Приручник за коришћење софтвера за симулацију течности за Ансис 2024
ГЛАВА 2. ГРАНИЧНИ СЛОЈ РАВНЕ ПЛОЧЕ
Циљеви
- Креирање геометрије у Ансис Воркбенцх-у за Ансис Флуент
- Подешавање Ансис Флуент-а за ламинарни стабилан 2Д планарни ток
- Постављање мреже
- Избор граничних услова
- Руннинг Цалцулатионс
- Коришћење дијаграма за визуелизацију резултујућег поља тока
- Упоредите са теоријским решењем користећи Матхематица Цоде
Опис проблема
У овом поглављу користићемо Ансис Флуент за проучавање дводимензионалног ламинарног тока на хоризонталној равној плочи. Сматра се да је величина плоче бесконачна у правцу распона и стога је проток 2Д уместо 3Д. Улазна брзина за плочу дужине 1 м је 5 м/с и користићемо ваздух као флуид за ламинарне симулације. Одредићемо брзину проfileс и зацртајте проfileс. Почећемо креирањем геометрије потребне за симулацију.
Покретање Ансис Воркбенцх-а и одабир Флуент-а
- Почните тако што ћете покренути Ансис Воркбенцх. Двапут кликните на Флуид Флов (Флуент) који се налази у оквиру Системи за анализу у Тоолбок-у.
Покретање Ансис ДесигнМоделер-а
- Изаберите Геометрија под Шема пројекта у Ансис Воркбенцх-у. Кликните десним тастером миша на Геометрија и изаберите Својства. Изаберите Тип 2Д анализе у оквиру Напредне опције геометрије у Својствима шеме А2: Геометрија. Кликните десним тастером миша на Геометрију у шеми пројекта и изаберите Покрени нову Геометрију ДесигнМоделера. Изаберите Јединице>>Милиметар као јединицу дужине из менија у ДесигнМоделер-у.
- Затим ћемо креирати геометрију у ДесигнМоделер-у. Изаберите КСИПлане из оквира стабла на левој страни у ДесигнМоделер-у. Изаберите Погледај скицу Кликните на картицу Скетцхинг у оквиру стабла и изаберите линију
скСкетцхоол. Нацртајте хоризонталну линију дужине 1,000 мм од почетка удесно. Уверите се да имате П на почетку када почнете да цртате линију. Такође, уверите се да имате Х дуж линије тако да буде хоризонтално и Ц на крају линије. Изаберите Димензије у оквиру опција за скицирање. Кликните на линију и унесите дужину од 1000 мм. Нацртајте вертикалну линију дужу од 100 мм почевши од крајње тачке прве хоризонталне линије. Уверите се да имате П када почињете линију и В који означава вертикалну линију. Наставите са хоризонталном линијом дужине 100 мм лево од почетка, праћеном другом вертикалном линијом дужине 100 мм. Следећа линија ће бити хоризонтална дужине 100 мм почевши од крајње тачке претходне вертикалне линије и усмерена удесно. На крају, затворите правоугаоник хоризонталном линијом дужине 1,000 мм која почиње 100 мм изнад почетка и усмерена је удесно.
- Кликните на картицу Моделирање у оквиру Кутија са алаткама за скицирање. Изаберите Цонцепт>>Сурфацес фром Скетцхес у менију. Контролом изаберите шест ивица правоугаоника као основне објекте и изаберите Примени у детаљима View. Кликните на Генериши на траци са алаткама. Правоугаоник постаје сив. Десним кликом на графички прозор изаберите Зоом то Фит и затворите ДесигнМоделер.
- Сада ћемо двапут кликнути на Месх под Пројецт Сцхематиц у Ансис Воркбенцх-у да отворимо прозор Месхинг. Изаберите Мрежа у обрису прозора Месхинг. Кликните десним тастером миша и изаберите Генериши мрежу. Ствара се груба мрежа. Изаберите Системи јединица>>Метрички (мм, кг, Н…) са дна графичког прозора. Изаберите Мрежа>> Контроле>>Фаце Месхинг из менија. Кликните на жути регион поред Геометрија под Сцопе ин Детаилс оф Фаце Месхинг. Изаберите правоугаоник у графичком прозору. Кликните на дугме Примени за Геометрију у детаљима „Фаце Месхинг“. Изаберите Месх>> Цонтролс>>Сизинг из менија и изаберите Едге изнад графичког прозора. Изаберите 6 ивица правоугаоника. Кликните на Примени за геометрију у „Детаљи величине ивица“. Под Дефиниција у одељку „Детаљи величине ивице“ изаберите Величина елемента као Тип, 1.0 мм за Величина елемента, Сними закривљеност као Не и Тврдо као Понашање. Изаберите други тип пристраности и унесите 12.0 као фактор пристраности. Изаберите краћу горњу хоризонталну ивицу и примените ову ивицу са Реверсе Биас. Кликните на Хоме>>Генерате Месх у менију и изаберите Месх у оквиру. Готова мрежа је приказана у графичком прозору.
Зашто смо направили пристрасну мрежу?
Сада ћемо преименовати ивице правоугаоника. Изаберите леву ивицу правоугаоника, кликните десним тастером миша и изаберите Креирај именовани избор.
Унесите улаз као име и кликните на дугме ОК. Поновите овај корак за десну вертикалну ивицу правоугаоника и унесите назив излаза. Направите именовани избор за доњу дужу хоризонталну десну ивицу и назовите је зид. На крају, изаберите преостале три хоризонталне ивице и назовите их идеалним зидовима. Идеалан зид је адијабатски зид без трења.
- Разлог за коришћење пристрасне мреже је тај што нам је потребна финија мрежа близу зида где имамо градијенте брзине у току. Такође смо укључили фину мрежу где гранични слој почиње да се развија на равној плочи. Изаберите File>>Извоз…>>Месх>>ФЛУЕНТ Инпут File>>Извези из менија. Изаберите Сачувај као тип: ФЛУЕНТ Инпут Fileс (*.мсх). Унесите боундари-лаиер-месх .мсх у с file име и кликните на дугме Сачувај. Изаберите File>>Сачувај пројекат из менија. Именујте пројекат Равна плоча гранични слој. Затворите прозор Ансис Месхинг. Кликните десним тастером миша на Месх у шеми пројекта и изаберите Ажурирај.
Покретање Ансис Флуент
- Флуент можете покренути на два различита начина, било двоструким кликом на Сетуп у оквиру Пројецт Сцхематиц у Ансис Воркбенцх-у или самосталном режиму из Флуент 2024 Р1 у фасцикли апликације Ансис 2024 Р1. Мораћете да прочитате мрежу ако покренете Флуент у самосталном режиму. АдванtagПокретање Ансис Флуент-а у самосталном режиму је то што можете да изаберете локацију свог радног именика где ће сви излазни fileс ће бити сачувани, погледајте слику 2.6а). Покрените Дименсион 2Д и Доубле Прецисион Солвер за Флуент. Проверите двоструку прецизност у оквиру Опције. Поставите број процеса решавања једнак броју рачунарских језгара. Да бисте проверили број физичких језгара, истовремено притисните тастере Цтрл + Схифт + Есц да бисте отворили Таск Манагер. Идите на картицу Перформансе и изаберите ЦПУ из леве колоне. Видећете број физичких језгара у доњој десној страни. Ансис Студент је ограничен на највише 4 процеса решавања. Затворите прозор Менаџера задатака. Кликните на дугме Старт да бисте покренули Ансис Флуент. Кликните на ОК да бисте затворили прозор Кључне промене понашања ако се појави.
Слика 2.6а) Покретање подешавања
Зашто користимо двоструку прецизност?
Двострука прецизност ће дати тачније прорачуне од појединачне прецизности. - Проверите размеру мреже тако што ћете изабрати дугме Сцале… под Мрежа уопште на страници са задацима. Уверите се да је опсег домена исправан и затворите прозор Сцале Месх.
