1
ĆWICZENIE
Ustalony trójwymiarowy przepływ
nieściśliwy z oderwaniem
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobem
modelowania przepływów trójwymiarowych oraz obróbka
trójwymiarowych wyników graficznych.
Opis problemu:
Zadanie polega na wyznaczeniu opływu wokół skrzydła
typu delta ustawionego pod duŜym katem natarcia (30°),
wyposaŜonego w śmigło, umieszczone w szczelinie .
Przepływ odbywa się w zamkniętej przestrzeni tunelu
aerodynamicznego i posiada płaszczyznę symetrii wymiary
tunelu BxHxL=150x200x600 mm). Przepływającym
czynnikiem jest powietrze o prędkości V=10m/s i ciśnieniu
p=101325 Pa.
Wymiary obszaru obliczeniowego
Schemat układu przepływowego
Opis modelu geometrycznego:
Model rozwaŜany w tym ćwiczeniu jest właściwie pół-
modelem, w którym odwzorowano tylko połowę skrzydła
delta oraz połowę kręgu śmigła. Tym samym załoŜono
przepływ symetryczny względem płaszczyzny XZ. W celu
lokalnego zagęszczenia siatki wokół skrzydła, model
umieszczono w półkuli, w której zastosowano znacznie
gęstsza siatkę, niŜ w pozostałym obszarze.
Model obliczeniowy w całości
Dzięki
zastosowaniu
warunku
brzegowego
typu
INTERFACE na brzegu półkuli, moŜna moŜliwe jest
obracanie półkuli (wraz z modelem) dla uzyskania
ustawienia skrzydła pod róŜnymi kątami natarcia (nie
będzie to wykonywane podczas tego ćwiczenia, ale jest
moŜliwe).
Wykonanie modelu geometrycznego
a) podstawowe obiekty geometryczne:
1) utworzyć 3 punkty (A, B, C) w płaszczyźnie XY,
połączyć je liniami prostymi a następnie stworzyć na ich
podstawie powierzchnię (opcja WIREFRAME) o nazwie
„skrzydlo”
L.p. Współrzędna X Współrzędna Y
A
10
0
B
10
30
C
-40
0
2) utworzyć koło w płaszczyźnie YZ (Face, Circle) o
promieniu r = 5 i nazwie „smiglo”, następnie przesunąć je
(opcja Move, Translate) o wektor [-10;0;0]
3) obrócić powierzchnie „skrzydlo” i „smiglo” o kąt +30°
(opcja Move, Rotate) względem osi Y (Axis, Define,
Direction: Y Positive > Apply)
4) utworzyć prostokątną powierzchnię w płaszczyźnie XZ
Centered o wymiarach 300x800 (Width x Height) i
nazwie”noz”
5) utworzyć kulę o promieniu r = 50 (Volume, Sphere) i
nazwać ją „kula”
6) utworzyć prostopadłościan (Volume, Brick) o
wymiarach: 600x300x200 (Width x Depth x Height) i
nazwie „tunel”. Przesunać go następnie (Move, Translate) o
wektor [50;0;20]
b) operacje na obiektach:
1) przedzielić kulę (Split Volume) za pomocą powierzchni
„noz” (Split with Faces (Real)) z zachowaniem narzędzia
2
tnącego (włączona opcja Retain, opcje Bidirectional i
Cennected wyłączone). Skasować półkulę pozostającą po
ujemnej stronie osi Y (Delete Volumes).
2) przedzielić prostopadłościan „tunel” (Split Volume) po-
wierzchnią „noz” (Split with Faces (Real)) pozostawiając
narzędzie tnące (włączona opcja Retain, opcje Bidirectio-
nal i Cennected wyłączone). Skasować prostopadłościan
pozostający po ujemnej stronie osi Y (Delete Volumes).
3) zmienić nazwy pozostałych dwóch objętości na „tunel” i
„polkula” (Volume > Modify Volume Label)
4) przedzielić powierzchnię „smiglo” (Split Face) po-
wierzchnią „noz” (Split with Faces) usuwając narzędzie
tnące (opcja Retain wyłączona, opcje Bidirectional i Cen-
nected wyłączone). Skasować część powierzchni „smiglo”
pozostającą po ujemnej stronie osi Y (Delete Faces).
5) odjąć objętość „polkula” od objętości „tunel” (Volume >
Split Volume > Split with Volumes) z zachowaniem
półkuli oraz jedną powierzchnią łączącą o obie objętości
(opcja Retain wyłączona, opcja Connected włączona, opcja
Bidirectional wyłączona).
6) przedzielić objętość „polkula” za pomocą powierzchni
„skrzydlo” i „smiglo” (Volume < Split Volume > Split wi-
th Faces) bez zachowania tych powierzchni (opcja Retain
wyłączona, opcje Bidirectional i Connected wyłączone)
7) sprawdzić, czy pomiędzy objętościami „tunel” i „polku-
la” jest tylko jedna powierzchnia i ew. połączyć, jeśli są
dwie (Face > Connect Faces). Rozwinąć okno Faces i naci-
snąć kilkakrotnie na krawędź czaszy kulistej przy wciśnię-
tym klawiszu Shift. W oknie po prawej stronie powinna po-
jawić się nazwa tylko jednej powierzchni, a w oknie komu-
nikatów programu (Transcript) powinien pojawić się komu-
nikat: „ERROR: Entity face.nr currently exist in the se-
lect list”.
Zadanie warunków brzegowych:
Dla ułatwienia warunki brzegowe zostaną zadane przed
siatkowaniem modelu.
Wszystkie warunki brzegowe w
modelu trójwymiarowym odnoszą się do powierzchni (Fa-
ce), zaś strefy wypełnione płynem (Fluid) bądź ciałem sta-
łym (Solid) deklarowane są na objętościach (Volume). Sta-
nowi to istotna róŜnice pomiędzy modelami dwuwymiaro-
wymi oraz osiowosymetrycznymi, w których warunki brze-
gowe zadawano na krawędziach (Edge), a strefy ośrodka
zadawano na powierzchniach (Face).
Warunki brzegowe dla obszaru obliczeniowego
W modelu uŜyto następujących warunków (rys. 4):
1) Symmetry - na płaszczyźnie symetrii układu tunel-model
(uwaga: są tam dwie powierzchnie)
2) Wall - na ścianach bocznych tunelu aerodynamicznego
3) Velocity Inlet – wlot prędkościowy (na wlocie do tunelu)
4) Outflow – wypływ (wylot z tunelu)
5) Wall - na powierzchniach skrzydła
6) Fan – wentylator (śmigło)
Siatkowanie modelu:
1) utworzyć siatkę na powierzchni skrzydła oraz śmigła (są
to 3 powierzchnie), siatka typu Tri/Pave, Interval size = 2
2) utworzyć siatkę na powierzchni sfery oraz powierzchni
leŜącej w płaszczyźnie symetrii (2 powierzchnie), siatka ty-
pu Tri/Pave, Interval size = 5
3) utworzyć siatkę w objętości „polkula”(siatka Tet/Hybrid
Tgrid, Interval size = 1) – generator siatki powinien wyświe-
tlić komunikat: „Mesh generated for volume polkula: mesh
volumes = 12729”
4) utworzyć siatkę na zewnętrznych ścianach tunel oraz na
powierzchni wlotu i wylotu (Tri/Pave, Interval size = 20)
5) utworzyć siatkę na powierzchni symetrii tunelu (Tri/Pave,
Interval size = 1)
6) utworzyć siatkę w objętości „tunel”(siatka Tet/Hybrid
Tgrid, Interval size = 1) – generator siatki powinien wyświe-
tlić komunikat: „Mesh generated for volume tunel: mesh vo-
lumes = 19193”
Wygląd siatki na powierzchniach „skrzydlo” oraz „smiglo-cz1” i
„smiglo-cz2”
3
Wygląd siatki w objętości „polkula”
Wygląd siatki w objętości „tunel”
Wyeksportować siatkę (3d) i zakończyć pracę z programem
Gambit.
