Fluent inс. Документация к программному обеспечению. FLUENT, GAMBIT. Краткое описание программного комплекса CFD с уроками (на русском языке)

Подождите немного. Документ загружается.

3. Постпроцессор для анализа и визуализации расчетов.

Введение

В данной главе демонстрируются возможности постобработки результатов расчёта в

пакете FLUENT на примере течения и теплообмена в трёхмерной модели схемной платы с

нагревающимся на ней чипом. Течение вокруг чипа ламинарное.

Теплоперенос включает теплопередачу в чипе и теплопередачу с конвекцией в

окружающей среде. Сопряжённый теплообмен характерен для многих инженерных

приложений, включая дизайн и охлаждение электронных компонентов.

Здесь будут даны примеры, как следует:

• создавать поверхности для отображения трёхмерных данных;

• рисовать закрашенные контурные карты температуры на нескольких поверхностях;

• добавлять источники света для демонстрации разнообразных частей расчётной

геометрии;

• рисовать вектора скорости;

• отражать картину распределения различных величин относительно плоскости

симметрии;

• создавать анимацию;

• рисовать траекторные линии;

• сохранять результаты постобработки в файлы различных форматов.

• 3.1. Постановка задачи

• Геометрия области изображена на рисунке 3.1. Она состоит из ряда электронных

чипов или модулей, расположенных на схемной плате. Воздушный поток

находится между схемной платой и верхней крышкой, охладителями и модулями.

Так как задача симметричная, то в качестве расчётной области выбирается область,

ограниченная плоскостью симметрии, проходящей через середину одного модуля,

и плоскости симметрии, расположенной между этим и другим модулем.

• Предполагается, что каждая половина модуля генерирует в единицу времени 2,0 Вт

и коэффициент теплоотдачи между модулем и воздухом 1,0 Вт/м

К. А

коэффициент теплоотдачи монтажной платы на порядок ниже: 0,1 Вт/м

К. Поток

воздуха поступает через входное сечение с температурой 298 К и скоростью 1 м/с.

Число Рейнольдса, рассчитанное с использованием высоты модуля, равно 600,

поэтому течение считается ламинарным.

•

• Рис. 3.1. Геометрия расчётной области

3.2.1. Графическое представление результатов расчета

течения и теплообмена. Часть 1

Предварительно:

1. Скопируем файл postprocess.zip в свою рабочую директорию и

разархивируем его.

Будет создано два файла chip.cas и chip.dat в директории postprocess.

2. Запустим трёхмерную версию (3d) FLUENT.

Шаг 1: Создание изоповерхностей

I. Прочитаем файл с настройками программы FLUENT и файл с результатами расчётов.

File → Read → Case&Data…

Для того чтобы выводить результаты для трёхмерных задач, понадобятся

поверхности, на которых будут построены расчётные поля. FLUENT

автоматически создаёт такие поверхности для всех границ. В прочитанном cas-

файле было переименовано несколько таких поверхностей. Кроме того, имеется

возможность определять дополнительные поверхности для просмотра результатов.

II. Создадим поверхность, соответствующую постоянному значению координаты y.

Surface → Iso-Surface…

1. Выберем Grid… (сетка) и Y-Coordinate ( координата Y) из выпадающих

списков Surface of Constant.

2. Нажмем Compute.

Поля Min и Max заполнятся минимальным и максимальным значениями

величины y.

3. Введем значение 0.25 для Iso-Values y=0.25 для поля New Surface Name

(новое имя поверхности).

4. Нажмем кнопку Create и закроем окно Iso-Surface (изоповерхность).

3.2.2. Графическое представление результатов расчета

течения и теплообмена. Часть 2

Шаг 2: Контурные линии

I. Нарисуем контурные линии температуры на плоскости симметрии.

Display → Contours…

a. Активируем пункт Filled в групповом блоке Options.

b. Выберем Temperature… и Static Temperature из выпадающих списков

Contours of.

c. Выберем board-sym, chip-sym и fluid-sym из списка Surfaces и нажмем

Display.

II. Нарисуем контурные линии температуры в плоскости y=0.25 in (рис. 3.2)

1. Для этого нужно отменить выбор всех поверхностей в списке Surfaces и

далее выделить y=0.25.

2. Нажмем кнопку Display и закроем меню Contours.

Рис. 3.2. Контурные линии температуры

3.2.3. Графическое представление результатов расчета

течения и теплообмена. Часть 3

Шаг 3: Векторы скорости

Векторное поле скорости обеспечивает отличную визуализацию течения вокруг модуля,

детальное изображение структуры следа.

