Численное исследование конвективных течений в пакете ANSYS - Дипломная работа

Конвективные движения являются неотъемлемыми элементами многих природных процессов, наблюдаемых в атмосфере и океанах Земли, а также течений, реализуемых в различных технологических устройствах. 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.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. 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. Выведем уравнения, описывающие конвекцию [1]. Это значит, что давление предполагается достаточно мало меняющимся вдоль жидкости, так что изменение плотности под влиянием изменения давления можно пренебречь.Рассмотрим движения несжимаемой вязкой жидкости с неизменными физическими свойствами. Уравнения, описывающие движение несжимаемой вязкой жидкости, выражают сохранение массы и количества движения: (2.1) 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. Если поверхность проницаемая, можно задать нормальную компоненту скорости, но требование отсутствия скольжения или относительной тангенциальной скорости остается в силе. По отношению к системе, вращающейся со скоростью , граничное условие на такой поверхности естьНужно будет различать абсолютный вихрь , измеренный в инерциальной системе, и относительный вихрь , измеренный в равномерно вращающейся системе. Здесь - проекция поверхности , ограниченной контуром L, на плоскость, перпендикулярную вектору ; - единичный вектор, нормальный к . Линия в жидкости, повсюду касательная к , называется вихревой линией; вихревые линии, проходящие через каждую точку малой замкнутой кривой, образуют вихревую трубку. Если площадь поперечного сечения трубки мала, величина имеет одно и то же значение повсюду вдоль трубки и называется ее интенсивностью. Другое заключение, вытекающее из (3.4), состоит в том, что вихревые линии не могут начинаться или оканчиваться в жидкости, они либо замкнуты, либо оканчиваются на твердых границах.Полагается, что на верхней границе выполняется условие проскальзывания, на боковой стенке и на дне - условие прилипания (схематично исследуемая модель и циркуляция жидкости представлены на рисунке 1) В центральной части цилиндр нагревается за счет постоянного теплового потока; область нагрева показана на схеме черным прямоугольником. Отвод тепла осуществляется через свободную верхнюю границу, на которой, кроме проскальзывания, также задается постоянный поток тепла (отрицательный).Полагается, что на боковой стенке и на дне выполняется условие прилипания (схематично исследуемая модель представлена на рисунке 3) Жидкость истекает из цилиндра через донное отверстие в центральной части (заштрихованная область на схеме). Втекает жидкость через свободную верхнюю поверхность, где задается постоянный поток жидкости. Граничные условия: Полагается, что на боковых стенках и дне без стока выполняется условие прилипания Исследуемые задачи решаются в осесимметричной постановке (не учитывается зависимость от азимутальной координаты ?), течение жидкости предполагается ламинарным и описывается системой управляющих уравнений в размерной формулировке, включающей: - уравнение сохранения полной энергииANSYS CFX совмещает в себе передовую технологию решателя с современным пользовательским интерфейсом и адаптивной архитектурой, что делает этот инструмент доступным как для разработчиков, владеющих общими инженерными знаниями, так и для специалистов в области гидродинамики, работающими с моделью и ее свойствами на глубоком уровне.Модуль ANSYS CFX полностью интегрирован в расчетную среду ANSYS Workbench - платформу, объединяющую все инструменты инженерного моделирования компании ANSYS. Адаптивная архитектура позволяет пользователю выполнять любые действия от стандартного анализа течения жидкости или газа до обработки сложных взаимодействующих систем. Пользователи могут легко оценить производительность во множественных расчетных точках или сравнить несколько альтернативных конструкций. Для решения задач из различных расчетных дисциплин в рамках платформы ANSYS Workbench можно получить доступ к общим для всех расчетов инструментам, таким как инструменты дл

Содержание

Введение

1. Теория

1.1 Уравнения тепловой конвекции

1.2 Уравнения движения

1.3 Элементы теории завихренности

2. Постановка задачи и метод решения

2.1 Свободная конвекция

2.3 Вынужденная конвекция

2.3 Рабочая среда ANSYS CFX

2.3.1 ANSYS CFX и ANSYS Workbench

2.3.2 Предобработка в CFX-Pre

2.3.3 Решатель ANSYS CFX-Solver

2.3.4 Постобработка в ANSYS CFD-Post

2.4 Рабочая среда ANSYS FLUENT

2.4.1 Сеточный генератор GAMBIT

3. ANSYS CFX и ANSYS FLUENT

3.1 Этапы решения задачи в ANSYS CFX

3.1.1 Создание геометрической модели в ANSYS DESIGNMODELER

3.1.2 Создание сеточной модели в ANSYS Meshing

3.1.3 Предобработка в CFX-Pre

3.1.4 Запуск решения в ANSYS CFX-Solver Manager

3.1.5 Постобработка в ANSYS CFD-Post

3.2 Этапы решения задачи в ANSYS FLUENT

3.2.1 Построение сеточной модели в GAMBIT

3.2.2 Построение физической модели в ANSYS FLUENT

3.3 Анализ численной схемы

4. Результаты решения задачи свободной конвекции

4.1 Качественное описание формирования конвективного течения

4.2 Количественное описание формирования свободной конвекции

4.2.1 Результаты CFX

4.2.2 Результаты FLUENT

4.2.3 Сравнение результатов CFX и FLUENT с результатами эксперимента

4.3 Результаты решения задачи вынужденной конвекции

Заключение

Литература

Приложения

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.