Användarmanual för Ansys 2024 Fluent Fluid Simulation Software
KAPITEL 2. PLAT PLATS GRÄNSLAGER
Mål
- Skapa geometri i Ansys Workbench för Ansys Fluent
- Ställa in Ansys Fluent för Laminar Steady 2D Planar Flow
- Konfigurera Mesh
- Välja gränsvillkor
- Köra beräkningar
- Använda plots för att visualisera resulterande flödesfält
- Jämför med teoretisk lösning med Mathematica-kod
Problembeskrivning
I det här kapitlet kommer vi att använda Ansys Fluent för att studera det tvådimensionella laminära flödet på en horisontell platt platta. Storleken på plattan anses vara oändlig i spannvis riktning och därför är flödet 2D istället för 3D. Inloppshastigheten för den 1 m långa plattan är 5 m/s och vi kommer att använda luft som vätska för laminära simuleringar. Vi kommer att bestämma hastigheten profiles och plotta proffsetfiles. Vi börjar med att skapa den geometri som behövs för simuleringen.
Startar Ansys Workbench och väljer Fluent
- Börja med att starta Ansys Workbench. Dubbelklicka på Fluid Flow (Fluent) som finns under Analyssystem i Toolbox.
Lanserar Ansys DesignModeler
- Välj Geometri under Projektschema i Ansys Workbench. Högerklicka på Geometri och välj Egenskaper. Välj 2D Analysis Type under Advanced Geometry Options i Properties of Schematic A2: Geometry. Högerklicka på Geometry i Project Schematic och välj Launch New DesignModeler Geometry. Välj Units >> Millimeter som längdenhet från menyn i DesignModeler.
- Därefter kommer vi att skapa geometrin i DesignModeler. Välj XYPlane från trädkonturen på vänster sida i DesignModeler. Välj Titta på skiss Klicka på fliken Skissning i trädkonturen och välj linjen
skSketchool. Rita en horisontell linje 1,000 1000 mm lång från origo till höger. Se till att du har ett P i origo när du börjar dra linjen. Se också till att du har ett H längs linjen så att det är horisontellt och ett C i slutet av linjen. Välj Dimensioner i skissalternativen. Klicka på raden och ange en längd på 100 mm. Rita en vertikal linje uppåt 100 mm lång med början vid ändpunkten på den första horisontella linjen. Se till att du har ett P när du startar linjen och ett V som indikerar en vertikal linje. Fortsätt med en horisontell linje 100 mm lång till vänster från origo följt av en annan vertikal linje 100 mm lång. Nästa linje kommer att vara horisontell med en längd på 1,000 mm med början vid ändpunkten för den tidigare vertikala linjen och riktad till höger. Slutligen, stäng rektangeln med en 100 XNUMX mm lång horisontell linje som börjar XNUMX mm ovanför origo och riktas till höger.
- Klicka på fliken Modellering under Sketching Toolboxes. Välj Koncept>>Ytor från Sketches i menyn. Kontrollera, välj rektangelns sex kanter som basobjekt och välj Använd i detaljer View. Klicka på Generera i verktygsfältet. Rektangeln blir grå. Högerklicka på grafikfönstret och välj Zooma för att passa och stäng DesignModeler.
- Vi kommer nu att dubbelklicka på Mesh under Project Schematic i Ansys Workbench för att öppna Meshing-fönstret. Välj Mesh i konturerna av Meshing-fönstret. Högerklicka och välj Generera mesh. Ett grovt nät skapas. Välj Unit Systems>>Metric (mm, kg, N …) längst ned i grafikfönstret. Välj Mesh>> Kontroller>>Face Meshing från menyn. Klicka på det gula området bredvid Geometry under Scope in Details of Face Meshing. Välj rektangeln i grafikfönstret. Klicka på knappen Apply för Geometri i Detaljer för "Face Meshing". Välj Mesh>> Controls>>Sizing från menyn och välj Edge ovanför grafikfönstret. Välj rektangelns 6 kanter. Klicka på Ansök om geometrin i "Detaljer om kantstorlek". Under Definition i "Detaljer om kantstorlek" väljer du Elementstorlek som Typ, 1.0 mm för Elementstorlek, Capture Curvature som Nej och Hard as Behavior. Välj den andra Bias Type och ange 12.0 som Bias Factor. Välj den kortare övre horisontella kanten och applicera denna kant med omvänd bias. Klicka på Hem>>Generera Mesh i menyn och välj Mesh i Outline. Det färdiga nätet visas i grafikfönstret.
Varför skapade vi ett partiskt nät?
