В предыдущих публикациях, посвящённых программе для решения задач вычислительной МЖГ Autodesk CFD, мы рассмотрели этапы создания простейшей модели, а также познакомились с инструментами для анализа и визуализации результатов моделирования. В первом простейшем примере рассматривалось только движение воздуха внутри коллектора и подключённых к нему патрубков. Сегодня мы дополним эту задачу и включим в неё процессы теплообмена.
Существуют три вида процессов передачи тепла: теплопроводность, конвективный теплообмен и теплообмен излучением. И Autodesk CFD может учитывать их все. Но на практике чаще всего приходится иметь дело с первыми двумя. Теплообмен излучением встречается лишь в некоторых специальных задачах, так как он проявляется либо при значительном нагреве твёрдого тела, либо при имеющемся источнике теплового излучения. Теплопроводность имеет большее значение при передаче тепла в твёрдых телах. В газах или жидкостях она менее значительна, так как в этих средах распространение тепла происходит преимущественно за счёт конвекции или, иначе, тепломассопереноса.
Чтобы модель, сделанная в Autodesk CFD, учитывала при расчёте теплообменные процессы, нужно провести ряд специальных настроек. Во-первых, модель должна включать геометрию не только проточной части коллектора, которой мы ограничились в прошлой публикации, а также и сам корпус с патрубками, потому что они будут участвовать в процессе теплопередачи. Геометрическая модель должна быть доработана в CAD-приложении и сохранена. Далее можно либо создать новую CFD-модель, как это было показано в первой публикации этой серии, либо обновить геометрию текущей модели. Для этого на вкладке Setup нужно выбрать пункт Add/Update Design. Откроется диалоговое окно, в котором нужно выбрать новый файл с помощью кнопки Browse, в поле Design study выбрать имя конструкции и нажать кнопку Update selected design.
В графическом окне отобразится обновлённая геометрия, в которой будет присутствовать тонкостенный корпус коллектора в виде объёмного тела и такие же тонкостенные патрубки. Для этих деталей потребуется повторить процедуру назначения материалов. Для воздуха это делается аналогично тому, как было описано в первой статье, а для корпуса и патрубков, которые выполнены из стали, в диалоговом окне Materials сперва нужно в поле Type указать тип материала Solid, т. е. твёрдое тело, а затем имя материала Steel.
Отметим, что библиотека материалов, которая поставляется с Autodesk CFD, содержит данные о большом количестве материалов, содержащие значения как гидравлических, так и теплофизических констант. Это существенно упрощает работу проектировщика. Ему не нужно разбираться, какие константы для материала нужно задать в случае расчёта только потока или расчёта потока с учётом тепловых процессов, а также искать значения этих констант в справочниках. Но если потребуется изменить значения каких-либо констант или создать модель с собственными значениями, это можно сделать с помощью менеджера редактирования свойств материала Material Editor.
С помощью этого инструмента можно задать не только значение константы, например теплопроводности, но и различные её значения при разных температурах. Причём сделать это разными способами: определить эту зависимость кусочно-линейной функцией, как это показано ниже (рис. 3), задать параметры полинома или использовать другой доступный метод.
Следующим шагом подготовки модели является определение тепловых граничных условий (ГУ), первое из которых – температура входящего воздуха. Для этого в графическом окне с помощью курсора мыши нужно выбрать входное сечение патрубка и вызвать диалоговое окно редактора граничных условий. В этом окне в поле типа ГУ Type нужно из выпадающего списка выбрать Temperature и в поле ниже с таким же названием указать значение температуры. В данном случае 400°С. Таким образом, на входном сечении в нашей модели оказываются заданы уже два ГУ – оба они будут отображены в дереве модели на ветке Boundary Condition.
Далее нужно определить граничное условие, которое будет описывать тепловое взаимодействие коллектора и патрубков с окружающей средой. Наша конструкция находится в воздухе окружающей среды. И чтобы отразить это в математической модели, можно создать дополнительное тело, которое будет включать в себя некоторую область окружающего воздуха, определить для него тепловые параметры и создать расчётную сетку. В этом случае мы сможем увидеть, как будет меняться температура воздуха не только внутри коллектора и в его корпусе, но и вокруг коллектора.
Но в этом случае значительно возрастёт размерность расчётной сетки, и, как следствие, увеличится время расчёта модели. Но есть и другой способ. Можно отбросить из рассмотрения окружающий воздух и заменить его граничным условием, которое по своему действию будет эквивалентно его воздействию на оставшиеся элементы конструкции. Такое ГУ в Autodesk CFD называется Film coefficient – плёночный коэффициент или коэффициент теплоотдачи.
По своей физической природе это ГУ определяет, какое количество тепловой энергии будет отдано с единицы площади наружной поверхности коллектора в окружающую среду при перепаде температуры в один граду Цельсия, и измеряется в Вт/м2 °С. Это значение в каждой точке внешней поверхности коллектора будет разным, потому что она состоит из разных граней, которые имеют разные размеры, форму и ориентацию в пространстве. Определить значение этого коэффициента для каждой грани коллектора можно методами, которые изучаются в разделе теплотехники и основаны на безразмерных коэффициентах: число Рейнольдса, критерий Грасгофа, Архимеда и пр. Для разных сред значения этого коэффициента принимают разные значения и лежат примерно в следующих диапазонах:
Кроме того, во многих отраслях есть стандарты, которые регламентируют значения этого коэффициента. Таким образом, мы имеем право убрать из рассмотрения внешний воздух и заменить его действие коэффициентом теплоотдачи. При этом физически модель останется достоверной, а с точки зрения вычислительной сложности она будет более рациональной, то есть решение займет меньше времени, а для его выполнения потребуется меньше ресурсов компьютера.