- Двапут кликните на Модели и вискозни (ССТ к-омега) у оквиру Подешавање у оквиру View. Изаберите Ламинар као вискозни модел. Кликните на ОК да затворите прозор. Двапут кликните на гранични услови у оквиру Подешавање у оквиру View. Двапут кликните на улаз испод Зоне на страници са задацима. Изаберите Компоненте као метод спецификације брзине и подесите Кс-брзину [м/с] на 5.
- Кликните на дугме Примени, а затим на дугме Затвори.
- Двапут кликните на идеал_валл под Зоне. Проверите Специфицирано смицање као услов смицања и задржите нулте вредности за специфицирани смичући напон пошто је идеалан зид без трења. Кликните на дугме Примени, а затим на дугме Затвори.
Зашто смо изабрали Ламинар као вискозни модел?
За изабрану брзину слободног тока од 5 м/с Рејнолдсов број је мањи од 500,000 дуж плоче и ток је стога ламинаран. Турбулентно струјање дуж равне плоче јавља се код Рејнолдсових бројева изнад 500,000. - Двапут кликните на Методе под Решење у оквиру View. Изаберите Стандард за притисак и први ред уз ветар за момент. Двапут кликните на Референтне вредности у оквиру Подешавање у оквиру View. Изаберите Цомпуте са улаза на страници са задацима.
Зашто користимо методу првог реда уз ветар за просторну дискретизацију момента?
Метода Фирст Ордер Упвинд је генерално мање прецизна, али се боље приближава од методе Сецонд Ордер Упвинд. Уобичајена је пракса да се почне са методом првог реда уз ветар на почетку прорачуна и настави са методом другог реда уз ветар. - Двапут кликните на Иницијализација под Решење у оквиру View, изаберите Стандардна иницијализација, изаберите Цомпуте са улаза и кликните на дугме Инитиализе.
- Двапут кликните на Монитори под Решење у оквиру View. Двапут кликните на Ресидуал под Монитори у оквиру View и унесите 1е-9 као апсолутни критеријум за све остатке. Кликните на дугме ОК да затворите прозор. Изаберите File>>Сачувај пројекат из менија. Изаберите File>>Извоз>>Случај… из менија. Сачувајте случај File са називом Гранични слој равних плоча. ЦАС.х5
Зашто смо поставили апсолутне критеријуме на 1е-9?
Уопштено говорећи, што су апсолутни критеријуми нижи, то ће прорачун трајати дуже и дати тачније решење. Видимо на слици 2.12б) да једначине к-брзине и и-брзине имају ниже остатке од једначине континуитета. Нагиби заосталих кривих за све три једначине су приближно исти са оштрим опадајућим трендом. - Двапут кликните на Покрени израчунавање под Решење и унесите 5000 за Број итерација. Кликните на дугме Израчунај. Прорачуни ће бити завршени након 193 итерације, види слику 2.12б). Кликните на Копирај снимак екрана активног прозора у међуспремник, погледајте слику 2.12ц). Скалирани остаци се могу налепити у Ворд документ.
Накнадна обрада
- Изаберите картицу Резултати у менију и изаберите Креирај>>Линија/Раке… под Површином. Унесите 0.2 за к0 (м), 0.2 за к1 (м), 0 за и0 (м) и 0.02 м за и1 (м). Унесите к=0.2м за назив нове површине и кликните на Креирај. Поновите овај корак још три пута и направите вертикалне линије на к=0.4м дужине 0.04 м, к=0.6м дужине 0.06 м и к=0.8м дужине 0.08 м. Затвори прозор.
- Двапут кликните на Плотс и КСИ Плот под Резултати у оквиру View. Опозовите избор позиције на Кс оси у оквиру Опције и означите опцију Позиција на И оси. Подесите смер графикона за Кс на 0 и 1 за И. Изаберите Брзина… и Кс Брзина као функцију Кс осе. Изаберите четири линије к=0.2м, к=0.4м, к=0.6м и к=0.8м под Површине.
