Аэродинамика. Аэроакустика. Часть 3

Сегодня мы рассмотрим некоторые рекомендации по расчету нестационарных задач в ANSYS Fluent, которые могут быть полезны с некоторыми поправками и пользователям других программных продуктов для решения задач вычислительной гидрогазодинамики.

Нестационарные явления и процессы мы встречаем повсеместно.  Сама нестационарность может быть как естественной, так и искусственной (вынужденной). Естественная нестационарность связана с развитием неустойчивости в потоке (в потоке всегда присутствуют возмущения, которые в зависимости от условий могут затухать или сохраняться) или с начальным неустойчивым состоянием потока. Например, естественная конвекция (конвективная неустойчивость), турбулентные вихри всех масштабов, волновые процессы — все это примеры естественной природы нестационарного явления.

Иногда на небе мы можем наблюдать облака странной и оригинальной формы — это т. н. волны Кельвина-Гельмгольца. Это классический пример сдвиговой неустойчивости (неустойчивость тангенциальных разрывов скорости), которая реализуется, когда один слой жидкости «скользит» по другому. Подобная ситуация свойственна многим реальным природным течениям. Неустойчивости в данном случае подвержено положение границы между слоями жидкости, которые движутся с различными скоростями.

kelvin

Вынужденная нестационарность связана с граничными условиями или источниковыми членами, которые зависят от времени и вызывают нестационарность. Примерами вынужденной нестационарности служат взаимодействие ротора со статором в турбинах, пульсации потока в соплах реактивных двигателей и  т. п.

Если говорить о постановка нестационарной задачи, то она имеет много общего с постановкой стационарной задачи. К отличиям можно отнести большой объем расчетных данных, специальные методы для обработки этих данных и специфические настройки CFD-решателя.

Какие вопросы мы должны решить при постановке нестационарной задачи в Fluent?

  1. Как поставить и запустить на расчет нестационарную задачу.
  2. Как выбрать правильный шаг по времени для нестационарной задачи.
  3. Как правильно обработать результаты расчета нестационарной задачи.

tsНачнем с шага по времени. Основное требование — величина шага по времени должна коррелировать с характерным временем моделируемого процесса/явления.

Для стандартной задачи шаг по времени можно оценить из следующего соотношения: delta_t = L/3*V, здесь L — характерная длина, V — характерная скорость.

Для лопаточной машины:  delta_t = N/10*omega, где N — количество лопаток (лопастей), omega — скорость вращения.

Для задачи естественной конвекции: delta_t = L/(g*beta*delta_T*L)^1/2. Здесь g — ускорение свободного падения; beta -температурный коэффициент объемного расширения; delta_T -разница температур (стенка-жидкость).

Наконец, для задачи теплопроводности: delta_t = L^2/(lambda/(rho*Cp)), где lambda и Cp — теплопроводность и теплоемкость среды, соответственно.

Продолжение следует…

Удачного Вам моделирования!

Денис Хитрых, директор R&D Центра SimuLabs4D.

Аэродинамика. Аэроакустика. Часть 2

Сегодня мы продолжим обсуждать вопросы, связанные с численным моделированием задач внешней аэродинамики и аэроакустики в ANSYS. Я дополнительно прокомментирую некоторые моменты, о которых лишь вскользь упомянул в первой части этого мини-семинара.

Первое. Что такое средняя длина хорды (СДХ)? В традиционной литературе используется более корректный термин  — «средняя аэродинамическая хорда» (см. рис. ниже). Далее мы будем пользоваться также обозначением Сmac (Mean Aerodynamic Chord ).

хорда

Второе. Я указал требуемое количество элементов в пристеночной области, но ничего не сказал об общей размерности подобных задач, а также геометрии и размерах расчетной области. Если говорить о задаче нестационарной аэродинамики самолета (в конфигурации «фюзеляж+крыло+мотогондола»), то начинать расчет можно с сетки размерностью около 15-20 млн. ячеек. Далее следует увеличивать суммарное количество ячеек с коэффициентом 2,5-3,2. При этом следует учитывать, что с изменением объема сетки, будут изменяться параметры сетки и в пристеночной области. Т. е. с ростом суммарного количества ячеек значение y+ будет уменьшаться. Например, в требованиям к расчетной сетке для 1-го AIAA CFD High Lift Prediction Workshop (2009 г.) указано, что для Re = 4,3e6 и Сref = Cmac =1,00584 м (39,6 дюйма) шаг по высоте первой пристеночной ячейке задается следующей последовательностью: y+ ~ 1,0 -> dy = 0,00020 дюйма;  y+ ~ 2/3 -> dy = 0.00013 дюйма; y+ ~ 4/9 -> dy = 0.00009 дюйма; y+ ~ 8/27 dy = 0.00006 дюйма.

Если говорить о коэффициенте роста элементов, то рекомендуется использовать значения, не превышающие величины 1,25 (для любого типа сетки). На кромки крыла рекомендуется наносить от 6 до 20 ячеек. Шаг сетки по размаху крыла — 0,1% от величины полуразмаха крыла.