I. Изобразим векторное поле скорости на плоскости симметрии, проходящей через

центральную часть модуля.

Display → Vectors…

1. Выберем fluid-sym из списка Surfaces.

2. Введем значение 1.9 для поля Scale и нажмем кнопку Display.

Рис. 3.3. Векторное поле скорости в плоскости симметрии модуля

Векторы на рис. 3.3 изображены без стрелок. Имеется возможность изменить стиль

векторов в окне Vectors, выбирая различные виды стрелок из выпадающего списка

Style (стиль). Если Вы хотите уменьшить число нарисованных стрелок, то

необходимо увеличить значение в поле Skip.

3.2.4. Графическое представление результатов расчета

течения и теплообмена. Часть 4

II. Нарисуем векторы скорости в горизонтальной плоскости.

Display → Vectors…

1. Отменим выбор всех поверхностей в списке Surface.

2. Выберем поверхность y=0.25 из списка Surface и введем значение 3,8 в поле

Scale.

3. Активизируем опцию Draw Grid в групповом блоке Options.

Откроется меню Grid Display.

a. Активируем опцию Faces в групповом блоке Options и выберем

board-top и chip из списка Surfaces.

b. Нажмем кнопку Colors… и откроется окно Grid Colors. В этом окне

выберем Color by Type в списке Options. Также выберем Wall из

списка Types и light blue из списка Colors, нажмем кнопку Reset

Colors, далее закроем окно Grid Colors.

c. Нажмем кнопку Display и закроем окно Grid Display.

d. Зададим дополнительный источник света, выбрав Display →

Lights… В групповом блоке Color выберем light blue и в

выпадающем списке Lighting Method – опцию Gouraud. Нажмем

Apply и закроем окно.

4. Нажмем кнопку Display и закроем окно Vectors…

Рис. 3.4. Векторное поле скорости вокруг чипа.

3.3. Задания

1. Постройте изоповерхность для z=0,15 и нарисуйте контурные линии модуля

вектора скорости в этой плоскости.

2. Нарисуйте векторное поле скорости в плоскости z=0,15.

3. Выполните два предыдущих задания, так чтобы вместе с контурными линиями и

векторным полем отображались чип и поверхность платы.

4. Постройте симметричную картину (относительно плоскости симметрии symmetry-

18) для контурных линий и векторного поля.

5. Создайте анимацию для векторного поля в плоскости z=0,15 так, чтобы первый

ключевой кадр соответствовал меньшему размеру векторного поля, а последний –

большему (масштабированному) размеру векторного поля.

6. Сохраните один из ключевых кадров анимации в файле (в формате PostScript) и

анимацию в файле формата MPEG.

7. Прочитайте файлы dambreak.cas.gz и dambreak.dat.gz, которые содержат

информацию о сетке, настройках FLUENT и данные расчёта. В этой задаче

рассматривается прямоугольный столб воды, который ограничен двумя стенками.

На него действует сила гравитации. В начале расчёта правая стенка убирается, и

вода начинает движение слева направо. Решение этой проблемы основано на

многофазной модели VOF (Volume Of Fluid). Попробуйте нарисовать сетку,

выделив каждую из фаз (вода и воздух) разными цветами (выберите в опциях Color

by ID). После этого изобразите контурные линии разных фаз (в меню Contours

выберите phases из выпадающего списка Contours of). Далее откройте файлы

dambreak-20.cas.gz и dambreak-20.dat.gz, которые соответствуют 20 шагам по

времени, и снова нарисуйте контурные линии разных фаз. Далее изобразите

векторное поле скорости движения воздушной и жидкой фазы. После этого по

очереди открывайте и стройте контурные линии для 50, 80 и 100 шагов по времени.

Попробуйте экспортировать результаты из графического окна в файлы.

8. Прочитайте в FLUENT файлы 3d-300.cas.gz и 3d-300.dat.gz. Данная задача

представляет собой проблему разрушения частицами трубы с изгибами 90°. На

входной границе вода имеет скорость 10 м/с. В этом примере рассматривается

турбулентное и изотермическое стационарное течение. Твёрдые частицы,

плотность материала которых 1500 кг/м

, поступают в трубу со скоростью 10 м/с

из входного отверстия. Диаметр частиц составляет 200 мкм, а массовый расход 1

кг/с. Коэффициент нормального и тангенсального отражения для твёрдой стенки

является полиномиальной функцией воздействия угла соударения.

При настройке модели разрушения функция воздействия угла соударения

определяется для того, чтобы описать влияние разрушения на стенку канала (т.е.

частицы, которые воздействуют на стенку с малой величиной угла соударения,

будут вызывать большую скорость разрушения). Постройте траектории движения

частиц (Display → Particle Tracks…) так, чтобы вместе с траекториями

отображалась и сетка на стенках, входной границе и выходе. Для того чтобы

построить траектории, необходимо в меню Particle Tracks… выбрать injection-0 из

списка Release from Injections и нажать кнопку Display. Нарисуйте контурные

линии DPM (Discrete Phase Model) разрушения. Для этого в меню Contours

необходимо выбрать Discrete Phase Model… и DPM Erosion из выпадающего

списка Contours of, а в качестве поверхности выбрать wall.

Локализируйте поверхность стенки для того, чтобы изобразить результаты расчёта

в определённой области. Выберите Surface → Iso-Clip, Grid и Z-Сoordinate из

выпадающего списка Clip to Values of. Далее выберем wall из списка Clip Surface

и нажмем кнопку Compute. Введем число 0.17 для Min и нажмем Clip, таким

образом, в списке Clip Surface появится новая поверхность clip-z-coordinate-4.

Далее аналогичным образом создайте поверхность clip-y-coordinate-5, при этом

выберите Y-Сoordinate и поверхность clip-z-coordinate-4 из списка Clip Surface,

но для значения Max введите число 0,08 и нажмите Clip. С помощью меню

Manage… удалите поверхность clip-z-coordinate-4 и переименуйте clip-y-

coordinate-5 в elbow-1. Далее нарисуйте DPM Erosion для вновь созданной

поверхности elbow-1 и попробуйте аналогичным образом локализировать область

другого изгиба и нарисовать ту же самую величину. Проверьте массовый баланс.

9. Прочитайте в FLUENT файлы ozone_fluidbed_final.cas.gz и

ozone_fluidbed_final.dat.gz. Данный расчётный случай соответствует задаче,

которая заключается в разделении озона в псевдоожиженном слое. Жидкая фаза –

это смесь озона и воздуха, в то время как твёрдая фаза состоит из частиц песка с

диаметром 87,75 мкм. Схематическое изображение псевдоожиженного слоя

показано ниже. Расчётная область представляет собой двумерный плоский

цилиндрический случай.

Нарисуйте расчётную сетку и поверните её так, чтобы геометрия расчётной

области соответствовала схематичному изображению, представленному выше. Для

этого используйте меню Display → View…, в котором, выбрав опцию Camera…,

необходимо настроить её (положение геометрии расчетной области) должным

образом. Далее нарисуйте контурные линии массовых фракций О

и О

. Для этого

необходимо в меню Contours выбрать опцию Species… и Mass Fraction of o2 или

o3 из выпадающего списка Contours of. Проанализируйте полученные результаты.

Нарисуйте движение жидкостной и твёрдой фаз в виде векторных полей. Для этого

в меню Vectors выберите в выпадающем списке Phases сначала первую, а затем и

вторую фазу. Нарисуйте объёмные фракции для первой и второй фазы. Для этого в

меню Contours необходимо выбрать Phases… из выпадающего списка Contours of

и поочерёдно построить закрашенные контурные линии для разных фаз.

10. Загрузите файл с сеткой sub-mdm-setup.cas.gz и sub-mdm-setup.dat.gz. Это задание

по визуализации представляет собой упрощённую двумерную модель (9 м)

субмарины, которая движется с постоянной скоростью и сближается с другой

лодкой. Автоматизированная система стыковки субмарин сближает их и позволяет

двигаться по определенной рассчитанной траектории. Проведите расчёт до 1400

временного шага, сохраняя данные расчёта и файл с настройками и сеткой (*.cas)

каждый 100-й шаг по времени. Постройте закрашенные контурные линии давления

и скорости. Проанализируйте их.

4. Течение и теплообмен в каналах. Введение

Неизотермические рециркуляционные турбулентные течения в каналах широко

распространены в технических устройствах и аппаратах. Одним из способов их

исследования являются методы математического моделирования. В данной лабораторной

работе в качестве примера рассматриваются задача о турбулентном течении и

теплообмене в цилиндрическом канале с внезапным расширением, построение конечно-

разностной сетки с помощью программы-построителя сеток GAMBIT и ее решение с

помощью пакета FLUENT.

