narišite profiles. Začeli bomo z ustvarjanjem geometrije, potrebne za simulacijo.

Zagon Ansys Workbench in izbira Fluent

1. Začnite z zagonom Ansys Workbench. Dvokliknite Fluid Flow (Fluent), ki se nahaja pod Analysis Systems v Toolbox.
   Zagon Ansys DesignModeler
2. Izberite Geometry pod Project Schematic v Ansys Workbench. Z desno miškino tipko kliknite Geometry in izberite Properties. Izberite 2D Analysis Type pod Advanced Geometry Options v Properties sheme A2: Geometry. Z desno miškino tipko kliknite Geometry v Project Schematic in izberite Launch New DesignModeler Geometry. V meniju v DesignModelerju kot enoto za dolžino izberite Units>>Milimeter.
3. Nato bomo izdelali geometrijo v DesignModelerju. Izberite XYPlane v orisu drevesa na levi strani v DesignModelerju. Izberite Poglej skico Kliknite zavihek Skiciranje v orisu drevesa in izberite črto skSketchool. Od izhodišča na desno narišite vodoravno črto dolžine 1,000 mm. Prepričajte se, da imate v izhodišču črko P, ko začnete risati črto. Prepričajte se tudi, da imate H vzdolž črte, tako da je vodoravna, in C na koncu črte. V možnostih Skiciranje izberite Dimenzije. Kliknite na črto in vnesite dolžino 1000 mm. Narišite navpično črto navzgor, dolgo 100 mm, začenši na končni točki prve vodoravne črte. Prepričajte se, da imate P na začetku črte in V, ki označuje navpično črto. Nadaljujte z vodoravno črto dolžine 100 mm levo od izhodišča, ki ji sledi še ena navpična črta dolžine 100 mm. Naslednja črta bo vodoravna z dolžino 100 mm, ki se bo začela na končni točki prejšnje navpične črte in usmerjena v desno. Končno zaprite pravokotnik s 1,000 mm dolgo vodoravno črto, ki se začne 100 mm nad izhodiščem in je usmerjena v desno.
4. Kliknite zavihek Modeliranje pod Orodja za skiciranje. V meniju Sketches izberite Concept>>Surfaces. Control izberite šest robov pravokotnika kot osnovne predmete in izberite Uporabi v podrobnostih View. V orodni vrstici kliknite Ustvari. Pravokotnik postane siv. Z desnim klikom na grafično okno izberite Zoom to Fit in zaprite DesignModeler.
5. Zdaj bomo dvakrat kliknili na Mesh pod Project Schematic v Ansys Workbench, da odpremo okno Meshing. Izberite Mreža v orisu okna Mreža. Z desno miškino tipko kliknite in izberite Generate Mesh. Ustvari se groba mreža. Izberite Unit Systems>>Metric (mm, kg, N …) na dnu grafičnega okna. V meniju izberite Mesh>> Controls>>Face Meshing. Kliknite rumeno območje poleg Geometry pod Scope v Details of Face Meshing. Izberite pravokotnik v grafičnem oknu. Kliknite gumb Uporabi za Geometry v Details of “Face Meshing”. V meniju izberite Mesh>> Controls>>Sizing in izberite Edge nad grafičnim oknom. Izberite 6 robov pravokotnika. Kliknite Uporabi za geometrijo v »Podrobnosti o velikosti robov«. Pod Definition v »Details of Edge Sizing« izberite Element Size kot Type, 1.0 mm za Element Size, Capture Curvature kot No in Hard kot Behavior. Izberite drugo vrsto pristranskosti in vnesite 12.0 kot faktor pristranskosti. Izberite krajši zgornji vodoravni rob in uporabite ta rob z Reverse Bias. V meniju kliknite Domov>>Ustvari mrežo in v orisu izberite Mesh. Končana mreža je prikazana v grafičnem oknu.
   Zakaj smo ustvarili pristransko mrežo?
   Zdaj bomo preimenovali robove pravokotnika. Izberite levi rob pravokotnika, z desno miškino tipko kliknite in izberite Ustvari imenovani izbor. Vnesite dovod kot ime in kliknite gumb V redu. Ta korak ponovite za desni navpični rob pravokotnika in vnesite ime vtičnice. Ustvarite imenovan izbor za spodnji daljši vodoravni desni rob in ga poimenujte stena. Nazadnje s kontrolo izberite preostale tri vodoravne robove in jih poimenujte idealne stene. Idealna stena je adiabatna stena brez trenja.
6. Razlog za uporabo pristranske mreže je, da potrebujemo bolj fino mrežo blizu stene, kjer imamo gradiente hitrosti v toku. Vključili smo tudi drobnejšo mrežo, kjer se na ravni plošči začne razvijati mejna plast. Izberite File>>Izvoz…>>Mreža>>FLUENT Vnos File>>Izvoz iz menija. Izberite Shrani kot vrsto: FLUENT Input Files (*.msh). Vnesite boundary-layer-mesh .msh v s file ime in kliknite na gumb Shrani. Izberite File>>Shrani projekt iz menija. Poimenujte projekt Flat Plate Boundary Layer. Zaprite okno Ansys Meshing. Z desno miškino tipko kliknite Mesh v Shemi projekta in izberite Posodobi.
   Zagon Ansys Fluent
7. Fluent lahko zaženete na dva različna načina, bodisi z dvojnim klikom na Setup pod Project Schematic v Ansys Workbench ali v samostojnem načinu iz Fluent 2024 R1 v mapi aplikacije Ansys 2024 R1. Če zaženete Fluent v samostojnem načinu, boste morali prebrati mrežo. NapredektagZagon Ansys Fluent v samostojnem načinu je, da lahko izberete lokacijo vašega delovnega imenika, kjer so vsi izhodni podatki files bo shranjen, glejte sliko 2.6a). Zaženite Dimension 2D in Double Precision Solver programa Fluent. Označite dvojno natančnost pod možnostmi. Nastavite število procesov reševalnika enako številu računalniških jeder. Če želite preveriti število fizičnih jeder, hkrati pritisnite tipki Ctrl + Shift + Esc, da odprete upravitelja opravil. Pojdite na zavihek Performance in v levem stolpcu izberite CPU. Na spodnji desni strani boste videli število fizičnih jeder. Ansys Student je omejen na največ 4 procese reševalca. Zaprite okno upravitelja opravil. Kliknite gumb Start, da zaženete Ansys Fluent. Kliknite OK, da zaprete okno Key Behavioral Changes, če se prikaže.
   Slika 2.6a) Zagon nastavitveZakaj uporabljamo dvojno natančnost?
   Dvojna natančnost bo zagotovila natančnejše izračune kot enojna natančnost.
8. Preverite merilo mreže tako, da izberete gumb Merilo ... pod Mesh in General na strani opravil. Prepričajte se, da je Obseg domene pravilen in zaprite okno Scale Mesh.
9. Dvokliknite na Models and Viscous (SST k-omega) pod Setup v orisu View. Za viskozni model izberite Laminar. Kliknite OK, da zaprete okno. Dvokliknite Boundary Conditions pod Setup v orisu View. Dvokliknite vhod pod Zone na strani opravil. Izberite Components kot Velocity Specification Method in nastavite X-Velocity [m/s] na 5.
10. Kliknite gumb Uporabi, ki mu sledi gumb Zapri.
11. Dvokliknite ideal_wall pod Cone. Preverite Specified Shear kot Shear Condition in ohranite ničelne vrednosti za določeno strižno napetost, saj je idealna stena brez trenja. Kliknite gumb Uporabi, ki mu sledi gumb Zapri.
