Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobem modelowania przepływów trójwymiarowych oraz obróbka trójwymiarowych wyników graficznych.

Streszczenie

Zadanie polega na wyznaczeniu opływu wokół skrzydła typu delta ustawionego pod dużym katem natarcia (30°), wyposażonego w śmigło, umieszczone w szczelinie. Przepływ odbywa się w zamkniętej przestrzeni tunelu aerodynamicznego i posiada płaszczyznę symetrii. Wymiary tunelu 150x200x600 cm. Przepływającym czynnikiem jest powietrze o prędkości V=10m/s i ciśnieniu p=101325 Pa. Model rozważany w tym ćwiczeniu jest właściwie półmodelem, w którym odwzorowano tylko połowę skrzydła delta oraz połowę kręgu śmigła. Tym samym założono przepływ symetryczny względem płaszczyzny XZ.

Przebieg ćwiczenia

Geometria

  1. W środowisku workbench stwórz nowy system obliczeniowy - Fluid Flow(Fluent).

  2. Otwórz Design Modeler klikając prawym przyciskiem myszy na komórkę Geometry.

  3. Ustaw jednostki na centymetry

  4. Stwórz nowy szkic na płaszczyźnie X-Y. Narysuj geometrię połowy skrzydła delta tak jak na załączonej ilustracji.

Rys.1. Szkic 1 na płaszczyźnie X-Y

  1. Stwórz powierzchnię na podstawie utworzonego szkicu.

  2. W ten sposób utworzyliśmy bardzo proste skrzydło delta a dokładnie jego połowę. Płaszczyzna X-Z będzie lustrzanym odbiciem skrzydła.

  3. Teraz trzeba utworzyć powierzchnię śmigła zastępczego.

  4. Utwórz szkic na płaszczyźnie Y-Z

  5. Wewnątrz szkicu, za pomocą narzędzia Arc by Center, stwórz półokrąg według załączonej ilustracji.

Rys.2. Szkic 2 na płaszczyźnie Y-Z

    UWAGA: Aby utworzyć powierzchnie śmigła, obwód musi być zamknięty. 
    
    Nie zapomnij domknąć półokręgu linią!

  1. Utwórz powierzchnię na podstawie szkicu.

  2. Obecnie skrzydło delta jest na 0 kącie natarcia. Nalezy zmienić kąt natarcia naszego skrzydła o 30 stopni

    Z menu kontekstowego Create wybieramy Body Transformation następnie Rotate.

    Rys.3. Obrót

    Wybieramy geometrie do obrotu. To można zrobić na dwa sposoby (patrz rysunek).

    • Z wciśniętym ctrl, wybieramy interesujące nas elementy w ostatnim menu w drzewie historii (Patrz rysunek)
    • Zaznaczamy powierzchnie w oknie graficznym. Jeżeli w momencie zaznaczenia elementu pod naszym kursorem znajdują się inne elementy, w lewym dolnym rogu okna graficznego rozwinie się graficzna reprezentacja tych elementów. Reprezentowane elementy będą wyświetlone w postaci warstw. Pierwsza od lewej warstwa reprezentuje element znajdujący się najbliżej użytkownika, ostatni od lewej element znajdujący się najdalej od użytkownika. Najechanie kursorem na odpowiednią warstwę podświetli reprezentowany element. Klikając odpowiednią warstwę wybieramy interesującą nas powierzchnie. (Patrz rysunek)

    Rys.4. Sposoby zaznaczania

    Wybieramy skrzydło delta i wirnik.

    Następnie wybieramy oś obrotu. To też można zrobić na dwa sposoby (Patrz rysunek).

    Rys.5. Sposoby wskazania osi obrotu

    • W menu płaszczyzn w drzewie historii (tam gdzie znajdują się szkice), wybieramy płaszczyznę prostopadłą do naszej osi obrotu.