Vi ska nu döpa om kanterna på rektangeln. Välj den vänstra kanten av rektangeln, högerklicka och välj Skapa namngiven markering.
Ange inloppet som namn och klicka på OK-knappen. Upprepa detta steg för den högra vertikala kanten av rektangeln och ange namnet utlopp. Skapa ett namngivet urval för den nedre längre horisontella högra kanten och kalla det vägg. Slutligen, kontrollera-välj de återstående tre horisontella kanterna och namnge dem de ideala väggarna. En idealisk vägg är en adiabatisk och friktionsfri vägg.
- Anledningen till att använda ett förspänt nät är att vi behöver ett finare nät nära väggen där vi har hastighetsgradienter i flödet. Vi inkluderade även ett finare nät där gränsskiktet börjar utvecklas på den platta plattan. Välja File>>Exportera...>>Mesh>>FLYTANDE ingång File>>Exportera från menyn. Välj Spara som typ: FLUENT Ingång Files (*.msh). Ange boundary-layer-mesh .msh s file namn och klicka på knappen Spara. Välja File>>Spara projekt från menyn. Namnge projektet Flat Plate Boundary Layer. Stäng Ansys Meshing-fönstret. Högerklicka på Mesh i Project Schematic och välj Uppdatera.
Lanserar Ansys Fluent
- Du kan starta Fluent på två olika sätt, antingen genom att dubbelklicka på Setup under Project Schematic i Ansys Workbench eller fristående läge från Fluent 2024 R1 i Ansys 2024 R1-appmappen. Du måste läsa nätet om du startar Fluent i fristående läge. En advantagEn av att starta Ansys Fluent i fristående läge är att du kan välja platsen för din arbetskatalog där all utdata files kommer att sparas, se figur 2.6a). Starta Dimension 2D och Double Precision Solver av Fluent. Markera Dubbel precision under Alternativ. Ställ in antalet lösarprocesser lika med antalet datorkärnor. För att kontrollera antalet fysiska kärnor, tryck på Ctrl + Shift + Esc-tangenterna samtidigt för att öppna Aktivitetshanteraren. Gå till fliken Prestanda och välj CPU från den vänstra kolumnen. Du ser antalet fysiska kärnor längst ner till höger. Ansys Student är begränsad till maximalt 4 lösarprocesser. Stäng fönstret Task Manager. Klicka på Start-knappen för att starta Ansys Fluent. Klicka på OK för att stänga fönstret Key Behavioral Changes om det visas.
Figur 2.6a) Starta Setup
Varför använder vi dubbel precision?
Dubbel precision ger mer exakta beräkningar än enkel precision. - Kontrollera skalan på nätet genom att välja knappen Skala... under Nät i allmänhet på uppgiftssidan. Se till att domänens omfattning är korrekt och stäng fönstret Scale Mesh.
- Dubbelklicka på Models and Viscous (SST k-omega) under Setup i Outline View. Välj Laminar som den viskösa modellen. Klicka på OK för att stänga fönstret. Dubbelklicka på Boundary Conditions under Setup i dispositionen View. Dubbelklicka på inloppet under Zon på aktivitetssidan. Välj komponenter som hastighetsspecifikationsmetod och ställ in X-hastigheten [m/s] till 5.
- Klicka på knappen Använd följt av knappen Stäng.
- Dubbelklicka på ideal_wall under Zoner. Kontrollera specificerad skjuvning som skjuvtillstånd och håll nollvärden för specificerad skjuvspänning eftersom en idealisk vägg är friktionsfri. Klicka på knappen Använd följt av knappen Stäng.
Varför valde vi Laminar som den viskösa modellen?
För den valda fria strömhastigheten 5 m/s är Reynolds-talet mindre än 500,000 500,000 längs plattan och flödet är därför laminärt. Turbulent flöde längs en platt platta inträffar vid Reynolds-tal över XNUMX XNUMX. - Dubbelklicka på Metoder under Lösning i dispositionen View. Välj Standard för tryck och First Order Upwind för Momentum. Dubbelklicka på Referensvärden under Setup i dispositionen View. Välj Beräkna från ingången på uppgiftssidan.
Varför använder vi First Order Upwind-metoden för spatial diskretisering av momentum?
First Order Upwind-metoden är i allmänhet mindre exakt men konvergerar bättre än Second Order Upwind-metoden. Det är vanligt att börja med First Order Upwind-metoden i början av beräkningar och fortsätta med Second Order Upwind-metoden. - Dubbelklicka på Initiering under Lösning i dispositionen View, välj Standardinitiering, välj Beräkna från ingången och klicka på knappen Initiera.