    Zakaj smo za viskozni model izbrali Laminar?
    Pri izbrani hitrosti prostega toka 5 m/s je Reynoldsovo število vzdolž plošče manjše od 500,000, zato je tok laminaren. Turbulentni tok vzdolž ravne plošče se pojavi pri Reynoldsovih številih nad 500,000.
12. Dvokliknite Metode pod Rešitev v orisu View. Izberite Standard za Tlak in First Order Upwind za Momentum. Dvokliknite Reference Values ​​pod Setup v orisu View. V vhodu na strani z opravili izberite Izračunaj.
    Zakaj uporabljamo metodo prvega reda Upwind za prostorsko diskretizacijo zagona?
    Metoda prvega reda proti vetru je na splošno manj natančna, vendar bolje konvergira kot metoda drugega reda proti vetru. Običajna praksa je, da se na začetku izračunov začne z metodo Upwind prvega reda in nadaljuje z metodo Upwind drugega reda.
13. Dvokliknite Inicialization pod Solution v orisu View, izberite Standard Initialization, izberite Compute na vhodu in kliknite gumb Initialize.
14. Dvokliknite Monitorji pod Rešitev v orisu View. Dvokliknite Residual pod Monitorji v orisu View in vnesite 1e-9 kot absolutna merila za vse ostanke. Kliknite na gumb OK, da zaprete okno. Izberite File>>Shrani projekt iz menija. Izberite File>>Izvozi>>Ohišje… iz menija. Shranite primer File z imenom Flat Plate Boundary Layer. CAS.h5
    Zakaj smo postavili absolutna merila na 1e-9?
    Na splošno velja, da nižji kot so absolutni kriteriji, dlje bo trajal izračun in dal natančnejšo rešitev. Na sliki 2.12b) vidimo, da imata enačbi hitrosti x in hitrosti y nižje ostanke kot enačba kontinuitete. Nakloni rezidualnih krivulj za vse tri enačbe so približno enaki z ostrim padajočim trendom.
15. Dvokliknite Zaženi izračun pod Rešitev in vnesite 5000 za število ponovitev. Kliknite na gumb Izračunaj. Izračuni bodo končani po 193 ponovitvah, glej sliko 2.12b). Kliknite Kopiraj posnetek zaslona aktivnega okna v odložišče, glejte sliko 2.12c). Skalirane ostanke lahko prilepite v Wordov dokument.
    Naknadna obdelava
16. Izberite zavihek Rezultati v meniju in izberite Ustvari>>Line/Rake… pod Surface. Vnesite 0.2 za x0 (m), 0.2 za x1 (m), 0 za y0 (m) in 0.02 m za y1 (m). Vnesite x=0.2m za novo ime površine in kliknite Ustvari. Ta korak ponovite še trikrat in ustvarite navpične črte pri x=0.4m z dolžino 0.04 m, x=0.6m z dolžino 0.06 m in x=0.8m z dolžino 0.08 m. Zaprite okno.
17. Dvokliknite Plots in XY Plot pod Results in the Outline View. Počistite polje Position on X Axis pod Options in označite Position on the Y-axis. Nastavite smer izrisa za X na 0 in 1 za Y. Izberite Velocity… in X Velocity kot funkcijo osi X. Izberite štiri črte x=0.2m, x=0.4m, x=0.6m in x=0.8m pod Površine.
18. Kliknite na gumb Axes… v oknu Solution XY Plot. Izberite X-Axis, počistite polje Auto Range pod Options, vnesite 6 za Maximum Range, izberite General Type pod Number Format in nastavite Precision na 0. Kliknite gumb Apply. Izberite Y-Axis, počistite polje Auto Range, vnesite 0.01 za Maximum Range, izberite General Type pod Number Format in kliknite gumb Apply. Zaprite okno Axes.