- Кликните на дугме Акес… у прозору Солутион КСИ Плот. Изаберите Кс-осу, поништите избор Ауто Ранге под Оптионс, унесите 6 за Макимум Ранге, изаберите Генерал Типе под Нумбер Формат и подесите Прецисион на 0. Кликните на дугме Аппли. Изаберите И-осу, поништите избор Аутоматског опсега, унесите 0.01 за Максимални опсег, изаберите Општи тип под Формат броја и кликните на дугме Примени. Затворите прозор Акес.
- Кликните на дугме Цурвес… у прозору Солутион КСИ Плот. Изаберите први образац испод Стил линије за криву # 0. Изаберите без симбола за стил маркера и кликните на дугме Примени. Затим изаберите Криву #1, изаберите следећи доступни образац за стил линије, без симбола за стил маркера, и кликните на дугме Примени. Наставите овај образац селекције са следеће две криве # 2 и # 3. Затворите прозор Криве – Решење КСИ Плот. Кликните на дугме Саве/Плот у прозору Солутион КСИ Плот и затворите овај прозор. Кликните на Копирај снимак екрана активног прозора у међуспремник, погледајте слику 2.16ц).
КСИ Плот се може залепити у Ворд документ. Изаберите картицу Усер Дефинед у менију и Цустом у оквиру Функције поља. Изаберите одређену функцију поља операнда из падајућег менија тако што ћете изабрати Мрежа… и И-координату. Кликните на Селецт и унесите дефиницију као што је приказано на слици 2.16ф). Морате да изаберете Мрежа… и Кс координата да бисте укључили к координату и завршили дефиницију функције поља. Унесите ета као име нове функције, кликните на Дефи,не и затворите прозор. Поновите овај корак да бисте креирали другу функцију прилагођеног поља. Овог пута бирамо Велоцити… и Кс Велоцити као функције поља и кликнемо на Селецт. Довршите дефиницију као што је приказано на слици 2.16г) и унесите у-подељено-слободним протоком-брзином као назив нове функције, кликните на Деф, један и затворите прозор.
Зашто смо направили себи сличне координате?
Испоставило се да коришћењем самосличне координате, брзина проfileс на различитим позицијама у смеру струјања ће се срушити на једној самосличној брзини проfile која је независна од локације у току тока. - Двапут кликните на Плотс и КСИ Плот под Резултати у оквиру View. Поставите Кс на 0 и И на 1 као правац цртања. Опозовите избор опције Положај на Кс оси и поништите избор опције Положај на И оси у оквиру Опције. Изаберите прилагођене функције поља и ета за функцију И-осе и изаберите прилагођене функције поља и подељену брзином слободног тока за функцију Кс-осе. Поставите file бласиус.дат у вашем радном директоријуму. Ово file можете преузети са сдцпублицатионс.цом на картици Преузимања за ову књигу. Погледајте слику 2.19 за Матхематица код који се може користити за генерисање теоријске Бласиусове брзине проfile за струјање ламинарног граничног слоја преко равне плоче. Као бившиampле, у овом уџбенику је радни директоријум ��:\Усерс\јматссон. Кликните на Учитај File. Изаберите Fileс типа: Сви Fileс (*) и изаберите file бласиус.дат из вашег радног директоријума. Изаберите четири површине к=0.2м, к=0.4м, к=0.6м, к=0.8м и оптерећени file Тхеори.