    • W oknie graficznym, na naszym rysunku, znajdują się przerywane linie reprezentujące osie układu współrzędnych. Klikamy na odpowiednią oś.

      Kolorowy układ współrzędnych znajdujący się w dolnym prawym rogu okna graficznego, służy tylko do manipulacji kamerą.

    Po zaznaczeniu osi, w oknie graficznym pojawią się strzałki wyboru kierunku osi. Klikamy aby odpowiednio zorientować oś obrotu. Oś musi być tak zorientowana, żeby nasze “skrzydło”, obracając się, zadarło “nos” w kierunku osi Z.

    Wpisujemy kąt obrotu naszych powierzchni.

    Generate

  3. Ostatnim krokiem jest utworzenie objętości powietrza.

  4. W menu kontekstowym Create przejdź do menu Primitives i wybierz opcję Box.

    — Początek Diagonale
    X -250 cm 600 cm
    Y 0 cm 150 cm
    Z -80 cm 200 cm

    Warto ustawić Operation - Add frozen

    Generate

    Jeżeli figura nie będzie przezroczysta od opcji **Add frozen** i wszystko nam przysłoni, należy w menu kontekstowym wybrać - View -> Wireframe. Wtedy zmienimy sposób reprezentowania widoku na szkieletowy.

  5. Z powstałych elementów tworzymy złożenie. We wspomnianym wcześniej menu elementów, ostatnim w drzewie historii, wybieramy wszystkie elementy i za pomocą prawego przycisku myszki wybieramy form new part.

Dla chętnych

  1. Stwórz kolejny Box

    — Początek Diagonale
    X 0 cm 200 cm
    Y 0 cm 35 cm
    Z -20 cm 35 cm

    Warto ustawić Operation - Add frozen

    Generate

    W momencie tworzenia złożenia (punkt 14), nie dodawaj tej bryły do złożenia. Po punkcie 14 powinny być 1 złożenie (part) i jedna bryła (Solid).

---
  1. Wychodzimy z DesignModeler

Siatka obliczeniowa

  1. Otwieramy moduł Mesh.

Rys.6. Nazwy warunków brzegowych

  1. Na wstępie nadajmy nazwy warunków brzegowych (Patrz rysunek). W analizie trójwymiarowej naszymi warunkami brzegowymi są powierzchnie. Metoda zaznaczania powierzchni jest taka sama jak w systemie zaznaczania w DesignModelerze. Po zaznaczeniu powierzchni wcisnamy n na klawiaturze i wypełniamy nazwę warunku brzegowego.

    UWAGA zauważ, że design modeler podzielił naszą powierzchnie śmigła na dwie części. W górnej belce w zakładce Display możemy wyświetlić kierunek linii opcją Direction w polu Edge. Dzięki temu możesz się upewnić czy obydwie powierzchnie są tak samo zorientowane (Zasada prawej dłoni). Orientacja naszej powierzchni śmigła jest ważna w obliczeniach.

    • Jeżeli obie powierzchnie są tak samo zorientowane zaznaczmy je razem i nazywamy razem.
    • Jeżeli orientacje powierzchni różnią się od siebie. Nazwijmy je dodając cyfrę - fan_1, fan_2.

  2. Przejdźmy do ustawień siatki.

  3. W drzewie historii, w menu Mesh:

    • Zakładka Defaults - Upewaniamy się, że Physics Preference jest ustawione na CFD.
    • Zakładka Sizing:
      • Włączamy opcje Capture Curvature (powierzchnia wirnika jest okrągła)

  4. Wygeneruj siatkę. Sprawdź czy geometria skrzydła jest odwzorowana.

  5. Zaznacz powierzchnię skrzydła oraz powierzchnię wirnika. Utwórz dla nich element Sizing:

    • Type: Element size
    • Element size: 10 mm (Dla osób ze słabszym sprzętem 20mm)
    • Behavior: Hard

