Как задать авторотация вращение подвижного тела flowvision
Перейти к содержимому

Как задать авторотация вращение подвижного тела flowvision

  • автор:

Моделирование работы и определение эксплуатационных характеристик компрессоров, турбин, вентиляторов с помощью программного комплекса FlowVision

Современные программные комплексы вычислительной гидродинамики (CFD) позволяют решать широкий спектр задач, одной из которых является моделирование работы таких устройств, как компрессоры, вентиляторы, турбины, водометные двигатели, пропеллеры и т.д. (рис. 1). Проектирование подобных устройств включает значительное количество исследований, целью которых обычно является определение эксплуатационных характеристик, нагрузок на рабочие элементы конструкции, формы и количества лопаток для реализации максимального КПД. Существует несколько вычислительных пакетов, в которых реализованы подходы к моделированию течения жидкости и газа под действием вращающихся элементов аппаратов. Одним из таких CFD­пакетов, позволяющих эффективно решать поставленные задачи, является российский комплекс FlowVision.

Рис. 1. Центробежные компрессоры и вентиляторы

Рис. 1. Центробежные компрессоры и вентиляторы

Постановка задачи

В программном комплексе FlowVision разработан ряд моделей и модулей, которые позволяют моделировать работу перечисленных выше устройств, в том числе с учетом сопряженного теплообмена между вращающимся рабочим колесом, жидкостью и другими элементами конструкции. Это, в частности, позволяет определять не только эксплуатационные характеристики устройства, но и гидродинамические и температурные нагрузки в рабочих частях конструкции.

Рис. 2. Подвижные тела

.

Рис. 2. Подвижные тела

Рис. 3. Технология

Рис. 3. Технология
скользящих сеток

В FlowVision реализованы два принципиально разных по методу моделирования подхода к решению указанных выше задач:

  • первый способ основан на прямом моделировании с использованием модуля подвижного тела (рис. 2). В рамках данного подхода вращающиеся элементы устройства определяются как подвижные тела с заданным законом движения — вращением относительно оси колеса;
  • второй способ базируется на технологии скользящих сеток. В этом случае элементы проточной части конструкции задаются как отдельные расчетные подобласти (рис. 3). «Колесо» и окружающие его элементы устройства, представляющие собой поверхности вращения, считаются во вращающейся системе координат, а остальная часть — в неподвижной системе координат. На границе стыковки областей расчета и реализуется технология скользящих сеток.

При моделировании одной или нескольких непересекающихся друг с другом вращающихся областей скользящие сетки имеют преимущество, связанное с особенностями данной технологии. Однако существуют устройства, в которых есть две или более пересекающиеся между собой подвижные детали, вращающиеся с различными скоростями. К таким устройствам, например, относится шестерёнчатая гидромашина (рис. 4), принцип действия которой основан на совместном вращении двух шестерёнок со скоростями, направленными в противоположные стороны. В данном случае использование технологии скользящих сеток невозможно, так как вращающиеся области будут перекрывать друг друга. Моделирование работы подобных устройств возможно только на основе модуля «подвижное тело».

Рис. 4. Схема работы шестерёнчатой гидромашины

Рис. 4. Схема работы шестерёнчатой гидромашины

Построение расчетной модели

Модель движения жидкости и газа

Моделирование течения жидкостей и газов во FlowVision основано на решении уравнений Навье — Стокса, дополненных уравнениями сохранения массы, турбулентности и, если необходимо, теплопроводности (рис. 5).

Рис. 5. Модель движения жидкости

Рис. 5. Модель движения жидкости

Моделирование с использованием модуля подвижного тела

Использование модуля подвижного тела подразумевает наличие нескольких, в общем случае, геометрических моделей, одна из которых представляет собой проточную часть устройства, а другие — твердотельные модели вращающихся деталей. Последние вводятся в FlowVision самостоятельно как импортированные объекты и с помощью модификатора наделяются свойствами твердых тел (рис. 6).

Рис. 6. Импортированный объект и модификаторы — подвижные тела

Рис. 6. Импортированный объект и модификаторы — подвижные тела

Рис. 7. Метод подсеточного разрешения геометрии

Рис. 7. Метод подсеточного разрешения геометрии

Построение расчетной сетки имеет ряд особенностей. Во FlowVision, в отличие от широко распространенного способа решения таких задач с использованием криволинейной лагранжевой расчетной сетки, отслеживающей движение тела, используется альтернативный подход — расчет на неподвижной эйлеровой расчетной сетке. Этот подход позволил уйти от перегенерации расчетной сетки во всей области расчета на каждом шаге интегрирования по времени, для чего, как известно, необходимы значительные вычислительные затраты, а следовательно, большая вычислительная мощность компьютера.

При построении расчетной сетки используется метод подсеточного разрешения. На каждом шаге по времени на основе нового положения подвижного тела происходит анализ расчетной сетки, в ходе которого ячейки, полностью попадающие внутрь подвижного тела, выключаются из расчета. Если через расчетную ячейку проходит граница подвижного тела, то ячейка обрезается этой поверхностью, превращаясь в сложный многогранник (рис. 7).

Таким образом, при моделировании полностью сохраняется форма границ расчетной области без искажения. Дополнительно на границах подвижного тела для более детального моделирования возможно задание адаптации расчетной сетки (рис. 8). В этом случае программа будет отслеживать изменения положения тела в расчетной области и проводить дополнительное измельчение сетки на границах вращающихся деталей устройства.

Рис. 8. Адаптация на подвижных телах

Рис. 8. Адаптация на подвижных телах

Положение подвижного тела при решении подобных задач определяется законом движения тела. Вращение подвижного тела моделируется заданием скорости вращения или внешнего момента. Задавать указанные величины можно либо константами, либо переменными значениями в зависимости, например, от времени с помощью формул или таблицы (рис. 9).

Рис. 9. Задание скорости вращения, внешнего момента

Рис. 9. Задание скорости вращения, внешнего момента
и степени свободы подвижного колеса

Рис. 10. Определение скорости вращения, момента

Рис. 10. Определение скорости вращения, момента
и углового положения колеса

В первом случае, когда задана частота вращения, можно определить момент, действующий на вращающийся элемент со стороны жидкости (рис. 10). В случае задания внешнего момента можно определить частоту вращения колеса/винта из условия равенства нулю суммарного момента, действующего на колесо/винт (внешний момент плюс момент со стороны жидкости/газа) — см. рис. 10. Для этого необходимо задать степень свободы относительно оси вращения, подключив опцию Гидромомент (см. рис. 9).

В заключение отметим, что возможность задания переменных значений скорости вращения, а также внешнего момента позволяет моделировать переходные процессы в работе устройства, связанные, например, с исследованием динамики перехода с одного режима работы на другой или с различными нештатными ситуациями.

Моделирование с использованием технологии скользящих сеток

Геометрическая модель при применении технологии скользящих сеток представляет собой проточную часть со встроенными вращающимися деталями. На этапе подготовки задачи средствами программного комплекса FlowVision вся область разбивается на несколько частей, условно называемых «ротор» и «статор» (рис. 11). Граница разбиения в этом случае не является конструктивным элементом устройства, а представляет собой вспомогательную поверхность вращения, которая разделяет общую расчетную сетку на несколько частей. Ряд сеток будет вращаться вместе со своими вращающимися элементами устройства, другие останутся неподвижными. На границе стыковки «ротора» и «статора» производится сшивка результатов расчета. С таким подходом к решению задачи изменение расчетной сетки при изменении положения вращающегося тела не происходит, так как сетка в «роторе» вращается за подвижными деталями устройства. В этом смысле применение технологии скользящих сеток имеет преимущество перед использованием модуля подвижного тела, так как решение в ячейках вращающейся сетки будет носить практически стационарный характер.

Рис. 11. Конические скользящие поверхности

Рис. 11. Конические скользящие поверхности

Рис. 12. Плоская скользящая поверхность

Рис. 12. Плоская скользящая поверхность

Форма границы раздела расчетной области на «статор» и «ротор» должна представлять собой либо плоскость, либо поверхность вращения. Во избежание лишних погрешностей при сшивке результатов на скользящей поверхности рекомендуется использовать наиболее простые поверхности (рис. 11 и 12). Если того требует задача, можно задавать несколько скользящих поверхностей. При проведении разбивки требуется помнить главное — поверхность скольжения должна однозначно разбивать расчетную область на две части.

