raschyotyx - Клуб пользователей ANSYS
advertisement
4. Проектирование, конструирование и моделирование технических средств Вычислительная гидродинамика (ВГД) – это раздел науки, решающий проблему моделирования тепломассопереноса в различных технических и природных объектах. Основной задачей ВГД является численное решение уравнений Навье-Стокса, описывающих динамику жидкости. Дополнительно учитываются различные физико-химические эффекты: горение, турбулентность или потоки сквозь пористую среду. Эти уравнения составляют математическую модель тепломассопереноса. ВГД как прикладная наука сформировалась в середине 20 века. Основным потребителем ее результатов была аэрокосмическая промышленность. С развитием высокопроизводительных компьютеров, которые стали доступны по цене большому числу пользователей, в 70-х годах началось бурное развитие коммерческих программ вычислительной гидродинамики. В 80-х и начале 90-х годов эти программы устанавливаются на компьютеры класса "рабочие станции". В конце 90-х годов дешевые персональные компьютеры догнали по мощности рабочие станции, а основная операционная система, которая устанавливается на них – MS Windows – стала превосходить по уровню пользовательского интерфейса графические оболочки операционных систем рабочих станций. В это время появились программы в области ВГД, предназначенные для персональных компьютеров. Вычислительная гидродинамика первоначально развивалась для решения задач аэрокосмической промышленности – расчет камер сгорания ракетных двигателей, расчет физико-химических процессов при обтекании головных частей боеголовок и обтекания сверхзвуковых самолетов. В настоящее время область применения ВГД значительно расширена гражданскими приложениями. Приведем ниже краткий список задач, решаемых методами ВГД с использованием коммерческих программ. 4.1 Анализ и выбор методов построения сетки Рассмотрим в каких случаях требуется использование структурированной гексаэдрической сетки. Пакет ANSYS имеет множество приложений практически для всех областей современной науки и техники. При этом следует учитывать, что различные физические задачи требуют разных подходов при моделировании и создании расчетной сетки. В рамках данной статьи будут рассмотрены некоторые особенности построения сетки для задач гидро- и газодинамики в одном из лучших в мире инструментов для ее создания — ANSYS ICEM CFD. Данный инструмент отлично подходит для создания сетки для CFDприложений ANSYS — CFX либо FLUENT, однако следует учитывать, что общую логику построения сетки можно переносить и для других приложений, в том числе не ANSYS’овских. Для начала разберемся с логикой создания сетки, заложенной в ANSYS ICEM CFD. В данном ПО предусмотрена возможность создания двух типов сеток: неструктурированной и структурированной блочной условно гексаэдрической. Мы рассматриваем возможность создания именно структурированной блочной гексаэдрической сетки. Методика создания неструктурированной сетки рассматривать не будем. Здесь же лишь упомянем, что в текущей версии ANSYS ICEM CFD существует несколько методов построения объемной и поверхностной неструктурированной сетки. При этом каждый метод имеет несколько алгоритмов построения сетки. Комбинируя различные методы и алгоритмы построения сеток (как поверхностных, так и объемных), пользователь может применять широчайший инструментарий по созданию неструктурированных сеток - от полностью автоматического до ручного создания отдельных элементов. В завершение отметим, что для простой геометрии можно получить неструктурированную сетку, не уступающую по качеству структурированной. Поэтому, говоря о преимуществах структурированной гексаэдрической сетки, мы прежде всего имеем в виду сетку большой размерности, построенную на сложной криволинейной геометрии. Рисунок 4.1 - Получение не зависящего от сетки решения для структурированной и неструктурированной сетки: 1 — структурированная гексаэдрическая сетка; 2 — неструктурированная сетка. (где Ф — функция, характеризующая зависимость сходимости решения дифференциальных уравнений от количества элементов сетки N) Следует понимать, что для получения не зависящего от сетки решения (расчетные значения не изменяются при дальнейшем измельчении сетки) количество элементов, а следовательно, и точек интегрирования решаемых уравнений для структурированной гексаэдрической сетки будет меньше, чем для неструктурированной (рис. 4.1). То есть на гексаэдрической сетке решение, не зависящее от сетки, будет получено за меньшее время счета CPU. Кроме того, пользователи с ограниченными вычислительными возможностями CPU иногда не могут себе позволить построить сетку с большим количеством элементов. В этом случае переход от неструктурированной сетки к структурированной гексаэдрической позволит снизить количество элементов сетки, оставив при этом неизменным характерный размер элементов. Однако следует понимать, что на построение структурированной сетки понадобится большое количество времени пользователя при значительном снижении машинного. Таким образом, становится очевидном, что структурированную сетку следует строить в случаях, когда лимитирующим фактором для получения решения является продолжительность вычислений, зависящая от возможностей CPU, размера оперативной памяти, объема свободного пространства на жестком диске и т.