Теперь к вопросу о расположении входной границы (например, Farfield в Fluent). В упомянутом выше воркшопе поверхность Farfield располагалась на расстоянии ~100 Cref от планера.

Третье. Возвращаясь к теме выбора значения ШГВ, отмечу, что все приведенные значения относятся к варианту с условно точной сеткой, в которой y+ лежит в диапазоне от 0,4 до 0,5.

Четвертое. Где можно получить дополнительную информацию о  модельмодели турбулентности? Найти описание этой модели можно в стандартной  документации ANSYS или в статье (Transition Modeling for General CFD Applications in Aeronautics. R.B. Langtry and F.R. Menter), которую можно скачать здесь

.

Если говорить о калибровке данной модели, то обычно калибруются две эмпирические поправочные функции:  Fl и Re, соответственно. Первая контролирует длину области перехода. Вторая — это критическое число Рейнольдса, которая определяет начало роста перемежаемости в пограничном слое. Для тех, кто незнаком с этим термином, могу сказать, что под этим термином понимают локальное нарушение однородности турбулентности, когда активные области сосуществуют с условно ламинарными областями.

На этом все. В третьей части нашего мини-семинара мы поговорим о настройках решателей CFX и Fluent, методе LES, подсеточных моделях и пр.

С уважением, Денис Хитрых,

R&D Центр SimuLabs4D.

www.simulabs.ru

К вопросу моделирования нестационарного отрывного обтекания элементов летательных аппаратов в Fluent и CFX

Сегодня мы поговорим с вами о задачах внешней аэродинамики, аэроакустики, турбулентности и пр.

За последние несколько месяцев накопилось достаточно много вопросов, поэтому за один раз ответить на них сложно. Кроме того, с момента образования нового R&D Центра SimuLabs4D внутри нашей компании, на мои плечи легли дополнительные обязанности административного и технического характера, что вынуждает меня периодически брать паузы и неделями «выпадать» из медиа-пространства.

Я по-прежнему продолжу поддерживать этот CFD-блог, но рекомендую вам почаще заглядывать и на страницы нашего нового проекта simulabs.ru (который мы запустим в начале ноября 2015 года), где я вместе со своими коллегами буду регулярно делиться с вами информацией, касающейся вопросов автоматизации расчетных процессов, интеграции сторонних кодов (организации взаимодействия между кодами), новостей CAE-рынка и о наших собственных разработок.

Дозвуковое обтекание трехмерного крыла в условиях отрыва и ЛТП

Для начала рассмотрим задачу дозвукового обтекания трехмерного крыла. Поток газа – несжимаемый, внешние воздействия отсутствуют, число Рейнольдса >10e6. Угол атаки – различный.

Первый вопрос будет касаться выбора значения шага по времени (числа Куранта). Определим шаг по времени (ШГВ) как отношение средней длины хорды к скорости набегающего потока. Для ускорения расчета можно увеличить ШГВ в 10 раз, т. е. на порядок. Но решение будет крайне нестабильным, особенно в условиях отрывного течения, которое по своей природе является нестационарным.

Если использовать ШГВ=1, то характер невязок может носить «периодический» характер (с «периодом» 150-200 итераций) при отсутствии периодического режима течения газа.

Если уменьшить значение ШГВ на порядок, то сходимость задачи будет достигнута на 300-400 итерации (количество итераций – относительное, так как зависит от многих факторов). Но при этом необходимо будет использовать дополнительные внутренние итерации.

Наконец, если уменьшить ШГВ еще в 10 раз (или в 100 раз от базового значения, соответственно), то общее количество итераций до сходимости увеличится до 600-900, но при этом не потребуются дополнительные внутренние итерации.

Схематично процесс сходимости при различных значениях ШГВ показан на рисунке ниже.

ШГВ

Читать далее

Для предварительной обработки любых задач аэродинамики CADFEM СНГ разработали новое расширение акт

22 сентября, CADFEM СНГ (Москва) объявляет новое расширение акт верстак предназначен для создания передовых жидкости корпус и распадается на обрезные органов.

Имя расширения закона является расширенный корпус v.1.0 (бета-версия). Этот закон может использоваться для предварительной обработки любых задач аэродинамики и hidrodynamics.

Инструкция по использованию:

  1. Установите расширение.
  2. Включите параметры бета.
  3. Откройте DesignModeler.
  4. Создайте модель геометрии.
  5. Нажмите кнопку на панели инструментов Расширенные корпусACT_4а.
  6. Настройте необходимые параметры в деталях.
  7. Генерировать.
  8. Частью получить конформное сетки.

Детали:

  1. Форма:
    1. Сфере, в сфере.
    2. Сфера в коробке.
  2. L, ограничивающего размер (только для чтения) — диаметр окружности (рассчитывается при генерации).
  3. Тип:
    1. Фактор.
    2. Исправлено.
  4. R1, внутренний радиус — радиус внутренней сферы.
  5. R2, внешний радиус — радиус внешней сферы.
  6. Fr1, внутренний радиус фактор. 
  7. Fr2, внешний радиус фактор.
  8. B, стороне коробки — размер внешнего поля.
  9. и т.д.