4.1. Физическая постановка задачи

Рассматривается стационарное осесимметричное турбулентное неизотермическое течение

вязкой несжимаемой жидкости в цилиндрическом канале с внезапным расширением.

Геометрические характеристики области исследования (рис. 4.1): L

=1 м - длина канала

до внезапного расширения; L

=0,5 м - длина обогреваемого участка трубы после

расширения; L

выбирается таким образом, чтобы непосредственно перед расширением

параметры потока соответствовали условиям стабилизированного течения. R

=0,025 м,

=0,04 м - радиусы поперечного сечения трубы до и после расширения соответсвенно.

Нагрев потока обеспечивается скачкообразным изменением температуры стенки от 300 К

при 0 < x ≤ L

до 310 К при x > L

Теплофизические свойства жидкости постоянные: плотность ρ имеет значение 1,225

кг/м

, кинематическая вязкость ν=0,0000146 м

/с, число Прандтля Pr=0,74. На входе в

каналах при x=0 распределение скорости равномерное и имеет значение 5,616 м/с, что

соответствует Re

=19233. Температура поступающего в канал потока равна T=300 К,

кинетическая энергия турбулентности k=0,47 м

/с

, диссипация энергии турбулентности

ε=32,2 м

/с

Рис. 4.1. Геометрия области исследования для неизотермического течения в трубе с

внезапным расширением

4.2. Математическая постановка задачи

Система уравнений, моделирующая режим теплообмена при турбулентном движении

вязкой несжимаемой жидкости в цилиндрической трубе с внезапным расширением,

запишется следующим образом:

уравнение неразрывности

(4.1)

уравнения движения

(4.2)

(4.3)

уравнение энергии

(4.4)

4.3 Построение расчетной сетки

После запуска построителя сеток GAMBIT выполняем задание координат опорных точек

контура двумерной области. Для этого нажимаем кнопку в разделе Operation и кнопку

в разделе Geometry. Далее в пункте Create Real Vertex производится задание x - y -

координат опорных точек контура (рис. 4.1): (0;0), (1;0), (1.5;0), (1.5;0.04), (1;0.04),

(1;0.025), (0;0.025) и подтверждение их ввода путем нажатия кнопки Apply.

После появления точек в области рисования переходим к связыванию этих опорных точек

в контур расчетной области. Для этого предварительно увеличиваем масштаб рисунка,

передвигая при правой нажатой кнопке курсор мыши по экрану сверхувниз и

слеванаправо. Затем нажимаем кнопку и при нажатой левой кнопке Shift выделяем

пары связываемых опорных точек и нажимаем кнопку Apply. Выделенные точки контура

меняют цвет на красный. После построения ребер контура необходимо выделить

расчетную область. Для этого нажимаем кнопку в разделе Geometry и при нажатой

левой клавише Shift выделяем отрезки, ограничивающие область исследования. После ее

выделения нажимаем кнопку Apply. Контур окрашивается в голубой цвет.

Далее переходим к построению сетки. Нажимаем кнопку раздела Operation и затем

кнопку в разделе Mesh. Нажимая левую клавишу Shift, выделяем расчетную область и

в появившемся пункте Mesh Faces выбираем шаг сетки (Spacing) 0,001 м. Нажимаем

Apply. В итоге получается на экране желтым цветом рисуется равномерная сетка

размером 25 ×1000+40 ×500=45000 узлов.

На последнем этапе задаем тип границ контура расчетной области и тип ими

ограниченной сплошной среды. Нажимаем кнопку раздела Operation и кнопку

раздела Zones. Далее в пункте Specify Boundary Types обычным образом выделяем

отрезки контура и задаем их тип с точки зрения назначения границы области. Отрезку

(0;0)-(0;0.025) даем имя INLET и выбираем тип VELOCITY_INLET, нажимаем кнопку

Apply. Отрезкам (0;0.025) - (1;0.025) - (1;0.04) даем имя WALL1 и выбираем тип WALL.

Отрезку (1;0.04) - (1.5;0.04) даем имя WALL2 и выбираем тип WALL, (1.5;0.04) - (1.5;0) -

название и тип OUTFLOW и, наконец, отрезкам (0;0) - (1;0) - (1.5;0) - название и тип

AXIS. Далее определяем тип сплошной среды, размещенной в построенном контуре (рис.

4.2). Нажимаем кнопку раздела Zones и выделяем контур. В пункте Specify

Continuum Types даем имя и тип среды - FLUID и нажимаем кнопку Apply.