CFD Focus №1'2009 by Denis Khitrykh

Технологии Электронный инженерно-технический журнал по CFD-технологиям

№ 1'Февраль 2009

Первый номер журнала CFD Focus Денис Хитрых

Уважаемые коллеги, мы рады представить вам первый номер электронного инженернотехнического журнала “CFD Focus”. Журнал является логическим продолжением проекта “ANSYS Advantage”, однако имеет более узкую направленность. В первую очередь, мы ориентируемся на специалистов из самых разнообразных отраслей промышленности, использующих в своей повседневной инженерной практике технологии вычислительной гидрогазодинамики (CFD). Мы постараемся публиковать в журнале только актуальные материалы, в том числе статьи и обзоры наших зарубежных коллег. Весь первый номер журнала мы решили посвятить новому релизу программных продуктов ANSYS, Inc., в той его части, которая относится к линейке газодинамических пакетов. Все ваши комментарии и замечания по содержанию журнала вы можете отправлять по адресу denisk@emt.ru.

Новый 12-й релиз программных продуктов ANSYS CFX и Fluent Денис Хитрых

В начале 2009 года планируется выпуск новых релизов программных продуктов ANSYS, Inc. семейства «Fluids Products», к которому относятся ANSYS FLUENT и ANSYS CFX. В 12-м релизе оба указанных программных продукта будут полностью интегрированы в расчетную среду ANSYS Workbench, что позволит пользователю более эффективно организовать процесс проектирования.

чительно упрощает постановку многодисциплинарной задачи или выполнение параметрического анализа конструкции. Кроме этого, полная интеграция подразумевает наличие двусторонней ассоциативной связи газодинамических пакетов с CAD продуктами, усовершенствованные средства геометрического моделирования и генерации расчетной сетки, а также единый и многофункциональный постпроцессор CFD-Post.

Интеграция в ANSYS Workbench

Многодисциплинарность

12-й релиз ANSYS обеспечивает полную интеграцию своих гидрогазодинамических пакетов со средой ANSYS Workbench. Теперь пользователь может выполнять все необходимые операции и действия, связанные с пре- и постпроцессингом, а также с управлением процессом решения в рамках единой расчетной среды, что зна-

В отдельных случаях моделирование течения жидкости или газа может быть осложнено рассмотрением каких-либо дополнительных физических процессов и явлений. В этом отношении оба указанных газодинамических пакета обладают расширенным набором самых разнообразных математических моделей для моде-

СОДЕРЖАНИЕ Новый 12-й релиз программных продуктов ANSYS CFX и ANSYS Fluent.....................1

Численное моделирование теплообмена в каналах с интенсификаторами.................5

www.cfd-focus.ru

Выходит 2 раза в месяц № 1' Февраль 2009 (1) Распространяется бесплатно

Руководитель проекта: Хитрых Денис denisk@emt.ru

Над номером работали: Хитрых Денис Юрченко Денис

CFD Focus | №1'2009

Новый 12-й релиз программных продуктов ANSYS CFX и Fluent

лирования многофазных течений, течения магнитных жидкостей, процессов тепло- и массообмена, горения и пр. Кроме этого, в 12-м релизе значительно упрощена процедура постановки задач взаимодействия жидкости и конструкции (FSI) с использованием возможностей ANSYS Mechanical и ANSYS Workbench. Другое полезное новшество в 12-й версии ANSYS CFX связано с использованием метода погруженной границы (Immersed Boundary) для учета больших перемещений конструкции при моделировании движения жидкости с подвижными твердыми телами в различных конфигурациях. Еще одно полезное усовершенствование в ANSYS CFX связано тонкими поверхностями (Thin Surface/Wall). Теперь, например, можно учитывать в расчетах термическое контактное сопротивление.

Рис. 2. Постановка многовариантного расчета в препроцессоре ANSYS CFX. кретизации уравнений в ANSYS FLUENT появилась схема второго порядка аппроксимации с ограничителями невязких потоков.

