Počítačová dynamika tekutin (CFD) Okrajové podmínky

Transkript

1 Počítačová dynamika tekutin (CFD) Okrajové podmínky M. Jahoda

2 Okrajové podmínky 2 Řídí pohyb tekutiny. Jsou požadovány matematickým modelem. Specifikují toky do výpočetní oblasti, např. hmota, hybnost a energie. Oblasti tekutiny a pevných stěn jsou reprezentovány zónami buněk (cells). orifice_plate and orifice_plate-shadow otvor (interior) outlet Hmota a zdroj jsou přiřazené k buňkám. Okraje a vnitřní plochy jsou reprezentovnány stěnami (faces). Okrajová data jsou přidělená ke stěnám. inlet wall fluid (cell zone) příklad: zóny stěn a buněk spojených s tokem v trubce s otvorem (orifice)

3 Nastavení okrajových podmínek 3 Oblasti (zones) jsou obvykle definovány v preprocesoru, např. v Gambitu. Změny v typu oblasti nastavíme: Define -> Boundary Conditions Změny oblasti: 1. Nastavení oblasti (Zone). 2. Nastavení typu (Type) 3. Upřesnění (Set ). Data okrajových podmínek lze kopírovat (Copy ) Data lze ukládat nebo načítat ze souboru > file write-bc > file read-bc

4 Vstup/výstup tekutiny 4 Obecné pressure inlet pressure outlet Nestlačitelné tekutiny velocity inlet outflow Stlačitelné tekutiny mass flow inlet pressure far-field Speciální inlet vent outlet vent Základní pravidla pro výběr okrajových podmínek pro vstup/výstup tekutin tekutina buď vstupuje, nebo vystupuje (lepší konvergence) neměly by se vyskytovat velké gradienty ve směru kolmém na vstup/výstup minimalizovat šikmo umístěné buňky v oblasti vstupu/výstupu

5 Vstup/výstup tekutiny 5

6 Vstup/výstup tekutiny 6 Momentum Velocity Specification Method Magnitude and Direction Components Magnitude, Normal to Boundary 2D 3D 2D 2D Coordinate System Cartesian (X, Y, Z) Cylindrical (Radial, Tangential, Axial) Local Cylindrical (Radial, Tangential, Axial)

7 Vstup/výstup tekutiny 7 Momentum Reference Frame Absolute Relative to Adjacent Cell Zone - důležité při modelování rotujících částí (míchadla, čerpadla, ) - pokud se síť netočí jsou výrazy ekvivalentní adjacent = sousedící, přilehlý

8 Vstup/výstup tekutiny 8 Momentum Turbulence K and Epsilon Intensity and Length Scale Intensity and Viscous Ratio Intensity and Hydraulic Diameter

9 Vstup/výstup tekutiny 9 Momentum SI jednotky Turbulence K and Epsilon Intensity and Length Scale Intensity and Viscous Ratio Intensity and Hydraulic Diameter Turbulence intenzity 2 3 k I v Lenght Scale turbulentní kinetická energie rychlost tekutiny - fyzikální veličina vztažená k velikosti velkých vírů - nastavení jednotek, např. metry: Define -> Units I je obvykle mezi 1% - 10% - výstup z turbíny: 20% (velká turbulence) - výtok z děrovaného segmentu: 10% - vyvinutý tok trubkou: 5% I = 0,16 Re -0,125 (pro Re=50000 I=0,04) - výstup z turbíny: L = 10% z délky lopatky - výtok z děrovaného segmentu: L = průměr díry - vyvinutý tok trubkou: L = průměr trubky pro stékání po stěně, delta je tloušťka laminární podvrstvy

10 Vstup/výstup tekutiny 10 Momentum Turbulence K and Epsilon Intensity and Length Scale Intensity and Viscous Ratio Intensity and Hydraulic Diameter Viscous ratio - nastavuje se mezi 1-10

11 Vstup/výstup tekutiny 11 Momentum Turbulence K and Epsilon Intensity and Length Scale Intensity and Viscous Ratio Intensity and Hydraulic Diameter

12 Tlakové okrajové podmínky 12 Pressure Inlet Nestlačitelné tekutiny celkový tlak (total) statický tlak (static) Machovo číslo poměr měrných tep.kapacit c p /c v Stlačitelné tekutiny

13 Tlakové okrajové podmínky 13 Pressure Outlet Musí být užit při Pressure Inlet. Je prezentován jako statický tlak prostředí, do kterého tekutina odchází. Statický tlak je na výstupu konstantní, při silném vírovém proudění se předpokládá rovnovážná distribuce v radiálním směru. Může se vyskytnout zpětný tok: během řešení předpokládá se kolmý k okraji nastavení reálného odhadu zpětného toku zlepšuje konvergenci

14 Okrajová podmínka Outflow 14 Užití rychlostní tlakové pole nejsou prioritou výpočtu za předpokladu, že je nulový normálový gradient všech veličin na výstupu kromě tlaku Nelze užít se stlačitelnými tekutinami s okrajovou podmínkou Pressure-Inlet pozn. místo Pressure-Inlet lze užít Velocity-Inlet při neustáleném proudění s proměnnou hustotou Nedoporučuje se užít v případě zpětného toku na výstupu při existenci významných gradientů veličin ve směru toku při výskytu ploch ovlivňující tok, např. schod

15 Ostatní okrajové podmínky 15 Mass flow inlet užití pro stlačitelné tekutiny k popisu hmotnostního toku na vstupu nepoužívá se pro nestlačitelné tekutiny Pressure far field dostupný, když se hustota počítá z rovnice pro ideální plyn používá se k modelování volných proudů, musí být určena hodnota Machova čísla a statického tlaku nelze užít pro nestlačitelné tekutiny Exhaust fan/outlet vent pro výpočet výtoků z ventilátorů a průduchů/ventilů zadává se tlaková ztráta, okolní tlak a teplota Inlet vent, intake fan vstup do průduchu/ventilu a sání do ventilátorů zadává se tlaková ztráta, směr toku, okolní tlak a teplota

16 Stěnové okrajové podmínky:wall 16 Definuje chování na hranici tekutina-pevná plocha. U viskózních tekutin předpokládá nulovou rychlost u stěny. normálová složka rychlosti je nulová no-slip boundary condition Lze definovat střižné napětí, např. povrchové napětí. Teplotní okrajové podmínky dostupné různé typy může být definován materiál a tloušťka pro výpočty v 1D nebo v tenkých plochách při výpočtu transportu tepla Lze definovat drsnost stěny pro turbulentní tok

17 Stěnové okrajové podmínky:wall 17 Roughness Height (drsnost) hladká stěna: 0 m (sklo, plast) = základní hodnota ocelová trubka mírně zkorodovaná: 0,3 mm Roughness Constant vyjadřuje typ drsnosti povrchu, např. rez, zrnka písku, základní hodnota je 0,5 (normální stěna, jemný písek ze stejných částic) nízké hodnoty: 0 0,5 vysoké hodnoty 0,5 1 (pletivo, hrubý písek z různých částic)

18 Stěnové okrajové podmínky (wall) 18 Shear Condition Specified Shear Maragoni Stress

19 Stěnové okrajové podmínky (wall) 19 Teplotní okrajové podmínky

20 Symetrické okrajové podmínky 20 Snižuje výpočetní náročnost. Tok tekutiny a geometrie musí být symetrický. normálová složka rychlosti je nulová na rovině symetrie nulové gradienty všech proměnných na rovině symetrie Na rovině symetrie nelze definovat vstupy. Hranice symetrie musí být správně vybrány. roviny symetrie

21 Osové hranice (axis) 21 Snižuje výpočetní náročnost. Pro 2D se užívá se středová osa (y=0). Pro 3D se může užít plocha. Na rovině symetrie nelze definovat vstupy. osová hranice