OBLICZENIA PRZEPŁYWOWE W PROGRAMIE
FLUENT
Uruchomić Fluenta w wersji trójwymiarowej o zwyczajnej
precyzji obliczeń (3d), wczytać utworzony w Gambicie plik
z siatką obliczeniową, sprawdzić poprawność siatki, prze-
skalować (siatka była utworzona w centymetrach).
Ustawienia solvera przepływowego:
General > Solver
Solver rozsprzęŜony (Type: Density Based),
Przepływ ustalony (Time: Steady)
Prędkość (Velocity Formulation: Absolute)
Model trójwymiarowy (3D Space)
Definiowanie modelu:
Obliczenia przeprowadzimy dla modelu płynu lepkiego,
przyjmując 1-no równaniowy model turbulencji
Models > Viscous >Edit
Zmienić model lepkości z laminarnego (Laminar) na lepki
turbulentny (Spalart-Allmaras).
Ustawienie modelu płynu nieściśliwego:
Materials > Fluid > Create/Edit
Pozostawić ustawienia ośrodka o stałej gęstości (Density =
Constant)
Określenie warunków analizy:
Cell Zone Conditions > (powietrze) > Operating
Conditions
W oknie Operating Conditions ustawić wartość ciśnienia
odniesienia (Operating Pressure) na 101325 Pa i potwier-
dzić wybór (OK).
Określenie warunków brzegowych:
Boundary Conditions > Edit
W tej części ćwiczenia definiujemy następujące warunki
brzegowe:
1) wlot prędkościowy (Velocity Inlet) - prędkość na wlocie
(Velocity Magnitude) = 10 m/s
2) smiglo (fan) – ustalamy skok ciśnienia na 0 (Pressure
Jump = Constant = 0 Pa). W tej części ćwiczenia śmigło
nie będzie się obracać, zostanie ono włączone dopiero w
drugiej części ćwiczenia.
3) wylot tunelu (Outflow) – ustawienia pozostawiamy bez
zmiany (Flow Rate Weighting = 1).
Ustawienie wielkości reszt:
Monitors > Residuals > Edit
Wyłączyć opcję wyświetlania histogramów dla rezydułów
(Print to Console), zaznaczyć opcję Plot.
Zadać wartości wszystkich rezydułów na poziomie 10
-3
. Po-
twierdzić wybór (OK).
Inicjalizacja rozwiązania
Solution Initialization >
zadać wartości z wlotu (Compute from: wlot):
- ciśnienie (Gauge Pressure) = 0 Pa
- składowa X prędkości (X-Velocity) = 10 m/s
- składowa Y prędkości (Y-Velocity) = 0 m/s
- składowa Z prędkości (Z-Velocity) = 0 m/s
Rozpoczęcie obliczeń:
Wykonanie obliczeń (Run Calculation)
Wykonać ok. 200 iteracji i przejść do analizy wyników
Analiza wyników obliczeń:
Ustalenie lustrzanego widoku:
Display > Views >
W polu Mirror Planes zaznaczyć pl_symetrii i nacisnąć
Display
A. Wyniki dla przypadku wyłączonego śmi-
gła
1. Rozkłady ciśnienia na górnej i dolnej powierzchni
skrzydła
4
Kontury ciśnienia statycznego na górnej powierzchni skrzydła
Kontury ciśnienia statycznego na dolnej powierzchni skrzydła
Wektory prędkości na górnej powierzchni skrzydła
Wektory prędkości na dolnej powierzchni skrzydła.
Wizualizowania wirów krawędziowych:
W tym celu naleŜy utworzyć 2 płaszczyzny o stałych warto-
ś
ciach współrzędnej X:
Surface > Iso-Surface
w oknie Iso-Surface w polu stałych wartości (Surface Of
Constant) wybrać siatkę (Mesh), w polu poniŜej wybrać
współrzędną X (X Coordinate). W polu stałej wartości (Iso
Value) podać wartości współrzędnej x płaszczyzny (np.
