Model numeryczny wirnika osiowego w Star CCM+
Program Star CCM+ służy do numerycznej symulacji dynamiki płynów opartej o szeroką gamę modeli do symulacji, w tym CFD, obliczeniowej mechaniki stałej (CSM), elektromagnetyki, wymiany ciepła, przepływu wielofazowego, dynamiki cząstek, przepływu reakcji, elektrochemii, aeroakustyki i reologii. Jest on najlepszym w swojej klasie narzędziem do symulacji, które zapewnia najbardziej wszechstronny zestaw modeli fizycznych dla inżynierii komputerowej (CAE). W niniejszym artykule przedstawiamy model numeryczny wirnika osiowego w Star CCM+.
Geometria modelu
Przygotowana geometria do obliczeń numerycznych układu przepływowego wirnika osiowego składa się z trzech objętości cieczy: nieruchomej objętości wlotowej i wylotowej oraz objętości wirnika, dla której będzie zadana prędkość obrotowa. Na wlocie do układu zadano warunek typu Mass Flow, natomiast jako warunek wylotowy zastosowano Pressure Outlet – pozwalający na przepływ dwukierunkowy z i do układu. Pomiędzy poszczególnymi objętościami wymiana danych następowała za pomocą warunku Internal Interface. Jako ciecz roboczą ustawiono wodę, której turbulentny przepływ opisano za pomocą modelu k-e. Geometrią modeli przedstawiono na rys.1.
Rys. 1. Geometria numeru numerycznego w Star CCM+
Dyskretyzacja modelu
Kolejnym krokiem do przeprowadzenia obliczeń jest dyskretyzacja modelu za pomocą siatki elementów skończonych. W Star CCM+ mamy do dyspozycji trzy rodzaje siatek: Tetrahedra – siatka czworościenna, Polyhedral – siatka wielościenna, Trimmed – siatka sześciościenna. Program dopuszcza użycia wielu rodzajów siatek dla jednego modelu. I z tej właściwości skorzystano w przykładowym modelu. W objętości wlotu i wylotu, jako geometrii o mało złożonym kształcie, zastosowano siatkę typu Trimmed, dodatkowo zagęszczoną w miejscach mających wpływ na charakter przepływu. Siatkę modelu pokazano na rys.2.
Rys. 2. Dyskretyzacja modeli: wlot, wylot, siatka typu trimmed; wirnik siatka polyhedralna w Star CCM+
Z uwagi na złożoność kształtu wirnika, do dyskretyzacji jego objętości zastosowano siatkę polyhedralną, powstającą na bazie siatki Tetrahedra, wykorzystując wszystkie jej zalety w umiejętności szybkiego odwzorowywania kształtu złożonej geometrii. Jednak Polyhedral stanowiąc siatkę wyższego rzędu powoduje, że przy mniejszej liczbie elementów uzyskujemy dokładniejszy wynik. Dodatkowo, w celu zwiększenia dokładności wpływu warstwy przyściennej na profil przepływu, zagęszczono siatkę wokół powierzchni łopatek elementami pryzmatycznymi. Uzyskany efekt dyskretyzacji pokazano na rys.3.
Rys. 3. Siatka wirnika z zagęszczonymi elementami wokół łopatek w Star CCM+
Wyniki obliczeń CFD
W Star CCM+ obliczenia możemy prowadzić w sposób ustalony lub nieustalony, uwzględniający wpływ czasu na proces przepływu. Obliczenia niniejszego przykładu, z uwagi na relatywnie mało złożony charakter przepływu i krótki czas obliczeń, przeprowadzono w sposób ustalony. W ich wyniku możliwe jest, przy założonym przepływie masowym i wartości ciśnienia na wlocie do układu, wyliczenie ciśnienia na wylocie z układu i momentu obrotowego wirnika koniecznego do jego uzyskania. Pozwala to po zastosowaniu odpowiednich zależności na wyznaczenie sprawności wirnika. Wielokrotne powtórzenie obliczeń numerycznych na tym samym modelu, dla zadanych wartości przepływu masowego, umożliwia uzyskanie charakterystyki ciśnienia i sprawności w funkcji przepływu.
Oprócz uzyskania wskazanych wartości skalarnych, program umożliwia wizualizację obliczonego przepływu. Możemy wyświetlić, na zadanych płaszczyznach, rozkłady ciśnień, rozkłady prędkości w postaci pół lub wektorów oraz linie prądów wizualizujących w sposób plastyczny trajektorie i charakter przepływu. Przykład możliwości wizualizacji pokazano na rys.4.
Rys. 4. Wyniki obliczeń: linie przepływu, rozkład prędkości oraz ciśnień statycznych w Star CCM+
Narzędzia i możliwości obliczeniowe zaimplementowane w Star CCM+ pozwalają efektywne przeprowadzenie analizy CFD dla maszyn wirnikowych. Program pozwala na obliczenia nawet bardzo złożonych zagadnień, nie tylko urządzeń wirnikowych tj. śruby okrętowe, mieszalniki, wentylatory, pompy, ale jest szeroko stosowany w innych branżach z przemysłu maszynowego, samochodowego czy lotniczego.
Opracowanie: Wojciech Plutecki
Masz pytania dotyczące Star CCM+? Skontaktuj się z nami