Инженерный анализ – полезная штука, которая позволяет проверить работоспособность проектируемого изделия и его эксплуатационные характеристики при заданных условиях. Иными словами, будет ли всё работать так, как нужно. Поэтому современное ПО, выполняющее такой виртуальный анализ, становится неотъемлемым помощником проектировщика на этапе разработки. Кажется, что изучить такие инструменты очень сложно. Но существуют программы, которые не требуют от пользователя компетенций в вычислительных операциях. Мы начинаем серию статей, которые помогут вам самостоятельно начать работать с одной из таких систем. Вперед!
Программа Autodesk CFD предназначена для решения задач вычислительной механики жидкостей и газов (МЖГ) с учётом процессов теплообмена при помощи метода конечных элементов. Прежде чем начать обучение, расскажем об особенностях этой системы:
- расчеты в CFD производятся на основе геометрической модели, предварительно созданной в CAD-приложении;
- в CFD запрограммировано множество специальных математических моделей, которые расширяют её возможности и позволяют применять в таких отраслях как электроника, системы вентиляции и кондиционирования, гидротехника и др.;
- CFD разрабатывалась как программный продукт для инженеров и проектировщиков, не обладающих высокими компетенциями в области вычислительной МЖГ.
Самая лёгкая (но не единственно возможная) последовательность создания простейшей модели в Autodesk CFD выглядит так:
- создание расчётной геометрической модели в CAD-приложении и её экспорт в Autodesk CFD;
- присвоение свойств материала каждому отдельному объекту геометрии;
- определение граничных условий (ГУ) на входных и выходных сечениях;
- задание параметров для генерации расчётной сетки;
- настройки параметров решателя и запуск решения.
Шаг 1. Экспорт геометрической CAD-модели в Autodesk CFD
Поскольку CFD работает с геометрией CAD, разработчики обеспечили совместимость программы с большинством популярных форматов. Кроме того, CFD поддерживает общие форматы 3D-геометрии SAT, STP и IGS. Во время установки CFD автоматически интегрируется в CAD-приложение, которое обнаруживает на компьютере. В результате в интерфейсе программы появляются кнопки для экспорта модели, которые показаны ниже (рис. 1.1). В данном случае, чтобы запустить передачу модели, нужно открыть вкладку Simulation и выбрать кнопку Active Model.
Также на рисунке можно видеть изображение 3D-модели ресивера, на примере которого будет показано моделирование движения потоков воздуха. Важно отметить, что на рисунке мы видим не сам ресивер, а трёхмерную модель воздуха, который заполняет его проточную область. Поскольку в данном примере не рассматриваются тепловые процессы, этой модели будет достаточно. Она состоит из одного приточного канала, расположенного в верхней части корпуса, и трёх выпускных каналов в нижней части.
После запуска функции Active Model на экране появится диалоговое окно (рис. 1.2), где в поле Study name нужно указать имя проекта, в поле Design name – название конструктивного исполнения геометрической модели, в Scenarion name – название сценария нагружения (режим работы) и в Study path – папку, в которой будут храниться файлы модели. Затем нужно нажать кнопку Launch, после чего запустится Autodesk CFD, и можно будет приступить к определению параметров рассчитываемой модели. На этом этап подготовки геометрической модели и её экспорта в CFD завершён.
Первое, что рекомендуется сделать после открытия модели в CFD, – задать единицу измерения длины, которая будет использоваться по умолчанию. Для этого в дереве модели на пункте Geometry нужно нажать правую кнопку мыши и в появившемся меню выбрать пункт mm, или любую другую единицу из списка, как это показано ниже (рис. 1.3).
Шаг 2. Присвоение свойств материала каждому объекту геометрии
Теперь можно перейти к назначению свойств материала геометрическим объектам. В нашем случае в модели присутствует только одно объёмное тело, которое представляет собой воздух внутри ресивера. И чтобы назначить этому телу соответствующие свойства, можно найти его в дереве модели на ветке Material – 1 Unassigned и в контекстном меню выбрать пункт Edite. Откроется диалоговое окно свойств материала. В этом окне в поле Type (тип материала) нужно выбрать Fluid (текучий материал) и в поле Name выбрать материал с именем Air, после нажать кнопку Apply.
