Cel ćwiczenia

Symulacja przepływu turbulentnego ściśliwego (liczba Macha > 0.3) w dyszy zbieżno-rozbieżnej o przekroju kołowym, jak również zapoznanie z opcją dynamicznej adaptacji siatki.

Streszczenie

W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić symulację ustaloqnego przepływu turbulentnego (model k-\(\omega\) SST) z wykorzystaniem solvera density based. Obliczenia należy wykonać dla powietrza traktowanego jako gaz idealny, na stworzonej podczas zajęć siatce, z wykorzystaniem solvera density based, a następnie porównanie wyników przy użyciu solvera pressure based. Wyniki ćwiczenia należy przedstawić prowadzącemu w formie sprawozdania.

Przebieg ćwiczenia

Geometria

Rys.1. Szkic na płaszczyźnie X-Y

Stwórz powierzchnię przedstawioną na rysunku 1.

Siatka obliczeniowa

Rys.2. Nazwy warunków brzegowych wraz z podziałami

  1. Nazwij warunki brzegowe zdognie z rysunkiem 2.

  2. Nadaj podziały zgodnie z rysunkiem 2.

  3. Zadając pionowe podziały, zastosuj opcję bias tak, aby siatka zagęszczała się w kierunku warunku brzegowego wall.

  4. Do powierzchni Powietrze dodaj narzędzie Mapped Meshing (korzystałeś z niej w Instrukcji I )

  5. Manipuluj opcjami programu aby siatka wyglądała jak na rysunku 3.

    Podgląd gotowej siatki

    Rys.3. Gotowa siatka obliczeniowa

Obliczenia w programie Fluent

Przepływ poddźwiękowy

  1. Ponieważ będziemy modelować, ze względu na osiową symetrię, tylko górną połówkę dyszy, ustaw w opcjach wyświetlania odpowiednią płaszczyznę symetrii aby zobaczyć dolną część domeny.

  2. Zmień (dla wygody) jednostkę miary dla ciśnienia na atmosfery ( Setup / General / Units… lub w górnej belce programu Physics / General… / Units…).

  3. Ustaw solver density based (Setup / General), który można używać dla przepływów ściśliwych, transonicznych, w których nie ma regionów o niskiej prędkości przepływu. W przypadkach kiedy w dużym obszarze przepływu prędkość jest niska należy użyć solvera pressure-based (np. opływ profilu/samolotu)

  4. Włącz odpowiedni model turbulencji.

  5. Ponieważ w przepływie ściśliwym występuje znaczna zmiana temperatury ośrodka należy włączyć do rozwiązania równanie energii (włącza się automatycznie przy wyborze odpowiednich właściwości płynu).

  6. Płynem, który będziemy symulować jest powietrze. Zmień gęstość płynu na ideal-gas.

  7. Warunki brzegowe (dwukrotnie klikamy na Boundary conditions w Setup lub Physics/Zones/Boundaries w górnej belce programu.

    1. W Operating Conditions… ustaw Operting pressure (jednostka) na 0 atm (ponieważ ustaliliśmy ciśnienie operacyjne na zero, ciśnienie w warunkach brzegowych będzie ciśnieniem absolutnym)

      Sprawdź w *Fluent Users Guide* rozdział 8.14 lub w przewodniku po Fluencie co to jest operating pressure

    2. Wlot (pressure inlet - używamy kiedy znane jest ciśnienie wlotowe a nieznane są prędkości i wydatki masowe na wlocie)

      1. Gauge Total Pressure 0.9 [atm] (ciśnienie stagnacji)

      2. Supersonic/Initial Gauge Pressure 0.7369 [atm] (wartość ciśnienia statycznego na wlocie w przypadku gdy przepływ stanie się lokalnie naddźwiękowy, również używane do policzenia początkowych wartości ciśnienia, temperatury i prędkości jeśli wlot zostanie wybrany do inicjalizowania przepływu)

      3. Turb intensity 1.5%, viscosity ratio 10

    3. Wylot (pressure outlet - w przypadku przepływu poddźwiękowego pozwala zdefiniować ciśnienie statyczne na wylocie z obszaru obliczeniowego)

      1. gauge pressure 0.7369 [atm]

      2. backflow turbulent intensity 1.5, viscosity ratio 10

  8. Solution / Methods - we wszystkich polach pod dyskretyzacją ustawić równania 1go rzędu.

  9. Solution / Controls

    1. Ustaw liczbę Couranta na 50. Pisząc sprawozdanie, sprawdź czym jest liczba Couranta (jaka jest jej definicja).

    2. W Limits…, ustawić minimalną temp. statyczną na 200 K, a maksymalną na 400 K (wprowadzając limity na rozwiązanie, zmniejszamy prawdopodobieństwo rozbiegnięcia się obliczeń w wyniku osiągnięcia nieprawdopodobnie dużych, bądź też małych wartości).

  10. W celu monitorowania zbieżności rozwiązania, monitoruj różnicę strumienia masy na wylocie i wlocie z dyszy:

    1. Otwórz Solutions / Report Definitions
    2. Użyj opcji New / Surface Report / Mass Flow Rate…
    3. W oknie tworzenia raportu wpisz nazwę oraz zaznacz wlot i wylot Twojej domeny
    4. Zaakceptuj zmiany.

  11. Wyłącz kryterium zbieżności reszt Convergence Criterion = none (Solution / Monitors / Residual). Ta opcja pojawi się po zaznaczeniu Show Advanced Options.