Задание вращения в данном случае осуществляется путем создания локальной вращающейся системы координат с заданной скоростью вращения колеса, куда переносится вся соответствующая расчетная подобласть «ротор». В настройках подобласти и ее граничных условиях, соответствующих подвижным деталям, следует указать их принадлежность к локальной вращающейся системе координат.

Рис. 13. Режим Авторотация

Рис. 13. Режим Авторотация

В настоящий момент технология скользящих сеток в FlowVision включает возможность решения нестационарных задач, связанных с переменной частотой вращения, изменение которой обусловлено воздействием на вращающиеся элементы устройства внешних и гидродинамических моментов. Режим Авторотация (рис. 13), реализующий эту возможность, обеспечивает решение дифференциальных уравнений вращения твердого тела при заданных его инерционных характеристиках.

Если процесс сходимости решения задачи занимает большой промежуток времени, его стараются сократить путем задания ненулевого начального распределения, например, скоростей и давления. В сложных конструкциях такое распределение предугадать трудно, а иной раз и невозможно. Для решения данного вопроса в FlowVision в рамках технологии скользящих сеток введен дополнительный инструмент — Замороженный ротор, при помощи которого можно получить близкое к реальному начальное распределение рассчитываемых величин. Причем сделать это можно и на достаточно грубой расчетной сетке. При использовании Замороженного ротора отключается обновление положения вращающейся сетки относительно неподвижной, что заметно уменьшает время расчета одной итерации (рис. 14).

Рис. 14. Расположение инструмента Замороженный ротор

Рис. 14. Расположение инструмента Замороженный ротор
в настройках FlowVision

Сравнение результатов расчета с использованием двух подходов

В качестве примера приведены результаты моделирования одноступенчатого центробежного компрессора с помощью модуля подвижного тела и по технологии скользящих сеток. В качестве результатов для сравнения приведены графики переходного процесса изменения давления на выходе из состояния с заданными начальными данными в рабочий режим (рис. 15).

Рис. 15. Изменение во времени давления на выходе

Рис. 15. Изменение во времени давления на выходе

Из графика видно, что результаты, полученные с применением технологий скользящих сеток и подвижного тела, близки к экспериментальным данным. Погрешность численно полученных обоими подходами результатов, по сравнению с данными физического эксперимента, не превышает 5%, а сходимость решения для обоих подходов достигается за равное расчетное время.

Дополнительно для данной задачи приведены распределения давления и скоростей в плоскости колеса (рис. 16 и 17).

Рис. 16. Распределение давления в плоскости рабочего колеса

Рис. 16. Распределение давления в плоскости рабочего колеса

Рис. 17. Распределение скорости в плоскости рабочего колеса

Рис. 17. Распределение скорости в плоскости рабочего колеса

Заключение

Программный комплекс FlowVision позволяет успешно проводить моделирование течения жидкости и газа при работе различных устройств с вращающимися элементами. Разработанные два независимых подхода решения задач — модуль подвижного тела и технология скользящих сеток — имеют одинаковую функциональность и сходимость с физическим экспериментом.

Вращательное движение

Опубликовано: 04 ноября 2016

  • Функционал FV

Существует большое количество расчетных задач, которые моделируют явления, происходящие в различных вращающихся агрегатах или около них. При постановке подобной численной задачи важно выбрать способ описания вращения в численной модели, который будет корректен с точки зрения физики и оптимален с точки зрения производительности вычислений. FlowVision позволяет задавать вращение различными способами: с помощью вращающейся локальной системы координат; с помощью подвижных тел; с помощью скользящих поверхностей. С целью помочь пользователю разобраться с постановкой такого типа задач, рассмотрены примеры задач разного типа, начиная с физико-математических основ.

1. Кинематика вращательного движения

1.1. Вращательное движение материальной точки

Вращательное движение материальной точки (м.т.) вокруг неподвижной оси – это движение материальной точки по окружности радиуса R, центр которой лежит на неподвижной относительно данной системы отсчета прямой (ось вращения), перпендикулярной плоскости, в которой лежит траектория точки.

Material point rotation

Рис.1.

Вращательное движение тела вокруг неподвижной оси — движение тела, при котором все его точки, двигаясь в параллельных плоскостях, описывают окружности с центрами, лежащими на одной неподвижной прямой, называемой осью вращения. Тело, совершающее вращательное движение, имеет одну степень свободы, и его положение относительно данной системы отсчёта определяется углом поворота φ между неподвижной полуплоскостью и полуплоскостью, жёстко связанной с телом, проведёнными через ось вращения.

axis of rotation

Рис.2.

1.2. Угол поворота

Угол φ считается положительным, если он отложен от неподвижной плоскости в направлении против хода часовой стрелки (для наблюдателя, смотрящего с положительного конца оси Az), и отрицательным, если по ходу часовой стрелки. Чтобы знать положение в любой момент времени, надо знать зависимость угла φ от времени t, т.е. φ=f(t).

1.3. Основные кинематические характеристики вращательного движения

Основными кинематическими характеристиками вращательного движения являются угловая скорость и угловое ускорение .
Угловая скорость и угловое ускорение величины векторные. Вектор угловой скорости направлен вдоль оси вращения в ту сторону, откуда вращение видно происходящим против хода часовой стрелки (рис.3). Такой вектор определяет сразу и модуль угловой скорости, и ось вращения, и направление вращения вокруг этой оси. Аналогично углу поворота, когда вращение происходит против хода часовой стрелки (для наблюдателя, смотрящего с положительного конца оси Az) ω>0, а когда по ходу часовой стрелки, то ωpic3aа) pic3bб) pic3cв)

1.4. Прочие кинематические характеристики

Скорость точки M на расстоянии R от оси (рис.2):

Тангенциальная составляющая ускорения точки M (рис.3б):

Нормальная составляющая ускорения точки M (рис.3б):

Полное ускорение точки M (рис.3б):

Формула Эйлера (рис.3в):

2. Силы инерции, действующие на материальную точку во вращающейся системе отсчета

2.1. Материальная точка, покоящаяся во вращающейся системе отсчета

Если рассмотреть движение вращающейся точки M, то относительно неподвижной системы координат (СК) XYZ (рис.4а) силу, действующую на неё можно определить из второго закона Ньютона: . Относительно вращающейся системы координат X’Y’Z’ точка M неподвижна (рис.4б). Это обеспечивается тем, что равнодействующая сил уравновешивается инерциальной силой (центробежной): .

rotation in global and local frame of reference

Рис.4 (а,б)

2.2. Материальная точка, движущаяся во вращающейся системе отсчета

Если же точка движется во вращающейся системе отсчета, то помимо центробежной силы на неё действует ещё одна сила инерции – сила Кориолиса (рис.5). Направление силы Кориолиса определяется правилом правого винта.

Coriolis force

Рис. 5.

Таким образом, при переходе от основной неподвижной СК к локальной СК, которая является вращающейся системой отсчета, появляются дополнительные составляющие вектора силы, которые действуют на материальную точку: центробежная сила и сила Кориолиса .

3. Задание вращения во FlowVision

В данном разделе рассматривается элементы дерева проекта в ПреПроцессоре FlowVision, в которых могут быть заданы параметры, определяющие вращение.

3.1. Задание параметров, определяющих вращение для локальной системы координат
3.1.1. Задание самой локальной системы координат (ЛСК)

Локальные системы координат-> Локальная СК #

— Начало: задаются координаты начала ЛСК в глобальной системе координат

— Оси: задаются значения проекций направляющих векторов осей X и Y локальной системы координат на оси глобальной системы координат. При этом не обязательно вводить нормированные значения, программа автоматически нормирует их. При вводе данных для одной из осей, например X , программа автоматически корректирует значения для второй оси. Ввод данных для оси Z вообще не предусмотрен — она строится автоматически по данным, введенным для осей X и Y таким образом, чтобы она была перпендикулярна осям X и Y и образовывала бы с ними правый базис (рис.6.).