Кликните на дугме Акес…. Изаберите И-Акис у прозору Акес-Солутион КСИ Плот и поништите избор Ауто. Домет. Подесите Минимални опсег на 0 и Максимални опсег на 10. Подесите Тип на плутајући и Прецизност на 0 у оквиру Формат броја. Унесите наслов осе као ета и кликните на Примени. Изаберите Кс-осу, поништите избор Ауто Ранге у оквиру Оптионс, унесите 1.2 за Максимални опсег, изаберите флоат Типе под Нумбер Формат и подесите Прецисион на 1. Унесите наслов осе као у/У. Кликните на Примени и затворите прозор. Кликните на дугме Цурвес… у прозору Солутион КСИ Плот. Изаберите први образац под Стилом линије за криву #0, погледајте слику 2.16а). Изаберите без симбола за стил маркера и кликните на дугме Примени. Затим изаберите криву #1, изаберите следећи доступни образац за стил линије, без симбола за стил маркера, и кликните на дугме Примени. Наставите овај образац селекције са следеће две криве # 2 и # 3. Затворите прозор Криве – Решење КСИ Плот. Кликните на дугме Саве/Плот у прозору Солутион КСИ Плот и затворите овај прозор.
- Кликните на Копирај снимак екрана активног прозора у међуспремник, погледајте слику 2.16ц). КСИ Плот се може залепити у Ворд документ. Изаберите картицу Усер Дефинед у менију и Цустом. Изаберите одређену функцију операнда из падајућег менија тако што ћете изабрати Месх… и Кс-Цоординате. Кликните на Селецт и унесите дефиницију као што је приказано на слици 2.17е). Унесите рек као име нове функције, кликните на Дефиниши и затворите прозор. Двапут кликните на Плотс и КСПлотсот под Ресултс ин тхе Оутлине View. Подесите Кс на 0 и И на 1 под Смер цртања.
Опозовите избор у пољу за потврду Положај на Кс оси и опозовите избор опције Позиционирај на И-оси под Опције. Изаберите Валл Флукес и Скин Фрицтион Цоеффициент за функцију И-осе и изаберите Цустом Фиелд Фунцтионс и рек за Функцију КСКС-Акис. Поставите file „Теоретски коефицијент трења коже“ у вашем радном именику. Кликните на Учитај File. Изаберите Fileс типа: Сви Fileс (*) и изаберите file „Теоријски коефицијент трења коже“. Изаберите зид под Површине и учитано file Трење коже под File Подаци. Кликните на дугме Акес…. Означите Кс-осу, потврдите избор у пољу за евиденцију у оквиру Опције, унесите Ре-к као наслов осе и поништите избор Ауто. Опсег у оквиру Опција подесите Минимум на 100 и Максимум на 1000000. Подесите Типе на флоат и Прецисион на 0 под Нумбер Формат и кликните на Примени. Означите И-осу, потврдите избор у пољу за евиденцију у оквиру Опције, унесите Цф-к као Лабел и поништите избор Ауто. Опсег, подесите Минимум на 0.001 и Максимум на 0.1, подесите Типе на плутајући, Прецисион на 3, и кликните на Примени. Затвори прозор. Кликните на Саве/Плот у прозору Солутион КСИ Плот. Кликните на дугме Цурвес… у прозору Солутион КСИ Плот. Изаберите први образац под Лин. е Стил за криву # 0. Изаберите нема симбола за стил маркера и кликните на дугме Примени. Затим изаберите криву #1, изаберите следећи доступни образац за стил линије, без симбола за стил маркера, и кликните на дугме Примени. Затворите прозор Криве – Решење КСИ Плот. Кликните на дугме Саве/Плот у прозору Солутион КСИ Плот и затворите овај прозор. Кликните на Копирај снимак екрана активног прозора у међуспремник, погледајте слику 2.16ц). КСИ Плот се може залепити у Ворд документ.- Тхеори
- У овом поглављу смо упоредили Ансис Флуент велоцити проfileс са теоријском Блазијусовом брзином проfile за ламинарни ток на равној плочи. Трансформисали смо нормалну мал координату зида у координату сличности за поређење проfileс на различитим локацијама у току тока. Координата сличности је дефинисана где је и (м) нормална координата зида, дефинисана је са
- где је и (м) нормална координата зида, У (м/с) је брзина слободног тока, к (м) је растојање од почетка зида у смеру струјања и �) м2 /с) је кинематичка вискозност течност. У (м/с) је брзина слободног тока, к (м) је растојање од струјног почетка зида и м2 /с) је кинематичка вискозност течности.
