Продолжаем знакомиться с программой для моделирования движения потоков жидкости и газа Autodesk CFD. В первой части мы рассмотрели, как подготовить геометрическую модель для последующего выполнения расчета, задать свойства материалов, граничные условия и параметры расчетной сетки. Сегодня расскажем об инструментах Autodesk CFD для анализа результатов моделирования.
После того как решение завершается, CFD автоматически переключается в режим просмотра результатов, на вкладку Results. И первым инструментом на этой вкладке является Global.
Этот инструмент позволяет с помощью цветовой шкалы показывать на наружной поверхности геометрической модели различные физические величины, полный список которых приведен ниже (рис. 2).
Первые результаты, которые мы видим, это распределение скоростей движения частиц воздуха на поверхности модели. Практически вся геометрия, за исключением входного и выходных сечений, закрашена синим цветом. Это означает, что скорость потока в данных точках равна нулю. Чтобы правильно интерпретировать результаты, нужно сказать пару слов о характерных особенностях движения потока возле поверхностей каналов, по которым он течёт, а именно о так называемом пограничном слое. Дело в том, что частицы воздуха или жидкости, которые в данный момент непосредственно соприкасаются со стенкой, могут двигаться только по нормали к этой поверхности, а в касательных направлениях их движение ограничено (частица как бы прилипает к стенке канала). Поэтому в программах вычислительной механики жидкостей и газов (МЖГ) на всех поверхностях, на которых не было задано других граничных условий по потоку, действует граничное условие «прилипания». Этим и объясняется наблюдаемый результат.
Если же приблизить изображение входного сечения, то мы увидим, что по цветовой шкале на большей части этого сечения скорость потока равна 3000 мм/с, которое мы задавали в граничных условиях при подготовке модели. В то время, как по периметру этого сечения скорость плавно уменьшается до нулевого значения, что соответствует эпюре скоростей в пограничном слое.
Также на картинке с изображением входного сечения отображена расчётная сетка (рис. 4). Видно, что грани конечных элементов (КЭ) представляют собой треугольники, так как сами элементы имеют форму тетраэдра, а возле периметра сечения гранями КЭ являются четырёхугольники, потому что в этой области элементы имеют форму призмы с основанием в виде треугольника. В этом случае говорят, что расчётная сетка состоит из тетраэдров с призматическими пристеночными слоями. Не вдаваясь в особенности математического описания конечных элементов, можно сказать, что точность КЭ призматической формы выше, чем у тетраэдров. Поэтому, для более точного расчёта скоростей движения частиц потока возле стенки, сеточный генератор CFD создаёт слои из КЭ призматической формы, причём делает это в автоматическом режиме. Хотя если проектировщик сознательно хочет изменить параметры этих элементов, то CFD предоставляет ему эту возможность. Можно настроить как количество слоёв, так и коэффициент увеличения толщины по мере удаления от стенки.
Ещё одним плюсом инструмента Global является возможность отображать векторы скоростей частиц на входных и выходных сечениях. Ею можно воспользоваться буквально после выполнения программой первых итераций расчёта, чтобы убедиться, что граничные условия по потоку заданы правильно, а движение происходит в верном направлении.
Следующим инструментом для анализа результатов на вкладке Result является Planes, который позволяет создавать секущие плоскости и отображать результаты на них. Так на рисунке ниже показано поле скоростей частиц, находящихся на вертикальной плоскости, проходящей через оси патрубков (рис. 6).
С помощью этого инструмента мы получаем возможность заглянуть внутрь потока и увидеть, что происходит там. Эта информация уже гораздо более интересна для анализа особенностей течения. Пользователь может при необходимости создавать одновременно несколько секущих плоскостей и гибко настраивать их ориентацию и расположение. Для секущей плоскости также можно настроить векторное отображение скоростей частиц.
Помимо этого, инструмент Planes обладает ещё двумя полезными функциями. Во-первых, он позволяет определить объёмные характеристики потока, проходящего через сечение. В рассматриваемой задаче выходные патрубки расположены не симметрично и имеют разную форму, поэтому через каждый из них будет проходить разное количество воздуха. Но какой объём воздуха будет проходить через каждый патрубок? Это очень важный вопрос для проектировщика и ответить на него позволяет математическое моделирование.