д. Такая ситуация возникает при моделировании работы однотипных устройств с большим количеством элементов сетки, например оптимизация работы устройства, когда проводится ряд расчетов различных модификаций без принципиального изменения топологии геометрии. В этом случае необходимо единожды затратить время на создание сетки, что затем поможет экономить время при каждом последующем расчете. Если же необходимо провести разовое моделирование геометрически сложного объекта и при этом нет ограничений по ресурсам CPU, то лучшим решением будет создание неструктурированной сетки. Теперь, разобравшись, в каких случаях необходимо пользоваться тем или иным методом построения сетки, рассмотрим рекомендации по подготовке сеточной модели для последующего импорта в решатели ANSYS. Для начала выясним, почему структурированная гексаэдрическая сетка в ANSYS ICEM CFD называется блочной. Дело в том, что для создания структурированной сетки исходную геометрию необходимо описать с помощью блоков - прямоугольников для двумерного и параллелепипедов для трехмерного случая. Проиллюстрируем это на рисунке. В качестве примера возьмем геометрию, представленную в учебных примерах для ANSYS ICEM CFD (рис. 4.2а), — так, проще воспроизвести и понять действия, описанные ниже. Рисунок 4.2 Исходная геометрия (а) и блочная структура для нее (б) Для построения гексаэдрической сетки мысленно представляем исходную геометрию (рис. 4.2а) в виде блоков (рис. 4.2б). Для создания блочной структуры в ANSYS ICEM CFD существует огромный инструментарий, использование которого значительно облегчает создание блочной структуры. Например, в данном случае (см. рис. 4.2б) вначале был создан общий блок BCF’G’, затем исходный блок был разбит тремя линиями на шесть блоков. После этого блоки, отмеченные крестами, были удалены. При удалении блоков следует быть внимательным к выбору метода удаления блока — полного удаления или только перемещения блока в VORFN — семейство блоков, для которых не происходит построение сетки. Дело в том, что вокруг создаваемых блоков всегда существуют дополнительные блоки, необходимые для взаимосвязи между ними. Эти дополнительные блоки можно увидеть, сделав видимым семейство VORFN. При перемещении ненужных блоков в семейство VORFN изменения структуры блоков не происходит (рис. 4.3а). При полном удалении блоков происходит кардинальное изменение семейства VORFN (рис. 4.3б), а следовательно, изменение взаимосвязей между блоками. Часть блоков семейства VORFN преобразуется в «О-блоки» (создании и применение «Облоков» рассматривать не будем). Рисунок 4.3 - Вид блочной структуры семейства VORFN (блоки, выделенные черным цветом) в зависимости от метода удаления блоков: a — перемещение в семейство VORFN; б — полное удаление блоков При создании блочной структуры, особенно для сложной геометрии, не рекомендуется полностью удалять блоки, в которых не нужна сетка. Полное удаление блоков проводится только в случае умышленного изменения структуры и свойств блоков. После того как мы получили набор блоков, топологически соответствующий исходной геометрии, необходимо провести «ассоциацию» блоков и геометрии, то есть определить, каким сторонам геометрии какие ребра блоков соответствуют. В рассматриваемом примере «ассоциация» блоков геометрии выполняется в соответствии с буквенной разметкой геометрии и блоков — ребро АВ «ассоциируется» со стороной AB, BC — с BC и т.д. Таким образом, мы получаем набор блоков, описывающих исходную геометрию (рис. 4.4). При этом точность описания будет определяться только мастерством пользователя и наличием у него свободного времени. Рисунок 4.4 - Набор блоков, описывающих исходную геометрию (стрелками показана ассоциация граней блоков геометрии) Осталось только задать количество сеточных линий, или размер ячеек, и разбить полученные блоки на сетку. Результатом является предварительная (Pre-Mesh) сетка (рис. 4.5), которая затем может быть преобразована в сетку с учетом требуемого решателя. Таким образом, проведя ряд несложных манипуляций, мы получили сетку из практически правильных прямоугольников. Далее можно проводить сгущения в нужных подобластях, создавать пограничный слой и т.