Интерфейс Удобство и простота использования программных продуктов ANSYS, Inc. позволяют пользователю намного эффективнее и быстрее решать свои повседневные задачи в ANSYS, чем в конкурирующих продуктах. В 12-й версии наибольшие изменения претерпел графический интерфейс ANSYS FLUENT, что является хорошей основой для более глубокой интеграции этого газодинамического пакета в расчетную среду ANSYS Workbench. При этом сохранилась возможность загрузки FLUENT с традиционным интерфейсом с поддержкой TUI (текстовой строки).

Усовершенствования в решателях Основные усилия ANSYS при работе над 12-й версией были направлены на увеличение скорости решателей для различных приложений и типов расчетов, как стационарных, так и нестационарных. В среднем скорость решателей увеличилась на 10-20% по сравнению с 11-й версией. Также значительно повысилась производительность решателей ANSYS CFX и FLUENT при распределенных вычислениях.

В ANSYS CFX намного упростилась процедура постановки многовариантных расчетов. Теперь достаточно перейти в строку Flow Analysis (произвольное имя – прим ред.) дерева проекта, выполнить команду Duplicate, а затем переопределить все необходимые граничные условия (рис. 2). Обратим внимание, что процедура переопределения может быть распространена не только на граничные условия, но и на расчетную сетку и исходную топологию. В 12-й версии при создании выражений с помощью языка CEL появилась возможность использовать условные операторы IF/ELSE, кроме этого, можно использовать логические выражения для остановки решателя и завершения расчета (опция Termination Control).

В августе 2008 года команда инженеров Luna Rossa Challenge во главе с Ignazio Maria Viola выполнила расчет аэродинамики яхты класса «Кубок Америки» в газодинамическом пакете ANSYS CFX с размерностью задачи более чем 1 миллиард расчетных узлов (рис. 1). Что касается повышения точности расчетов при сохранении устойчивости решателей, то для решения этой проблемы в ANSYS CFX была добавлена новая итеративная схема высокого порядка c ограничителями, а в опциях дис-

Двигатели внутреннего сгорания Компания ANSYS, Inc. продолжила внедрять инновации в область математического моделирования процессов в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Главным образом, эти новшества затронули программный комплекс ANSYS CFX. Во-первых, в препроцессоре появилась дополнительная опция, ориентированная на задачи ДВС, кроме этого упростилась процедура управления процессом перестроения сетки с использованием возможностей внешнего сеточного генера-

Рис. 1. Аэродинамика гоночной яхты: более 1 миллиарда расчетных узлов.

www.cfd-focus.ru

CFD Focus | №1'2009

Технологии тора ICEM CFD . Наконец, в пакете появились дополнительные математические модели горения жидких топлив, например, в дизельных двигателях. Во-первых, это модель ECFM, разработанная Colin O. и Benkenida A. (2003) для пламен частично или полностью перемешанных смесей, учитывающая искривление фронта пламени вследствие крупномасштабной турбулентности, и ее модификация для пламен предварительно не перемешанных смесей – модель ECFM3Z (3-Zones Extended Coherent Flame Model). В последней модели рассматриваются три зоны смешения: область чистого топлива, сгоревших газов и зона свежей смеси, где используется стандартная ECFM модель.

Рис. 3. Пример моделирования двуфазных течений со свободной поверхностью нентов. В 12-ю версию BladeGen было интегрировано еще одно решение компании PCA Engineers Limited для двумерного проектирования радиальных турбин – пакет Vista RT-Design. Препроцессор BladeModeler, предназначенный для построения трехмерной модели лопаточной машины, был дополнен новыми возможностями по объединению множественных компонентов, добавлению в модель галтелей (рис. 4a), осевых и радиальных зазоров и пр. Кроме этого, начиная с 12-й версии DesignModeler можно выполнять настоящее эскизное проектирование лопаточной машины (рис. 4б): создавать параметризованные эскизы проточной части, задавать число и тип лопаток (статорная/роторная), определять тип передней и задней кромок лопаток. Наконец, в 12-ю версию BladeModeler, и, соответственно, в Workbench 2.0 полностью интегрирован расчетный модуль Vista TF для двумерного расчета течения в проточной части турбомашины.

Многофазные течения В 12-й версии FLUENT возможности PCB решателя, которые ранее были ограничены моделированием многофазных течений только в приближении модели свободной поверхности (рис. 3), будут расширены возможностью моделирования многофазных потоков в Эйлеровой постановке, что значительно улучшит процесс сходимости для стационарных задач. ANSYS CFX будет дополнен подсеточной моделью пристеночного кипения, а также возможностью учета дополнительных сил, например, подъемной силы при расчете пузырьковых течений.

Турбомашиностроение Традиционно решения ANSYS широко используются в нефтегазовой отрасли, турбомашиностроении, энергетике. Во многом это связано с расширенными возможностями ANSYS по расчету самых разнообразных лопаточных машин: осевых компрессоров, центробежных насосов, осерадиальных турбин и пр. В 12-ю версию ANSYS было внедрено большое количество дополнений для более устойчивого и точного сопряжения стационарных и вращающихся компо-

Заключение Данная статья носит ознакомительный характер, поэтому в ней описана лишь малая часть новых возможностей ANSYS 12.0. Выход нового релиза ANSYS ожидается не раньше марта текущего года, а первое обновление 12-й версии выйдет предположительно в августе-сентябре 2009 года.

Рис. 4. Усовершенствования в ANSYS: a — добавление галтелей в 3D—модель центробежного колеса, б — ''эскизное проектирование в DesignModeler.

www.cfd-focus.ru

CFD Focus | №1'2009

Обзор расширенных возможностей сеточного генератора ICEM CFD

Обзор расширенных возможностей сеточного генератора ICEM CFD. Часть 1. Денис Хитрых

В настоящей статье мы опишем дополнительные возможности сеточного генератора ANSYS ICEM CFD, используя которые вы сможете «строить» более качественные расчетные сетки за меньший период времени. Мы также кратко расскажем об улучшениях и дополнениях, внесенных в версию 12.0.

большинства дефектов и меньшую для устранения очевидных зазоров и разрывов в геометрии, как это показано на рис. 1. В отдельных случаях вместо опции Build Topology целесообразно использовать опцию Check Geometry, особенно если речь идет о комплексной геометрии. Начните с удаления всех кривых и точек. Создайте отдельную Part для новых поверхностей. При анализе и извлечении поверхностей используйте настройку Low в опции Curvature. Установите значение Ref. Angle равным 10-20. Далее извлечите кривые и точки из всех поверхностей, размещенных в новом Part.

Импорт геометрии Процесс генерации сетки всегда начинается с импорта геометрического модели изделия из CAD комплекса в сеточный генератор. ICEM CFD поддерживает передачу геометрии через следующие популярные форматы: *.sat, *.x_t, *.stp, *.step, *.igs, *.prt, *.dwg, *.sldprt, и др. Кроме этого, существует возможность прямого импорта геометрии из CATIA, SolidWorks, UG, Pro/E, Inventor, OneSpace, SolidEdge. Основное усовершенствование программного комплекса ICEM CFD связано c поддержкой 12-й версией т. н. Workbench Readers, что значительно расширяет список форматов, через которые можно передавать исходную CADгеометрию в сеточный генератор. Кроме этого, теперь напрямую можно загружать в ICEM CFD файлы Design Modeler, Simulation (*.dsdb, *.agdb, *.cmdb) и пр. Также в 12-й версии можно передавать расчетную сетку из ICEM CFD в FE Modeler, что обеспечивает полную интеграцию этого популярного сеточного генератора со всеми модулями Workbench 12.0.

Рис. 1. Примеры дефектов в местах пересечения поверхностей.

Объемные сетки и задание размеров элементов При использовании метода Octree (рис. 2а) следует помнить, что изначально вся расчетная область разбивается на тетраэдрические элементы одного размера, и только потом происходит локальное измельчение сетки в определенных областях геометрии. Поэтому очень важно правильно подобрать значение размера базового объемного элемента. При этом надо учитывать, что Octree всегда округляет размеры объемных элементов, имеющих близкие значения, в меньшую сторону.

