Верификация программного комплекса ANSYS CFX на задачах обтекания жидкостью удобообтекаемых тел | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Абдуллин А. Я., Сенюшкин Н. С., Порошкин К. В. Верификация программного комплекса ANSYS CFX на задачах обтекания жидкостью удобообтекаемых тел // Молодой ученый. — 2011. — №7. Т.1. — С. 49-53. — URL https://moluch.ru/archive/30/3495/ (дата обращения: 26.09.2018).

Одной из характерных задач проектирования судов, экранопланов и гидросамолетов является процесс обтекание потоком жидкости со свободной поверхностью тел специфической формы: цилиндр, клин, аэродинамический профиль. Верификация программных комплексов трехмерного численного моделирования является необходимой составляющей внедрения данных программных продуктов в конструкторскую практику. В связи с этим проведенное в данной работе исследование является актуальной задачей.

Известно, что при стремительном течении тяжелой жидкости могут возникать при определенных условиях прыжки, т.е. подъемы уровня жидкости [2].

При гидравлическом скачке возникает обратное течение в верхних слоях воды, движение бурное, поток насыщен пузырьками воздуха.

Подъем жидкости происходит при обтекании тела в потоке, например, крылового профиля или цилиндра.

Зная уровни потока жидкости перед обтекаемым телом и за ним можно определить силу сопротивления, а по эпюре распределения давлений – подъемную силу. На рисунке 1 показана схема обтекания крылового профиля потоком.

Рисунок 1 – Схема обтекания крыла в гидролотке

Были выполнены экспериментальные исследования обтекания тел различной формы (цилиндр, крыловой профиль) в гидролотке.

Для визуализации картин течения в гидролотке использован алюминиевый порошок.

Схема течения в гидролотке показана на рисунке 2. Есть возможность варьировать угол между плоскостью дна гидролотка и горизонтальной поверхностью в пределах -10°, +10°.

Рисунок 2 – Схема течения в гидролотке

W1 – скорость на входе в рабочую часть лотка; h1, h2 – уровни жидкости на входе и на выходе, соответственно, α – это угол установки дна гидролотка.

Размеры рабочей зоны гидролотка 245х320 мм. Расстояние от входа в рабочую часть лотка до исследуемого тела 80 мм. Диаметр исследуемого цилиндра 45 мм, хорда крылового профиля ClarkY b=120 мм.

Диапазон варьирования скорости на входе, за счет изменения массового расхода воды и угла наклона дна, составляет 0,01-0,3 м/с.

На высоких скоростях при визуализации алюминиевыми опилками были видны только прямые линии тока, опилки уносились основным потоком. Поэтому в исследованиях был выбран угол наклона дна установки 3°.

Исследовались два режима течения: с минимальным массовым расходом воды и с максимальным, при этом скорость на входе в рабочую часть составляла 0,03 и 0,1 м/с, соответственно.

Обтекание крыла исследовалось при углах атаки 0 и 30° со скоростью на входе 0,03 м/с. При анализе обтекания цилиндра использовались 2 режима течения. Таким образом, получено по 4 картины распределения скоростей в гидролотке.

В программном комплексе ANSYS выполнено численное моделирование течений, соответствующие экспериментам в гидролотке.

Для построения сеток использован модуль CFX-Mesh в ANSYS Workbench. Данный модуль позволяет создавать преимущественно тетраэдрическую сетку с призматическими слоями вдоль стенок, локальным измельчением в точках, на линиях и поверхностях. Построены две сеточных модели для крыла с углом атаки 0 и 30° и одна модель для обтекания цилиндра. Максимальный размер объемной ячейки 6 мм; размер поверхностных ячеек 3…6 мм.

Для моделей с крылом суммарное число ячеек составило 2,7-2,8 млн. Для модели обтекания цилиндра количество ячеек составило 1,88 млн. (рис. 3).

Граничные условия для крыла и цилиндра аналогичные.

Поскольку эксперимент ставился для двух условий – со скоростью 0,03 и 0,1 м/с на входе, созданы две комбинации граничных условий. Постановка задачи в CFX-Pre рассмотрена на примере цилиндра (рисунок 4).