Right basis

Рис. 6.

3.1.2. Задание вращения в ЛСК

Локальные системы координат-> Локальная СК # ->Вращение->Вращение #

— Скорость: Задается угловая скорость вращения ω, в рад/с (с-1)

— Центр: Задается положение центра вращения в локальной системе координат

— Направление: Задаются проекции направляющего вектора оси вращения на оси ЛСК. При этом не обязательно вводить нормированные значения, программа автоматически нормирует их.

3.2. Задание вращения на регионе

formula

При задании на Регион локальной системы координат и вращения, задача переводится во вращающуюся систему отсчета. При этом согласно п.2 на вещества в расчетной области, действует центробежная сила и сила Кориолиса . Уравнение Навье-Стокса дополняется соответствующими составляющими:

Для корректной постановки задачи, внешние границы Региона должны быть поверхностями вращения или связанным ГУ с назначенным периодическим условием связи (рис. 7).

image23

Рис. 7.

Граничные условия по умолчанию остаются заданными в глобальной системе координат. Поэтому для нужных ГУ (поверхности, которые вращаются в глобальной системе координат) необходимо задать вращение (см. 3.4.).

3.3. Задание вращения на граничном условии

При задании вращения на ГУ подразумевается добавление к скорости поверхности, заданной в Граничном условии , дополнительной тангенциальной составляющей , тогда вектор скорости данной точки границы можно определить как . На рис.8 представлен пример при задании вращения на ГУ Стенка: трение на стенке увлекает поток в попутном направлении.

rotation on the wall

Рис. 8.

На рис.9 представлен пример, в котором на ГУ Вход/Выход задано вращение и нормальная массовая скорость, поэтому результирующие вектора скорости направлены под углом к соответствующим нормалям окружности. Поверхность ГУ, на котором задается вращения не обязательно должна являться поверхностью вращения.

image28

Рис. 9.

3.4. Задание вращения на регионе и граничном условии

В случае задания на Регионе ЛСК и Вращения мы рассматриваем движение в относительной системе координат, значит добавляем в расчет центробежную и Кореолисову силы, а задавая ЛСК и Вращение на ГУ мы добавляем тангенциальную составляющую скорости на поверхностях этого ГУ. Таким образом, для решения задачи в локальной системе координат вращающихся поверхностей (например ротора), необходимо задание ЛСК+Вращение на Регионе, а так же задание ЛСК+Вращение на тех ГУ, поверхности которых так же вращаются относительно глобальной системы координат. На всех остальных поверхностях (неподвижных в глобальной системе координат) ничего задавать не нужно. Поверхности, которые неподвижны в глобальной системе координат, включая внешние границы региона должны быть поверхностями вращения, а «вращающиеся» поверхности могут быть любыми.

3.5. Задание вращения на подобласти

Вращение на подобласти (ЛСК и Вращение) задается в случае использования «скользящей поверхности» для той подобласти, в которой будет использована вращающаяся система координат. При этом, как и в случае задания вращения на регионе согласно п.3.2 на вещества в этой подобласти, действует центробежная сила и сила Кориолиса и уравнение Навье-Стокса дополняется соответствующими составляющими (см. п.3.2).

3.6. Задание вращение для модификатора «Подвижное тело»

Для подвижного тела может быть задан любой вид движения, в том числе и вращение.
Вращение здесь задается проекциями вектора угловой скорости на оси глобальной (абсолютной) системы координат (ωx, ωy, ωz) , а центр вращения задается либо совпадающим с центром инерции, либо координатами в локальной системе координат объекта.

4. Отображение результатов

FlowVision отображает скорость и другие векторные переменные в спутной системе координат. Это – глобальная (абсолютная) СК, совпадающая в данный момент времени с локальной (относительной) СК.

visualization

Поэтому пользователь видит геометрическую модель расчетной области в локальной (относительной) СК, а векторные переменные — в абсолютной СК (Рис. 10.). Однако для векторов существует также возможность отображения в относительной СК (Рис. 10.). Для этого необходимо задать параметры необходимой системы отсчёта в свойствах слоя «Векторы» в разделе Движущаяся СК.

5. Подходы к моделированию вращающихся систем: в абсолютной (неподвижной) и в относительной (вращающейся) системе координат

В зависимости от особенности и сложности моделируемого физического явления, происходящего в жидкости или газе, оно может быть смоделировано, как в абсолютной (неподвижной) (рис. 4а), так и в относительной (вращающейся) (рис. 4б) системе координат.

5.1. Моделирование вращающихся систем в абсолютной (неподвижной) системе координат

В данном случае подразумевается, что расчетная область или её часть (подобласть) вместе с частицами жидкости или газа рассматриваются в абсолютной (неподвижной) системе координат, в инерциальной системе отсчета (рис. 4а). Но при этом, в данном объеме могут существовать тела (поверхности), которые испытывают вращение.

5.1.1. В рамках данного подхода можно корректно описывать движение жидкости или газа около любого вращающегося твердого тела, моделируемого как модификатор «Подвижное тело». При этом задается закон вращения для «Подвижного тела» (см. п. 3.6.).

5.1.2. Таким же образом, без перехода в относительную систему координат, можно описать движение жидкости или газа около тела (поверхности) вращения, вращающегося вокруг своей оси вращения. При этом, необходимо задать вращение на ГУ, соответствующем данной вращающейся поверхности (см. п. 3.3.). Корректность подхода не теряется, при любом изначальном направлении потока жидкости или газа относительно данного тела.

5.2. Моделирование вращающихся систем в относительной (вращающейся) системе координат

В данном случае подразумевается, что расчетная область или её часть (подобласть) вместе с частицами жидкости или газа рассматриваются в относительной (вращающейся) системе координат, в неинерциальной системе отсчета (рис. 4б). В таком случае на частицы жидкости или газа действуют силы инерции (см. п.2.1., 2.2.).

Таким образом можно описать, движение жидкости или газа около тела, поверхности которого могут не являться поверхностью вращения, а само вращение происходит вокруг любой оси. При этом, чтобы учесть силы инерции, необходимо задавать для расчетной области (регион) или её части (подобласти) локальную вращающуюся систему координат (для региона см. (п.3.2, 3.4) для подобласти 3.5).

6. Типовые постановки задач с вращением во FlowVision

6.1. Движение жидкости или газа около тела (поверхности) вращения, вращающегося вокруг своей оси вращения

Данный тип задач удобно решать в рамках похода, описанного в п.5.1. (5.1.2).

Задается ЛСК (начало и направление осей) в которой добавляется Вращение, для которого указывается Скорость, Центр и направление вращения (см. п.3.1).

Задаётся вращения на поверхности. ЛСК и Вращение устанавливаются на граничном условии выделенной «вращающейся» поверхности – на этой поверхности предполагается добавление тангенциальной скорости ω*R (см. п.3.3.).

а. поверхность на которой задается вращение в ЛСК должна быть поверхностью вращения, а само вращение происходит вокруг оси данного тела вращения

б. Ограничение для моделирования теплопередачи: в случае задания ЛСК и Вращение на поверхности стенки или связанного граничного условия, необходимо учитывать, что локальный источник тепла не будет вращаться вместе с поверхностью и нагрев поверхности и области вблизи нее будет локальным, а не равномерным.

Пример: Вращение колес автомобиля:

Задача — прямое движение автомобиля. Рассмотрим движение автомобиля в системе координат автомобиля, т.е. в расчетной области автомобиль неподвижен – его движение моделируется скоростью набегающего потока, которая равна скорости автомобиля и с учетом ветра.

Во внешний объем «Автомобиль» вставляется как импортированный объект на котором задается модификатор «Подвижное тело». Т.к. сам автомобиль/объект не двигается в расчетной области, в его свойствах отключается обновление (рис.11).

Для учета движения-вращения колес задается вращение на поверхностях колес с использованием ЛСК.