Еще одна отличительная особенность 12-й версии ICEM CFD связана с поддержкой именнованных групп выборок (Named Selection), созданных в Design Modeler, Simulation или внешнем CAD-пакете. Эти выборки сохраняются в ICEM CFD в виде т. н. Subset. Для этого при использовании Workbench Readers необходимо в разделе Geometry Preferences поставить галочку напротив опции Create Subset from Named Selection. Затем эти Subsets можно легко преобразовать в Parts с помощью команды Create Part.

Кроме метода Octree ICEM CFD предлагает еще три альтернативных подхода для генерации объемной сетки на основе тетраэдров: Quick, Tgrid и Smooth. Рассмотрим кратко основные достоинства и недостатки указанных методов. Quick (Delaunay): базовый метод генерации т. н. Bottom-up сеток без возможности управления размером объемных элементов, но включающий специальный алгоритм измельчения сетки в скошенных областях. Самый устойчивый и быстрый метод (рис. 2б).

Подготовка геометрии Используя средства ICEM CFD по коррекции и восстановлению геометрии, всегда следует соблюдать определенную осторожность. Например, используя опцию Single curve cleanup лучше руководствоваться следующим правилом: задавать большую точность для исправления

www.cfd-focus.ru

CFD Focus | №1'2009

Технологии

Численное моделирование теплообмена в каналах с интенсификаторами

TGrid: разновидность стандартного метода Delaunay, но с более с «жестким» контролем изменений размеров элементов, находящихся около стенки (поверхности) и «мягким» (нежестким) на удалении от поверхностей (внутри расчетной области). Отсутствует возможность измельчения сетки в скошенных областях. Smooth (Advancing Front): поверхностная сетка должна образовывать замкнутый объем. Отличный от Delaunay метод генерации объемной сетки, позволяющий создавать сетки без резкого

изменения размеров элементов внутри расчетной области с помощью т. н. Expansion Factor (задается в Global Mesh Parameters). Этот метод чувствителен к размерам элементов на ограничивающих поверхностях (рис. 2в). Кроме этого, в программный комплекс ICEM CFD был добавлен еще один метод генерации объемной сетки – метод TGrid AFT, которые обладает большей устойчивостью по сравнению со стандартным алгоритмом TGrid Tetra.

Рис. 2. Сравнение различных методов генерации объемной сетки: a — метод Octree, б — метод Quick, в — метод Smooth.

Численное моделирование теплообмена в каналах с интенсификаторами Денис Юрченко

Практически все инженеры-теплотехники сталкиваются с проблемами при расчете тепломассообмена в каналах с интенсификаторами теплообмена. В данной статье приводятся рекомендации по выбору модели турбулентности, описанию пристеночной области, а также параметрам и характеру расчетной сетки.

Расчеты для данной задачи проводились в двумерной постановке, так как при средних числах Re = 40 000 многими авторами показано наличие квазидвумерного течения. Более того, можно утверждать, что при течении потока в канале с интенсификаторами теплообмен в основном будет определяться именно интенсификаторами, а не вторичными токами. Соотношение параметров интенсификаторов к шагу и высоте исследуемого канала приведено в таблице 1. На наш взгляд, они наиболее часто встречаются в инженерной практике. Данная задача рассматривалась в периодичной постановке (один шаг интенсификаторов). В такой постановке для обеспечения необходимо-

Для решения подобной задачи необходимо было построить геометрию области решения, создать расчетную сетку и экспортировать её в решатель. В качестве геометрического препроцессора использовался программный комплекс Gambit. Кроме того, в нем строилась блочноструктурированная двумерная расчетная сетка, которая затем передавалась в программный комплекс FLUENT 12.0 для выполнения расчета. На рис. 1 представлена расчетная сетка области решения: (а) – «мелкая» – в межреберном пространстве содержится 45 ячеек, по высоте ребра – 20 ячеек с «колоколовидным» законом распределения (Bell Shaped), и (б) – «грубая» – в межреберном пространстве содержится 15 ячеек, по высоте ребра – 7 ячеек; используется аналогичный «колоколовидный» закон распределения.

www.cfd-focus.ru

Рис. 1. Расчетная сетка области решения: a — мелкая, б — грубая.

