Как декантировать вино. ANSYS CFD на службе у сомелье.

007Сегодня после долгого перерыва мы снова с вами погрузимся в мир многофазных течений. И попробуем смоделировать одну из канонических задач, связанных с капиллярностью. Но сначала я познакомлю вас с интересным опытом наших японских коллег, которые с помощью решателя ANSYS Fluent попытались смоделировать процесс аэрации вина в бокалах разной формы.

Для тех, кто ведет трезвый образ жизни, напоминаю, что декантирование (декантация) — это процесс отделения вина от осадка и насыщение его кислородом. При этом сомелье совершает руками серию магических движений. А сама процедура может занимать 10-15 минут и более. Чаще всего декантируют красные вина и реже белые. Отметим, что споры о полезности и объективности результатов этого процесса не утихают до сих пор. Поэтому работа японских инженеров заслуживает внимания. Они провели исследование бокалов различной формы на предмет интенсификации (или сокращения) процесса аэрации вина при контакте с кислородом.

2016-11-02_10-13-15

Для этого было решено использовать газодинамический пакет ANSYS Fluent самой последней версии на тот момент (17.0). Ниже показана анимация, иллюстрирующая результаты их фундаментального труда.

bokaly

В 17-м релизе ANSYS существенно упростилась процедура постановки 6DOF-задачи. Раньше для задания движения тела с 6-ю степенями свободы  необходимо было создавать и компилировать специальные UDF-макросы.  Но в Fluent 17.0 появилась специальная панель, которая сделала работу инженера-исследователя намного легче. При этом сохранилась возможность определять закон движения тела как на основе собственных пользовательских функций (UDF), так и с использованием возможностей System Coupling.

6dof

По результатам моделирования в номинации «Лучший аэрационный бокал-2016» победил бокал на длинной утонченной ножке.

rezultatyЕсли вы в совершенстве владеете японским языком, то более подробно про это исследование вы можете почитать по этой ссылке http://news.mynavi.jp/kikaku/2015/12/16/004/. А к капиллярам мы вернемся уже в следующем году.

С уважением, Денис П. Хитрых,
Директор АО «СимуЛабс».
2016-11-21_16-58-13

Мастер-класс: CFD расчет химического реактора #4.

reactorСегодня я опубликую последнюю (крайнюю) часть моего мастер-класса по расчету химического реактора в ANSYS CFX. Ранее мы с вами научились определять многоступенчатые реакции в CFX на основе предопределенных шаблонов; построили геометрическую модель реактора; сгенерировали расчетную сетку и пр. И нам осталось только определить граничные условия и настройки решателя. Чем мы сейчас и займемся.

На входе мы задаем массовый расход, параметры турбулентности и температуру реагентов.

2016-12-26_17-04-54

2016-12-26_17-05-42

Турбулентность мы определим через относительную интенсивность, равную 0.05, что эквивалентно Tu = 5%. Массовый расход = 0.6 кг/с и статическая температура = 333 К.

Кроме того, необходимо задать компонентный состав на входе в соответствии с таблицей, показанной ниже.

2016-12-26_17-26-55

Если просуммировать массовые доли всех компонентов на входе, то мы получим величину, равную 0.9868 (вместо 1). Пугаться не стоит: «недостающиеся» доли  (1-0.9868 = 0.0132) приходятся на «замороженный» (constraint) азот, для которого не решается уравнение переноса (см. рис. ниже).

Для определения «замороженного» компонента вам необходимо отредактировать свойства расчетного домена. Откройте закладку Fluid Models и укажите для азота N2 опцию Constraint. Для всех других компонент по-умолчанию будет установлена опция Transport Equation.

transport

Не выходя из режима редактирования свойств расчетного домена, задайте величину опорного давления (Reference Pressure) равной 0.35 МПа. В закладке Fluid Models для Heat Transfer укажите Thermal Energy; Turbulence = SST и Combustion = FRC (модель, описывающая скорости химических реакций — «антагонист» модели «быстрой» химии). В Material выбираем ранее созданный материал Chloroform.