0.05), a w polu nazw (New Surface Name) podać jej nazwę
(np. x=0.05). Potwierdzić wybór (Create). Tak samo utwo-
rzyć płaszczyznę dla x=0.2.
Wektory prędkości w płaszczyźnie x = 0.05
Wektory prędkości w płaszczyźnie x = 0.2
Definiowanie linii do wizualizacji linii prądu:
Dla celów wizualizacji przydatne będzie wcześniejsze zde-
finiowanie specjalnej linii, biegnąca blisko krawędzi natar-
cia skrzydła. Z linii tej startować będą linie prądu (podczas
wizualizacji). Aby stworzyć taką linie (Rake) naleŜy naj-
pierw wyświetlić samo skrzydło korzystając z opcji:
Display > Mesh (Uwaga:
wcześniej naleŜy wyłączyć lu-
strzane odbicie, Ŝeby nie pomylić połówki rzeczywistego
skrzydła i połówki lustrzanej !
)
W oknie Options wybrać Faces a w oknie Surfaces pod-
ś
wietlić „skrzydlo”.
Następnie tworzymy linię, biegnącą wzdłuŜ krawędzi na-
tarcia:
Surface > Line/Rake
Przy wyłączonej opcji Line Tool w ramce Options wybie-
ramy w ramce Type opcję Rake. W polu Number of Points
pozostawiamy wartość = 10. Następnie wciskamy przycisk
Select Points With Mouse. W oknie graficznym, gdzie jest
wyświetlono skrzydło wskazujemy prawym przyciskiem
myszy dwa punkty (początek i koniec), definiujące prostą, w
polu New Surface Name wpisujemy jej nazwę (np.
5
kraw_natarcia) a następnie potwierdzamy wybór przyci-
skiem Create. Podobnie moŜna zdefiniować linię pokrywa-
jącą się z krawędzią spływu.
(Uwaga: Ustawienie przycisków myszy moŜemy sprawdzić
za pomocą polecenia Display > Mouse Buttons)
Wizualizacja linii prądu:
Display > Path Lines
W celu wizualizacji linii prądu w oknie Release from Sur-
faces wskazujemy wcześniej utworzoną krawędź natarcia
jako linię, z której naleŜy rozpocznie się kreślenie linii prą-
du. (moŜna równieŜ w tym celu uŜyć powierzchni skrzydła).
Przykład wizualizacji linii prądu rozpoczynających się od krawę-
dzi natarcia
Wizualizacja linii prądu wychodzących z powierzchni skrzydła
Wizualizacja olejowa
Display > Path Lines
W polu Options zaznaczyć Oil Flow, w polach On Zone
oraz Release from Surfaces zaznaczyć skrzydlo. Wyświe-
tlić obraz naciskając Display.
Wizualizacja olejowa
na górnej powierzchni skrzydła
Wizualizacja olejowa
na dolnej powierzchni skrzydła
B. Obliczenia dla przypadku z włączonym
śmigłem.
W dalszej części ćwiczenia naleŜy dokonać obliczeń i wizu-
alizacji wyników dla przypadku z włączonym śmigłem:
Define > Boundary Conditions > smiglo > Edit
smiglo (Fan) - skok ciśnienia (Pressure Jump) = 200 Pa
(Constant - stały)
Pozostałe warunki brzegowe bez zmian.
Inicjalizujemy rozwiązanie i wykonujemy 200 iteracji.
Analiza wyników obliczeń dla włączonego śmigła:
Kontury ciśnienia statycznego na górnej powierzchni skrzydła
Kontury ciśnienia statycznego na dolnej powierzchni skrzydła
6
Wektory prędkości na górnej powierzchni skrzydła
Wektory prędkości na dolnej powierzchni skrzydła
Przykład wizualizacji linii prądu wychodzących z krawędzi natar-
cia
Wizualizacja olejowa
na górnej powierzchni skrzydła
Wizualizacja olejowa
na dolnej powierzchni skrzydła
Zakończyć pracę z programem Fluent.