Т.к. колеса автомобиля имеют разные оси вращения (ось передних и оси задних колес) то ЛСК задаются для каждой пары колес. В каждой ЛСК задается Вращение (вектор угловой скорости). Создаются отдельные граничные условия для каждой пары колес для которых в свойствах выбираются соответствующие ЛСК и Вращение (рис.12).

Движение грузовика

Вращение колес

Рис.11. Движение грузовика. Задание вращения колес в ЛСК.

Вращенеи колес в ЛСК

Рис.12. Движение грузовика. Задание вращения колес в ЛСК.

Примечание: для данной задачи движения автомобиля необходимо учитывать движение покрытия дороги относительно автомобиля, это можно сделать несколькими способами:

— выделением дороги отдельным граничным условием и заданием для него условия проскальзывания для скорости

— ЛСК с заданием в ней движения. Значение скорости задается компонентами вектора скорости в ЛСК и будет соответствовать скорости автомобиля с противоположным знаком.

6.2. Движение жидкости или газа около тела произвольной формы, вращающегося вокруг любой оси

Данный тип задач можно решать в рамках похода, описанного в п.5.2.

Задается ЛСК (начало и направление осей) в которой добавляется Вращение, для которого указывается Скорость, Центр и направление вращения (см. п.3.1).

Задается вращение внешней области по отношению к вращающемуся телу. На Регионе задаются ЛСК и Вращение – это означает «включение» центробежной и Кориолисовой сил в уравнениях Навье-Стокса (см. п.3.2.). На граничном условии «вращающейся» поверхности также задаются ЛСК и Вращение (геометрия «вращающейся» поверхности может быть любой) (см. п.3.4.).

а. геометрия не вращающихся тел, в том числе и внешние поверхности Региона, должны быть строго поверхностями вращения или связанным ГУ с назначенным периодическим условием связи

б. Ограничение для моделирования теплопередачи: в случае задания ЛСК и Вращение на поверхности стенки или связанного граничного условия, необходимо учитывать, что локальный источник тепла не будет вращаться вместе с поверхностью и нагрев поверхности и области вблизи нее будет локальным, а не равномерным.

Пример: Вращение лопастей ветровой установки с заданной угловой скоростью:

Рассмотрим задачу вращения лопастей ветровой турбины:

  • Задается ЛСК + Вращение (ω – const)
  • Задается ЛСК и Вращение на Регионе
  • На поверхности лопаток задается отдельное граничное условие с заданием на нем ЛСК и Вращение
  • Скорость набегающего потока задается на отдельном граничном условии в абсолютной системе координат.

Вращение в ЛСК

Рис.13. Моделирование ветровой турбины (Вращение на регионе и ГУ (поверхности лопаток)).

Задание вращения в ЛСК

Рис.14. Задание вращения на граничном условии (поверхности лопаток).

Примечание: Лопатки могут вставляться как «подвижное тело» (с отключенеим обновления) так и быть частью основной геометрии Региона (как подобласть). В случае, если лопасти вставляются во внешнюю подобласть как импортированный объект, то они могут быть встроены в основную геометрию (Импортированный объект > Встроить в основную геометрию). После вставки формируется вторая подобласть. В первой же подобласти (которая будет расчетной) добавляются поверхности лопаток.

6.3. Движение жидкости или газа около любого вращающегося твердого тела, моделируемого как модификатор «Подвижное тело».

Данный тип задач представляет поход, описанный в п.5.1. (5.1.1.).

Тело будет физически вращаться, перестраивая каждый шаг расчетную сетку. Вращающееся тело вставляется во внешнюю расчетную область как импортированный объект, на котором устанавливается Модификатор «Подвижное тело».

Вращение с заданной угловой скоростью задается вектором угловой скорости (компонент вектора X, Y и Z в глобальной СК) (см.п.3.5.) в свойствах Модификатора-Подвижное тело. Задание компонент вектора угловой скорости возможно формулой с помощью Редактора формул, зависящей от различных параметров, в том числе и расчетных.

Вращение так же может быть задано под действием гидродинамических сил. Для этого необходимо задать гидромоменты для соответствующих осей вращения, а также массово-инерционные характеристики, и, при необходимости, добавить ограничители для вращения – например, задать пространственную ось двумя точками в свойствах модификатора подвижного тела в ограничителях Степени свободы, тип – «2 степени свободы».

Ограничения: Задание движения подвижных тел весьма затратный метод в плане вычислительных ресурсов, поскольку подвижное тело изменяет свое положение на каждой итерации и происходит перестроение сетки вблизи подвижного тела – это существенно увеличивает время счета. Однако, подвижные тела становятся единственной возможностью моделирования в случае очень сложных законов движения или в составе сложных устройств.

6.3.1. Вращение лопастей вертолета вокруг оси Z с постоянной угловой скорость.

Во внешний объем-Регион вставлены три импортированных объекта: основное тело вертолета и две лопасти. Для каждого импортированного объекта задан Модификатор-Подвижное тело. Отметим, что вторую лопасть можно создать как копию первой, где в свойствах подвижного тела изменить начальное положение – поворот вокруг оси Z на 180 градусов.

Для основного тела вертолета в свойствах подвижного тела отключено обновление — тело включено в расчет, но для него не задается движение.
Для лопастей вертолета задаем значения компонент вектора угловой скорости. В данном случае Wz.

Т.к. у нас несколько лопастей, которые имеют одинаковую угловую скорость, то для удобства создаем пользовательскую переменную со значением угловой скорости, и уже в свойствах для каждой из лопастей, угловая скорость задается с помощью редактора формул – присваиваем компоненте Z созданную пользовательскую переменную (Рис.2.2.). При необходимости изменяем значение угловой скорости только в одном месте – пользовательская переменная — меняем значение пользовательской переменной. Пользовательские величины могут быть и константами и переменными величинами, а также возможно задание вектора.

Шаг по времени задается числом КФЛ: поверхностный КФЛ = 1.

Вращение лопастей

Рис.15. Вращение лопастей вокруг оси Z.

Задание вращения для лопасти

Рис.16. Задание вращения для лопасти 1.

Примечание: для минимизации количества расчетных ячеек при построении сетки вокруг вращающихся подвижных тел можно использовать следующий прием: помимо адаптации по поверхности можно задавать адаптацию в объеме цилиндра, окружающего лопасть (см. Рис.17). Для данных цилиндров следует задать Движение:Вращение синхронное с вращением лопастей. Установить Адаптацию-Слитие до нулевого уровня во всем объеме – сетка перестраивается каждую итерацию и не накапливается ненужных ранее проадаптированных ячеек.

Вращение для объектов

Рис.17. Задание вращения для объектов адаптации.

6.3.2. Свободное вращение лопастей под действием набегающего потока.

Лопасти ветровой турбины вращаются за счет скорости набегающего потока. В данном примере учтены геометрия как вращающихся частей ветровой турбины – лопасти, так и не вращающиеся части – гондола и мачта.

Свободное вращение

Рис.18. Свободное вращение лопастей ветровой турбины под действием потока воздуха.

Во внешний объем-Регион вставляются три импортированных объекта: лопасти, гондола и мачта. Для каждого импортированного объекта задается модификатор «подвижное тело».

В свойствах модификатора подвижного тела для лопастей задается:

  • инерционные и массовые характеристики,
  • включаются гидромоменты – либо все, либо, как в данном случае, только MZ.
  • задается время начала действия моментов — 0.

Ограничители задавать нет необходимости, т.к. лопасти вращаются вокруг только одной из главных осей Z.

Для гондолы и мачты в свойствах подвижного тела отключается обновление (тела неподвижны).

6.4. Сложное вращение вокруг нескольких осей. Задание переменной угловой скорости

Помимо простого вращения (вокруг одной оси) возможны варианты задач с заданием более сложного вращения – тело вращается вокруг нескольких пространственных осей.

В этом случае, мы в каждый момент времени задаем один вектор угловой скорости – мгновенную угловую скорость. Этот вектор является суммой всех векторов угловых скоростей в данный момент времени.

Мгновенный вектор угловой скорости

Рис.19. Мгновенный вектор угловой скорости.