д. в зависимости от специфики задачи и потребностей. Рисунок 4.5 - Полученная условно-гексаэдрическая (прямоугольная для 2Dслучая) сетка. Адаптивная сетка с локальным измельчением. Для разрешения малых деталей геометрии расчетной области и высоких градиентов рассчитываемых величин используется прямоугольная адаптивная локально измельченная сетка (АЛИС). Рисунок 4.6 – Структура адаптивной сетки с локальным измельчением Сущность технологии АЛИС заключается в следующем. Во всей расчетной области вводится прямоугольная сетка. Выделяются подобласти с особенностями геометрии или течения, в которых необходимо провести расчет на более мелкой, чем исходная, сетке. При этом расчетная ячейка, в которую попала выделяемая особенность, делится на 8 равных ячеек (в трехмерном случае, в двумерном – на 4 ячейки). Далее, если необходимо, ячейки делятся еще раз и так до достижения необходимой точности. Ячейки начальной сетки называются ячейками уровня 0, ячейки, получаемые измельчением уровня 0, называются ячейками уровня 1 и т.д. При генерации АЛИС накладывается условие, что гранями и ребрами могут граничить друг с другом только ячейки с номерами уровней, отличающимися не более, чем на единицу. Традиционно в системах моделирования движения жидкости используются неструктурированные сетки (для систем на базе конечноэлементных методов), либо структурированные мультиблоковые сетки (для конечно-объемных и конечно-разностных методов). Ячейки таких сеток вдали от границ расчетной области имеют постоянное количество соседних ячеек, соприкасающихся гранями. В отличие от этих сеток ячейки АЛИС имеют переменное количество соседей – в трехмерном случае по грани с ячейкой могут соседствовать либо одна, либо четыре соседа. Это обстоятельство затрудняет реализацию численных методов с использованием АЛИС. Однако АЛИС имеет значительные преимущества по сравнению с распространенными сетками. Во-первых, большая скорость генерации сетки. Во-вторых, АЛИС не предъявляет высоких требований к оперативной памяти компьютера по сравнению с неструктурированными сетками. Это обусловлено древовидной структурой АЛИС, при которой каждая ячейка связана с сеткой нулевого уровня, имеющей полную геометрическую информацию. В-третьих, при генерации АЛИС не появляются «плохие ячейки», которые имеют слишком большие отношения площадей граней. Обычно при использовании АЛИС геометрия объектов в расчетной области аппроксимируется первым порядком точности – "ступеньками". Повышение порядка разбиения сетки около поверхностей позволяет уменьшить вносимую такой аппроксимацией погрешность, но может потребовать слишком больших ресурсов компьютера, что не позволительно для САПР. Поэтому в настоящей работе предлагается новый подход описания произвольной криволинейной геометрии на прямоугольной методом подсеточного разрешения геометрии. Метод подсеточного разрешения геометрии Метод подсеточного разрешения геометрии направлен на преодоление барьера между САПР и системами моделирования движения жидкости. Будем считать, что из САПР поступает информация о поверхности объекта в виде набора плоских, выпуклых, непересекающихся фасеток. На обеих поверхностях фасеток ставятся граничные условия и указывается набор уравнений гидродинамики, которые необходимо решать по ту или иную сторону фасетки. Пусть в расчетной области задана АЛИС. На первом этапе алгоритма определяются какие фасетки, формирующие геометрию расчетной области, попали в ячейки сетки). Часть фасеток, попавших внутрь ячеек, назовем осколками фасеток; часть граней ячеек, отсекаемую фасетками, назовем осколками граней. Затем ячейка сетки делится на конечные объемы Vi, ограниченные гранями ячеек (или осколками ячеек) и фасетками (или осколками фасеток). Если в ячейке нет фасеток, то конечный объем совпадает с ней. Конечный объем может быть ограничен только фасетками. Рисунок 4.7 - Подсеточное разрешение геометрии: а) выделение фасеток, пересекающих ячейки сетки; б) разъединение ячеек сетки на конечных объемы Рисунок 4.8 -Перемещение i-того конечного объема вдоль характеристики Введем объем i, построенный на характеристиках, выходящих из вершин Vi в момент времени tn+1 и движущихся обратно во времени до момента tn. Стороны b объема i строго соответствуют сторонам s объема Vi. Проинтегрируем уравнения гидродинамики по времени на интервале , движущемуся вместе с жидкостью, i = (tn), Vi = (tn+1) Здесь fi n – осредненное значение переменной (компонента скорости, концентрация, температура и т.