CFD Focus | №1'2009

40000

P/e

H/e

В результате верификации моделей турбулентности и различных методов описания пристеночной области было выявлено, что стандартная k-e модель турбулентности с методом описания пристеночной области (scalable wall functions) обеспечила наиболее близкое значение числа Nu к определенному по экспериментальным данным [1]. Отличие среднего значения не превысило 15%, что, на наш взгляд, является хорошим результатом. Важным результатом также является удовлетворительная работа данной модели на грубой сетке. Как видно из рис. 2 данная модель по среднему значению числа Nu даже на грубой сетке отличается не более чем на 24% от значения, полученного экспериментальным путем. Стандартная k-e модель турбулентности с методом описания пристеночной области (scalable wall functions) ранее была реализована только в пакете ANSYS CFX, теперь она появится и в 12-й версии FLUENT. Отметим неожиданно неудовлетворительный результат, полученный с использованием SST модели турбулентности: среднее значение числа Nu отличается на 77% от значения, полученного экспериментально при данном режиме течения и характеристиках интенсификаторов.

Таблица 1. Параметры интенсификаторов теплообмена и режима течения го режима течения (числа Re) существует возможность задать либо перепад давления между границами периодичности, либо массовый расход. Кроме того, необходимо задавать опорную температуру потока. Задача решалась в стационарной постановке при помощи Pressure-Based решателя с алгоритмом коррекции давления SIMPLE, параметры релаксаций оставались по умолчанию. Для аппроксимации всех решаемых уравнений использовалась схема второго порядка точности. На нижней границе между интенсификаторами задавался постоянный тепловой поток. В качестве газовой среды был выбран воздух с постоянными теплофизическими свойствами при температуре 25 oС. При решении задач тепломассообмена при выполнении требований по построению расчетной сетки достоверность полученного решения в основном определяется выбором той или иной модели турбулентности. В данном случае было принято решение исследовать проверенные временем инженерные модели турбулентности k-e и SST и их методы описания пристеночной области. В связи с наличием множества присоединенных вихрей при обтекании интенсификаторов, очевидно, необходимо строить расчетную сетку, способную обеспечить достаточное разрешение в областях присутствия таких вихрей, а для адекватного учета теплообмена необходимо обеспечить требуемое значение параметра y+ на стенке. При использовании мелкой расчетной сетки значение безразмерного параметра y+ на стенке не превышало 3, а грубой – 16. Грубую расчетную сетку было интересно рассмотреть с позиции повседневной практики инженера. Не секрет, что обычно сам по себе интенсификатор не является предметом исследования, он занимает лишь небольшое место в общей глобальной задаче тепломассобмена, например, при расчете теплового состояния сложной охлаждаемой лопатки ГТД с каналами охлаждения и перфорацией. В таких задачах использовать большое количество ячеек на один отдельный интенсификатор обычно не представляется возможным. Критериями сходимости являлись невязки (для всех уравнений должны быть ниже 1е-3, для уравнения энергии ниже 1е-6), а также изменение средней температуры на нижней грани области решения между интенсификаторами должно выходить на асимптоту. При определении коэффициентов теплоотдачи в качестве опорной температуры использовалась средняя температура в области решения.

www.cfd-focus.ru

Вторая часть статьи будет опубликована в следующем номере журнала. В ней мы продолжим обсуждение полученных результатов и дадим рекомендации по постановке подобных задач в CFDкомплексах. Список литературы 1. G. J. E. Nicklin. Augmented heat transfer in a square channel with asymmetrical turbulence promotion. Final year project report, Dept. of Mech. Eng., UMIST, Manchester, 1998. 2. Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Копп И.З., Мякочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. – М.: Энегоатомиздат, 1998. - 408 с.: ил.

Рис. 2. Зависимость числа Nu от безразмерного расстояния для различных моделей турбулентности и разной плотности расчетной сетки

CFD Focus | №1'2009