Coraz częściej, w związku z rosnącymi wymaganiami klientów, inżynierowie napotykają na potrzebę przeprowadzenia analiz cieplno-przepływowych. Dla początkujących użytkowników, konstruktorów wyzwaniem w przygotowaniu geometrii jest stworzenie domeny przepływu, czyli objętości, w której znajduje płyn. Wąskie szczeliny pomiędzy detalami, luzy montażowe czy dokładność geometryczna detali tj. płyty perforowane, sita, kratki itd. potrafią mocno skomplikować zagadnienie. Możliwości obliczeniowe FloEFD (Flow Simulation) zostaną pokazane na złożonym modelu baterii umywalkowej, gdzie mamy  do czynienia z mieszaniem cieczy o różnych temperaturach i skomplikowaną geometrią z w pełni zamodelowanym na wypływie z baterii perlatorem.

Geometria modelu

Przygotowanie geometrii do obliczeń, w przeciwieństwie do wysoko zaawansowanych programów CFD, nie wymaga specjalnych zabiegów. FloEFD pracując w środowisku Solid Edge, jak i NX bezpośrednio wykorzystuje geometrię konstrukcyjną. Geometrię modelu wykorzystaną do obliczeń na rys.1.

floefd

Rys. 1. Geometria baterii umywalkowej

Do zadań analityka należy określenie, za pomocą kreatora ustawień analizy,  wielkości objętości podlegającej badaniu. Analiza przepływu w baterii umywalkowej jest typem „analizy zewnętrznej” z wykorzystaniem tzw. powierzchni swobodnej występującej na styku cieczy i powietrza. Z uwagi na sposób zasilania baterii przyjęto warunki brzegowe jako ciśnienie statyczne o wartości ciśnienia sieci wodociągowej 4 [bar] z rozbiciem na wodę zimną i gorącą.

Dyskretyzacja modelu

Kolejnym krokiem do przeprowadzenia obliczeń jest dyskretyzacja modelu za pomocą siatki elementów skończonych. We FloEFD mamy do dyspozycji siatkę typu Trimmed bazującą na elementach sześciościennych. Program, na podstawie zaznaczonego wcześniej obszaru obliczeń, wyznacza objętość przepływu i dzieli ją poszczególne objętości skończone. Siatkę modelu pokazano na rys. 2.

Rys.2. Widok siatki obliczeniowej typu trimmed

Jak widzimy na rysunku, siatka została zagęszczona w miejscach istotnych z punktu widzenia przepływu i mających wpływ na dokładność otrzymanego wyniku. Dużemu zagęszczeniu podlegała komora mieszacza oraz perlator, natomiast przewidywany obszar wypływu z baterii zagęszczony został w mniejszym stopniu.

Wyniki obliczeń CFD

We FloEFD obliczenia możemy prowadzić w sposób ustalony lub nieustalony, uwzględniający wpływ czasu na proces przepływu. Obliczenia niniejszego przykładu, z uwagi na proces mieszania cieczy o różnej temperaturze następuje funkcji czasu, zastosowano obliczenia w stanie nieustalonym. W ich wyniku możliwa jest obliczenie oporów przepływu oraz obserwacja  procesu mieszania, uzyskanej temperatury i wypływu cieczy z wylewki dla różnych położeń dźwigni mieszalnika.

Oprócz uzyskania wskazanych wartości, program umożliwia wizualizację obliczonego przepływu. Możemy wyświetlić, na zadanych płaszczyznach, rozkłady ciśnień, rozkłady prędkości w postaci pól lub wektorów. Przykład możliwości wizualizacji w postaci pokazania objętości wody w przestrzeni obliczeniowej pokazano na rys. 3.

Rys. 3. Zawartość objętości wody w przekroju baterii umywalkowej.

Przepływ, a zatem proces mieszania możemy zwizualizować za pomocą linii prądów ukazujących w sposób plastyczny trajektorie i charakter przepływu. Dodatkowo, pokolorowanie ich za pomocą temperatury cieczy pozwala określić obszary większej i mniejszej intensywności procesu mieszania. Przykład takiej wizualizacji przedstawiono na rys.4.

Rys. 4. Wizualizacja linii prądu w baterii umywalkowej

W celu lepszej oceny rozkładu temperatury w przepływającej cieczy można również zwizualizować za pomocą isopowierzchni, które pokazano przykładowo na rys. 5.

solid edge mes

Rys. 5. Wizualizacja Isopowierzchni w przepływie cieczy przez baterię umywalkową.

Narzędzia i możliwości obliczeniowe zaimplementowane we FloEFD pozwalają efektywne przeprowadzenie analizy CFD. Program pozwala na stosunkowo łatwe prowadzenie obliczeń nawet dość złożonych zagadnień fizycznych. Bezpośrednie zintegrowanie programu ze środowiskiem Solid Edge może być traktowane jako podręczne narzędzie inżyniera konstruktora w wielu gałęziach przemysłu maszynowego.

Opracował: Wojciech Plutecki

Jeśli jesteś zainteresowany programami do obliczeń i symulacji, skontaktuj się z nami.