д.) по объему в момент времени tn+1 = tn+1 + t, Другие обозначения : D – осреднение неконвективного члена в уравнении переноса (например, объемный источник переменной f или член, описывающий диффузионный перенос) по движущемуся объему и в течение ; g – сторона конечного объема, образованная осколком j-той фасетки; Gg – поток переменной f через g в течение . Поток Gi определяется граничным условием на фасетках, например, конечно-разностный аналог смешанного граничного условия выглядит следующим образом: где Gj(f) – поток f с j-той фасетки, заданный граничным условием; Aj и Bj – коэффициенты граничного условия на j-той фасетке; dg – половина характерного расстояния от осколка фасетки до соседних граней в направлении вектора нормали осколка. Описание первого члена в правой части уравнения, который определяет конвективный перенос переменной f, будет дано ниже. Моделирование трехмерного переноса. Вернемся к уравнению из метода подсеточного разрешения геометрии трехмерного конвективно-диффузионного переноса скалярной величины. Расщепим уравнение на два следующим образом: Первое уравнение описывает конвективный перенос величины f, оно устойчиво для любых шагов по времени. Второе уравнение описывает диффузионные процессы (член с D) и граничные условия (член с Gg). Для избавления от зависимости от уравнение записано в неявной форме. Трехмерная функция f(x) реконструируется с помощью суперпозиции трех функций fn,k(xk), каждая из которых представляет собой одномерную реконструкцию вдоль оси xk декартовой системы координат Первоначально решается явное уравнение для промежуточной переменной fn. Затем одним из стандартных методов, например, методом верхней релаксации, решается неявное уравнение для fn+1. Рисунок 4.9 – АЛИС сетка, построенная в Flow Vision Рисунок 4.10 – Сетка, построенная в ANSIS CFX 4.2 Гидродинамический расчёт затвора обратного поворотного Неявный алгоритм расщепления по физическим переменным. Рассмотрим численное интегрирование уравнений Навье-Стокса. Запишем уравнения для движущегося объема Здесь S – поверхность объема , V – поле скорости жидкости, P – давление, – плотность; Через D обозначены члены в уравнении Навье-Стокса, описывающие вязкостные напряжения, силу тяжести и т.п. Для замыкания системы уравнений необходимы дополнительные уравнения, описывающие изменение плотности и турбулентный перенос. Вид этих уравнений зависит от физической постановки задачи и рассматриваться не будут. Запишем разностный аналог уравнений Навье-Стокса: Неизвестными в этом уравнении являются Vn+1 и Pn+1. Добавим и вычтем дополнительные члены следующим образом: Это уравнение расщепляется на два: Видно, что второе уравнение опять является дискретным аналогом уравнений Навье-Стокса, но, в отличии от исходного аналога, в нем используется поле давления, взятое на предыдущем шаге по времени. Векторное уравнение представляет собой три уравнения конвективнодиффузионного переноса для трех компонент скорости жидкости. Эти уравнения решаются методом, изложенным выше. Для этого второе уравнение расщепляется следующим образом: Чтобы определить поле давления, рассмотрим условие несжимаемости жидкости, из которого следует: где Vsn+1 – значение скорости на границах конечного объема Vi. Чтобы получить выражение для Vsn+1 запишем аналог уравнения, полученного интегрированием уравнений Навье-Стокса по движущейся грани объема . Для грани этого объема, которая совпадает с гранью b при t=tn и с s при t=tn+1 выражение для Vsn+1 имеет вид: Подставляя Vsn+1, получим уравнение для определения давления: Во втором члене в правой части уравнения производится суммирование по граням b объема i, а не по граням s объема Vi , поскольку Pn определен для объема i. Значение для соответствующих друг другу граней b и s. После нахождения поля давления Pn+1 из (3) вычисляется поле скорости Vsn+1. Хорошо известно, что при решении уравнений движения несжимаемой жидкости на неразнесенных сетках возникают осцилляции поля давления (Patankar S., Numerical heat transfer and fluid flow, Himisphere Publishing Corporation, New York, 1980). В FlowVision эта трудность преодолевается введением в уравнение для давления разности между представлением градиента давления вторым и четвертым порядком точности (Armfield S.W., Finite Difference Solutions of the Navier-Stokes Equationson Staggered and Non-Staggered Grids, 1-17, Computers Fluids, 20, N 1, 1991). Общий вид уравнений. Рассмотрим общий вид уравнений диффузионного типа: и конвективно-диффузионного типа: где t – время, – оператор градиента, V – вектор скорости. Величины TC (TimeCoefficient), CС (ConvectiveCoefficient), PC (PrediffusionCoefficient), и DC (DiffusionCoefficient) определяют коэффициенты уравнения при соответствующих