Например, имеем вращение вокруг двух осей W1 и W2. На текущий момент суммой данный векторов является вектор W. Для вращающегося тела задаем вращение компонентами вектора W (Wx, Wy, Wz — проекции на оси X,Y,Z).

6.4.1. Вращение тела вокруг двух осей с постоянной угловой скоростью

Тело вращается вокруг оси Z с постоянной угловой скоростью, а также вокруг собственной оси, которая отклонена от оси Z на некоторый угол A.

Вращение вокруг двух осей

Рис.20. Пример 3.1. Вращение тела вокруг двух осей.

Для задания мгновенной угловой скорости необходимо знать положение осей вращения в каждый момент времени. Т.к. угловая скорость W1 постоянная, то мы можем найти положение собственной оси в любой времени и спроецировать на оси X, Y, Z. Затем можем сложить обе скорости покомпонентно.

Задание компонент скорости вращения

Рис.21. Задание компонент мгновенной угловой скорости.

где «-W2*sin(A)*sin(W1*Time)» — проекция вектора W2 на ось X;
«-W2*sin(A)» – проекция вектора W2 на плоскость XY;
«W1*Time» – угол поворота вокруг оси Z [рад];
Time – текущее время.

Таким же образом находим проекции вектора W2 на оси Y и Z. Далее суммируем компоненты обеих угловых скоростей, получаем:
Wy=W2*sin(A)*cos(W1*Time)
Wz=W2*cos(A) + W1

6.4.2. Вращение лопастей вертолета вокруг оси Z c добавлением поворота лопастей вокруг собственной оси в заданный момент времени

Рассмотрим вариант вращения лопастей вертолета с угловой скосротью W1, причем через некоторые промужутки времени каждая из лопастей поворачивается на заданный угол (будем задавать поворо плавно со скоростью Wb1 и Wb2).

Поворост лопастей вертолета

Рис.22. Пример 3.2. Вращение лопастей вокруг оси Z.

Задаем вращение для каждой из лопастей как сумму двух векторов угловой скорости W1 и Wb (см. пример 6.4.1).

задание угловой скосроти

Рис.23. Задание компонент мгновенной угловой скорости.

Т.к. поворот вокруг собственной оси лопатки осуществляется не постоянно, а только в определенный момент времени и сам поворот имеет конечный угол, то зададим значение Wb как глобальную переменную в виде условия, зависящего от времени или как в данном случае от итераций.

задание Wb

Рис.24. Задание угловой скорости зависящей от итераций.

где «StepNumber» – текущая итерация;
«T» – номер итерации на которой необходимо начать вращение лопасти вокруг собственной оси;
«(T+10)» – номер итерации на которой вращение лопасти вокруг собственной оси прекратится, т.е. через 10 итераций;
«w0» – угловая скорость, необходимая для поворота лопасти вокруг собственной оси на определенный угол (в данном случае за одну итерацию) [рад];
«w0/10» –данная угловая скорость повернет лопатку за 10 итераций (время действия угловой скорости) на необходимый угол, таким образом лопатка плавно повернется.

Примечание: Если использовать зависимость от итераций при задании угловых скоростей, то необходимо задавать шаг по времени постоянным и не менять его в течение счета.

Для более точного определения углов поворота или номера итерации удобно использовать пользовательские переменные, вычисляя значения формулой. Например, 30 градусов можно задать в радианах как формулу – (30*2*PI/360). Либо найти номер итерации через 2,5 оборота лопастей вокруг оси Z – (trunc((2,5*2*PI/Wz)/TimeStep)).

6.5. Вращение с использованием скользящих поверхностей

Поскольку вращение подвижных тел более затратный в плане вычислительных ресурсов метод по сравнению с вращением в подобласти, то в версии 309 появилась возможность задания вращения с использованием скользящих поверхностей.

Данный метод представляет поход, описанный в п.5.2.

Выделяется подобласть, которая будет вращаться в ЛСК относительно другой неподвижной подобласти, причем разделяющая их поверхность – «скользящая поверхность» связывает эти подобласти по всем переменным с учетом вращения.

Вращение лопастей ветровой установки с постоянной угловой скорость с использованием скользящей поверхности.

Геометрия лопаток гондолы и мачты вставлена как основная геометрия.

Пример: Вращение лопастей ветровой установки с постоянной угловой скорость с использованием скользящей поверхности.

Геометрия лопаток гондолы и мачты вставлена как основная геометрия.

Вращенеи лопастей ветровой установки

Рис.25. Вращение лопастей ветровой установки.

Необходимо выделить область, которая будет вращаться в ЛСК с учетом всех требований к геометрии. В данной задаче необходимо отделить объем с лопатками и носом от гондолы и мачты.

Вставка скользящей поверхности

Рис.26. Создание дополнительной подобласти с помощью скользящей поверхности.

При создании проекта, делается следующее:

  • создается сеточная геометрия скользящей поверхности в CAD системе или средствами FV. В случае, когда скользящая поверхность пересекается с основной геометрий, то необходимо оставить ее не замкнутой и максимально приближенной к основной геометрии;
  • геометрия для создания скользящей поверхности вставляется как «Импортированный объект»;
  • создается ЛСК и Вращение;
  • создается скользящяя поверхность (папка Скользящие поверхности) на базе импортированного объекта. Для скользящей поверхности задается ЛСК и Вращение. Далее скользящяя поверхность вставляется в расчетную область, в результате чего, образуется дополнительная подобласть;
  • скользящие поверхности в обеих подобластях выделяются отдельными граничными условиями, для которых задется тип ГУ — связанное;
  • связывание подобластей — создаются условия связи с типо связи – Скользящая поверхность;
  • задаются ЛСК и Вращение на вращающейся Подобласти;
  • на ГУ поверхностей вращающихся лопаток задается ЛСК и Вращение.

Ограничения: геометрия, с которой пересекается скользящая поверхность д.б. основной геометрией, а не подвижным телом. Невращающающиеся части во вращающиейся подолжасти д.б. телами вращения. При построении сетки необходимо, чтобы ячейки были одинаковыми с обеих сторон скользящей поверхности, если необходима адаптация, то ее следует проводить в обеих подобластях.

6.6. Обращенное вращение

По аналогии с задачами внешней аэродинамики, где зачастую полет тела моделируется в обращенной постановке (поток движется на встречу тела) можно решать некоторые задачи с вращающимися телами. Например, движение тела в бассейне по окружности можно рассмотреть, как движение потока навстречу покоящемуся телу (Рис. 27). Такую задачу нельзя решить рассматривая только часть бассейна (сектор) используя Постановку 6.2, так как левая и правая граница расчетной области не являются ни телами вращения и не могут считаться периодическими поверхностями.

Пример: Задание движения тела в бассейне по окружности в секторной постановке

Движение тела по окружности - секторная постановка

Рис.27.

  • на входном граничном условии задается профиль скорости, соответствующий ω*r;
  • в обращенной постановке вместе с потоком жидкости относительно тела также движутся и границы бассейна, поэтом необходимо задание вращения для этих границ с той же частотой ω.

