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: 15.12.2017).

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, обтекания цилиндра, рабочую часть лотка, отрыв потока, программного комплекса, уровня жидкости, комплекса ansys cfx, режима течения, пакете ansys cfx, крылового профиля, модели обтекания цилиндра, анализе обтекания цилиндра, Картина обтекания цилиндра, жидкости отрыв потока, картина обтекания цилиндра, обтекание потоком жидкости, уровни потока жидкости, Разработка программного комплекса, программном комплексе ansys, углом атаки.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос