3d proudění – ansys fluent

314 Pages·2012·19.7 MB·Czech

by  Petr Kočí

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava

3D PROUDĚNÍ – ANSYS FLUENT
učební text

Marian Bojko

Ostrava 2012
Recenze: prof. RNDr. Erika Mechlová, CSc.
prof. RNDr. Milada Kozubková, CSc.

Název: 3D Proudění – ANSYS Fluent
Autor: Marian Bojko
Vydání: první, 2012
Počet stran: 309
Náklad: 20
Vydavatel a tisk: Ediční středisko VŠB – TUO

Studijní materiály pro studijní obor N2301 Strojní inženýrství fakulty strojní
Jazyková korektura: nebyla provedena.

Určeno pro projekt:
Operační program Vzděláváním pro konkurenceschopnost
Název: Personalizace výuky prostřednictvím e-learningu
Číslo: CZ.1.07/2.2.00/07.0339
Realizace: VŠB – Technická univerzita Ostrava
Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR

© Marian Bojko
© VŠB – Technická univerzita Ostrava

ISBN 978-80-248-2607-3
OBSAH

SEZNAM POUŽITÉHO ZNAČENÍ ...................................................................................... 7
1. UŽIVATELSKÉ PROSTŘEDÍ A NÁSTROJE SOFTWARE GAMBIT 2.4.6 ........... 9
1.1. Grafické prostředí programu Gambit 2.4.6 ................................................................ 9
1.2. Roletové menu programu Gambit 2.4.6 ................................................................... 10
1.3. Uživatelské nástroje programu Gambit 2.4.6 ........................................................... 11
1.4. Grafické nástroje ...................................................................................................... 21
2. TVORBA 2D GEOMETRIE A VÝPOČETNÍ SÍTĚ V PROGRAMU GAMBIT 2.4.6
........................................................................................................................................... 23
2.1. Tvorba 2D geometrie v programu Gambit 2.4.6 ...................................................... 23
2.2. Tvorba 2D geometrie pomocí dvou metod (příklad 2.1) ......................................... 28
2.3. Tvorba 2D výpočetní sítě pomoci dvou metod (příklad 2.2) ................................... 35
2.4. 2D osově symetrický model oblasti proudění skrz clonu včetně výpočetní sítě
(příklad 2.3) .......................................................................................................................... 43
2.5. 2D modelu oblasti proudění skrz překážku (příklad 2.4) ......................................... 50
2.6. 2D model geometrie trubky se sekundárním vstupem, povrchové síťování oblasti
(příklad 2.5) .......................................................................................................................... 57
3. 3D TVORBA GEOMETRIE A VÝPOČETNÍ SÍTĚ V PROGRAMU GAMBIT 2.4.6
........................................................................................................................................... 63
3.1. Tvorba 3D geometrie v programu Gambit 2.4.6 ...................................................... 63
3.2. Tvorba 3D geometrie pomocí dvou metod (příklad 3.1) ......................................... 68
3.3. Tvorba 3D výpočetní sítě pomocí dvou metod (příklad 3.2) ................................... 73
3.4. 3D objemové těleso se dvěmi vstupy (příklad 3.3) .................................................. 82
3.5. 3D objemové válcové těleso (příklad 3.4) ............................................................... 95
4. UŽIVATELSKÉ PROSTŘEDÍ SOFTWARE ANSYS WORKBENCH 13.0 ......... 105
4.1. Základní popis programového prostředí ANSYS Workbench 13.0 ....................... 105
5. TVORBA GEOMETRIE V PROGRAMU DESIGNMODELER ........................... 110
5.1. Grafické prostředí programu DesignModeler a uživatelské nástroje ..................... 110
5.1. Tvorba 3D geometrie náhleho rozšíření ................................................................. 113
6. ÚKÁZKA PŘÍKLADŮ 3D GEOMETRIE V PROGRAMU DESIGNMODELER128
6.1. Tvorba 3D geometrie oblasti proudění skrz clonu v programu DesignModeler .... 128
6.2. Tvorba 3D objemové těleso se dvěmi vstupy ........................................................ 131
6.3. Tvorba 3D geometrie proudění v trubce včetně vodivé oblasti stěny trubky ........ 142
7. TVORBA VÝPOČETNÍ SÍTĚ V PROGRAMU ANSYS MESHING ..................... 155
7.1. Grafické prostředí programu ANSYS Meshing a uživatelské nástroje .................. 155
7.2. Tvorba výpočetní sítě v 3D geometrii náhlého rozšíření – automatické generování
výpočetní sítě ...................................................................................................................... 159
7.3. Tvorba výpočetní sítě v 3D geometrii náhlého rozšíření – postupné generování
výpočetní sítě ...................................................................................................................... 175