- Dubbelklicka på Monitors under Solution i dispositionen View. Dubbelklicka på Residual under Monitors i dispositionen View och ange 1e-9 som absoluta kriterier för alla rester. Klicka på OK-knappen för att stänga fönstret. Välja File>>Spara projekt från menyn. Välja File>>Exportera>>Case... från menyn. Spara ärendet File med namnet Flat Plate Boundary Layer. CAS.h5
Varför satte vi de absoluta kriterierna till 1e-9?
Generellt gäller att ju lägre absoluta kriterier är, desto längre tid tar beräkningen och ger en mer exakt lösning. Vi ser i figur 2.12b) att x-hastighets- och y-hastighetsekvationerna har lägre residualer än kontinuitetsekvationen. Lutningarna på restkurvorna för alla tre ekvationerna är ungefär desamma med en kraftig nedåtgående trend. - Dubbelklicka på Kör beräkning under Lösning och ange 5000 för antalet iterationer. Klicka på knappen Beräkna. Beräkningarna kommer att vara klara efter 193 iterationer, se figur 2.12b). Klicka på Kopiera skärmbild av aktivt fönster till urklipp, se figur 2.12c). De skalade resterna kan klistras in i ett Word-dokument.
Efterbearbetning
- Välj fliken Resultat i menyn och välj Skapa>>Line/Rake... under Yta. Ange 0.2 för x0 (m), 0.2 för x1 (m), 0 för y0 (m) och 0.02 m för y1 (m). Ange x=0.2m för det nya ytans namn och klicka på Skapa. Upprepa detta steg ytterligare tre gånger och skapa vertikala linjer vid x=0.4 m med längden 0.04 m, x=0.6m med längden 0.06 m och x=0.8m med längden 0.08 m. Stäng fönstret.
- Dubbelklicka på Plots och XY Plot under Resultat i dispositionen View. Avmarkera Position på X-axeln under Alternativ och markera Position på Y-axeln. Ställ in plotriktning för X till 0 och 1 för Y. Välj Velocity... och X Velocity som X-axelfunktion. Välj de fyra linjerna x=0.2m, x=0.4m, x=0.6m och x=0.8m under Ytor.
- Klicka på knappen Axes... i fönstret Solution XY Plot. Välj X-axeln, avmarkera Auto Range under Options, ange 6 för Maximum Range, välj General Type under Number Format, och ställ in Precision till 0. Klicka på knappen Apply. Välj Y-axeln, avmarkera Auto Range, ange 0.01 för Maximum Range, välj General Type under Number Format, och klicka på knappen Apply. Stäng fönstret Axes.
- Klicka på knappen Curves... i fönstret Solution XY Plot. Välj det första mönstret under linjestil för kurva # 0. Välj ingen symbol för markörstil och klicka på knappen Använd. Välj sedan kurva #1, välj nästa tillgängliga mönster för linjestil, ingen symbol för markörstil och klicka på knappen Använd. Fortsätt detta valmönster med nästa två kurvor # 2 och # 3. Stäng fönstret Curves – Solution XY Plot. Klicka på knappen Save/Plot i fönstret Solution XY Plot och stäng det här fönstret. Klicka på Kopiera skärmbild av aktivt fönster till urklipp, se figur 2.16c).
XY-plotten kan klistras in i ett Word-dokument. Välj fliken Användardefinierad i menyn och Anpassad under Fältfunktioner. Välj en specifik Operand-fältfunktion från rullgardinsmenyn genom att välja Mesh... och Y-Coordinate. Klicka på Välj och ange definitionen som visas i figur 2.16f). Du måste välja Mesh... och X Coordinate för att inkludera x-koordinaten och slutföra definitionen av fältfunktionen. Ange eta som ett nytt funktionsnamn, klicka på Defi,ne och stäng fönstret. Upprepa detta steg för att skapa ytterligare en anpassad fältfunktion. Den här gången väljer vi Velocity... och X Velocity som fältfunktioner och klickar på Välj. Fyll i definitionen som visas i figur 2.16g) och ange u-divided-by-freestream-velocity som det nya funktionsnamnet, klicka på Def, one, och stäng fönstret.
Varför skapade vi en självliknande koordinat?
Det visar sig att genom att använda en självliknande koordinat, hastigheten profiles vid olika strömningspositioner kommer att kollapsa på en självliknande hastighetsproffsfile som är oberoende av strömningsläget. - Dubbelklicka på Plots och XY Plot under Resultat i dispositionen View. Ställ in X till 0 och Y till 1 som plotriktning. Avmarkera Position på X-axeln och avmarkera Position på Y-axeln under Alternativ. Välj anpassade fältfunktioner och eta för Y-axelfunktion och välj anpassade fältfunktioner och uppdelad-med-friströmshastighet för X-axelfunktion. Placera file blasius.dat i din arbetskatalog. Detta file kan laddas ner från sdcpublications.com under fliken Nedladdningar för den här boken. Se figur 2.19 för Mathematica-koden som kan användas för att generera den teoretiska Blasius velocity profile för laminärt gränsskiktsflöde över en plan platta. Som example, i den här läroboken är arbetskatalogen ܥ:\Users\jmatsson. Klicka på Ladda File. Välja Files av typ: Alla Files (*) och välj file blasius.dat från din arbetskatalog. Välj de fyra ytorna x=0.2m, x=0.4m, x=0.6m, x=0.8m och den laddade file Teori.
Klicka på knappen Axes…. Välj Y-Axis i fönstret Axes-Solution XY Plot och avmarkera Auto. Räckvidd. Ställ in Minimiintervallet till 0 och Maximum Range till 10. Ställ in Typ till flytande och Precision till 0 under Talformat. Ange axeltiteln som eta och klicka på Apply. Välj X-axeln, avmarkera Auto Range under Options, ange 1.2 för Maximum Range, välj float Type under Number Format, och ställ in Precision till 1. Ange Axis Title som u/U. Klicka på Använd och stäng fönstret. Klicka på knappen Curves... i fönstret Solution XY Plot. Välj det första mönstret under Linjestil för kurva #0, se figur 2.16a). Välj ingen symbol för markörstil och klicka på knappen Använd. Välj sedan kurva #1, välj nästa tillgängliga mönster för linjestil, ingen symbol för markörstil och klicka på knappen Använd. Fortsätt detta valmönster med nästa två kurvor # 2 och # 3. Stäng fönstret Kurvor – Lösning XY Plot. Klicka på knappen Save/Plot i fönstret Solution XY Plot och stäng detta fönster.
- Klicka på Kopiera skärmbild av aktivt fönster till urklipp, se figur 2.16c). XY-plotten kan klistras in i ett Word-dokument. Välj fliken Användardefinierad i menyn och Anpassad. Välj en specifik Operand-funktion från rullgardinsmenyn genom att välja Mesh... och X-Coordinate. Klicka på Välj och ange definitionen som visas i figur 2.17e). Ange rex som nytt funktionsnamn, klicka på Definiera och stäng fönstret. Dubbelklicka på Plots och XPlotsot under Resultat i dispositionen View. Ställ in X till 0 och Y till 1 under Plot Direction.
Avmarkera Position på X-axeln och avmarkera Positionera på Y-axeln under Alternativ. Välj Väggflöden och hudfriktionskoefficient för Y-axelfunktionen och välj Custom Field Functions och rex för XX-Axis Function. Placera file "Teoretisk hudfriktionskoefficient" i din arbetskatalog. Klicka på Ladda File. Välja Files av typ: Alla Files (*) och välj file "Teoretisk hudfriktionskoefficient". Välj väggen under Ytor och den laddade file Hudfriktion under File Data. Klicka på knappen Axes…. Markera X-axeln, markera rutan för Logga under Alternativ, ange Re-x som axeltitel och avmarkera Auto. Intervall under Alternativ ställ in Minimum till 100 och Maximum till 1000000. Ställ in Typ till flytande och Precision till 0 under Nummerformat och klicka på Använd. Markera Y-axeln, markera rutan för Logga under Alternativ, ange Cf-x som etikett och avmarkera Auto. Område, ställ in Minimum till 0.001 och Maximum till 0.1, ställ in Typ till flytande, Precision till 3 och klicka på Apply. Stäng fönstret. Klicka på Save/Plot i fönstret Solution XY Plot. Klicka på knappen Kurvor... i fönstret Solution XY Plot. Välj det första mönstret under Lin. e Stil för kurva # 0. Välj ingen symbol för markörstil och klicka på knappen Använd. Välj sedan kurva #1, välj nästa tillgängliga mönster för linjestil, ingen symbol för markörstil och klicka på knappen Använd. Stäng fönstret Curves – Solution XY Plot. Klicka på knappen Save/Plot i fönstret Solution XY Plot och stäng detta fönster. Klicka på Kopiera skärmbild av aktivt fönster till urklipp, se figur 2.16c). XY-plotten kan klistras in i ett Word-dokument.- Teori
- I det här kapitlet har vi jämfört Ansys Fluent velocity profiles med den teoretiska Blasius velocity profile för laminärt flöde på en plan platta. Vi omvandlade den väggnormala malkoordinaten till en likhetskoordinat för jämförelse av profiles på olika strömmässiga platser. Likhetskoordinaten definieras av där y (m) är väggnormalkoordinaten, definieras av
- där y (m) är väggens normala koordinat, U (m/s) är den fria strömhastigheten, x (m) är avståndet från väggens strömvisa ursprung och ᥥ) m2 /s) är den kinematiska viskositeten för vätskan. U (m/s) är den fria strömningshastigheten, x (m) är avståndet från väggens strömvisa ursprung och m2/s) är vätskans kinematiska viskositet.
Vi använde också den icke-dimensionella strömningshastigheten u/U där u är den dimensionella hastigheten profile.
u/U plottades mot för Ansys Fluent velocity profiles i jämförelse med Blasius teoretiska profile och de kollapsade alla på samma kurva enligt definitionen av självlikhet.
Blasius gränsskiktsekvation ges av
Gränslagrets tjocklek definieras som avståndet från väggen till den plats där hastigheten i gränsskiktet har nått 99 % av det fria flödets värde.
För ett laminärt gränsskikt ellerr har vi följande teoretiska uttryck för variationen av gränsskiktets tjocklek med strömavstånd x och Reynolds tal ܴ.
- Motsvarande uttryck för gränsskiktstjockleken i ett turbulent gränsskikt ges av
- Den lokala hudfriktionskoefficienten definieras som den lokala väggskjuvspänningen dividerad med dynamiskt tryck.
- Den teoretiska lokala friktionskoefficienten för laminärt flöde bestäms av
- och för turbulent flöde har vi följande relation
Referenser
- Çengel, YA och Cimbala JM, Fluid Mechanics Fundamentals and Applications, 1:a upplagan, McGraw-Hill, 2006.
- Richards, S., Cimbala, JM, Martin, K., ANSYS Workbench Tutorial – Boundary Layer on a Flat Plate, Penn State University, 18 maj 2010 Revision.
- Schlichting, H. och Gersten, K., Boundary Layer Theory, 8th Revised and Enlarged Edition, Springer, 2001.
- White, FM, Fluid Mechanics, 4:e upplagan, McGraw-Hill, 1999.
Övningar
- Använd resultaten från Ansys Fluent-simuleringen i det här kapitlet för att bestämma gränsskiktets tjocklek vid strömningspositionerna som visas i tabellen nedan. Fyll i de uppgifter som saknas i tabellen. ܷ är gränsskiktets hastighet på avståndet från väggen lika med gränsskiktets tjocklek och U är den fria strömningshastigheten.
x (m) o (mm) Flytande
o (mm) Teori
Procent skillnad U 8 (m/s)
U (m/s)
v (m2/s)
Re x 0.2 .0000146 0.4 .0000146 0.6 .0000146 0.8 .0000146 - Ändra elementstorleken till 2 mm för nätet och jämför resultaten i XY-plots av hudfriktionskoefficienten kontra Reynolds-talet med elementstorleken på 1 mm som användes i det här kapitlet. Jämför dina resultat med teori.
- Ändra den fria strömningshastigheten till 3 m/s och skapa en XY-plot inklusive hastighetsprofiles vid x = 0.1, 0.3, 0.5, 0.7 och 0.9 m. Skapa ytterligare en XY-plot med självliknande hastighetsproffsfiles för denna lägre fria strömningshastighet och skapa en XY-plot för hudfriktionskoefficienten kontra Reynolds tal.
- Använd resultaten från Ansys Fluent-simuleringen i övning 2.3 för att bestämma gränsskiktets tjocklek vid strömningspositionerna som visas i tabellen nedan. Fyll i de uppgifter som saknas i tabellen. är gränsskiktets hastighet på avståndet från väggen lika med gränsskiktets tjocklek och U är den fria strömningshastigheten.
x (m) o (mm) Flytande
o (mm) Teori
Procent skillnad 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
Tabell 2.2 Jämförelse mellan Fluent och teori för gränsskiktstjocklek
Ändra den fria strömningshastigheten till värdet som anges i tabellen nedan och skapa en XY-plot inklusive hastighetsprofiles vid x = 0.2, 0.4, 0.6 och 0.8 m. Skapa ytterligare en XY-plot med självliknande hastighetsproffsfiles för din fria strömningshastighet och skapa en XY-plot för hudfriktionskoefficienten kontra Reynolds nummer.
| Student | X-Velocity U (m/s) | Maximal Räckvidd (m/s) för X Hastighet Tomt |
| 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 |
Ladda ner PDF: Användarmanual för Ansys 2024 Fluent Fluid Simulation Software