19. Kliknite gumb Curves… v oknu Solution XY Plot. Izberite prvi vzorec pod Slog črte za krivuljo # 0. Ne izberite nobenega simbola za Slog markerja in kliknite gumb Uporabi. Nato izberite krivuljo št. 1, izberite naslednji razpoložljivi vzorec za slog črte, brez simbola za slog markerja in kliknite gumb Uporabi. Nadaljujte s tem vzorcem izbire z naslednjima dvema krivuljama # 2 in # 3. Zaprite okno Curves – Solution XY Plot. Kliknite gumb Save/Plot v oknu Solution XY Plot in zaprite to okno. Kliknite Kopiraj posnetek zaslona aktivnega okna v odložišče, glejte sliko 2.16c). XY Plot lahko prilepite v Wordov dokument. Izberite zavihek Uporabniško določeno v meniju in Po meri pod Funkcije polja. V spustnem meniju izberite določeno funkcijo polja operanda, tako da izberete Mesh… in Y-koordinata. Kliknite Izberi in vnesite definicijo, kot je prikazano na sliki 2.16f). Izbrati morate Mesh… in X Coordinate, da vključite koordinato x in dokončate definicijo funkcije polja. Vnesite eta kot novo ime funkcije, kliknite Defi,ne in zaprite okno. Ponovite ta korak, da ustvarite drugo funkcijo polja po meri. Tokrat izberemo Hitrost… in X Hitrost kot funkciji polja in kliknemo Izberi. Dokončajte definicijo, kot je prikazano na sliki 2.16g) in vnesite u-divided-by-freestream-velocity kot novo ime funkcije, kliknite Def, ena in zaprite okno.
    Zakaj smo ustvarili samopodobno koordinato?
    Izkaže se, da z uporabo samopodobne koordinate hitrost profiles na različnih položajih v smeri toka se bo zrušil na eno samopodobno hitrost profile ki je neodvisen od lokacije vzdolž toka.
20. Dvokliknite Plots in XY Plot pod Results in the Outline View. Nastavite X na 0 in Y na 1 kot smer izrisa. Počistite polje Position on X Axis in počistite Position on the Y-axis pod možnostmi. Izberite Funkcije polja po meri in eta za funkcijo osi Y ter izberite Funkcije polja po meri in udivided-by-freestream-velocity za funkcijo osi X. Postavite file blasius.dat v vašem delovnem imeniku. to file lahko prenesete s sdcpublications.com pod zavihkom Prenosi za to knjigo. Glej sliko 2.19 za kodo Mathematica, ki jo je mogoče uporabiti za generiranje teoretične Blasiusove hitrosti profile za laminarni tok mejne plasti čez ravno ploščo. Kot bivšiample, v tem učbeniku je delovni imenik JPG:\Users\jmatsson. Kliknite na Naloži File. Izberite Files tipa: Vse Files (*) in izberite file blasius.dat iz vašega delovnega imenika. Izberite štiri površine x=0.2m, x=0.4m, x=0.6m, x=0.8m in obremenjeno file Teorija.
    Kliknite na gumb Axes…. Izberite Y-Axis v oknu Axes-Solution XY Plot in počistite polje Auto. Razpon. Nastavite Minimum Range na 0 in Maximum Range na 10. Nastavite Type na float in Precision na 0 pod Number Format. Vnesite naslov osi kot eta in kliknite Uporabi. Izberite X-Axis, počistite polje Auto Range pod Options, vnesite 1.2 za Maximum Range, izberite float Type pod Number Format in nastavite Natančnost na 1. Vnesite naslov osi kot u/U. Kliknite Uporabi in zaprite okno. Kliknite gumb Curves… v oknu Solution XY Plot. Izberite prvi vzorec pod Slog črte za krivuljo št. 0, glejte sliko 2.16a). Za slog označevalca ne izberite nobenega simbola in kliknite gumb Uporabi. Nato izberite krivuljo št. 1, izberite naslednji razpoložljivi vzorec za slog črte, brez simbola za slog označevalca in kliknite gumb Uporabi. Nadaljujte s tem vzorcem izbire z naslednjima dvema krivuljama # 2 in # 3. Zaprite okno Curves – Solution XY Plot. Kliknite gumb Save/Plot v oknu Solution XY Plot in zaprite to okno.