8. PROGRAMOVÉ PROSTŘEDÍ SOFTWARE ANSYS FLUENT12.1.4 ................. 185
8.1. Uživatelské nástroje software ANSYS Fluent12.1.4 ............................................. 185
8.2. Roletové menu programu ANSYS Fluent12.1.4 .................................................... 188
9. PŘÍKLADY K ŘEŠENÍ V PROSTŘEDÍ SOFTWARE FLUENT12 ...................... 209
9.1. 3D laminární izotermní proudění v mezeře s náhlým rozšířením .......................... 209
9.1.1. Geometrie a výpočetní síť 3D oblasti s náhlým rozšířením v programu Gambit
2.4.6 ............................................................................................................................ 210
9.1.2. Numerická simulace 3D oblasti s rozšířením v programu ANSYS Fluent12.1.4. ...
............................................................................................................................ 214
9.1.3. Postprocessig (vyhodnocení) numerické simulace 3D oblasti s rozšířením ...... 224
9.2. Testování turbulentních modelů v 3D oblasti v mezeře s náhlým rozšířením ....... 230
9.3. Definování různých okrajových podmínek na vstupu do 3D oblasti s náhlým
rozšířením v aplikaci na turbulentní k-epsilon-standard model ......................................... 239
9.3.1. Rychlostní okrajova podmínka na vstupu do 3D oblasti s rozšířením ............... 240
9.3.2. Průtokové okrajové podmínky na vstupu do 3D oblasti s rozšířením ................ 241
9.3.3. Tlaková okrajová podmínka na vstupu do 3D oblasti s rozšířením ................... 242
9.4. Použití okrajové podmínky symetry v 3D oblasti s náhlým rozšířením ................ 244
9.5. Teplotní podmínky na vodivých stěnách trubky a použití tenkých stěn ................ 249
9.5.1. Numerická simulace stěny trubky pomocí vodivých buněk (živé buňky) ......... 253
9.5.2. Definování teplotních okrajových podmínek pro tenkou stěnu ......................... 256
9.5.3. Definování tenké ocelové a měděné stěny trubky tloušťky ∆x=3mm ............... 260
9.5.4. Porovnání varianty definování vodivé oblasti stěny trubky s variantou použití
tenké stěny trubky s definovanou tloušťkou ................................................................... 263
9.5.5. Definování hustoty tepelného toku na tenké stěně tloušťky ∆x=3mm .............. 267
9.6. Proudění plynných příměsí (vzduch, oxid uhličitý), transportní rovnice pro přenos
hmotnostních zlomků příměsí ............................................................................................ 272
9.6.1. Fyzikální vlastnosti plynů a jejich směsí ............................................................ 272
9.6.2. Definice rovnice příměsí, definování směsi dvou médii .................................... 277
9.7. Unášení pevných částic ve spojité fázi, definování diskrétní fáze ......................... 286
9.7.1. Definice diskrétní fáze (Discrete Phase Model) ................................................. 287
9.7.2. Definice liniového zdroje částic uhlíku na vstupu do oblasti pro diskrétní fázi 294
9.8. Vícefázové proudění v 3D oblasti s náhlým rozšířením, aplikace vícefázového
matematického modelů Euler-Mixture ............................................................................... 297
9.8.1. Definice vícefázového matematického modelu a okrajových podmínek ........... 298
9.9. Testovací příklady k jednotlivým kapitolám .......................................................... 312
9.9.1. Trojrozměrné laminární proudění v mezeře s náhlým rozšířením ..................... 312
9.9.2. Testování turbulentních modelů v trojrozměrné oblasti v mezeře s náhlým
rozšířením ....................................................................................................................... 312
9.9.3. Definování okrajových podmínek na vstupu do oblasti s náhlým rozšířením
v aplikaci na turbulentní k-epsilon-standard model ........................................................ 312
9.9.4. Definování teplotních podmínek na vodivých stěnách trubky a použití tenkých
stěn ............................................................................................................................ 313
9.9.5. Proudění směsi dvou plynů (vzduch, oxid uhličitý), aplikace rovnice pro přenos
hmotnostních zlomků příměsí ......................................................................................... 313
9.9.6. Unášení pevných částic ve spojité fázi, definování diskrétní fáze ..................... 313
9.9.7. Vícefázové proudění v oblasti s náhlým rozšířením, aplikace vícefázového
matematického modelů Euler-Mixture ........................................................................... 314
POKYNY KE STUDIU