Шаг 3. Определение граничных условий на входных и выходных сечениях
По условию задачи, через входное сечение патрубка в коллектор попадает воздух со скоростью 3000 мм/сек, а через выходные патрубки воздух свободно покидает расчётную область, не встречая никакого сопротивления. Поэтому на входном и выходных сечениях нужно будет определить граничные условия двух типов.
На входном сечении нужно указать граничное условие, определяющее скорость потока. Для этого на ленте нужно выбрать пункт Boundary Condition, чтобы CFD переключился в режим определения ГУ. Далее в графическом окне нужно выделить торцевую грань входного патрубка и с помощью контекстного меню вызвать окно редактора граничных условий, как это показано ниже (рис. 3.1). В открывшемся окне в строке Type (тип ГУ) выбрать Velocity (скорость), в строке Units выбрать нужные единицы измерения, в данном случае mm/s, и затем в строке Velocity Magnitude указать значение скорости 3000. При необходимости, направление потока, которое в графическом окне отображается стрелкой на выделенной поверхности, можно изменить с помощью кнопки Reverse Normal.
Для определения граничных условий на сечениях выходных патрубков нужно выполнить следующие действия. Последовательно выбрать все три выходных сечения и вызвать окно редактора ГУ, аналогично тому, как это было сделано ранее для ГУ на входном сечении. Для того, чтобы CFD понял, что через выходные сечения воздух может свободно вытекать наружу, на этих сечениях нужно назначить давление воздуха, равное нормальному атмосферному. Для этого в окне редактора ГУ нужно выбрать тип граничного условия Pressure и указать нулевое значение. На то, что это значение указывается не по абсолютной величине, а относительно нормального атмосферного, указывает тип давления Gage.
Шаг 4. Задание параметров для генерации расчётной сетки
Для задания параметров расчётной сетки в ленте нужно переключиться на раздел Mesh Sizing.
Потом нажать кнопку Autosize. В результате рёбра геометрической модели будут размечены точками. Расстояние между этими точками отражает размер конечного элемента, который будет построен в этом месте во время генерации расчётной сетки.
Генерирование расчётной сетки занимает некоторое время, поэтому, что бы программа не подвисала в процессе работы с параметрами, сетка генерируется после того, как будет запущено решение модели. Для данной простейшей задачи размер конечного элемента, определённый программой с настройками по умолчанию, является подходящим, и менять его нет необходимости. Однако, в тех случаях, когда это нужно сделать, можно воспользоваться пунктом Edite, который находится в ленте рядом с пунктом Autosize, показанным выше (рис. 4.2).
Заканчивая описание этого этапа, нужно отметить, что создание расчётной сетки является достаточно сложной задачей, но автоматический генератор сетки в Autodesk CFD справляется с ней в автоматическом режиме. При этом создаваемая им расчётная сетка будет содержать пристеночные призматические слои, которые необходимы при решении задач вычислительной МЖГ, чтобы точно учесть влияние пристеночного пограничного слоя, образующегося при движении потока. Также размер конечных элементов будет автоматически уменьшаться вблизи конструктивных элементов малых размеров, потому что в области таких конструктивных элементов, как правило, наблюдается наибольшая скорость изменения характеристик потока (скорости, давления, температуры и др.).
Шаг 5. Настройки параметров решателя и запуск решения
Завершающим этапом подготовки модели является задание параметров решателя. Для выполнения этих действий в ленте необходимо нажать кнопку Solve, после чего на экране появится диалоговое окно менеджера параметров решателя.
В этом окне нужно выполнить всего два действия. На вкладке Physics убедиться, что стоит галочка напротив пункта Flow, и на вкладке Control указать количество итераций для выполнения в поле Iteration to Run, равное 100. Такого количества итераций для большинства простейших задач достаточно, чтобы достигнуть установившегося решения.
Затем можно нажать кнопку Solve и запустить тем самым расчёт созданной модели. После того как расчёт будет выполнен, можно перейти к анализу полученных результатов. Для этого в арсенале Autodesk CFD имеется большой набор инструментов, которые помогут заглянуть внутрь потока и детально изучить его качественные и количественные характеристики. Об этих инструментах мы расскажем в одной из следующих статей.