    Generate

  6. Utwórz kolejny element typu Sizing:

    • Scope/Geometry zaznacz bryłę reprezentującą powietrze. Upewnij się, że zaznaczasz objętość a nie powierzchnię
    • Type: Sphere of Influence
    • Sphere Radious: 500 mm
    • Element size: 30 mm (Dla osób ze słabszym sprzętem 50mm)

    Generate

     Przyjrzyj się siatce. Co się zmieniło?
Dla chętnych ciąg dalszy

  1. Utwórz kolejny element typu Sizing:

    • Scope/Geometry zaznacz bryłę reprezentującą powietrze. Upewnij się, że zaznaczasz objętość a nie powierzchnię
    • Type: Body of influence
    • Bodies of Influence: Zaznaczamy stworzoną dodatkową objętość w punkcie 13
    • Element size: 30 mm

    Generate

     Znów przeanalizuj zmianę, zastanów się po co stworzyliśmy dodatkowe zagęszczenie.

  1. Wychodzimy z programu Mesh

Obliczenia w programie Fluent

  1. Otwieramy program fluent

  2. Wstępne ustawienia solvera:

    • Dimension: 3d
    • Display Mesh After Reading

  3. Ustawienia warunków analizy:

    • General:
      • Type: Pressure-Based
      • Time: Steady
    • Models
      • Model turbulencji: Spalart-Allmaras
    • Materials
      • Powietrze z standardowymi ustawieniami
    • Cell zone conditions
      • Upewnij się, że materiałem w domenie jest powietrze
    • Boundary conditions (kliknij dwukrotnie na menu lub w belce górnej w zakładce Physics, wejdź w Boundaries z polu Zones)

      • Inlet - 10 m/s, intensywność turbulencji 2%, skala turbulencji 0.5 cm.

      • Symmetry - sprawdź czy został załozony odpowiedni warunek

      • Wing - upewnij się, że dla skrzydła ustowiony został warunek ściany

        Przy ustawieniu warunku brzegowego na wall zauważ, że fluent stworzy drugą powierzchnię. Zastanów się dlaczego.

      • fan

        • Sprawdź w jaki kierunek ma normalna na powierzchni wirnika (Składowa X wektora), jeżeli normalna jest w złym kierunku zmień ją zaznaczając opcję Reverse Fan Direction.
        • W menu rozwijanym Pressure Jump (jednostka) wybierz constant
        • W tym momencie przeprowadzimy obliczenia bez śmigła - wpisujemy 0.0

      • Outflow - domyślne ustawienia

  4. Ustawienia solvera:

    • Methods:
      • Schemat: Coupled
    • Monitors/Residual
      • Domyślne wartości zbieżności

  5. Zainicjalizuj standardową metodą inicjalizacji

    Jako punkt odniesienia wybierz wlot.

  6. Prowadź obliczenia aż do osiągnięcia oczekiwanej zbieżności. (W zakładce Run Calculation zmień tylko Number of Iterations w polu Parameters)

     Ze względu na obliczenia trójwymiarowe, czas obliczeń będzie zauważalnie większy.

  7. Stwórz wizualizacje przepływu Twojej analizy. Zastanów się jakie wizualizacje najwięcej powiedzą o stworzonej analizie. Zaprezentuj je.

Rys.7. Jedna z wizualizacji przepływu

  1. Wyjdź z programu fluent. Przy wychodzeniu z programu zaznacz drugą odpowiedź. Pozwoli to na zachowanie wszystkich ustawień postrocesingu (wizualizacji i obróbki danych).

Rys.8. Opcje zapisu

  1. Zduplikuj system obliczeniowy.

  2. "“Włącz śmigło” - W warunku brzegowym fan wpisz wartość 200 Pa (patrz punkt 3).

  3. Zainicjalizuj przypadek i prowadź obliczenia aż do osiągnięcia oczekiwanej zbieżności.

  4. Powtórz wizualizacje i porównaj z wynikami bez śmigła.