3D Proudění – ANSYS Fluent

Pro předmět 3D proudění, vyučovaný ve třetím semestru oboru Konstrukční a procesní
inženýrství specializace Hydraulické a pneumatické stroje a zařízení jste obdrželi studijní balík
obsahující
 integrované skriptum pro distanční studium obsahující i pokyny ke studiu
 CD-ROM s doplňkovými animacemi vybraných částí kapitol
 harmonogram průběhu semestru a rozvrh prezenční části
 rozdělení studentů do skupin k jednotlivým tutorům a kontakty na tutory
 kontakt na studijní oddělení
Prerekvizity
Pro studium tohoto předmětu se předpokládá absolvování předmětu Mechanika tekutin,
Numerická matematika, Metoda konečných objemů v proudění a základy kreslení ve 3D
v libovolném CAD.
Cílem předmětu
je seznámení se základními pojmy z oblasti modelování proudění a simulací CFD. Po
prostudování modulu by měl student být schopen samostatně vytvářet jednoduché simulace
základních technických problémů z oblasti mechaniky tekutin a sdílení tepla.
Pro koho je předmět určen
Modul je zařazen do magisterského studia oboru N2301 Konstrukční a procesní inženýrství
(specializace Hydraulické a pneumatické stroje a zařízení), ale může jej studovat i zájemce
z kteréhokoliv jiného oboru, pokud splňuje požadované prerekvizity.
Skriptum se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované látky, ale
nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se může výrazně lišit, proto jsou
velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níže popsaná struktura.

Při studiu každé kapitoly doporučujeme následující postup:

Čas ke studiu: xx hodin

Na úvod kapitoly je uveden čas potřebný k prostudování látky. Čas je orientační a může vám
sloužit jako hrubé vodítko pro rozvržení studia celého předmětu či kapitoly. Někomu se čas
může zdát příliš dlouhý, někomu naopak. Jsou studenti, kteří se s touto problematikou ještě
nikdy nesetkali a naopak takoví, kteří již v tomto oboru mají bohaté zkušenosti.

Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět

popsat ...
definovat ...
vyřešit ...
Ihned potom jsou uvedeny cíle, kterých máte dosáhnout po prostudování této kapitoly –
konkrétní dovednosti, znalosti.
VÝKLAD

Následuje vlastní výklad studované látky, zavedení nových pojmů, jejich vysvětlení, vše
doprovázeno obrázky, tabulkami, řešenými příklady, odkazy na animace.

Shrnutí pojmů

Na závěr kapitoly jsou zopakovány hlavní pojmy, které si v ní máte osvojit. Pokud některému
z nich ještě nerozumíte, vraťte se k nim ještě jednou.

Otázky

Pro ověření, že jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik teoretických
otázek.

Úlohy k řešení

Protože většina teoretických pojmů tohoto předmětu má bezprostřední význam a využití
v databázové praxi, jsou Vám nakonec předkládány i praktické úlohy k řešení. V nich je
hlavní význam předmětu a schopnost aplikovat čerstvě nabyté znalosti při řešení reálných
situací hlavním cílem předmětu.

KLÍČ K ŘEŠENÍ

Výsledky zadaných příkladů i teoretických otázek výše jsou uvedeny v závěru učebnice
v Klíči k řešení. Používejte je až po vlastním vyřešení úloh, jen tak si samokontrolou ověříte,
že jste obsah kapitoly skutečně úplně zvládli.