Основные возможности FlowVision

Обновлено: 23 августа 2023

Краткое техническое описание FlowVision

Основные возможности:

  • до-, транс-, сверх- и гиперзвуковое трехмерные течения
  • стационарные/нестационарные задачи
  • ньютоновская и неньютоновская жидкость
  • многоскоростное приближение
  • морфология: сплошная, дисперсная (пузыри, частицы, капли)
  • инерциальная/неинерциальная система координат
  • моделирование турбулентности:
    • k-Epsilon стандартная/квадратичная;
    • k-Epsilon низкорейнольдсовая;
    • k-Epsilon FV низкорейнольдсовая квадратичная;
    • Shear Stress Transport;
    • Spalart-Allmares;
    • LES Смагоринского;
    • ILES подход;
    • ламинарно-турбулентный переход;
    • пристеночные функции
    • поверхностное натяжение;
    • первичное дробление;
    • слияние капель в несущую фазу;
    • перенос капель
    • изо- и анизотропная теплопроводность;
    • естественная и вынужденная конвекция;
    • сопряженный теплообмен;
    • диффузионный лучистый теплообмен P1;
    • излучение методом дискретных ординат
    • тепловой пограничный слой;
    • Джоулево тепло;
    • объемные источники тепловыделения
    • модель Зельдовича;
    • модель кинетическая;
    • модель турбулентная;
    • модель пульсационная;
    • модель EDC;
    • модель NOx;
    • дефлограция/детонация
    • модель горения угля
    • перенос несмешиваемых/смешиваемых компонент;
    • испарение частиц;
    • осаждение пленки на поверхность
    • обледенение поверхности самолета
    • кавитация
    • эффект Марангони;
    • стационарный ЭМГД
    • учет теплопереноса;
    • учет кривизны;
    • управление вязкостью;
    • электропроводимость

    Расчетная сетка:

    • ортогональная сетка
    • динамическая локальная адаптация на границе, в области, по решению и градиенту
    • подсеточное разрешение геометрии
    • пристеночное призматическое разрешение пограничного слоя

    Подвижные тела:

    • произвольный закон движения тела в пространстве
    • учет аэрогидродинамических и инерционных сил на движение тела
    • учет контактного воздействия

    Сопряжение подобластей:

    • нестационарное сопряжение типа Ротор-Статор (Скользящая поверхность):
      • сопряженный теплообмен по скользящей поверхности;
      • сопряжение типа «Frozen Rotor»;
      • моделирование режима авторотации;
      • поддержка множества осей вращения с различной пространственной ориентацией и глубиной вложенности
      • секторная постановка с осреднением по скользящей поверхности

      Многодисциплинарное моделирование и оптимизация :

      • передача распределения давления и температуры в пакеты прочностного анализа, основанных на методе конечных элементов и получение от них деформированной геометрии и распределения температуры:
        • автоматическая двухсторонняя связь с SIMULIA Abaqus, MSC Nastran, АПМ WinMachine;
        • ручной экспорт нагрузок в SIMULIA Abaqus, Ansys Mechanical и Nastran;

        Препроцессор :

        • чтение геометрической модели из сеточных форматов STL, VRML, MESH, ABAQUS, ANSYS, NASTRAN, Star CD cel, VTK, CEDRE NGEOM
        • чтение геометрической модели из параметрических форматов IGES, STEP
        • Булевы операции над телами, трансформация геометрии
        • автоматическая диагностика импортированной геометрии и ее ручная и автоматическая коррекция
        • База веществ с возможностью ее расширения и редактирования
        • задание пользовательских зависимостей через Редактор формул

        Граничные условия :

        • вход/выход: скорость, давление, полное давление, расход
        • стенка: прилипание, проскальзывание, шероховатость, сопряжение, адиабатическая, с заданной температурой, тепловой поток
        • симметрия, скользящее, периодика, сопряженное, неотражающие
        • задание параметров с помощью аналитической зависимости или табличного распределения

        Постпроцессор:

        • способы визуализации течения на границах области, пользовательских импортированных поверхностях, плоскостях и в объеме: графики, вектора, изолинии, цветовые контура, изоповерхности, линии тока, объемная визуализация
        • интегральные, распределенные и локальные характеристики в сечении, на поверхности и в объеме
        • пакетная обработка результатов для создания анимации нестационарных течений
        • пользовательские переменные
        • источники освещения
        • off-line визуализация
        • визуализация решения в процессе счета
        • передача данных в пакет EnSight

        Численный метод :

        • метод конечного объема
        • схема конвективного переноса повышенного порядка точности
        • расщепление уравнений Навье-Стокса на подсистему для компонент скорости и уравнение для давления
        • явная и неявная схемы решения
        • крыловский GM-RES метод сверхлинейной сходимости
        • алгебраический многосеточный метод
        • неявная робастная схема решения уравнений с возможность их решения с CFL>>1 для задач в широком диапазоне чисел Маха

        Документация :

        • русскоязычная документация с гиперссылками
        • отдельное печатное издание

        Параллельные вычисления:

        • распределенные вычисления + многопоточный режим
        • поддержка различных библиотек MPI (MPICH, Intel MPI, Microsoft MPI и прочее) в том числе пользовательских
        • автоматическая декомпозиция расчетной области
        • динамическая внешняя балансировка;

        Архитектура и платформа:

        • платформа Microsoft Windows XP и выше, Linux
        • 64-битная адресация памяти
        • сетевая «плавающая» лицензия
        • MPI библиотеки межпроцессорной коммуникации
        • многоядерное/многопоточное распараллеливание
        • OpenGL кросс-платформенная визуализация

        Системные требования и установка:

        • Операционные системы: Linux/ Windows 64bit,
        • Процессоры x86 архитектуры или процессоры Эльбрус 4 и 8 версии.
        • Подробная документация о системных требованиях и способах установки FlowVisionдоступна по ссылке.

        Вращательное движение — Типовые задачи с вращением в FV

        Опубликовано: 04 ноября 2016

        • Функционал FV

        Страница 3 из 3

        5. Подходы к моделированию вращающихся систем: в абсолютной (неподвижной) и в относительной (вращающейся) системе координат

        В зависимости от особенности и сложности моделируемого физического явления, происходящего в жидкости или газе, оно может быть смоделировано, как в абсолютной (неподвижной) (рис. 4а), так и в относительной (вращающейся) (рис. 4б) системе координат.

        5.1. Моделирование вращающихся систем в абсолютной (неподвижной) системе координат

        В данном случае подразумевается, что расчетная область или её часть (подобласть) вместе с частицами жидкости или газа рассматриваются в абсолютной (неподвижной) системе координат, в инерциальной системе отсчета (рис. 4а). Но при этом, в данном объеме могут существовать тела (поверхности), которые испытывают вращение.

        5.1.1. В рамках данного подхода можно корректно описывать движение жидкости или газа около любого вращающегося твердого тела, моделируемого как модификатор «Подвижное тело». При этом задается закон вращения для «Подвижного тела» (см. п. 3.6.).

        5.1.2. Таким же образом, без перехода в относительную систему координат, можно описать движение жидкости или газа около тела (поверхности) вращения, вращающегося вокруг своей оси вращения. При этом, необходимо задать вращение на ГУ, соответствующем данной вращающейся поверхности (см. п. 3.3.). Корректность подхода не теряется, при любом изначальном направлении потока жидкости или газа относительно данного тела.

        5.2. Моделирование вращающихся систем в относительной (вращающейся) системе координат

        В данном случае подразумевается, что расчетная область или её часть (подобласть) вместе с частицами жидкости или газа рассматриваются в относительной (вращающейся) системе координат, в неинерциальной системе отсчета (рис. 4б). В таком случае на частицы жидкости или газа действуют силы инерции (см. п.2.1., 2.2.).

        Таким образом можно описать, движение жидкости или газа около тела, поверхности которого могут не являться поверхностью вращения, а само вращение происходит вокруг любой оси. При этом, чтобы учесть силы инерции, необходимо задавать для расчетной области (регион) или её части (подобласти) локальную вращающуюся систему координат (для региона см. (п.3.2, 3.4) для подобласти 3.5).

        6. Типовые постановки задач с вращением во FlowVision

        6.1. Движение жидкости или газа около тела (поверхности) вращения, вращающегося вокруг своей оси вращения

        Данный тип задач удобно решать в рамках похода, описанного в п.5.1. (5.1.2).

        Задается ЛСК (начало и направление осей) в которой добавляется Вращение, для которого указывается Скорость, Центр и направление вращения (см. п.3.1).

        Задаётся вращения на поверхности. ЛСК и Вращение устанавливаются на граничном условии выделенной «вращающейся» поверхности – на этой поверхности предполагается добавление тангенциальной скорости ω*R (см. п.3.3.).

        а. поверхность на которой задается вращение в ЛСК должна быть поверхностью вращения, а само вращение происходит вокруг оси данного тела вращения

        б. Ограничение для моделирования теплопередачи: в случае задания ЛСК и Вращение на поверхности стенки или связанного граничного условия, необходимо учитывать, что локальный источник тепла не будет вращаться вместе с поверхностью и нагрев поверхности и области вблизи нее будет локальным, а не равномерным.