На выходе определяем статическое давление, равное 0.0 Па. И, наконец, на стенках определяем граничное условие первого рода T = const = 800 К.

Для начальной инициализации оставляем все настройки по-умолчанию. Задаем максимальное количество итераций = 400. Шаг по времени = 0.1 сек. И критерий сходимости RMS = 1e-04.

На этом все. Запускаем задачу на решение.

С уважением, Денис П. Хитрых,
Директор АО «СимуЛабс».
2016-11-21_16-58-13

Мастер-класс: CFD расчет химического реактора #3.

Сегодня я публикую третью часть нашего мастер-класса по расчету химического реактора. В заключительной части мы расставим граничные условия и запустим задачу на решение.

Геометрия расчетной области в виде цилиндра показана на рисунке ниже. Все размеры даны в относительных величинах, привязанных к характерному размеру d = 10 мм. В статье, которую мы взяли в качестве основы для решения нашей задачи, выполнено моделирование для реактора с предсмешением, в котором два потока с разным химическим составом подводятся через кольцевой канал и круглую трубу диаметром 12 мм, соответственно. А вся геометрическая модель образмеривается относительно диаметра этой внутренней трубки.

В нашем случае никакого предсмешения нет, и поток поступает в зону реакции через обычный круглый канал диаметром 10 мм. Еще одно отличие нашей геометрии от референсной заключается в длине реактора. Мы искусственно увеличили ее почти в 2 раза. Все другие размеры практически совпадают.

geometry

Данную задачу можно решать как в полной трехмерной постановке, так и с условиями циклосимметрии. Все зависит от вычислительных ресурсов, которыми вы располагаете.

Какие сложности могут у вас возникнуть при генерации расчетной сетки?  Рассмотрим вариант задачи с циклосимметрией. На рисунке ниже я показал основные проблемы, которые могут возникнуть при разбиении сетки в режиме «по-умолчанию».

mesh

Первая проблема — это скошенные элементы на поверхностях симметрии и о во всем объеме расчетной сетки. Лечится это довольно просто. Для этого надо дополнительно декомпозировать геометрическую модель в местах пересечения входных и выходных каналов с основной расчетной областью.

Вторая проблема — это наличие призматических элементов на оси реактора по всей его длине. Избавится от  призм можно двумя способами. В первом случае необходимо с помощью виртуальных узлов, ячеек, ребер и пр. (Virtual Topology) построить L-топологию на входном и выходном каналах, соответственно . Другой вариант — вручную декомпозировать расчетную область на sweepable-объемы, как показано на рисунке ниже.

sweepable

Когда все проблемы решены, можно смело нажимать кнопку [Generate].

С уважением, Денис Хитрых,
АО «СимуЛабс».
2016-11-21_16-58-13

Мастер-класс: CFD расчет химического реактора #2.

reactorНебольшая вводная информация. Все, кто хочет мне написать лично, пишите на новый адрес внизу. Многие ваши письма попадают в спам, и я их не вижу.

Продолжаем заниматься расчетами химических реакторов в ANSYS CFX. Прошлый наш разговор мы закончили описанием инструментов  ANSYS CFX для задания элементарных реакций. Напомню, что для вызова панели [Reaction] используется иконка reaction1, которая находится в верхнем контекстном меню.  Для определения реакции (Insert Reaction и далее вбиваете имя реакции) вы последовательно проходите все закладки этой панели (слева-направо): Basic Settings→ Reactants→ Products→ Reaction Rates.

Чтобы упростить вам жизнь, я заранее подготовил CCL-файл с библиотекой всех реакций. Для его активации вы должны выполнить команду File→ Import→ CCL… Файл с реакциями вы можете скачать по этой ссылке

.

В закладке Reactants мы указываем исходные реагенты, в закладке Products — конечные реагенты (продукты реакции). А в закладке Reaction Rates мы определяем кинетику соответствующей реакции. Все реагенты, которые участвуют у нас в реакциях (а это начальные, промежуточные и конечные продукты), мы должны заранее определить с помощью инструмента materialMaterial . После этого все действующие реагенты нам станут доступны через список Materials List.