производных, SST (ScalarSourceTerm) задает источниковый член. Разностная схема. Решение (интегрирование) уравнений на отрезке времени [tn+1, tn] осуществляется с использованием следующей аппроксимации уравнений: где: = tn+1 – tn ; =0 – соответствует явной схеме; =1 – соответствует неявной схеме; (k,s) – разностная аппроксимация конвективного оператора: k – определяет вид реконструкции функции: схема 1-го порядка точности; схема 2-го порядка точности; s – определяет "скошенность" схемы: учитывает перенос через ребра и вершины ячейки; не учитывается перенос через ребра и вершины ячейки; h(DChf) – разностная аппроксимация диффузионного оператора. Предиктор-Корректор предназначен для увеличения точности расчета уравнений Навье-Стокса при ускоренном движении тел в расчетной области. Им стоит пользоваться при расчете движения тел, для которых включено движение под действием гидродинамических сил. Расчетная схема метода Предиктор-корректор следующая: Делается расчет скоростей и давления за шаг по времени , так, чтобы получить и . Расчет проводится методом расщепления по физическим переменным. Находится приближенная скорость на шаге по времени Далее решается уравнение Навье-Стокса еще раз, но для шага по времени , чтобы найти окончательные скорости и давления , . Решение этого уравнения проводится методом расщепления , Где – вязкостный член уравнений Навье-Стокса. Условие устойчивости алгоритма При использовании явной схемы (Разностная схема) (=0) Пусть k – минимальное пролётное время ячейки которое определяется как минимум отношения характерного размера ячейки к модулю скорости в ячейке по всем ячейкам данной подобласти. Тогда условие устойчивости разностной схемы (условие Куранта-Фридрихса-Леви) можно сформулировать так: проводить расчеты по явной схеме можно лишь при шагах , удовлетворяющих условию: Разностная схема (=1) являются абсолютно устойчивыми. Выбор шага интегрирования по времени. Выбор шага по времени осуществляется по одному из условий: где CFL – константа, определяемая пользователем; max – максимальный шаг по времени; own – заданный пользователем шаг по времени. Ламинарная жидкость. Данная модель описывает течения вязкой жидкости/газа при малых числах Маха (M < 0.3), малых и умеренных числах Рейнольдса. Допускаются малые изменения плотности, что позволяет естественным образом учесть подъёмную силу. В модель входят уравнения Навье-Стокса, энергии и уравнение конвективно-диффузионного переноса концентрации примеси. В модель входят следующие уравнения: Уравнения Навье-Стокса где источник S равен: Уравнение энергии: Нормальная скорость. На границе области задана нормальная компонента вектора скорости (Vnw) Если , то граничное условие трактуется как "вход". Если , то граничное условие трактуется как "выход". При этом в процессе расчета отрицательная величина Vnw переустанавливается в соответствии соследующим правилом: которое обеспечивает выполнение условия баланса массы – "сколько массы втекло – столько массы вытекло". Здесь Sin и Sout – площади "входных"/"выходных" граничных поверхностей соответственно. Давление. На границе области задается значение давления. Скорость на границе расчетной области устанавливается по следующему правилу: - В расчетной ячейке, примыкающей к границе, определяется направление вектора скорости. - Если вектор скорости направлен внутрь расчетной области, то устанавливается нормальная компонента вектора скорости (Vnw), равная модулю вектора скорости в ячейке. - Если вектор скорости направлен из расчетной области, то устанавливаются нормальные производные компонент вектора скорости равные нулю. 4.3 Анализ результатов гидродинамического расчёта Рисунок 4.11 – Скорость и характер поведения жидкости в затворе Анализ результатов показал: - Инженерные решения в виде переходных конусов, и расточки на фланце эффективны, на выходе поток практически сразу имеет близкий к ламинарному характер. Рисунок 4.12 – Поле давления, полученное при расчёте Flow Vision. - Из за изменения прохода в области седла и выходного фланца возрастает скорость потока, она становится близкой к скорости шлифования, и если характер среды имеет абразивные составляющие, то в этих областях ожидается повышенный износ. Но следует отметить что конструкция разборная и любая её часть поставляется как ЗИП. При критическом износе нет необходимости менять весь затвор, есть возможность заменить только некоторые части. Это приветствуется потребителем, повышает конкурентоспособность. Рисунок 4.13 – Характер поведения жидкости, полученный при расчёте Flow Vision. - в областях значительно меньшей скорости ожидается отложение осадка, и связанного с этим негативными последствиями.