21. Kliknite Kopiraj posnetek zaslona aktivnega okna v odložišče, glejte sliko 2.16c). XY Plot lahko prilepite v Wordov dokument. Izberite zavihek Uporabniško določeno v meniju in Po meri. V spustnem meniju izberite določeno funkcijo operanda, tako da izberete Mesh… in X-Coordinate. Kliknite Izberi in vnesite definicijo, kot je prikazano na sliki 2.17e). Vnesite rex kot novo ime funkcije, kliknite Določi in zaprite okno. Dvokliknite Plots in XPlotsot pod Results in the Outline View. Nastavite X na 0 in Y na 1 pod smerjo izrisa.
22. Počistite polje Position on X Axis in počistite Position the on Y-axis pod možnostmi. Izberite Wall Fluxes in Skin Friction Coefficient za funkcijo Y-Axis Function ter izberite Custom Field Functions in rex za XX-AxisFunction. Postavite file “Teoretični koeficient kožnega trenja” v vašem delovnem imeniku. Kliknite na Naloži File. Izberite Files tipa: Vse Files (*) in izberite file "Teoretični koeficient kožnega trenja". Izberite steno pod Surfaces in naloženo file Trenje kože pod File podatki. Kliknite na gumb Axes…. Označite X-Axis, potrdite polje za Log pod Options, vnesite Re-x kot naslov osi in počistite polje Auto. Razpon pod Možnosti nastavite Minimum na 100 in Maksimum na 1000000. Nastavite Vrsta na plavajočo in Natančnost na 0 pod možnostjo Oblika številk in kliknite Uporabi. Označite os Y, potrdite polje za Log pod možnostmi, vnesite Cf-x kot oznako in počistite polje Samodejno. Range, nastavite Minimum na 0.001 in Maximum na 0.1, nastavite Type na float, Precision na 3 in kliknite Apply. Zaprite okno. Kliknite Save/Plot v oknu Solution XY Plot. Kliknite gumb Curves… v oknu Solution XY Plot. Izberite prvi vzorec pod Lin. e Slog za krivuljo # 0. Ne izberite nobenega simbola za slog označevalca in kliknite gumb Uporabi. Ne,xt izberite krivuljo # 1, izberite naslednji razpoložljivi vzorec za slog črte, brez simbola za slog markerja in kliknite gumb Uporabi. Zaprite okno Curves – Solution XY Plot. Kliknite gumb Save/Plot v oknu Solution XY Plot in zaprite to okno. Kliknite Kopiraj posnetek zaslona aktivnega okna v odložišče, glejte sliko 2.16c). XY Plot lahko prilepite v Wordov dokument.
23. Teorija
24. V tem poglavju smo primerjali Ansys Fluent velocity profiles s teoretično Blasiusovo hitrostjo profile za laminarni tok na ravni plošči. Koordinato mal normalne stene smo transformirali v koordinato podobnosti za primerjavo profiles na različnih lokacijah v smeri toka. Koordinata podobnosti je definirana z kjer je y (m) normalna koordinata stene, definirana z
25. kjer je y (m) normalna koordinata stene, U (m/s) hitrost prostega toka, x (m) razdalja od začetka stene v smeri toka in �) m2 /s) je kinematična viskoznost tekočino. U (m/s) je hitrost prostega toka, x (m) je razdalja od izvora stene v smeri toka in m2 /s) je kinematična viskoznost tekočine.

