Sprzężona analiza termiczno – przepływowa w środowisku Simcenter 3D Cz. II
Analiza termiczno – przepływowa (thermal coupling) daje możliwość wykonania sprzężonych obliczeń termicznych i przepływowych w celu przeprowadzenia badań z zakresu zarządzania procesami termicznymi z uwzględnieniem konwekcji swobodnej i wymuszonej, powiązanej z przepływem cieczy. Sprzężona analiza przepływu umożliwia wykrycie gorących obszarów konstrukcji i optymalizację kształtu ścianek przepływu, wymagających szczególnej uwagi na wczesnych etapach projektowania.
Poniższy artykuł jest drugim z trzech artykułów poświęconym tematyce analiz z wykorzystaniem środowiska Simcenter 3D (NX CAE) z uwzględnieniem modułów Thermal, Flow. W pierwszym artykule przedstawiono trzy sposoby wyznaczania domeny przepływu, która jest niezbędna do przeprowadzenia sprzężonej analizy. Analiza termiczno – przepływowa, opisana poniżej, zaprezentowana została na przykładzie zaworu dostarczonego przez jednego z naszych klientów, firmę POLNA SA z Przemyśla.
Z wykorzystaniem środowiska Simcenter 3D (NX CAE) przygotowana została domena przepływu z poziomu pliku idealizowanego w strukturze plików obliczeniowych. W analizie sprzężonej wzięto pod uwagę dwa obiekty. Pierwszy z nich zawiera domenę przepływu, drugi pozostałą geometrię, która powstała w wyniku zastosowania polecenia operacji Boole’a, Suma -> połączenie korpusu zaworu wraz z wewnętrznymi częściami zespołu tworząc jednolitą bryłę (rys. 1).
Podczas tworzenia plików obliczeniowych, należy zwrócić uwagę na ustawienia solwera oraz rozwiązania z poziomu pliku …SIM w strukturze plików obliczeniowych. Wykorzystano środowisko Simcenter Thermal/Flow oraz rozwiązanie Sprzężony przepływ ciepła (rys. 2).
Przechodząc do pliku obliczeniowego …FEM w strukturze plików obliczeniowych i wykorzystując polecenie Siatka czworościenna 3D, przygotowano siatkę obliczeniową zaworu (rys. 3).
W miejscach, w których następuje przewężenie należy spodziewać się wzrostu prędkości przepływu i z tego powodu, w celu zagęszczenia siatki w tym obszarze, utworzono na wybranych powierzchniach domeny przepływu zagęszczoną siatkę 2D, z wykorzystaniem elementów czterowęzłowych typu QAUD 4 (rys. 4). Elementy te posłużyły jako referencyjne do generowania warstwy przyściennej, co przedstawiono w dalszej części artykułu.
W celu określenia warstwy przyściennej, zdeklarowano polecenie sterowania siatką z wyborem w oknie dialogowym typu Warstwa graniczna, którą przypisano analogicznie na tych samych powierzchniach, na których utworzono poprzednio siatkę 2D (rys. 5).
Definicję wysokości pierwszej warstwy elementów w warstwie granicznej przedstawiono w oknie dialogowym Sterowania siatką (rys. 5). Grubość pierwszej warstwy została zadana przykładowo. W rzeczywistości wysokość ta zależna jest od bezwymiarowego współczynnika wysokości pierwszego elementu zwanego parametrem Y+, który definiowany jest wzorem [1]:
Dla dokładnej analizy wielkość parametru Y+ =1 jest wystarczająca. Należy również wspomnieć, że wielkość ta zależna jest również od zastosowanego modelu turbulencji.
W środowisku Simcenter 3D (NX CAE) dostępne są następujące modele turbulencji:
- Laminar (Laminarny)
- Fixed Turbulent Viscosity
- Mixing length (Mieszania)
- k-ε
- k-Ω
- SST — shear stress transport
- LES — large eddy simulation (Metoda dużych wirów)
Przed utworzeniem warstwy przyściennej, warto zapoznać się z podręcznikiem użytkownika danego oprogramowania CFD odnośnie nakładania siatki w modelowaniu turbulencji [3].
W celu utworzenia siatki objętościowej 3D, na domenie przepływu wykorzystano ponownie polecenie Czworościenna 3D. Program generując siatkę objętościową w domenie przepływu, tworzy elementy sześciościenne należące do warstwy przyściennej, elementy przejściowe piramidki oraz elementy czworościenne (rys. 6). Całościową siatkę objętościową 3D przedstawia rys . 7.
W przypadku solwera Thermal/flow w środowisku NX CAE, węzły siatek nie muszą być połączone ze sobą pomiędzy domeną cieczy a obiektem części. Wymiana ciepła na skutek konwekcji możliwa jest dzięki użyciu opcji Połącz rozłączone siatki cieczy. Opcja ta dostępna jest z poziomu pliku …SIM w strukutrze plików obliczeniowychm: edytujac Solution 1, nastepnie w zakładce Przepływ 3D rozwijając zakłądkę -> Dodatkowe parametry znajdziemy wyżej omawianą opcję (rys. 8).
W pliku …SIM w strukutrze plików obliczeniowych przypisano warunki brzegowe takie, jak ciśnienie na wlocie, wylocie wraz z zdefiniowaniem temperatury cieczy. Dodatkowo uwzględniono warunek symetrii przepływu oraz zdefiniowano konwekcję swobodną (oddawanie przez korpus ciepła do środowiska) (rys. 9). Wartość konwekcji swobodnej przy temperaturze otoczenia około 20 C waha się w graniach 5-20 W/m2K [2]. Do analizy przyjęto wartość 15 W/m2K.
Dla tak przygotowanego zespołu zaworu przeprowadzono obliczenia sprzężone termiczno – przepływowe. Wyniki obliczeń w formie rozkładu konturów strugi cieczy (tak zwanych makaronów) temperatur, ciśnienia statycznego, przedstawia rys. 10.
Przeprowadzenie sprzężonej analizy jest istotne, ponieważ pozwala dodatkowo oszacować np. ilość przepływu masowego, który jest bardzo istotny podczas projektowania zaworów dla poszczególnych klientów. Dzięki rozkładom ciśnień możemy również ocenić, w których miejscach następuje niewystarczająca objętość zasilania, a także sprawdzić, czy może dojść do takich zjawisk, jak kawitacja czy flashing. Otrzymując rozkład temperatur na kadłubie, jak również uwzględniając siły nacisku cieczy wewnątrz kadłuba zaworu, można przeprowadzić obliczenia wytrzymałościowe korpusu zaworu.
Sprzężona analiza termiczno – przepływowa na filmie
W celu lepszego zobrazowania poszczególnych kroków wykonywania analizy termiczno – przepływowej w Simcenter 3D przygotowaliśmy specjalny film:
Zapraszamy więc gorąco do odwiedzania naszego bloga, na którym już niebawem pojawi się cześć III analizy termiczno – mechaniczne „Sprzężone analizy termiczno-strukturalne” na powyżej prezentowanym zaworze.
Źródła:
[1] Dziubiński A.: „Generacja siatek obliczeniowych w symulacjach CFD”, Międzyuczelniane Inżynierskie warsztaty lotnicze , 23-27 Września, Bezmiechowa 2010,
[2] Incropera F.P., DeWitt D.P., Bergman T.L., Lavine A.S.: „Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, 6th edition, Wiley, Hoboken (2006),
[3] https://docs.plm.automation.siemens.com/tdoc/nx/10.0.1/nx_help/#uid:xid457884.
opracował
Marek Rudy
marek.rudy@gmsystem.pl