Такође смо користили недимензионалну брзину у правцу у/У где је у димензионална брзина проfile.
у/У је нацртана у односу на за Ансис Флуент велоцити проfileс у поређењу са Влазијевим теоријским проfile и сви су се срушили на исту криву према дефиницији самосличности.
Блазијусова једначина граничног слоја је дата са
Дебљина граничног слоја се дефинише као растојање од зида до места где је брзина у граничном слоју достигла 99% вредности слободног тока.
За ламинарни гранични слој орр имамо следећи теоријски израз за варијацију дебљине граничног слоја са растојањем к и Рејнолдсовим бројем ��.
- Одговарајући израз за дебљину граничног слоја у турбулентном граничном слоју је дат са
- Локални коефицијент трења коже се дефинише као локални смични напон зида подељен динамичким притиском.
- Теоретски коефицијент локалног трења за ламинарни ток је одређен од
- а за турбулентно струјање имамо следећу релацију
Референце
- Ценгел, ИА, и Цимбала ЈМ, Основе и примене механике флуида, 1. издање, МцГрав-Хилл, 2006.
- Рицхардс, С., Цимбала, ЈМ, Мартин, К., Упутство за АНСИС Воркбенцх – гранични слој на равној плочи, Пенн Стате Университи, 18. мај 2010. Ревизија.
- Шлихтинг, Х. и Герстен, К., Теорија граничног слоја, 8. ревидирано и проширено издање, Спрингер, 2001.
- Вајт, ФМ, Механика флуида, 4. издање, МцГрав-Хилл, 1999.
Вежбе
- Користите резултате симулације Ансис Флуент у овом поглављу да бисте одредили дебљину граничног слоја на позицијама у правцу тока као што је приказано у табели испод. Попуните податке који недостају у табели. �� је брзина граничног слоја на удаљености од зида једнака дебљини граничног слоја и У је брзина слободног тока.
x (м) o (mm) Течно
o (mm) Тхеори
Процентна разлика U 8 (м/с)
U (м/с)
v (m2/с)
Re x 0.2 .0000146 0.4 .0000146 0.6 .0000146 0.8 .0000146 - Промените величину елемента на 2 мм за мрежу и упоредите резултате у КСИ графиконима коефицијента трења коже наспрам Рејнолдсовог броја са величином елемента од 1 мм која је коришћена у овом поглављу. Упоредите своје резултате са теоријом.
- Промените брзину слободног тока на 3 м/с и креирајте КСИ графикон укључујући брзину проfileс на к = 0.1, 0.3, 0.5, 0.7 и 0.9 м. Направите још једну КСИ графику са самосличном брзином проfileс за ову нижу брзину слободног тока и креирајте КСИ графикон за коефицијент трења коже у односу на Рејнолдсов број.
- Користите резултате из симулације Ансис Флуент у вежби 2.3 да одредите дебљину граничног слоја на позицијама у правцу тока као што је приказано у табели испод. Попуните податке који недостају у табели. је брзина граничног слоја на удаљености од зида једнака дебљини граничног слоја и У је брзина слободног тока.
x (м) o (mm) Течно
o (mm) Тхеори
Процентна разлика U 8 (м/с)
U (м/с)
v (m2/с)
Re x 0.1 .0000146 0.2 .0000146 0.5 .0000146 0.7 .0000146 0.9 .0000146
Табела 2.2 Поређење између Флуента и теорије за дебљину граничног слоја
Промените брзину слободног тока на вредност наведену у табели испод и креирајте КСИ графикон укључујући велоцити проfileс на к = 0.2, 0.4, 0.6 и 0.8 м. Направите још једну КСИ графику са самосличном брзином проfileс за вашу брзину слободног тока и креирајте КСИ графикон за коефицијент трења коже у односу на Рејнолдсов број.
| Студент | Кс-Велоцити U (м/с) | Максимум Домет (м/с) за X Брзина Плот |
| 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 |
ПДФ преузимање: Приручник за коришћење софтвера за симулацију течности за Ансис 2024