Для этого расположим секущую плоскость так, чтобы она пересекала выходные патрубки, как это показано ниже, и далее воспользуемся функцией Bulk (рис. 7). В результате CFD определяет, что при сечении модели заданной плоскостью, образуется три замкнутых контура и в окне Bulk Results для каждого них рассчитывается площадь и тот самый интересующий нас объёмный расход воздуха, проходящего через каждое сечение. Получить подобные данные с помощью других методов расчёта не так-то просто, каждый специалист оценит эту полезную функцию.
Во-вторых, инструмент Planes позволяет построить график изменения какой-либо величины вдоль указанного пути. Для этого используется функция XY Plot, которая позволяет курсором мыши указать на секущей плоскости набор последовательно расположенных точек, которые образуют некоторую траекторию, представляющую интерес для проектировщика. Далее откроется диалоговое окно, в котором будет построен график. На рисунке ниже с помощью этой функции была создана линия, примерно совпадающая с осью левого выпускного патрубка, и на том же рисунке показан график скорости частиц воздуха, которые лежат на построенном пути. Построенный путь начинается в месте соединения патрубка с ресивером и заканчивается на выходном сечении патрубка. Таким образом, мы можем видеть, как меняется скорость частицы воздуха по мере её продвижения от начала патрубка к его концу.
Следующим инструментом на панели Result является инструмент Traces, который, как можно понять из названия, позволяет построить траектории движения частиц внутри коллектора и патрубков. С помощью этого инструмента можно указать, как отдельные точки в интересующем месте, так и создать массив точек. Ниже показано создание массива Circular, который с определённой плотностью заполняет круг на входном сечении подводящего патрубка (рис. 9). После того как пользователь с помощью курсора мыши укажет точку в центре круга и на его окружности, программа автоматически заполнит этот круг точками и построит для каждой из них траекторию частиц воздуха, на которые попадают созданные точки.
Ещё одним инструментом, который позволяет наглядно визуализировать результаты расчёта, является возможность создания изоповерхностей (Iso Surface). Как известно, изоповерхность – это поверхность одинакового уровня, т. е. поверхность, на которой исследуемая физическая величина принимает заданное значение. Например, в данной задаче скорость движения воздуха меняется от 0 до 3384 мм/сек, и внутри этого диапазона скорость плавно изменяется, принимая промежуточные значения. Если задать значение скорости, например, 200 мм/сек и подсветить все точки, которые движутся с данной скоростью, то мы увидим некоторую поверхность, которая показана ниже (рис. 11). Эта поверхность является своего рода границей между областями, в которых частицы движутся быстрее и медленнее заданного значения, и только на этой поверхности скорость течения равна заданным 200 мм/сек. В рассматриваемом примере частицы воздуха внутри поверхности будут иметь скорость выше, а снаружи ниже, и на рисунке хорошо видно, что в углах корпуса коллектора образуются области с низкой скоростью потока (рис. 11), там возможно образование локальных завихрений, и, возможно, там будут скапливаться отложения пыли или других частиц, которые могут присутствовать в воздухе, проходящем через коллектор. Следом за Iso Surfaces на ленте располагается инструмент Iso Volume. Отличие этого инструмента состоит в том, что он подсвечивает точки, которые принимают не одно фиксированное значение, а позволяют указать диапазон значений. Этот инструмент может давать более наглядное и информативное отображение результатов для тех случаев, когда изоповерхность получается не замкнутой, и не понятно, с какой её стороны значения величины больше, а с какой меньше.
Завершим наш обзор инструментом под названием Wall Calculator. Он позволяет определять интегральные и усреднённые характеристики на поверхностях, ограничивающих поток. Эта функция оказывается полезной, когда нужно узнать, с какой силой поток воздействует на преграду, например, таким образом можно определить ветровую нагрузку на строительные сооружения. В нашем примере для демонстрации работы этого инструмента было определено среднее давление и суммарная сила, действующая на поверхность со стороны потока на боковую грань корпуса коллектора, контуры которой выделены на рисунке ниже (рис. 12). Как можно видеть, в окне этого инструмента для выделенной поверхности с номером 14 была определена её площадь, а также среднее давление и три компонента вектора силы, для которых также определяются координаты точки приложения полного вектора силы.
В следующей статье мы рассмотрим работу с теплообменными процессами в Autodesk CFD. Надеемся, вам интересно погружаться в мир инженерного анализа. Если возникают вопросы, без стеснения оставляйте их в комментариях. До встречи!