1

Komputerowa Analiza Przepływów

Ćwiczenie 1

Temat: Symulacja nieustalonego przepływu przez zawór

Celem ćwiczenia jest symulacja przepływu czynnika przez zawór z wykorzystaniem programu
Fluent. Ćwiczenie pozwala zapoznać się z techniką generacji siatki obliczeniowej, definiowania
warunków brzegowych potrzebnych do obliczeń z wykorzystaniem siatek przemieszczających się
oraz z możliwością wizualizacji wyników obliczeń w programie Fluent.

W ramach ćwiczenia należy wykonać siatkę obliczeniową w programie Gambit oraz zrealizować
obliczenia przepływu i wymiany ciepła w programie Fluent. Ćwiczenie obejmuje dwa etapy. W
pierwszym etapie symuluje się przepływ przez zawór, przy założeniu, że nie uwzględnia się strat
wynikających z nieszczelności pomiędzy częścią obrotową zaworu oraz korpusem (Rys 1). W
drugim etapie symuluje się przepływ przez zawór z uwzględnieniem przecieku (Rys 2) w obrębie
samego zaworu. W celu rozpoczęcia drugiej części ćwiczenia konieczne jest ukończenie
pierwszej części zadania. W celu wizualizacji w czasie zmian ciśnienia, prędkości oraz rozkładu
temperatury należy uruchomić opcję animacji wyników obliczeń. Wizualizację przepływu i
rozkładu temperatur należy przedstawić prowadzącemu ćwiczenie.

Widok obydwu siatek obliczeniowych przedstawiony jest na Rys. 1 i 2. Na Rys 1 symbolem A
oznaczono kanał dolotowy, symbolem B oznaczono ruchomy fragment zaworu, natomiast
symbolem C oznaczono kanał wylotowy. Technika wykonywania siatek obliczeniowych w
programie Gambit jest dowolna. Istotnym elementem jest poprawne zadeklarowanie w programie
Gambit granic obszaru obliczeniowego typu „Interface”, stanowiących element wspólny
pomiędzy dwoma obszarami płynu (np. pomiędzy elementami płynu będącymi w spoczynku i
poruszającymi się w wyniku obrotu ruchomej części zaworu). Przykładowa para takich
elementów (krzywych) oznaczona jest na Rys. 1 jako „int_zew” oraz „int_wew”. W przypadku
analizowanego przepływu przez zawór, krzywe „int_zew” , „int_wew” mogą stanowić ściankę
(w przypadku gdy zawór jest zamknięty, jak pokazano na Rys 1) lub element płynu (jeżeli
wystąpi przepływ w kanałach A, B i C, spowodowany otwarciem zaworu). Na wlocie do obszaru
obliczeniowego należy zadeklarować warunek „pressure_inlet” a na wylocie „pressure_outlet”.
Krawędzie które nie są oznaczone na Rys 1 i 2 będą traktowane jako ścianka. Należy również
zdefiniować trzy obszary przepływu: np. jako „wlot”, „czesc_obrotowa” i „wylot”.

Po wczytaniu siatki w programie Fluent należy ją przeskalować (jednostka długości odpowiada 1
cm). Połączyć (zlinkować) przy pomocy „Define/Grid interface” interface’y „int_zew” i
„int_wew” przedstawione na Rys. 1 oraz interface’y „int_zew” i „int_szczelina_zew” oraz
„int_szczelina_wew” i „int_wew” przedstawione na Rys. 2.

Przepływ czynnika przez zawór traktuje się jako nieustalony i turbulentny. Zmianę natężenia
przepływu realizuje się poprzez regulację stopnia otwarcia zaworu. Do symulacji ruchu części
obrotowej zaworu (oznaczonej symbolem B na Rys 1) używa się poruszającej się (obracającej)

2

siatki obliczeniowej (ang. moving mesh). Do symulacji przepływu turbulentnego stosuje się
dowolny model turbulencji (jedno- lub dwu-równaniowy). W celu ograniczenia czasu obliczeń
zaleca się stosowanie modelu jedno-równaniowego – Spalart-Allmaras).

Czynnikiem roboczym jest powietrze. Parametry powietrza są zdefiniowane w programie Fluent.
Czynnik traktuje się jako gaz doskonały. Należy aktywować opcję rozwiązywania równania
energii.

Ruch obrotowy kanału łączącego kanał wlotowy z wylotowym (B) odbywa się zgodnie z ruchem
wskazówek zegara. Wymaga to zdefiniowania w programie Fluent prędkości obrotowej ze
znakiem minus (np. –600 rad/s). Na wlocie do obszaru obliczeniowego definiuje się stała wartość
ciśnienia np. 50000Pa, intensywność turbulencji Tu=5% oraz średnicę hydrauliczną D

H

=0.01m.

Pozostałe ustawienia w programie Fluent wraz z inicjalizacją obliczeń (ustawienie „patch” na
wlocie, np. ciśnienie p=50000Pa) zostaną objaśnione przez prowadzącego.

AA

Rys 1: Widok siatki obliczeniowej dla symulacji przepływu przez zawór. Symbol A oznacza

kanał dolotowy, B-komorę łączącą kanał wlotowy z wylotowym, C-kanał wylotowy.

A

B

C

int_zew

int_wew

pressure inlet

pressure
outlet

3

Rys 2: Widok siatki obliczeniowej dla symulacji przepływu przez zawór w przypadku

występowania nieszczelności pomiędzy częścią obrotową zaworu oraz korpusem. Symbol A

oznacza kanał dolotowy, B-komorę łączącą kanał wlotowy z wylotowym, C-kanał wylotowy, D-

szczelinę pomiędzy korpusem i komorą B.

Gambit

1. Utworzyć koło o promieniu R=2 w płaszczyźnie xy-plane
2. Utworzyć dwa prostokąty 1x8 and 8x1
3. Utworzyć koło o promieniu R=2 i przesunąć je o wektor [-1.5,-1.5]
4. Utworzyć koło o promieniu R=1 i przesunąć je o wektor [-1.5,–1.5]
5. Połączyć ze sobą dwa prostąkąty
6. Odjąć przesunięte poprzednio koło o promieniu R=1 od przesuniętego uprzednio koła o

promieniu R=2. W efekcie, powstanie pierścień.

pressure
outlet

pressure
inlet

int_zew

int_szczelina_wew

int_szczelina_zew

int_wew

C

A

B

D

4

Rysunek 3 przedstawia powierzchnie po zakończeniu operacji numer 6.

Rys. 3. Figury geometryczne w programie Gambit

W kolejnym etapie, należy użyć opcji split, remove and unite w celu otrzymania fragmentu
obszaru obliczeniowego przedstawionego na rys 4 (prawy). Operacje split należy używać z
włączoną opcją bidirectional.

Rys 4: Fragmenty obszaru obliczeniowego w programie Gambit. (lewy) przed połączeniem
powierzchni (prawy) po połączeniu powierzchni.