Wydział Mechaniczno-Energetyczny
kierunek studiów: energetyka

specjalność: Odnawialne Źródła Energii

Modelowanie Matematyczne

Instalacji Energetycznych - Laboratorium

Raport z ćw. nr 5 – Nieustalony opływ walca

Łukasz Maśko, 186950

pon. 7:30

słowa kluczowe:

---

Prowadzący: mgr inż. Józef Rak

....................... .......................

imię i nazwisko

ocena

podpis

Wrocław 2014

1.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było stworzenie geometrii oraz heksagonalnej siatki

numerycznej w programie ANSYS ICEM. Na podstawie siatki należało wykonać
symulacje zjawiska opływu walca 2D w stanie nieustalonym dla kilku liczb
Reynoldsa odpowiadających przepływom: laminarnym i turbulentnym. Finalnym
elementem ćwiczenia jest wizualizacja wymaganych przez instrukcje wyników
symulacji zrealizowana poprzez ukazanie zrzutów ekranu dla symulacji przy
różnych parametrach przepływu.

2.

Tworzenie heksagonalnej siatki numerycznej

Tworząc geometrię postępowano zgodnie ze wskazaniami instrukcji oraz

prowadzącego. Tok realizacji instrukcji był następujący:

-

Utworzenie punktów zgodnie z danymi w tabeli nr 1 zamieszczonej w
instrukcji do ćwiczenia,

-

Połączenie stworzonych punktów za pomocą opcji Create/Modify Curve,

-

Stworzenie powierzchni walca przy użyciu opcji Create/Modify Surface/
Curve Driven.

-

Wycięcie powierzchni wewnątrz koła i przesunięcie uzyskanej geometrii o
3 jednostki względem osi Z.

-

Utworzenie i nazwanie odpowiednich części geometrii.

Kolejnym krokiem było wygenerowanie heksagonalnej siatki numerycznej.

Dyskretyzacja geometrii odbywała się przy użyciu bloków w następującej kolejności:

-

Stworzenie bloku, a następnie podzielenie go na mniejsze elementy celem
wydzielenia stref zagęszczenia siatki,

-

Podzielenie bloku, w którym znajdowała się geometria walca funkcją „Ogrid
Block” i usunięcie bloku środkowego, aby nie generowana była siatka
wewnątrz otworu walca,

-

Przypisanie krawędzi do bloku funkcją „Associate Edge to Curve”,

-

Przypisanie powiązań funkcją „Snap Project Vertices -> All Visible”,

-

Ustalenie ilości podziałek w blokach siatki numerycznej „Nodes” zgodnie ze
wskazaniami instrukcji,

-

Wygenerowanie gotowej siatki „Blocking -> Pre Mesh”

-

Przekonwertowanie siatki i wyeksportowanie jej do zapisu i eksploatacji w
programie Ansys CFX.

Widok gotowej siatki przedstawiono na rysunku nr 1.

Rysunek 1. Widok gotowej siatki heksagonalnej do symulacji opływu walca.

3.

Symulacje numeryczne

Na bazie stworzonej siatki wygenerowano 3 symulacje do liczb Reynoldsa

wynoszących: 40, 150 i 12000. Obliczono w tym celu prędkości przepływu powietrza.
Wyniosły one odpowiednio:

-

0,015 m/s dla Re = 40,

-

0,056 m/s dla Re = 120

-

5,6 m/s dla Re = 12000. W tym przypadku symulacja nie dała oczekiwanych
rezultatów, wobec czego wykonano pomocnicze symulacje dla innych
wartości prędkości.

Na poniższych grafikach przedstawiono wymagane w instrukcji symulacje

konturów ciśnienia w płaszczyźnie z=0,05 oraz kontury prędkości i linii prądu dla
z=0,05 dla symulacji w 5,15,25 i 35 sekundzie dla każdego z przypadków.

a) Symulacje dla Re=40.

Rysunek 2. Kontury ciśnienia dla z=0,05 przy Re=40

Rysunek 3. Linie prądu i wektory prędkości przy Re=40

Rysunek 4. Kontury prędkości przy Re=40

Rysunek 5. Kontury prędkości przy Re=40 dla t=5s.

Rysunek 6. Kontury prędkości przy Re=40 dla t=15s.

Rysunek 7. Kontury prędkości przy Re=40 dla t=25s.

Rysunek 8. Kontury prędkości przy Re=40 dla t=35s.

b) Symulacje dla Re=150

Rysunek 9. Kontury ciśnienia przy Re=150

Przy wyższej liczbie Reynoldsa widać już, iż walec powoduje deregulację

przepływu oraz rozkładu ciśnienia.

Rysunek 10. Kontury prędkości przy Re=150

Rysunek 11. Kontury prędkości przy Re=150 dla t=5s

Rysunek 12. Kontury prędkości przy Re=150 dla t=15s.

Rysunek 13. Kontury prędkości przy Re=150 dla t=25s.

Rysunek 14. Kontury prędkości przy Re=150 dla t=35s.

c) Wyniki symulacji dla Re=12000

Wyniki symulacji dla przepływu turbulentnego odbiegają od oczekiwanych.

Prawdopodobnie niedostatecznie dokładnie została określona prędkość opływu
walca bądź krok czasowy symulacji.

Rysunek 15. Kontury ciśnienia przy Re=12000

Rysunek 16. Kontury prędkości przy Re=12000

Rysunek 17. Kontury prędkości przy Re=12000 dla t=5s.

Rysunek 18. Kontury prędkości przy Re=12000 dla t=15s.

Rysunek 19. Kontury prędkości przy Re=12000 dla t=25s.

Rysunek 20. Kontury prędkości przy Re=12000 dla t=35s.

4.

Wnioski

-

Walec jest elementem w znacznym stopniu zaburzającym przepływ płynu,

-

Największy przyrost prędkości odnotowano tuż po opływie, nad
krawędziami walca,

-

Tuż za walcem, na stronie odwrotnej do kierunku napływu płynu, znalazły
się pola zerowej prędkości opływu. Fakt ten potwierdza informacje dotyczące
tego zjawiska, uzyskane na kursie „Podstawy Mechaniki Płynów”,

-

Wraz z upływem czasu struga stabilizuje się – za walcem kontury prędkości i
ciśnień wracają do stanu pierwotnego,

-

Największy lokalny wzrost ciśnienia odnotowano w miejscu, gdzie struga
napływającego płynu napotykała na najbardziej wysunięty w kierunku
napływu element walca,

-

Efekty dla przepływu laminarnego przy Re=40 i Re=150 są zadowalające. Przy
Re=150 widoczne są wyraźne zaburzenia profili prędkości i ciśnienia. Dla
liczby Re=40, efekt jest widoczny w bardziej ograniczonym zakresie.

-

Dla przepływu turbulentnego przy Re=12000 efekty odbiegają od
oczekiwanych.

Nie

uzyskano

oczekiwanych

turbulencji.

Powodem

niepowodzenia było najprawdopodobniej dobranie niewłaściwego kroku
czasowego symulacji bądź złe obliczenie wymaganej prędkości napływu
płynu.