С помощью инструмента Material мы определяем теплофизические свойства реагентов (как и в обычной газодинамической задаче). Это достаточно трудоемкий процесс, так как нам необходимо создать 16 новых «материалов»: Cl2, Cl, CH3Cl, CH2Cl, HCl, CH2Cl2, CHCl2, CHCl2CH2Cl, CCl3, CCl3CCl3, CHCl2CHCl2, CHCl3, CCl3CH2Cl, CCl3CHCl2, CCl4, N2). Пример задания свойств хлора показан на рисунке ниже.

clГотовую библиотеку материалов для проекта, сохраненную в формате CCL, вы можете скачать здесь

.

«Подключаете» к проекту вы ее также, как и библиотеку реакций.

На сегодня это все. Я думаю, что в следующий раз мы займемся построением расчетной CAD-модели и и поговорим о расчетной сетке для данной задачи.

С уважением, Денис Хитрых,
АО «СимуЛабс».
2016-11-21_16-58-13

ANSYS предлагает сотрудничество стартап-проектам

start-up

Инфографика: Сопло Лаваля

В рамках образовательных инициатив специалисты компании АО «СимуЛабс» разработали учебную инфографику, посвященную истории создания сопла Лаваля. Методический материал ориентирован в первую очередь на школьников старших классов и студентов технических ВУЗов (общетехнических специальностей). Поэтому используемая в инфографике терминология немного отличается от общепринятой в классической гидродинамике жидкостей и газов.

Немного о сопле Лаваля
Чтобы разогнать газ от полностью заторможенного до сверхзвукового необходим специальный канал, который сначала сужается, а затем расширяется. В самом узком сечении этого канала, число Маха должно равняться единице. Такой канал получил название сопла Лаваля. Особенности режимов течения для сопла Лаваля можно установить с помощью упрощенных диаграмм. Для этого необходимо знать соотношение параметров торможения на входе в сопло и параметров среды, в которую истекает струя на выходе из сопла. Зная параметры торможения на входе и закон профилирования сопла вдоль его оси можно рассчитать газодинамические параметры потока по всей длине сопла.

В реальных условиях течения рабочей среды через сопло Лаваля из-за влияния пограничного слоя, через дозвуковую область которого возмущения могут переносится и вниз по потоку, характер скачка в расширяющейся части может приобретать сложные формы, которые невозможно предсказать аналитическими методами и можно исследовать только с помощью экспериментальных методов или с применением численных технологий (CFD).

Мы надеемся, что объем информации, заложенный в нашу инфографику, поможет вам сделать первые шаги на пути освоения технологий вычислительной гидродинамики (CFD). И первым вашим смоделированным техническим устройством будет именно сопло Лаваля.

Что такое сопло Лаваля

На сайте размещена черновая версия инфографики. Все замеченные опечатки устранены в печатной версии плаката. Первые 200 копий инфографики будут бесплатно розданы всем участникам пользовательской конференции ACUM-2016 (Москва, 25-27 октября). Вы также можете подъехать за плакатом к нам в офис, который располагается на ул. Суздальская, дом. 46.

Если Вы заинтересованы в сотрудничестве по созданию и распространению подобных информационных материалов, то пишите мне лично на форму обратной связи на этом сайте.

С уважением, Денис Хитрых (АО «СимуЛабс»).

Что появилось нового и исправлено в ANSYS 17.1

Сегодня мы кратко расскажем о новых возможностях ANSYS версии 17.1. Более подробную информацию вы сможете получить из официального бюллетеня ANSYS, Inc. Release Notes 17.1. (см. соответствующую новость на сайте cadfem-cis.ru).