Uporabili smo tudi brezdimenzionalno prečno hitrost u/U, kjer je u dimenzionalna hitrost profile.

u/U je bil narisan v primerjavi z � za Ansys Fluent velocity profiles v primerjavi z Blasiusovim teoretičnim profile in vsi so se zrušili na isto krivuljo po definiciji samopodobnosti.

Blasiusova enačba mejne plasti je podana z

Debelina mejne plasti je opredeljena kot razdalja od stene do mesta, kjer je hitrost v mejni plasti dosegla 99 % vrednosti prostega toka.

Za laminarno mejno plast orr imamo naslednji teoretični izraz za spremembo debeline mejne plasti z razdaljo v smeri toka x in Reynoldsovim številom .

• Ustrezen izraz za debelino mejne plasti v turbulentni mejni plasti je podan z
• Lokalni koeficient kožnega trenja je opredeljen kot lokalna strižna napetost stene, deljena z dinamičnim tlakom.
• Teoretični lokalni koeficient trenja za laminarni tok je določen z
• in za turbulentni tok imamo naslednjo zvezo

Reference

1. Çengel, YA, in Cimbala JM, Osnove in aplikacije mehanike tekočin, 1. izdaja, McGraw-Hill, 2006.
2. Richards, S., Cimbala, JM, Martin, K., ANSYS Workbench Tutorial – Mejna plast na ravni plošči, Penn State University, 18. maj 2010 Revizija.
3. Schlichting, H., in Gersten, K., Teorija mejne plasti, 8. revidirana in razširjena izdaja, Springer, 2001.
4. White, FM, Mehanika tekočin, 4. izdaja, McGraw-Hill, 1999.

vaje

1. Uporabite rezultate simulacije Ansys Fluent v tem poglavju, da določite debelino mejne plasti na položajih v smeri toka, kot je prikazano v spodnji tabeli. V tabelo vpiši manjkajoče podatke. je hitrost mejne plasti na razdalji od stene, ki je enaka debelini mejne plasti, U pa hitrost prostega toka.
   

   x (m)	o (mm) Tekoče	o (mm) Teorija	Odstotek razlike	U 8 (m/s)	U (m/s)	v (m2/s)	Re x
   0.2						.0000146
   0.4						.0000146
   0.6						.0000146
   0.8						.0000146

2. Spremenite velikost elementa na 2 mm za mrežo in primerjajte rezultate v XY grafih koeficienta kožnega trenja v primerjavi z Reynoldsovim številom z velikostjo elementa 1 mm, ki je bila uporabljena v tem poglavju. Primerjajte svoje rezultate s teorijo.
3. Spremenite hitrost prostega toka na 3 m/s in ustvarite graf XY, vključno s hitrostjo profiles pri x = 0.1, 0.3, 0.5, 0.7 in 0.9 m. Ustvarite še eno XY plot s samopodobnim velocity profiles za to nižjo hitrost prostega toka in ustvarite graf XY za koeficient kožnega trenja glede na Reynoldsovo število.
4. Uporabite rezultate simulacije Ansys Fluent v vaji 2.3, da določite debelino mejne plasti na položajih v smeri toka, kot je prikazano v spodnji tabeli. V tabelo vpišite manjkajoče podatke. je hitrost mejne plasti na razdalji od stene enaka debelini mejne plasti, U pa hitrost prostega toka.
   

   x (m)	o (mm) Tekoče	o (mm) Teorija	Odstotek razlike	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

Tabela 2.2 Primerjava med Fluentom in teorijo za debelino mejne plasti
Spremenite hitrost prostega toka na vrednost, navedeno v spodnji tabeli, in ustvarite graf XY, vključno z velocity profiles pri x = 0.2, 0.4, 0.6 in 0.8 m. Ustvarite še eno XY plot s samopodobnim velocity profiles za vašo hitrost prostega toka in ustvarite graf XY za koeficient kožnega trenja glede na Reynoldsovo število.

Prenos PDF-ja: Uporabniški priročnik za programsko opremo za simulacijo tekočine Ansys 2024 Fluent

Reference

• Uporabniški priročnik