Úspěšné a příjemné studium s touto učebnicí Vám přeje autor výukového materiálu
Marian Bojko
SEZNAM POUŽITÉHO ZNAČENÍ
Poznámka: označení, u něhož není uveden rozměr, reprezentuje obecnou proměnnou.

c měrná tepelná kapacita při konstantním tlaku Jkg-1K-1
p
d hydraulický průměr [m]
h
g tíhové zrychlení ms-2
I intenzita turbulence %
M molekulová váha [kgkmol-1]
p tlak Pa
p operační tlak Pa
op
p statický tlak Pa
s
p dynamický tlak Pa
d
p celkový (totální) tlak Pa
t
Q hmotnostní průtok kgs-1
m
q hustota tepelného toku [Wm-2]
r měrná plynová konstanta Jkg-1K-1
Ra Rayleighovo číslo 1
Re Reynoldsovo číslo 1
plocha m2 
S
T absolutní teplota K
u,v rychlost [ms-1]
x souřadnice v kartézském systému x , x , x  nebo x, y, z m
i 1 2 3
Y hmotnostní zlomek [1]
 součinitel teplotní roztažnosti K-1
 součinitel tepelné vodivosti Wm-1K-1
 dynamická viskozita Pas
 kinematická viskozita m2s-1
 hustota kgm-3
 referenční hustota kgm-3
ref
 ztrátový součinitel [1]

Uživatelské prostředí a nástroje software Gambit 2.4.6
1. UŽIVATELSKÉ PROSTŘEDÍ A NÁSTROJE SOFTWARE GAMBIT
2.4.6
Po úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLY
Budete umět:
 pracovat s grafickým prostředím software Gambit 2.4.6
 využívat roletové menu, uživatelské nástroje, příkazový řádek,
popisové okno a grafické/zobrazovací nástroje
 orientovat se v uživatelských nástrojích pro tvorbu 2D a 3D
objektů
 vhodně používat nástroje k úpravě a modifikací 2D a 3D
Budete umět
geometrických tvarů
 vytvářet výpočetní sítě pomocí různých druhů 2D prvků
(čtyřúhelníky, trojúhelníky a jiné)
 tvořit výpočetní sítě pomocí 3D výpočetní prvků různých tvarů
(šestistěny, čtyřstěny, pyramidy a jiné)
 definovat okrajové podmínky na jednotlivých hranicích
 vyexportovat výpočetní síť pro následnou numerickou simulací

1.1. Grafické prostředí programu Gambit 2.4.6
Čas ke studiu: 0.2 hodin

Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět

 vhodně pracovat s grafickým prostředím programu Gambit 2.4.6
 používat jednotlivé nabídky pracovní plochy

Výklad

Programový systém Gambit 2.4.6 představuje výkonný software, který slučuje dvě oblasti
v jednom prostředí. V první fázi se jedná o vytváření geometrických útvarů (dvourozměrných
nebo trojrozměrných), a v druhé fázi definování výpočetní sítě pomocí různých prvků
konečných tvarů (2D nebo 3D). K dosažení výsledného produktu, tedy dvourozměrné nebo
trojrozměrné výpočetní sítě na skutečné geometrii je k dispozici v programu Gambit 2.4.6
celá řada uživatelských nástrojů, které budou podrobně popsány v této kapitole. Uživatelské
prostředí programu Gambit 2.4.6 lze rozdělit do šesti položek (roletové menu, uživatelské
nástroje, příkazový řádek, popisové pole, grafické nástroje a pracovní plocha). Graficky
celé uživatelské prostředí je znázorněno na Obr. 1.1.
9
Uživatelské prostředí a nástroje software Gambit 2.4.6
Uživatelské
Roletové
nástroje
menu
Pracovní
plocha
Příkazový Popisové
řádek pole Grafické
nástroje

Obr. 1.1. Uživatelské prostředí programu Gambit 2.4.6

Pomoci roletového menu se provádí základní operace týkající se správy souborů (načtení
uložení, editace, atd..). Všechny příkazy, které se aktivují pomoci myši v jednotlivých
nabídkách uživatelského prostředí programu se vypisují v příkazovém řádku. Pokud se myši
zastavíte na příslušné ikoně v grafickém prostředí dostanete stručný popis funkce ikony
v popisovém pole. Hlavní nabídka jednotlivých funkcí pro tvorbu 2D a 3D geometrických
tvarů a výpočetních sítí je obsažena v uživatelských nástrojích. Poslední oblasti jsou
grafické nástroje, které umožňují měnit zobrazení jednotlivých entit v pracovní ploše a
zobrazit kvalitu výpočetní sítě.
1.2. Roletové menu programu Gambit 2.4.6
Čas ke studiu: 0.5 hodin

Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět

 používat roletové menu v programu Gambit 2.4.6
 načítat, ukládat, exportovat, importovat soubory, atd..

Výklad

10