Одно из ожидаемых улучшений связано с возможностью решать связанные двусторонние (2-way) термопрочностые задачи в CFX-Mechanical посредством System Coupling. Ранее такая возможность была доступна только для пакета ANSYS Fluent. Еще одно улучшение понравится конструкторам турбомашин и пр. вращающихся машин. В 17.1 появилась возможность строить диаграммы расчетных переменных (в виде мониторов) в полярных координатах.

cyclic

Кроме того, теперь возможно просматривать в реальном времени (во время расчета) поверхностные мониторы в CFD-Post при решении стационарной задачи (в 17.0 мы могли отслеживать результаты только нестационарной задачи). Так же в CFX 17.1 добавлена возможность вычислять начальные координаты (Initial X|Y|Z). Добавленная возможность призвана улучшить решение задач с деформируемыми сетками (на этапе интерполяции расчетных данных).

В TurboGrid 17.1 упростилась процедура редактирования положения границы входа/выхода (Inlet/Outlet). Теперь для этого необязательно редактировать hub и shroud кривые (появилась опция «обрезки»/trim). Кроме того, улучшились настройки для управления сеткой во входном/выходном блоках (Inlet/Outlet Blocks) в направлении по потоку. А так же возможность работы с геометрией моноколес (обработка методом flank milling). Разработчики обещают к версии 18.0 дополнить ANSYS TurboGrid специальным сеточным шаблоном для моноколес.

in_out
turbogrid
milling

Наконец, начиная с версии 17.1 ANSYS CFX по умолчанию будет использовать библитеки Intel MPI вместо Platform MPI при параллельных вычислениях.

Теперь о значимых улучшениях в гидрогазодинамическом пакете ANSYS Fluent. Во-первых, при использовании перекрывающихся сеток (Overset Meshes) появилась возможность отслеживать (вычислять) интерфейс перекрытия не на основе размера ячейки (как было в версии 17.0), а на основе расстояния до ближайшей границы. Это особенно полезно, если перекрывающиеся сетки имеют одинаковое разрешение. Также появилась возможность запуска на решение задачи с перекрывающимися сетками при наличии «изолированных»/»висячих» ячеек (напомним, что по умолчанию каждой receptor-ячейке должна соответствовать минимум одна donor-ячейка).

В Fluent 17.1 появилась возможность экспортировать прочностные и тепловые нагрузки с полиэдральных сеток (c поверхностей) в формате NASTRAN.

NASTRAN

Поддержка менеджера лицензий Fluent была пролонгирована до версии 17.1. Начиная с версии 18.0 менеджер лицензий Fluent мигрирует в ANSYS, Inc. License Manager. Это, что касается общих улучшений. Перейдем к частным вопросам. В версии 17.1 динамический метод перестроения сетки layering можно будет использовать для перестроения ячеек в подвижной сеточной зоне, связанной с coupled wall (иначе говоря, со стенкой и её тенью (shadow)).

В предыдущей версии 17.0 в задачах со скользящими расчетными сетками (sliding interface), в которых градиенты вычислялись на основе значений в узлах, при большом количестве шагов по времени была проблема с использованием оперативной памяти. В 17.1 эта проблема устранена.

Также была исправлена ошибка, связанная с некорректной интерполяцией рассчитываемых фазовых переменных (при решении многофазной задачи) и Сustom Field Function на полиэдральных сетках при использовании метода, основанного на значениях в узлах. Кроме того, откорректирован алгоритм вычисления величины потока через границу для всех типов граничных условий, включая скачок давления в пористом теле (porous jump), вентилятор (fan) и радиатор (radiator).

В Fluent 17.1 исправлена ошибка в вычислениях моментов сил для 2D-задач при генерации отчета (формировании конечных результатов).

Также устранено несколько явных ошибок и дефектов в многофазных моделях ANSYS Fluent. При моделировании многофазных потоков в пористых средах (для моделей VOF, смеси (Mixture) и Эйлера) решатель Fluent 17.0 выдавал различные значения величины скачка давления при использовании степенного закона и закона инерциальных сопротивлений, в отличие от решателя Fluent 15.0.

Исправлена ошибка при расчете коэффициента диффузии в многофазной смеси, заданного с помощью UDS (User-Defined Scalar).

На этом все. Следите за новостями на сайте www.cadfem-cis.ru, на котором мы в ближайшее время опубликуем перевод официального бюллетеня ANSYS, Inc. Release Notes 17.1.

С уважением, Денис Хитрых
Директор SimuLabs4D.