Modelowanie łopatki turbiny – modyfikacja warunków

brzegowych oraz własności materiałowych przez

zastosowanie user-defined functions (UDF)

1. Informacje ogólne

User-define functions (UDF) to tworzone przez użytkownika programy, które mogą być

dynamicznie dołączone do FLUENTa. UDF są pisane w języku C lub C++. UDF musi zawierać makra

DEFINE oraz inne funkcje zdefiniowane w programie FLUENT, które pozwalają na dostęp do danych

generowanych przez ten program.

UDF mogą być dołączone w postaci funkcji interpretowanych oraz kompilowanych. Funkcje

interpretowane są dołączone i kompilowane w trakcie wykonywania obliczeń natomiast funkcje kompilowane są to gotowe programy skompilowane i dołączone do FLUENTa w trakcie

wykonywania obliczeń.

UDF stosuje się w celu dopasowania warunków brzegowych, modelowania zmiennych

własności materiałowych, dodania nowych członów źródłowych w równaniach transportu, w celu inicjalizacji obliczeń. UDF pozwalają na rozwijanie modeli dostępnych w pakiecie FLUENT, jak również pozwalają na zwiększenie możliwości tzw. post-processing’u.

2. Stosowanie UDF

UDF może mieć dostęp do wielkości obliczeniowych w poszczególnych węzłach w obszarze i

w węzłach na brzegach tylko przez predefiniowane makra oraz funkcje. Komórki w obszarze obliczeniowym oraz węzły na brzegu posegregowane są w grupy. UDF wymaga określenia grupy, w

której będą wprowadzane zmiany. Odbywa się to przez wskaźnik thread zmiennej typu Thread (zdefiniowane w FLUENCIE). Wskaźnik ten wskazuje grupę, która będzie modyfikowana przez UDF.

Rysunek 1 Struktura przechowywania danych w FLUENCIE

__________________________________________________________________________________________

Laboratorium Metody Numeryczne w Wymianie Ciepła, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, PW

Mirosław Seredyński, [e-mail]

Piotr Łapka, [e-mail]

Dodatkowe zmienne wprowadzone w FLUENCIE związane z danymi przechowywanymi na siatce (rys. 1):

Cell_t – typ danych reprezentujący komórkę w grupie thread

Face_t – typ danych reprezentujący węzły na brzegu w grupie thread

Thread – typ reprezentujący grupę komórek wewnątrz obszaru bądź grupę węzłów przypisanych do określonego fragmentu brzegu

Domain – typ reprezentujący cała siatkę

Node – typ reprezentujący węzły

Poniżej przedstawiono wybrane makra predefiniowane w FLUENCIE:

DEFINE_PROFILE(nazwa_UDF, thread, index) – makro pozwalające na przypisanie określonych

warunków brzegowych do wszystkich węzłów brzegu wskazanego przez zmienną thread. Zmienna nazwa_UDF to nazwa UDFa nadana przez użytkownika, identyfikująca warunek brzegowy. Zmienna thead jest automatycznie inicjalizowana w momencie przypisania UDF do określonego brzegu w FLUENCIE. Zmienna index jest generowana automatycznie i oznacza wielkość, która będzie modyfikowana (temperatura, ciśnienie itd.)

DEFINE_PROPERTY(nazwa_UDF, cell, thread) – makro, które modyfikuje wartość zmiennej materiałowej w określonej komórce cell w grupie thread.

F_CENTROID(x,f,thread) – makro przypisujące zmiennej real x[ND_ND] gdzie ND_ND liczba wymiarów współrzędnej środka komórki f typu Face_t w grupie thread wskazującej brzeg.

F_PROFILE(f, thread, index) – makro modyfikujące wielkość określoną przez index w komórce f typu face_t w grupie thread wskazującej brzeg.

C_T(cell, thread) – makro odczytujące wartość temperatury w komórce cell typu Cell_t z grupy thread wskazującej wnętrze obszaru.

begin_f_loop(f, thread)

{

}

end_f_loop(f, f_thread) – makro wykonujące pętle po wszystkich komórkach f typu Face_t w grupie thread wskazującej brzeg.

Do każdego pliku UDF musi być dołączony plik udf.h. Plik ten zawiera definicje funkcji oraz makr przedefiniowanych w FLUENCIE.

3. Uruchomienie UDF jako funkcji interpretowanych

Aby dołączyć UDF należy wejść do Define −> User-Defined −> Functions −> Interpreted...

Następnie wskazać kod źródłowy i kliknąć Compile (plik z kodem nie może znajdować się w katalogu z spacją w nazwie!). Zaznaczyć opcję Display Assembly Listing. Jeżeli będą błędy w kodzie to w oknie dialogowym pojawi się komunikat o błędzie.