ACT_1 ACT_2

ACT_0ACT_3

Авторы: Разработка — Марат Reymers (CADFEM СНГ), идея — Denis Khitrykh (CADFEM СНГ).

Безлопастные вентиляторы: Nuoge vs Dyson. Китай наступает?

Безлопастные вентиляторы: Nuoge vs Dyson. Китай наступает?

Безлопастные вентиляторы: Nuoge vs Dyson. Китай наступает?

После появления на рынке в 2009 году,  вентилятор Dyson  Air Multiplier вошел в список лучших устройств по версии американского журнала Time. Новый вентилятор стал революционным с технической и стилистической точек зрения.

В Dyson  Air Multiplier отсутствуют лопасти – воздушный поток проходит через рамку,  без завихрений и отрыва, характерных для обычных вентиляторов.

 

Идея создания вентилятора Dyson  Air Multiplier возникла при тестировании сушилки для рук Dyson Airblade – в устройстве потоки воздуха, движущиеся со скоростью 400 миль в час, буквально выталкивают воду с поверхности.

Специалисты отметили, что в сушилке потоки воздуха тянули за собой значительный объем окружающего воздуха (т. н. индукция и захват воздуха), в связи с этим, возникла идея: использовать подобные потоки воздуха в вентиляторе. Так появилось устройство Dyson  Air Multiplier.

Традиционно специалисты Dyson в процессе разработки используют физические прототипы и проводят большую серию экспериментальных работ. Однако в данном случае инженеры Dyson, в дополнение к экспериментам, использовали гидродинамический код ANSYS Fluent, что позволило существенно ускорить процесс проектирования вентилятора и решить задачу оптимизации его геометрии.

Гидродинамика вентилятора Dyson.

Гидродинамика вентилятора Dyson.

Программное обеспечение ANSYS, Inc. благодаря хорошему согласованию с экспериментом, позволило инженерам получить уверенность в результатах численного моделирования.

В итоге вентиляторы Dyson Air Multiplier получили отличные отзывы многих экспертов и пользуются заслуженным успехом на рынке.

По старой доброй китайской традиции поднебесные инженеры из компании Nuoge решили ничего не изобретать, эксперименты не проводить и расчеты в ANSYS не выполнять. Так на свет появилась целая линейка клонов безлопастного вентилятора Dyson. Шумят китайские клоны просто замечательно, приблизительно как турбореактивный двигатель. Работают практически безотказно, если их не включать в сеть на 220 В и не вынимать из коробки.

Моделирование рабочего процесса струйного бистабильного элемента в ANSYS Fluent

ТриггерОдной из существенных причин, влияющих на живучесть электронных систем управления (СУ), являются внешние воздействия электромагнитной природы естественного и искусственного происхождения. К первому типу относятся грозовые разряды, радиационные потоки космического пространства, электромагнитные поля и пр. Искусственные источники излучения представлены различными формами направленной электромагнитной энергии: ионизирующие, сверхвысокочастотные и лазерные излучения, пучки нейтральных частиц и т. п.

В последнее время повысился интерес к построению резервных СУ на струйных элементах, которые работоспособны в условиях, характеризуемых низкими и высокими давлениями и температурами, электромагнитными излучениями, интенсивной радиацией, ударными нагрузками. Однако существенно низкое быстродействие по сравнению с электронной аппаратурой, ограничивает использование струйной техники в построении СУ, в первую очередь критическими объектами.

Главными факторов повышения быстродействия струйных элементов являются их миниатюризация, использование легких газов и повышения отношения давления питания и давления окружающей среды. Наряду с этим, важным является качество функциональных характеристик, которые определяются аэрогидродинамическими процессами переключения струй, распространения сигналов давлений и расходов в коммуникационных каналах и т.п. Особо остро это проявляется с уменьшением линейных размеров проходных сечений струйных элементов.

Читать далее

Создание сетки для крыла с механизацией в ANSYS ICEM CFD

В этом примере демонстрируется процесс создания расчётной сетки для профиля с предкрылком с помощью программы ANSYS ICEM CFD. Предполагается, что пользователь знаком в общих чертах с интерфейсом ANSYS ICEM CFD.

wing

Полное описание всех шагов приводится в файле «ICEM CFD_wing mesh_1.pdf», который вы можете скачать по ссылке ниже.

Кроме этого, для Вашего удобства мы выложили геометрическую модель крыла. Она сохранена в формате ICEM CFD (файл с расширением *.tin).

Если Вам будет интересно использовать построенную сетку для решения практических задач, то в разделе Технологии>Аэродинамика Вы найдете подробное описание постановки задачи двумерного дозвукового обтекания профиля крыла в нестационарной постановке в ANSYS CFX.

Авторы: Пашков Олег, Хитрых Денис.