  12. W Solution / Monitors stwórz nowy raport za pomocą opcji Report Plots:

    1. New…
    2. Odpowiednio nazwij wykres
    3. Zaznacz stworzony wcześniej raport i za pomocą opcji Add>> dodaj raport do wykresu.
    4. W opcjach wykresu wybierz:
      • nazwę która pojawi się na wykresie
      • nazwę osi Y (zmiennej którą będziesz monitorował)
      • okno w którym pojawi się wykres (tą opcję możesz pozostawić domyślną
    5. Zaznacz opcję Print to Console abyś mógł dokładnie monitorować zbieżność.

  13. Rozpocznij obliczenia i monitoruj zbieżność strumienia masy. Twoje zdefiniowane okno z wykresem wydatku masowego znajduje się w drugiej zakładce w oknie graficznym.

    Śledź zbieżność na podstawie wyświetlanego wykresu wydatku masowego oraz wartości wydatku masowego w konsoli w dolnej części programu 

Sprawdź w której kolumnie konsoli znajduje się zdefiniowana przez Ciebie zmienna.

    Obliczenia możemy zakończyć gdy wydatek masowy zbiegnie się w okolicy zera. (Zmienna zacznie oscylować w granicy 1e-6)

  14. Aby sczytać wartość różnicy strumieni masy na wlocie i wylocie przejdź do Results / Reports / Fluxes i zaznacz odpowiednie powierzchnie.

  15. Sprawdź czy wyniki obliczeń mają sens bazując na intuicji inżynierskiej. Stwórz wykresy ciśnienia w osi symetrii oraz w najwęższym miejscu kanału (zapisz je w formie obrazka oraz serii danych), kontury ciśnienia i liczby Macha, sprawdź czy w którymś miejscu zachodzi oderwanie (linie prądu / wektory), oraz czy zostaje przekroczona prędkość dźwięku – wykonać odpowiednie wizualizacje.

Przepływ nadddźwiękowy

  1. Przeprowadź symulację dla zwiększonego ciśnienia na wlocie do dyszy (gauge pressure = 1.1 atm). Teraz spodziewamy się wystąpienia przepływu lokalnie znacznie przekraczającego prędkość dźwięku.

Solver pressure based

  1. Przeprowadź symulacje z wykorzystaniem solvera pressure based (jak wcześniej dla dwóch różnych ciśnień wlotowych) i porównaj wyniki. W przypadku wykresów, najłatwiej będzie wskazać różnice, zestawiając wyniki dla obu przypadków w jednym oknie wykresu.

Przepływ nadddźwiękowy - adaptacja siatki

Obliczenia wykonać dla przepływu z ciśnieniem wlotowym 1.1 atm, solverem density based, porównać wyniki z przypadkami: bez zagęszczenia siatki oraz dla solvera density based.

  1. W celu dokładnego rozwiązania równań w miejscach dużych skoków wartości zmiennych włącz automatyczne zagęszczanie siatki (Górna belka programu Domain / Adapt / Automatic…) z opcjami:

    Zanim to zrobisz musisz zainicjalizować rozwiązanie

    1. Stworz warunek dla rozrzedzenia Cell registers / New / Field Variable…

      • Nazwij warunek jako Coarsen

      • Typ wybierz jaki Cell less than

      • Derivative Option ustaw na Gradient

      • Wpisz w polu Cells having value less than wartość 0.3

      • Wybierz ciśnienie statyczne w polu Gradient of

      • w Scaling Option wybierz Scale by Zone Average (gradient będzie porównywany z lokalną średnią prędkością.)

      • Save

        Ten warunek będzie oznaczał komórki w których gradient ciśnienia statycznego znajdzie się poniżej 0.3.

    2. Stworz warunek dla zagęszczenia Cell registers / New / Field Variable…

      • Nazwij warunek jako Refine
      • Typ wybierz jaki Cell more than
      • Derivative Option ustaw na Gradient
      • Wpisz w polu Cells having value more than wartość 0.7
      • Wybierz ciśnienie statyczne w polu Gradient of
      • w Scaling Option wybierz Scale by Zone Average (gradient będzie porównywany z lokalną średnią prędkością.)
      • Save

      Ten warunek będzie oznaczał komórki w których gradient ciśnienia statycznego znajdzie się powyżej 0.7.

    3. W polu Frequency(Iteration), wpisz Interwał 100 iteracji (adaptacja siatki nastąpi raz co 100 kroków);

    4. W polu Refinement Criterion wybierz Twój warunek Refine

    5. W polu Coarsening Criterion wybierz Twój warunek Coarsen

    6. Wejdź w opcję General Adaption Controls i w polu Maximum Refinement Level wpisujemy 2.

    7. Warto w tym miejscu zapisać przypadek obliczeniowy. Jeżeli fluent modyfikuje siatkę, skutki są nieodwracalne. Jeżeli po modyfikacji będzie niezadowalająca, trzeba będzie zaczynać od zera.

  2. Rozpocznij obliczenia i monitoruj zbieżność strumienia masy.

  3. Po dokładnie 100 iteracjach (tak wynika z ustawień z pkt. 1b) powinna nastąpić adaptacja siatki, w celu sprawdzenia czy wszystko działa poprawnie przerwij obliczenia po ~ 110 iteracjach. Sprawdź jak wygląda siatka. Jeśli można zauważyć miejsca zagęszczenia / rozrzedzenia oczek to znaczy, że ustawienia dotyczące dynamicznej adaptacji siatki są poprawne. W przeciwnym przypadku powtórz ustawienia adaptacji, pkt. 1.

    Podgląd gotowej siatki

    Rys.4. Zagęszczona siatka obliczeniowa

  4. Kontynuuj obliczenia. W przypadku adaptowanej siatki zbieżność wydatku masowego może już nie być taki gładki. Przerwij obliczenia w zadowalającym momencie.

  5. Dokonaj analizy wyników.