Po skompilowaniu UDFa zdefiniowane przez użytkownika funkcje (warunki brzegowe,

własności materiałowe itd.) są widoczne po wybraniu odpowiednich warunków brzegowych,

własności materiałowych itd. w towarzyszących im listach rozwijalnych.

__________________________________________________________________________________________

Laboratorium Metody Numeryczne w Wymianie Ciepła, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, PW

Mirosław Seredyński, [e-mail]

Piotr Łapka, [e-mail]

4. Opis problemu

GAMBIT

• Należy stworzyć model łopatki wykorzystując podane punkty – plik vane.dat (zawiera

współrzędne x i y punktów definiujących profil). Nie należy wprowadzać punktów

ręcznie, trzeba odpowiednio zmodyfikować zbiór punktów a następnie wczytać do

programu: File −> Import->Vertex Data. Modyfikacja ma polegać na dodaniu do każdego punktu współrzędnej z. Punkt spiętrzenia ma współrzędne: (0.0;0.0),

natomiast punkt spływu: (4.6828;-1.0423e+01).

• Stworzyć kanały chłodzące łopatkę – promień 0.4, położenie (0.75;-0.25), (1.25;0.75),

(2.25;-2.0), promień 0.25, położenie (2.9;-4.0), promień 0.20, położenie (3.4;-5.5).

• Zdefiniować funkcję służącą do zagęszczenia siatki w okolicach kanałów chłodzących

i krawędzi spływu wykorzystując Size Function (Fixed, źródło - krawędzie okręgów

kanałów chłodzących, Start size 0.05, Growth rate 1.1, Size limit 0.5 oraz Fixed,

źródło – punkt spływu, Start size 0.05, Growth rate 1.02, Size limit 0.5).

• Utworzyć siatkę trójkątna.

• Warunki brzegowe: WALL – dwie krawędzie górna i dolna (od punktu spiętrzenia do

krawędzi spływu), kanały chłodzące – razem 7 warunków WALL, wnętrze to SOLID.

FLUENT

Główne założenia

• Przeskalować przyjmując skale w kierunki x i y równą 0.02.

• Segregated, stan ustalony, włączyć równanie energii, materiał to tytan, temperatura gazu

opływającego łopatkę 1250K. Temperatura czynnika w kanałach chłodzących: trzy

pierwsze 350K, kolejne 300K. Współczynnik przejmowania ciepła na górnej krawędzi

przyjąć stały równy 400W/(m2K) a na dolnej 350W/(m2K)

• Rozwiązywane będzie tylko równanie energii.

1. Obliczenia dla zmiennego współczynnika przejmowania ciepła

Przy użyciu pliku UDF i makra DEFINE_PROFILE zadać zmienny współczynnik przejmowania

ciepła na powierzchniach łopatki:

• górna powierzchnia - współczynnik alfa jest opisany wzorem:

2

α = 6.25 s −87.5 s + 600 W/(m2K)

g

gdzie:

2

2

s =

x + y / 0.02

2

2

x + y - odległość punktu o współrzędnych (x,y) leżącego na profilu od początku układu współrzędnych (od punktu spiętrzenia)

• dolna powierzchnia

2

α = 4.1666 s − 70.8333 s + 600 W/(m2K)

d

__________________________________________________________________________________________

Laboratorium Metody Numeryczne w Wymianie Ciepła, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, PW

Mirosław Seredyński, [e-mail]

Piotr Łapka, [e-mail]

2. Obliczenia dla zmiennego współczynnika oraz zmiennej temperatury

gazu otaczającego

Przy użyciu pliku UDF i makra DEFINE_PROFILE zmienić temperaturę gazu opływającego:

T = 1250 −15 s K

• Zmiana właściwości materiałowych

Przy użyciu pliku UDF i makra DEFINE_PROPERTY zmienić przewodność cieplną tytanu:

3

k ( T )

7.4 1.1 T 10−

=

+

⋅ ⋅

W/(mK)

UDF TEMPLATE’s

#include "udf.h"

DEFINE_PROFILE (nazwa, thread, index)

{

real x[ND_ND];

real s;

face_t f;

begin_f_loop(f, thread)

{

F_CENTROID(x,f,thread);

//zmienić wartość na brzegu wykorzystując makro F_PROFILE(f, thread, index) = …..

}

end_f_loop(f, thread)

}

DEFINE_PROPERTY(nazwa, cell, thread)

{

// funkcja C_T(cell, thread) zwraca wartość temperatury w komórce cell

return ; //podać wartość zwracaną

}

__________________________________________________________________________________________

Laboratorium Metody Numeryczne w Wymianie Ciepła, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, PW

Mirosław Seredyński, [e-mail]

Piotr Łapka, [e-mail]