Чтобы добавить это ГУ, нужно выделить все внешние поверхности корпуса коллектора и его патрубков, вызвать диалоговое окно редактора ГУ и в поле Type выбрать тип ГУ Film Coefficient. В одноимённом поле ниже указать его значение, в данном случае 5, и в поле Ref Temperature указать температуру окружающей среды, в данном случае 20 °С.
На этом задание тепловых граничных условий выполнено, и перед запуском расчёта остаётся определить параметры решателя.
В настройках необходимо сообщить решателю, что нужно учитывать тепловые процессы. Для этого нужно вызвать окно менеджера параметров решателя Solve и на вкладке Physics поставить галочку напротив поля Heat Transfer. Также на этой вкладке есть поле Auto Forced Convection – эту опцию так же рекомендуется включить. Её смысл заключается в том, что Autodesk CFD будет разделять решение задачи на две части: сначала будет решаться задача определения потоков, а потом, когда закон движения воздуха установлен, будет решаться тепловая задача. Такой подход позволяет упростить общую вычислительную сложность задачи, улучшить тем самым сходимость решения и снизить время расчёта.
С физической точки зрения, при движении воздуха внутри коллектора он будет отдавать свою теплоту его стенкам, а через них теплота будет отдаваться окружающей среде (благодаря наличию ГУ теплоотдачи). Таким образом, температура воздуха внутри коллектора будет различной, а при разной температуре воздух обладает разной плотностью. Соответственно, разные частицы воздуха обладают разной массой, что приводит к эффекту, который называется естественной конвекцией. То есть из-за разности температуры более холодные частицы будут иметь большую массу и вытеснять более нагретые, а потому более лёгкие, частицы воздуха наверх.
Но на фоне этого эффекта воздух также будет приводиться в движение за счёт скорости потока, который задан на входном сечении и вызывает вынужденную конвекцию. В большинстве реальных процессов вклад вынужденной конвекции в распределение потоков гораздо больше, чем естественной конвекции. В таких случаях разделение задачи на две части является обоснованным и рациональным.
Далее, на вкладке Control нужно задать количество итераций для выполнения расчёта и запустить его, нажав кнопку Solve. После завершения можно переходить к рассмотрению полученных результатов.
Способы визуализации и анализа характера потока были рассмотрены в прошлой публикации, поэтому сейчас сосредоточимся на средствах исследования температурных полей. И первым инструментом, которым мы воспользуемся, будет Global. С помощью него можно отобразить распределение температуры на наружных поверхностях корпуса коллектора и его патрубков. Это распределение показано на рисунке ниже слева (рис. 7). Видно, что температура меняется от наибольшего значения, равного 400°С, на входном сечении, что соответствует температуре входящего воздуха, заданной в граничных условиях. И нижняя граница температурного диапазона составляет 233°С. Также можно построить сечение коллектора вертикальной плоскостью и отобразить распределение температуры на этом сечении, оно показано на рисунке ниже справа (рис. 7).
Из представленных рисунков видно, что температура воздуха в выходных патрубках разная, и чтобы оценить среднее значение температуры в каждом из патрубков, можно воспользоваться инструментом Bulk. С его помощью мы ранее определяли величину потока через каждый из выходных патрубков, а в данном примере можем таким же способом оценить и среднее значение температуры. Результат выполнения этой операции показан ниже (рис. 8). Для получения результата мы расположили секущую плоскость перпендикулярно осям выходных патрубков. В результате CFD определил, что при сечении модели образуются три замкнутых контура: первый соответствует центральному патрубку, второй – левому, а третий – правому. Среднее значение температуры для каждого из них приведены ниже (рис. 8).
Также с помощью инструмента Planes можно построить график изменения температуры воздуха вдоль оси патрубка. Для этого на секущей плоскости нужно указать две точки – в начале и в конце интересующего нас патрубка – в данном случае центрального. В результате будет построен график температуры вдоль этой траектории, и мы видим (рис. 9), что полученный график очень близок к линейной функции.
Также полезным инструментом для визуализации температурного поля является инструмент Iso Surface, позволяющий строить изоповерхности для температурных полей. На рисунке ниже (рис. 10) слева направо изображены изоповерхности температуры для значений 390°С, 350°С и 260°С. С их помощью можно наглядно показать области с наибольшим и наименьшим значениями температуры, что также является важным для анализа работы проектируемого устройства.
Завершая обзор инструментов для анализа температуры, рассмотрим инструмент Parts, который позволяет определять максимальное, минимальное и среднее значение температуры по всему объёму отдельных деталей. В нашей модели присутствуют всего две «детали», это корпус коллектора с патрубками, которые построены как отдельное тело, и воздух внутри. Чтобы повысить информативность данных, полученных с помощью этого инструмента, нужно сделать так, чтобы в геометрической модели каждый патрубок был представлен отдельным телом. Тогда можно будет получить средние значения температуры для каждого из патрубков, а не для сборки в целом. Кроме того, этот инструмент особенно полезен в случаях, когда моделируется охлаждение, например электронных компонентов. Он позволит узнать максимальную температуру каждого компонента в отдельности, и можно будет сравнить рассчитанное значение температуры с максимальным допустимым по паспорту. Это позволит оценить качество проектируемой системы охлаждения.
Полученное распределение температуры в корпусе и патрубках коллектора можно экспортировать в программу для прочностных расчётов Autodesk Nastran InCAD в качестве исходных данных для определения напряжений от неравномерного нагрева конструкции.
Дальше будет интереснее. Оставайтесь с нами!