Program Solid Edge Flow Simulation (FloEFD) służy do numerycznej symulacji dynamiki płynów w oparciu o środowisko  Solid Edge. Jest on najprostszym narzędziem do symulacji, które zapewnia najbardziej wszechstronny zestaw modeli fizycznych dla inżynierii komputerowej (CAE). Niniejszy artykuł przedstawia model numeryczny mieszadła w Solid Edge Flow Simulation (FloEFD).

Geometria modelu

Przygotowanie geometrii do obliczeń, w przeciwieństwie do wysoko zaawansowanych programów CFD, nie wymaga jakiś specjalnych zabiegów. FloEFD pracując w środowisku Solid Edge bezpośrednio wykorzystuje geometrię konstrukcyjną. Geometrię modelu wykorzystaną do obliczeń, składającą się ze zbiornika oraz z wirnika mieszadła, pokazano na rys.1.

Rys. 1 Geometria mieszadła

Do zadań analityka należy jednak określenie, za pomocą kreatora ustawień analizy,  wielkości objętości podlegającej analizie. Dodatkowo do układu obliczeniowego wprowadza się dodatkowe objętości: związaną z łopatkami wirnika, dla której zadano żądaną prędkość obrotową oraz poziomu cieczy w zbiorniku o większej gęstości (rys.2). Są one wykorzystane jedynie do ustawienia warunków brzegowych, natomiast nie biorą bezpośredniego udziału w przepływie cieczy. Jako czynniki podlegające procesowi mieszania ustawiono wodę i amoniak.

Rys. 2: Dodatkowe objętości w układzie obliczeniowym: a) objętości obrotowe b) objętość wody.

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 na poszczególne objętości skończone. Analityk, na podstawie własnego doświadczenia, ma wpływ na wielkość elementów oraz na jej zagęszczenie w miejscach mających wpływ na charakter przepływu i dokładność otrzymanego wyniku. Siatkę modelu z widocznymi wyraźnymi zagęszczeniami wokół łopatek wirnika i wału pokazano na rys. 3.

Rys. 3: Widok siatki obliczeniowej typu trimmed

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 to, że proces mieszania następuje w funkcji czasu, zastosowano obliczenia w stanie nieustalonym. W ich wyniku możliwe jest, przy założonej prędkości obrotowej wirnika, wyznaczenie przebiegu momentu obrotowego, co pozwala na określenie zapotrzebowania mocy przez układ oraz czasu potrzebnego na zmieszanie  użytych w modelu cieczy.

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 pokazano na rys.4 zmiany gęstości mieszających się czynników dla wybranych momentów symulacji.

Rys. 4: Wyniki obliczeń: Rozkład gęstości płynu po czasie mieszania :
a – 0 [s], b – 1 [s], c – 2 [s], d – 5 [s]

Przepływ, a zatem proces mieszania możemy zwizualizować za pomocą linii prądów ukazujących w sposób plastyczny trajektorie i charakter przepływu. Dodatkowo pokolorowanie ich za pomocą wielkości prędkości pozwala określić obszary większej i mniejszej intensywności procesu mieszania. Przykład takiej wizualizacji przedstawiono na rys. 5.

Rys. 5. Linie przepływu w zbiorniku dla czasu mieszania 5 [s]

Narzędzia i możliwości obliczeniowe zaimplementowane we FloEFD pozwalają na 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 interesuje Cię program Solid Edge Flow Simulation, skontaktuj się z nami.