        Пример: Вращение колес автомобиля:

        Задача — прямое движение автомобиля. Рассмотрим движение автомобиля в системе координат автомобиля, т.е. в расчетной области автомобиль неподвижен – его движение моделируется скоростью набегающего потока, которая равна скорости автомобиля и с учетом ветра.

        Во внешний объем «Автомобиль» вставляется как импортированный объект на котором задается модификатор «Подвижное тело». Т.к. сам автомобиль/объект не двигается в расчетной области, в его свойствах отключается обновление (рис.11).

        Для учета движения-вращения колес задается вращение на поверхностях колес с использованием ЛСК.

        Т.к. колеса автомобиля имеют разные оси вращения (ось передних и оси задних колес) то ЛСК задаются для каждой пары колес. В каждой ЛСК задается Вращение (вектор угловой скорости). Создаются отдельные граничные условия для каждой пары колес для которых в свойствах выбираются соответствующие ЛСК и Вращение (рис.12).

        Движение грузовика

        Вращение колес

        Рис.11. Движение грузовика. Задание вращения колес в ЛСК.

        Вращенеи колес в ЛСК

        Рис.12. Движение грузовика. Задание вращения колес в ЛСК.

        Примечание: для данной задачи движения автомобиля необходимо учитывать движение покрытия дороги относительно автомобиля, это можно сделать несколькими способами:

        — выделением дороги отдельным граничным условием и заданием для него условия проскальзывания для скорости

        — ЛСК с заданием в ней движения. Значение скорости задается компонентами вектора скорости в ЛСК и будет соответствовать скорости автомобиля с противоположным знаком.

        6.2. Движение жидкости или газа около тела произвольной формы, вращающегося вокруг любой оси

        Данный тип задач можно решать в рамках похода, описанного в п.5.2.

        Задается ЛСК (начало и направление осей) в которой добавляется Вращение, для которого указывается Скорость, Центр и направление вращения (см. п.3.1).

        Задается вращение внешней области по отношению к вращающемуся телу. На Регионе задаются ЛСК и Вращение – это означает «включение» центробежной и Кориолисовой сил в уравнениях Навье-Стокса (см. п.3.2.). На граничном условии «вращающейся» поверхности также задаются ЛСК и Вращение (геометрия «вращающейся» поверхности может быть любой) (см. п.3.4.).

        а. геометрия не вращающихся тел, в том числе и внешние поверхности Региона, должны быть строго поверхностями вращения или связанным ГУ с назначенным периодическим условием связи

        б. Ограничение для моделирования теплопередачи: в случае задания ЛСК и Вращение на поверхности стенки или связанного граничного условия, необходимо учитывать, что локальный источник тепла не будет вращаться вместе с поверхностью и нагрев поверхности и области вблизи нее будет локальным, а не равномерным.

        Пример: Вращение лопастей ветровой установки с заданной угловой скоростью:

        Рассмотрим задачу вращения лопастей ветровой турбины:

        • Задается ЛСК + Вращение (ω – const)
        • Задается ЛСК и Вращение на Регионе
        • На поверхности лопаток задается отдельное граничное условие с заданием на нем ЛСК и Вращение
        • Скорость набегающего потока задается на отдельном граничном условии в абсолютной системе координат.

        Вращение в ЛСК

        Рис.13. Моделирование ветровой турбины (Вращение на регионе и ГУ (поверхности лопаток)).

        Задание вращения в ЛСК

        Рис.14. Задание вращения на граничном условии (поверхности лопаток).

        Примечание: Лопатки могут вставляться как «подвижное тело» (с отключенеим обновления) так и быть частью основной геометрии Региона (как подобласть). В случае, если лопасти вставляются во внешнюю подобласть как импортированный объект, то они могут быть встроены в основную геометрию (Импортированный объект > Встроить в основную геометрию). После вставки формируется вторая подобласть. В первой же подобласти (которая будет расчетной) добавляются поверхности лопаток.

        6.3. Движение жидкости или газа около любого вращающегося твердого тела, моделируемого как модификатор «Подвижное тело».

        Данный тип задач представляет поход, описанный в п.5.1. (5.1.1.).

        Тело будет физически вращаться, перестраивая каждый шаг расчетную сетку. Вращающееся тело вставляется во внешнюю расчетную область как импортированный объект, на котором устанавливается Модификатор «Подвижное тело».

        Вращение с заданной угловой скоростью задается вектором угловой скорости (компонент вектора X, Y и Z в глобальной СК) (см.п.3.5.) в свойствах Модификатора-Подвижное тело. Задание компонент вектора угловой скорости возможно формулой с помощью Редактора формул, зависящей от различных параметров, в том числе и расчетных.

        Вращение так же может быть задано под действием гидродинамических сил. Для этого необходимо задать гидромоменты для соответствующих осей вращения, а также массово-инерционные характеристики, и, при необходимости, добавить ограничители для вращения – например, задать пространственную ось двумя точками в свойствах модификатора подвижного тела в ограничителях Степени свободы, тип – «2 степени свободы».

        Ограничения: Задание движения подвижных тел весьма затратный метод в плане вычислительных ресурсов, поскольку подвижное тело изменяет свое положение на каждой итерации и происходит перестроение сетки вблизи подвижного тела – это существенно увеличивает время счета. Однако, подвижные тела становятся единственной возможностью моделирования в случае очень сложных законов движения или в составе сложных устройств.

        6.3.1. Вращение лопастей вертолета вокруг оси Z с постоянной угловой скорость.

        Во внешний объем-Регион вставлены три импортированных объекта: основное тело вертолета и две лопасти. Для каждого импортированного объекта задан Модификатор-Подвижное тело. Отметим, что вторую лопасть можно создать как копию первой, где в свойствах подвижного тела изменить начальное положение – поворот вокруг оси Z на 180 градусов.

        Для основного тела вертолета в свойствах подвижного тела отключено обновление — тело включено в расчет, но для него не задается движение.
        Для лопастей вертолета задаем значения компонент вектора угловой скорости. В данном случае Wz.

        Т.к. у нас несколько лопастей, которые имеют одинаковую угловую скорость, то для удобства создаем пользовательскую переменную со значением угловой скорости, и уже в свойствах для каждой из лопастей, угловая скорость задается с помощью редактора формул – присваиваем компоненте Z созданную пользовательскую переменную (Рис.2.2.). При необходимости изменяем значение угловой скорости только в одном месте – пользовательская переменная — меняем значение пользовательской переменной. Пользовательские величины могут быть и константами и переменными величинами, а также возможно задание вектора.

        Шаг по времени задается числом КФЛ: поверхностный КФЛ = 1.

        Вращение лопастей

        Рис.15. Вращение лопастей вокруг оси Z.

        Задание вращения для лопасти

        Рис.16. Задание вращения для лопасти 1.

        Примечание: для минимизации количества расчетных ячеек при построении сетки вокруг вращающихся подвижных тел можно использовать следующий прием: помимо адаптации по поверхности можно задавать адаптацию в объеме цилиндра, окружающего лопасть (см. Рис.17). Для данных цилиндров следует задать Движение:Вращение синхронное с вращением лопастей. Установить Адаптацию-Слитие до нулевого уровня во всем объеме – сетка перестраивается каждую итерацию и не накапливается ненужных ранее проадаптированных ячеек.

        Вращение для объектов

        Рис.17. Задание вращения для объектов адаптации.

        6.3.2. Свободное вращение лопастей под действием набегающего потока.

        Лопасти ветровой турбины вращаются за счет скорости набегающего потока. В данном примере учтены геометрия как вращающихся частей ветровой турбины – лопасти, так и не вращающиеся части – гондола и мачта.

        Свободное вращение

        Рис.18. Свободное вращение лопастей ветровой турбины под действием потока воздуха.

        Во внешний объем-Регион вставляются три импортированных объекта: лопасти, гондола и мачта. Для каждого импортированного объекта задается модификатор «подвижное тело».