Рисунок 3 – Сеточные модели обтекания профиля и цилиндра

3 4 5


1 2

Рисунок 4 – Расчетная область с расставленными граничными условиями

1 – Вход (Inlet); 2 – Стенка (Wall); 3 – Открытая поверхность (Opening); 4 - Поверхность цилиндра; 5 – Выход (Outlet)

Картина обтекания цилиндра без отрыва показана на рисунке 5. Как видно из картины обтекания, полученной в эксперименте на рисунке 5 а, течение ламинарное. Такое же распределение скоростей и отсутствие отрыва потока наблюдается в картине распределения скоростей, полученной моделированием, на рисунке 5 б. Состояние жидкости показано на рис. 6

Режим течения со скоростью на входе 0,03 м/с. Число Re равно 1350. Полученный результат свидетельствует об адекватном задании граничных условий и общих параметров в CFX-Pre, такая постановка задачи может быть использована при моделировании более сложных задач течения в гидролотке.

а б

Рисунок 5 – Картины безотрывного обтекания цилиндра

Если сравнивать полученное ламинарное течение с ползущим [1], то видно, что в ламинарном режиме область возмущения за цилиндром более вытянутая.

Рисунок 6 – Свободная поверхность, ризб=0 Па

При скорости на входе в рабочую часть лотка W = 0,1 м/с, получен отрыв потока (рисунок 7 а). Фотография получена с выдержкой 1 с. За цилиндром видны два вихря. В ANSYS CFX при соответствующих условиях получен отрыв потока за цилиндром, при число Re равном 4500.

а б

Рисунок 7 – Отрыв потока жидкости от цилиндра

Похожая картина обтекания цилиндра приведена в альбоме течений жидкости и газа [1]. Таким образом, можно заключить, что течение в ANSYS CFX смоделировано правильно.

По распределению давлений на поверхности цилиндра можно определить силу, действующую на него.

При скорости 0,03 м/с число Re, рассчитанное по хорде крыла, составило 3600. Для нулевого угла атаки течение безотрывное (рисунок 8). Полученная картина течения согласуется с приведенными в [1].

Рисунок 8 – Безотрывное обтекание крыла при угле атаки 0°, полученное в эксперименте и моделированием в ANSYS CFX

При числе Re=3600, но уже с углом атаки профиля 30° возникает отрыв потока по всей спинке крыла, как в натурном эксперименте (рисунок 9), так и в ANSYS CFX (рисунок 10). При турбулентном течении жидкости отрыв потока происходит не по всей спинке, а ближе к задней кромке, т.к. при более интенсивной турбулентности происходит перемешивание ламинарного и турбулентного потока [1].

Рисунок 9 – Экспериментальное обтекание профиля с большим углом атаки

Рисунок 10– Отрыв потока при угле атаки 30°


Проведенное моделирование показало, что происходит подъем уровня жидкости на входной кромке крыла и уменьшение уровня жидкости к выходной кромке, такая же картина наблюдалась и в эксперименте.

Заключение

Результаты моделирования течений, полученные в натурном и численном эксперименте, показали хорошее совпадение между собой и с картинами течения полученными в эталонных экспериментах [1], что говорит о корректной постановке эксперимента в гидролотке.

Результаты, полученные в ANSYS CFX, свидетельствуют об адекватном моделировании, а именно: правильном построении сетки, заданиb граничных и начальных условий, заданиb общих параметров течения.

Проведенные исследования показали возможность моделирования более сложные течения, например, при определении характеристик обтекания судов, корпусов летательных аппаратов и различных гидротехнических сооружений.

Работы выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.


Литература:

1. Альбом течений жидкости и газа: Пер. с англ./Сост. М. Ван-Дайк. – М.: Мир, 1986. – 184 с., ил.

2. Виноградов Р.И. и др. Газогидравлическая аналогия и ее практическое приложение / Р. И. Виноградов, М.И. Жуковский, И.Р. Якубов. – М.: Машиностроение, 1978. – 152 с., ил.

Основные термины (генерируются автоматически): ANSYS, CFX, рисунок, угол атаки, крыловой профиль, рабочая часть лотка, Режим течения, вход, гидролотк, поток.


Похожие статьи

Идентификация математической модели обтекания крыльевого...

Задачи идентификации была решена для обтекания профиля NASA-2406 потоком воздуха при различных углах атаки: 1-10° с шагом 1° и 10-45° с шагом 5° с использованием CAE системы ANSYS CFX 11.

Разработка дренажной модели профиля с механизацией для...

Вход / Регистрация.

диапазоне углов атаки от -7 до +10 градусов составляет 2 % , а во всем диапазоне углов атаки, показанном на рис. 3, эта же

Идентификация математической модели обтекания крыльевого профиля потоком газа в CAE пакете ANSYS CFX.

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной...

Вход / Регистрация.

Вводимые в поток частицы-маркеры не занимают объема и не влияют на характер течения.

Важной частью метода является алгоритм реконструкции свободной поверхности на основе значений С. Существует несколько основных подходов [5]

Определение некоторых параметров летательных аппаратов...

Подъемная сила у крыла определяется одним только углом атаки и не зависит от формы его сечения.

Идентификация математической модели обтекания крыльевого профиля потоком газа в CAE пакете ANSYS CFX.

Создание численной модели индукционно нагревательной...

Вход / Регистрация.

Д анные о поведении поля температур и об изменении в течение времени теплофизических свойств материалов содержит файл INDHEAT_T.TRA.

Верификация программного комплекса ANSYS CFX на задачах обтекания жидкостью удобообтекаемых тел.

Исследование диска-крыла в потоке газа, растекающегося от...

Вход / Регистрация.

На основе представлений картины обтекания потока газа поверхности диска выполнен расчет рабочих параметров летательного аппарата, с

Согласно [1,2] число Рейнольдса сопла, при котором формируется турбулентный режим течения, составляет Re>300.

Разработка дренажной модели профиля с механизацией для...

размеры рабочей части: 254×356×203мм; толщина одного слоя: 0,0875 мм

Время расчёта одного угла атаки составило примерно 45 минут.

Кашафутдинов С.Т., Лушин В.Н. Атлас аэродинамических характеристик крыловых профилей.

Проведение замеров параметров потока в условиях трёхмерного...

Рисунок 3. Линии тока на модели с углом закрутки на входе 10°.

Основные термины (генерируются автоматически): CFX, интегральная характеристика потока, линия тока, рисунок, ANSYS, полное давление, угол установки, ось потока, замер, поток.

Анализ лопастей турбины ГТД из карбида титана в пакете Ansys

Вход / Регистрация.

При работе газотурбинного двигателя на рабочие лопатки действуют статические, динамические и температурные нагрузки.

Богомолова Т. В., Мельников О. В. Применение ANSYS-FLUENT для прочностных расчетов рабочих лопаток последних ступеней...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Идентификация математической модели обтекания крыльевого...

Задачи идентификации была решена для обтекания профиля NASA-2406 потоком воздуха при различных углах атаки: 1-10° с шагом 1° и 10-45° с шагом 5° с использованием CAE системы ANSYS CFX 11.

Разработка дренажной модели профиля с механизацией для...

Вход / Регистрация.

диапазоне углов атаки от -7 до +10 градусов составляет 2 % , а во всем диапазоне углов атаки, показанном на рис. 3, эта же

Идентификация математической модели обтекания крыльевого профиля потоком газа в CAE пакете ANSYS CFX.

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной...

Вход / Регистрация.

Вводимые в поток частицы-маркеры не занимают объема и не влияют на характер течения.

Важной частью метода является алгоритм реконструкции свободной поверхности на основе значений С. Существует несколько основных подходов [5]

Определение некоторых параметров летательных аппаратов...

Подъемная сила у крыла определяется одним только углом атаки и не зависит от формы его сечения.

Идентификация математической модели обтекания крыльевого профиля потоком газа в CAE пакете ANSYS CFX.

Создание численной модели индукционно нагревательной...

Вход / Регистрация.

Д анные о поведении поля температур и об изменении в течение времени теплофизических свойств материалов содержит файл INDHEAT_T.TRA.

Верификация программного комплекса ANSYS CFX на задачах обтекания жидкостью удобообтекаемых тел.

Исследование диска-крыла в потоке газа, растекающегося от...

Вход / Регистрация.

На основе представлений картины обтекания потока газа поверхности диска выполнен расчет рабочих параметров летательного аппарата, с

Согласно [1,2] число Рейнольдса сопла, при котором формируется турбулентный режим течения, составляет Re>300.

Разработка дренажной модели профиля с механизацией для...

размеры рабочей части: 254×356×203мм; толщина одного слоя: 0,0875 мм

Время расчёта одного угла атаки составило примерно 45 минут.

Кашафутдинов С.Т., Лушин В.Н. Атлас аэродинамических характеристик крыловых профилей.

Проведение замеров параметров потока в условиях трёхмерного...

Рисунок 3. Линии тока на модели с углом закрутки на входе 10°.

Основные термины (генерируются автоматически): CFX, интегральная характеристика потока, линия тока, рисунок, ANSYS, полное давление, угол установки, ось потока, замер, поток.

Анализ лопастей турбины ГТД из карбида титана в пакете Ansys

Вход / Регистрация.

При работе газотурбинного двигателя на рабочие лопатки действуют статические, динамические и температурные нагрузки.

Богомолова Т. В., Мельников О. В. Применение ANSYS-FLUENT для прочностных расчетов рабочих лопаток последних ступеней...

Задать вопрос