Материал: Численное исследование конвективных течений в пакете ANSYS

Численное исследование конвективных течений в пакете ANSYS

Численное исследование конвективных течений в пакете ansys

Содержание

Введение

. Теория

.1 Уравнения тепловой конвекции

.2 Уравнения движения

.3 Элементы теории завихренности

. Постановка задачи и метод решения

.1 Свободная конвекция

.3 Вынужденная конвекция

.3 Рабочая среда ANSYS CFX

.3.1 ANSYS CFX и ANSYS Workbench

.3.2 Предобработка в CFX-Pre

.3.3 Решатель ANSYS CFX-Solver

.3.4 Постобработка в ANSYS CFD-Post

.4 Рабочая среда ANSYS FLUENT

.4.1 Сеточный генератор GAMBIT

. ANSYS CFX и ANSYS FLUENT

.1 Этапы решения задачи в ANSYS CFX

.1.1 Создание геометрической модели в ANSYS DesignModeler

.1.2 Создание сеточной модели в ANSYS Meshing

.1.3 Предобработка в CFX-Pre

.1.4 Запуск решения в ANSYS CFX-Solver Manager

.1.5 Постобработка в ANSYS CFD-Post

.2 Этапы решения задачи в ANSYS FLUENT

.2.1 Построение сеточной модели в GAMBIT

.2.2 Построение физической модели в ANSYS FLUENT

.3 Анализ численной схемы

. Результаты решения задачи свободной конвекции

4.1 Качественное описание формирования конвективного течения

.2 Количественное описание формирования свободной конвекции

.2.1 Результаты CFX

.2.2 Результаты FLUENT

4.2.3 Сравнение результатов CFX и FLUENT с результатами эксперимента

.3 Результаты решения задачи вынужденной конвекции

Заключение

Литература

Приложения

Введение

Конвекция - это процесс переноса энергии потоками жидкости или газа. Конвективные движения являются неотъемлемыми элементами многих природных процессов, наблюдаемых в атмосфере и океанах Земли, а также течений, реализуемых в различных технологических устройствах. Это определяет большой интерес к экспериментальному и численному изучению конвективных процессов [4].

Однако изучение формирования подобных течений в эксперименте требуют больших временных и материальных затрат. В отличие от эксперимента, численный подход дает возможность варьировать ряд важных параметров задачи, таких как вязкость, угловая скорость вращения модели, существенно влияющих на формирование и поведение конвективных течений.

Цели данной работы:

·        провести численное исследование конвективных течений в программном комплексе ANSYS, формирующихся вследствие локализованного нагрева в цилиндрическом слое жидкости. Сравнить результаты расчетов в CFX и FLUENT для различных режимов течения, сравнить эти результаты с данными, полученными в эксперименте.

·        провести аналогичные расчеты для конвективных течений, формирующихся вследствие стока через центральное отверстие в неподвижном цилиндрическом слое жидкости. Интерес к расчетам в неподвижном слое обусловлен появлением экспериментальных работ [5-7], в которых в близкой постановке пороговым образом происходило формирование вихря в области стока. Проведение трехмерных расчетов требует значительных вычислительных ресурсов, поэтому расчеты провели в осесимметричной постановке. Провести анализ численной схемы, построить численную модель в программных пакетах ANSYS CFX и ANSYS FLUENT, выявить наличие вихревых движений в неподвижной численных моделях.

1. Теория

1.1 Уравнения тепловой конвекции

Жидкость может находиться в механическом равновесии (т.е. в ней может отсутствовать макроскопическое движение), не находясь при этом в тепловом равновесии. Уравнение Эйлера для покоящейся жидкости, находящейся в однородном поле тяжести - может быть удовлетворено и при непостоянной температуре в жидкости. При этом, однако, возникает вопрос о том, будет ли такое равновесие устойчивым. Оказывается, что равновесие будет устойчивым лишь при выполнении определенного условия. Если это условие не выполняется, то равновесие неустойчиво, что в результате развития возмущений приводит к появлению в жидкости беспорядочных течений, стремящихся перемешать жидкость так, чтобы в ней установилась постоянная температура. Такое движение носит название тепловой конвекции. Условие устойчивости механического равновесия является, другими словами, условием отсутствия конвекции. Конвекция наступает при нарушении следующего условия:

,

где  - удельная теплоемкость при постоянном давлении,

 - температурный коэффициент расширения;

т.е. если температура падает по направлению снизу вверх, причем ее градиент превышает по абсолютной величине указанное в условии значение.

Выведем уравнения, описывающие конвекцию [1]. Мы будем рассматривать жидкость как несжимаемую. Это значит, что давление предполагается достаточно мало меняющимся вдоль жидкости, так что изменение плотности под влиянием изменения давления можно пренебречь. Это существенно упрощает систему уравнений, описывающих конвекцию. Что же касается изменения плотности благодаря неравномерной нагретости жидкости, то этим изменением, конечно, нельзя пренебречь. Именно оно приводит к появлению сил, вызывающих конвекционное движение.

Модель, которая описывает конвекцию жидкости, как несжимаемую, называется моделью Буссинеска [2]. Соответствующие приближенные уравнения обычно называют уравнениями конвекции в приближении Буссинеска.

В таком случае переменная температура записывается в виде , где  есть некоторое постоянное среднее значение, от которого отсчитывается неравномерность температуры . Будем предполагать, что мало по сравнению с . Плотность жидкости напишем в виде  с постоянным.

Ввиду малости изменения температуры  мало также и вызываемое им изменение плотности , причем можно написать:

,                     (1.1)

где  - температурный коэффициент расширения.

В давлении же  величина  не будет постоянной.

Это давление, соответствующее механическому равновесию при постоянных (равных и ) температуре и плотности.

Оно меняется с высотой согласно гидростатическому уравнению

,

где координата z отсчитывается вертикально вверх.

Учитывая все эти соображения, получаем полную систему уравнений, описывающих термогравитационную конвекцию несжимаемой жидкости в приближении Буссинеска:

Уравнение Навье-Стокса:

.                                                 (1.2)

Уравнение теплопроводности:

.                                                                           (1.3)

Уравнение непрерывности:

,                                                                                         (1.4)

где  - вектор скорости, - изменение давления, - изменение температуры,  - коэффициент кинематической вязкости,  - гидростатическое значение плотности,  - коэффициент температуропроводности,  - коэффициент теплопроводности,  - удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Возвращаясь к допущениям, сделанным при выводе уравнений (1.2) - (1.4), отметим, что основным моментом в приближении Буссинеска является предположение о том, что рассматривается в некотором смысле «слабая» конвекция: вызванные неоднородностью температуры отклонения плотности от среднего значения предполагаются настолько малыми, что ими можно пренебречь во всех уравнениях, кроме уравнения движения (1.2), где отклонение учитывается лишь в члене с подъемной силой. Разумеется, учет неоднородности плотности лишь в уравнении движения означает некоторую непоследовательность приближения Буссинеска. Однако сравнение результатов решения уравнений конвекции (1.2) - (1.4) с обширным экспериментальным материалом с определенностью свидетельствует о том, что эти уравнения достаточно хорошо отражают все важнейшие особенности тепловой конвекции в лабораторных масштабах.

В частных случаях температура или тепловой поток могут быть заданы непосредственно на границах полости, которую заполняет жидкость. При этом уравнения и граничные условия будут содержать следующие параметры: характерную длину полости L, характерную разность температур Θ, время τ, характеризующее нестационарность внешних условий, и параметры жидкости ν, χ, gβ. Из этих величин можно построить 2 независимые безразмерные комбинации:

так называемые числа Рэлея (R), Прандтля (P). Число Прандтля зависит только от свойств самого вещества жидкости; основной же характеристикой конвекции как таковой является число Рэлея.

Два течения подобны, если их числа R и P одинаковы. Теплопередачу при конвекции в поле тяжести характеризуют числом Нуссельта:

,

где  - коэффициент теплопередачи между твердыми телами и жидкостью,  - коэффициент теплопроводности среды, l - характерный размер.

Конвективное движение может быть как ламинарным, так и турбулентным. Наступление турбулентности определяется числом Рэлея - конвекция становится турбулентной при очень больших значениях R.

Ламинарное течение - течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных и быстрых изменений скорости и давления).

Турбулентное течение - явление, заключающееся в том, что при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны и обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил и/или при их присутствии.

1.2 Уравнения движения

Рассмотрим движения несжимаемой вязкой жидкости с неизменными физическими свойствами. Уравнения, описывающие движение несжимаемой вязкой жидкости, выражают сохранение массы и количества движения:

   (2.1)

 (2.2)

Здесь  - скорость частицы, измеряемая в системе координат, вращающейся с постоянной угловой скоростью ;  представляют соответственно радиус-вектор частицы, время, давление, плотность, кинематическую вязкость и массовую силу, отнесенную к единице массы. Массовая сила предполагается консервативной , так что ее вместе с центробежной силой и Р можно записать в форме редуцированного давления

(2.3)

Это упрощает уравнение (2.2)

(2.4)

Полная форма конвективного ускорения  используется чаще, чем инвариантное векторное представление.

Уравнения движения в инерциальной системе координат получаются из предыдущих уравнений, если положить в них . Формула

связывает между собой скорости частицы в инерциальной и вращающейся системах.

На твердых непроницаемых поверхностях вязкая жидкость должна двигаться вместе с этими поверхностями, так как скольжение вдоль них или пересечение их невозможно. Если поверхность проницаемая, можно задать нормальную компоненту скорости, но требование отсутствия скольжения или относительной тангенциальной скорости остается в силе. В общем случае граничная поверхность имеет части, равномерно вращающиеся с угловой скоростью . По отношению к системе, вращающейся со скоростью , граничное условие на такой поверхности есть

   (2.5)

Постановка задачи завершается описанием начального поля скорости

   (2.6)

Задача, таким образом, состоит в том, чтобы решить уравнения (2.1) и (2.4) в фиксированной области с граничными условиями (2.5) и (2.6).

Пусть  характеризуют типичную длину, время и относительную скорость движения частицы. Замена переменных  их нормированными значениями  позволяет привести уравнения к безразмерному виду:

     (2.7)

 (2.8)   

с соответствующими граничными условиями. (Значок Λ отмечает единичный вектор.) При этом появляются два важных безразмерных параметра: число Экмана

               (2.9)

и число Россби

 (2.10)

Первый является грубой мерой отношения типичной силы вязкости к силе Кориолиса и есть, по существу, обратное число Рейнольдса. Подобно этом число Россби - отношение конвективного ускорения к ускорению Кориолиса - дает общую оценку относительного значения нелинейных членов. Число Экмана очень мало в большинстве тех случаев, когда преимущественно проявляются эффекты вращения. Практически величина 10^-5 является для него обычной и в последующем предположение Е << 1 используется без дальнейших оговорок. Число Россби имеет порядок единицы или меньше; в линейной теории его значение принимается бесконечно малым.