        В свойствах модификатора подвижного тела для лопастей задается:

        • инерционные и массовые характеристики,
        • включаются гидромоменты – либо все, либо, как в данном случае, только MZ.
        • задается время начала действия моментов — 0.

        Ограничители задавать нет необходимости, т.к. лопасти вращаются вокруг только одной из главных осей Z.

        Для гондолы и мачты в свойствах подвижного тела отключается обновление (тела неподвижны).

        6.4. Сложное вращение вокруг нескольких осей. Задание переменной угловой скорости

        Помимо простого вращения (вокруг одной оси) возможны варианты задач с заданием более сложного вращения – тело вращается вокруг нескольких пространственных осей.

        В этом случае, мы в каждый момент времени задаем один вектор угловой скорости – мгновенную угловую скорость. Этот вектор является суммой всех векторов угловых скоростей в данный момент времени.

        Мгновенный вектор угловой скорости

        Рис.19. Мгновенный вектор угловой скорости.

        Например, имеем вращение вокруг двух осей W1 и W2. На текущий момент суммой данный векторов является вектор W. Для вращающегося тела задаем вращение компонентами вектора W (Wx, Wy, Wz — проекции на оси X,Y,Z).

        6.4.1. Вращение тела вокруг двух осей с постоянной угловой скоростью

        Тело вращается вокруг оси Z с постоянной угловой скоростью, а также вокруг собственной оси, которая отклонена от оси Z на некоторый угол A.

        Вращение вокруг двух осей

        Рис.20. Пример 3.1. Вращение тела вокруг двух осей.

        Для задания мгновенной угловой скорости необходимо знать положение осей вращения в каждый момент времени. Т.к. угловая скорость W1 постоянная, то мы можем найти положение собственной оси в любой времени и спроецировать на оси X, Y, Z. Затем можем сложить обе скорости покомпонентно.

        Задание компонент скорости вращения

        Рис.21. Задание компонент мгновенной угловой скорости.

        где «-W2*sin(A)*sin(W1*Time)» — проекция вектора W2 на ось X;
        «-W2*sin(A)» – проекция вектора W2 на плоскость XY;
        «W1*Time» – угол поворота вокруг оси Z [рад];
        Time – текущее время.

        Таким же образом находим проекции вектора W2 на оси Y и Z. Далее суммируем компоненты обеих угловых скоростей, получаем:
        Wy=W2*sin(A)*cos(W1*Time)
        Wz=W2*cos(A) + W1

        6.4.2. Вращение лопастей вертолета вокруг оси Z c добавлением поворота лопастей вокруг собственной оси в заданный момент времени

        Рассмотрим вариант вращения лопастей вертолета с угловой скосротью W1, причем через некоторые промужутки времени каждая из лопастей поворачивается на заданный угол (будем задавать поворо плавно со скоростью Wb1 и Wb2).

        Поворост лопастей вертолета

        Рис.22. Пример 3.2. Вращение лопастей вокруг оси Z.

        Задаем вращение для каждой из лопастей как сумму двух векторов угловой скорости W1 и Wb (см. пример 6.4.1).

        задание угловой скосроти

        Рис.23. Задание компонент мгновенной угловой скорости.

        Т.к. поворот вокруг собственной оси лопатки осуществляется не постоянно, а только в определенный момент времени и сам поворот имеет конечный угол, то зададим значение Wb как глобальную переменную в виде условия, зависящего от времени или как в данном случае от итераций.

        задание Wb

        Рис.24. Задание угловой скорости зависящей от итераций.

        где «StepNumber» – текущая итерация;
        «T» – номер итерации на которой необходимо начать вращение лопасти вокруг собственной оси;
        «(T+10)» – номер итерации на которой вращение лопасти вокруг собственной оси прекратится, т.е. через 10 итераций;
        «w0» – угловая скорость, необходимая для поворота лопасти вокруг собственной оси на определенный угол (в данном случае за одну итерацию) [рад];
        «w0/10» –данная угловая скорость повернет лопатку за 10 итераций (время действия угловой скорости) на необходимый угол, таким образом лопатка плавно повернется.

        Примечание: Если использовать зависимость от итераций при задании угловых скоростей, то необходимо задавать шаг по времени постоянным и не менять его в течение счета.

        Для более точного определения углов поворота или номера итерации удобно использовать пользовательские переменные, вычисляя значения формулой. Например, 30 градусов можно задать в радианах как формулу – (30*2*PI/360). Либо найти номер итерации через 2,5 оборота лопастей вокруг оси Z – (trunc((2,5*2*PI/Wz)/TimeStep)).

        6.5. Вращение с использованием скользящих поверхностей

        Поскольку вращение подвижных тел более затратный в плане вычислительных ресурсов метод по сравнению с вращением в подобласти, то в версии 309 появилась возможность задания вращения с использованием скользящих поверхностей.

        Данный метод представляет поход, описанный в п.5.2.

        Выделяется подобласть, которая будет вращаться в ЛСК относительно другой неподвижной подобласти, причем разделяющая их поверхность – «скользящая поверхность» связывает эти подобласти по всем переменным с учетом вращения.

        Вращение лопастей ветровой установки с постоянной угловой скорость с использованием скользящей поверхности.

        Геометрия лопаток гондолы и мачты вставлена как основная геометрия.

        Пример: Вращение лопастей ветровой установки с постоянной угловой скорость с использованием скользящей поверхности.

        Геометрия лопаток гондолы и мачты вставлена как основная геометрия.

        Вращенеи лопастей ветровой установки

        Рис.25. Вращение лопастей ветровой установки.

        Необходимо выделить область, которая будет вращаться в ЛСК с учетом всех требований к геометрии. В данной задаче необходимо отделить объем с лопатками и носом от гондолы и мачты.

        Вставка скользящей поверхности

        Рис.26. Создание дополнительной подобласти с помощью скользящей поверхности.

        При создании проекта, делается следующее:

        • создается сеточная геометрия скользящей поверхности в CAD системе или средствами FV. В случае, когда скользящая поверхность пересекается с основной геометрий, то необходимо оставить ее не замкнутой и максимально приближенной к основной геометрии;
        • геометрия для создания скользящей поверхности вставляется как «Импортированный объект»;
        • создается ЛСК и Вращение;
        • создается скользящяя поверхность (папка Скользящие поверхности) на базе импортированного объекта. Для скользящей поверхности задается ЛСК и Вращение. Далее скользящяя поверхность вставляется в расчетную область, в результате чего, образуется дополнительная подобласть;
        • скользящие поверхности в обеих подобластях выделяются отдельными граничными условиями, для которых задется тип ГУ — связанное;
        • связывание подобластей — создаются условия связи с типо связи – Скользящая поверхность;
        • задаются ЛСК и Вращение на вращающейся Подобласти;
        • на ГУ поверхностей вращающихся лопаток задается ЛСК и Вращение.

        Ограничения: геометрия, с которой пересекается скользящая поверхность д.б. основной геометрией, а не подвижным телом. Невращающающиеся части во вращающиейся подолжасти д.б. телами вращения. При построении сетки необходимо, чтобы ячейки были одинаковыми с обеих сторон скользящей поверхности, если необходима адаптация, то ее следует проводить в обеих подобластях.

        6.6. Обращенное вращение

        По аналогии с задачами внешней аэродинамики, где зачастую полет тела моделируется в обращенной постановке (поток движется на встречу тела) можно решать некоторые задачи с вращающимися телами. Например, движение тела в бассейне по окружности можно рассмотреть, как движение потока навстречу покоящемуся телу (Рис. 27). Такую задачу нельзя решить рассматривая только часть бассейна (сектор) используя Постановку 6.2, так как левая и правая граница расчетной области не являются ни телами вращения и не могут считаться периодическими поверхностями.

        Пример: Задание движения тела в бассейне по окружности в секторной постановке

        Движение тела по окружности - секторная постановка

        Рис.27.

        • на входном граничном условии задается профиль скорости, соответствующий ω*r;
        • в обращенной постановке вместе с потоком жидкости относительно тела также движутся и границы бассейна, поэтом необходимо задание вращения для этих границ с той же частотой ω.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *