Numeri čne simulacije tokovnih in temperaturnih razmerlab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS14.pdf · Start – All Programs – ANSYS 14.5 – Workbench čunski primer in nadziramo

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za strojništvo

Aškerčeva 6

1000 Ljubljana, Slovenija

telefon: 01 477 12 00

faks: 01 251 85 67

www.fs.uni-lj.si

e-mail: [email protected]

Katedra za energetsko strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Numerične simulacije tokovnih in temperaturnih razmer

Programski paket ANSYS

Avtorja: Boštjan Drobnič

Boštjan Jurjevčič

Ljubljana, julij 2013

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Programski paket ANSYS Stran: 2 od 26

1. Numerična simulacija

Fizikalni pojavi v naravi sledijo naravnim zakonom, ki jih je mogoče dokaj natančno opisati z

ustreznimi matematičnimi modeli, torej z ustreznim sistemom enačb, ki pa jih večinoma ni mogoče

reševati analitično. Do rešitve takšnih kompleksnih sistemov lahko pridemo z uporabo različnih

numeričnih postopkov reševanja enačb. Ker taki postopki zahtevajo veliko število matematičnih

operacij, da pridemo do končne rešitve, so primerni praktično samo za uporabo v ustreznih

programskih orodjih, ki nam omogočajo reševanje kompleksnih sistemov enačb in s tem simulacijo

dejanskih tokovnih in temperaturnih razmer v poljubnem geometrijskem področju. Poleg samega

reševanja sistema enačb pa v sklop numerične simulacije sodijo še dodatni koraki, s katerimi

pripravimo računski problem in na ustrezen način analiziramo običajno veliko količino dobljenih

rezultatov.

1. risanje 3D geometrijskega modela računskega področja

Računsko področje je prostor, v katerem potekajo procesi, ki jih bo obravnavala numerična

simulacija. Pri tem gre običajno za prostor, ki ga zapolnjuje določena tekočina, lahko pa je tudi

trdna stena, v kateri opazujemo prevod toplote. Geometrijo lahko narišemo z različnimi CAD

orodji.

2. izdelava računske mreže

Celotno računsko področje je potrebno zapolniti z mrežo, ki jo v splošnem sestavlja večje število

tetraedrov, piramid in prizem. Vsak element mreže je kontrolni volumen, v katerem poteka

numerično reševanje sistema transportnih enačb.

3. določevanje robnih in začetnih pogojev

Za numerično reševanje transportnih enačb (gibalna, kontinuitetna in energijska) je potrebno v

naprej določiti vrednosti določenih parametrov (hitrost, temperatura, tlak,...) v robnih točkah

računskega področja. Poleg teh vrednosti je za ustrezen potek izračuna potrebno določiti tudi

vrsto drugih parametrov, npr. turbulentni model, model prenosa toplote, diskretizacijsko metodo,

kriterij konvergence itd.

4. numerična simulacija

V elementih mreže z upoštevanjem vseh prej določenih parametrov poteka iterativno reševanje

sistema enačb. Pri tem je pomembno, da izračun konvergira, torej se z vsakim korakom bolj

približa pravilni rešitvi sistema. Konvergenco lahko tudi nadzorujemo preko določenih

parametrov, ki jih je mogoče spremljati med samim potekom izračuna.

5. analiza rezultatov

Ko je izračun končan, se vsi rezultati (hitrostni vektorji, temperature, tlaki,...) zapišejo v datoteko

in jih lahko analiziramo v ustreznem programu za post-procesiranje. Tu lahko rezultate

predstavimo grafično ali tabelarično, prikazujemo lokalne ali povprečne vrednosti parametrov

itd.



2. ANSYS Workbench

Delovno okolje ANSYS Workbench združuje programe, ki omogo

priprave geometrije računskega podro

vključeni naslednji programi:

1. DesignModeler – risanje geometrije ra

2. Meshing – priprava računske mreže

3. CFX-Pre – določitev robnih in za

4. Solver Manager – zagon in nadzor poteka numeri

5. CFX-Post – grafična in numeri

2.1. Delovno okolje Workbench

Z zagonom programa Workbench (

glavno okno programa, v katerem lahko sestavljamo ra

osnovi so prikazana naslednja polja

Slika 1: Osnovno delovno okolje programa Workbench

1. Toolbox

To polje prikazuje razpoložljive elemente (posamezne korake ali dolo

izvedbo numerične analize), ki jih lahko vklju

celoten računski primer vse od izdelave geometrijskega modela do analize rezultatov.


ANSYS Workbench

Delovno okolje ANSYS Workbench združuje programe, ki omogočajo izvedbo CFD analiz od

unskega področja do analize in predstavitve rezultatov izra

risanje geometrije računskega področja

unske mreže

itev robnih in začetnih pogojev ter drugih parametrov numeri

zagon in nadzor poteka numerične simulacije

na in numerična analiza rezultatov simulacije

Delovno okolje Workbench

Z zagonom programa Workbench (Start – All Programs – ANSYS 14.5 – Workbench

glavno okno programa, v katerem lahko sestavljamo računski primer in nadziramo potek dela. V

osnovi so prikazana naslednja polja (slika 1):

Slika 1: Osnovno delovno okolje programa Workbench

ljive elemente (posamezne korake ali določene skupine korakov za

ne analize), ki jih lahko vključimo v računski primer. S temi elementi sestavimo

unski primer vse od izdelave geometrijskega modela do analize rezultatov.


Stran: 3 od 26

ajo izvedbo CFD analiz od

edstavitve rezultatov izračuna. V paket so

drugih parametrov numerične simulacije

Workbench 14.5) se odpre

unski primer in nadziramo potek dela. V

čene skupine korakov za

unski primer. S temi elementi sestavimo

unski primer vse od izdelave geometrijskega modela do analize rezultatov.



2. Project Schematic

V tem polju je shematsko prikazana sestava ra

elementi (koraki). Ob vsakem elementu je prikazano tudi njegov status

potrebno še izvesti, je bil izveden uspešno ali neuspešno, ga j

spremenijo drugi, z njim povezani, elementi itd.

3. Messages

Prikazuje obvestila o morebitnih težavah in napakah, ki jih je program zaznal med delovanjem

4. Progress

Prikazuje trenuten potek aktivnosti v samem ra

5. Files

V tem polju so prikazane vse datoteke, ki jih programi iz paketa ANSYS avtomatsko zapisujejo

ob spremembah kateregakoli elementa, ki je vklju

mreže, računskih nastavitev itd

V glavnem meniju lahko izberete gumb

polja v Workebench-u in jim poljubno nastavljate velikost in pozicijo

Slika 2: Nastavljanje delovnega okolja v programu Workbench


V tem polju je shematsko prikazana sestava računskega primera in povezave med posameznimi

elementi (koraki). Ob vsakem elementu je prikazano tudi njegov status –

potrebno še izvesti, je bil izveden uspešno ali neuspešno, ga je potrebno osvežiti v primeru, ko se

spremenijo drugi, z njim povezani, elementi itd.

obvestila o morebitnih težavah in napakah, ki jih je program zaznal med delovanjem

Prikazuje trenuten potek aktivnosti v samem računskem primeru v času potekanja simulacije


ob spremembah kateregakoli elementa, ki je vključen v računski primer (sprememba geometrije,

unskih nastavitev itd.).

glavnem meniju lahko izberete gumb View, kjer lahko poljubno vključite oz izklju

u in jim poljubno nastavljate velikost in pozicijo (slika 2)

Slika 2: Nastavljanje delovnega okolja v programu Workbench


Stran: 4 od 26

unskega primera in povezave med posameznimi

– ali je določen korak

e potrebno osvežiti v primeru, ko se

obvestila o morebitnih težavah in napakah, ki jih je program zaznal med delovanjem.

asu potekanja simulacije.


unski primer (sprememba geometrije,

ite oz izključite posamezna

(slika 2).



Za preprost računski primer lahko izmed elementov izbere

Fluid Flow (CFX), ki vsebuje vse potrebne korake za izvedbo enostavne numeri

odnesemo v okno Project Schematic

Slika 2: Sestavljeni element Fluid Flow CFX

Element vsebuje vseh pet osnovnih korakov za numeri

se odprejo ustrezni programi v sklopu okolja Workbench, s katerimi lahko izvršimo izbrane korake.

Vrstice 2 do 6 predstavljajo posamezne korake v celotnem proces

strani kaže status posameznega koraka, npr.

potrebno posodobiti itd.

2.2. Programi v okolju Workbench

Programi DesignModeler, Meshing

je razdeljen na več oken, kot je to prikazano na sliki

oknu je glede na program, ki ga uporabljamo prikazana geometrija, ra

izračuna,... Pogled na obravnavane objekte v vseh prog

spreminjamo s srednjim gumbom miške:

- vrtenje (rotation): srednji gumb + premik miške

- povečevanje, pomanjševanje (zoom): SHIFT + srednji gumb + premik miške

- premikanje (pan): CTRL + srednji gumb + premik miške

V orodnih vrsticah so ikone za najbolj uporabljana orodja, vsa druga orodja in nastavitve pa so

dostopni preko menijev. Stranska okna prikazujejo trenutne nastavitve, objekte, ki jih vsebuje

model, in parametre, ki jih v okviru dolo


unski primer lahko izmed elementov izberemo kar sestavljen element

, ki vsebuje vse potrebne korake za izvedbo enostavne numeri

ct Schematic (slika 2).

Slika 2: Sestavljeni element Fluid Flow CFX

Element vsebuje vseh pet osnovnih korakov za numerično analizo in s klikom na posamezne korake


Vrstice 2 do 6 predstavljajo posamezne korake v celotnem procesu simulacije. Simbol na desni

strani kaže status posameznega koraka, npr. za ustrezno zaključen korak,

rogrami v okolju Workbench

ing, CFX-Pre in CFX-Post imajo podoben uporabnišk

oken, kot je to prikazano na sliki 4 za primer programa CFX

oknu je glede na program, ki ga uporabljamo prikazana geometrija, računska mreža, rezultati

una,... Pogled na obravnavane objekte v vseh programih v sklopu okolja Workbench

spreminjamo s srednjim gumbom miške:

vrtenje (rotation): srednji gumb + premik miške

evanje, pomanjševanje (zoom): SHIFT + srednji gumb + premik miške

premikanje (pan): CTRL + srednji gumb + premik miške

cah so ikone za najbolj uporabljana orodja, vsa druga orodja in nastavitve pa so


model, in parametre, ki jih v okviru določene nastavitve spreminjamo.


Stran: 5 od 26

mo kar sestavljen element

, ki vsebuje vse potrebne korake za izvedbo enostavne numerične analize, in ga

no analizo in s klikom na posamezne korake


u simulacije. Simbol na desni

en korak, za korak, ki ga je

Post imajo podoben uporabniški vmesnik, ki

za primer programa CFX-Post. V glavnem

čunska mreža, rezultati

ramih v sklopu okolja Workbench

evanje, pomanjševanje (zoom): SHIFT + srednji gumb + premik miške

cah so ikone za najbolj uporabljana orodja, vsa druga orodja in nastavitve pa so




Slika 3: Delovno okolje v programih ANSYS

3. DesignModeler

Enostavno risanje v DesignModelerju poteka v naslednjem vrstnem redu:

1. kreiranje ravnin, na katerih je mogo

2. risanje 2D skic na ravninah

3. izdelovanje 3D gradnikov iz skic

3.1. Ravnine

Ravnine XYPlane, ZXPlane in YZPlane so dolo

klikom na zgoraj prikazano ikono

definicijo nove ravnine. Ime ravnine je poljubno, ne sme pa se za

presledkov. Ravnina je lahko definirana na razli

Glavni meni

Okna za nastavitve


Slika 3: Delovno okolje v programih ANSYS

Enostavno risanje v DesignModelerju poteka v naslednjem vrstnem redu:

kreiranje ravnin, na katerih je mogoče risati skice

izdelovanje 3D gradnikov iz skic

Slika 4: Kreiranje nove risalne ravnine

XYPlane, ZXPlane in YZPlane so določene že vnaprej. Dodatne

klikom na zgoraj prikazano ikono, pri čemer se v oknu za nastavitve prikažejo razli

definicijo nove ravnine. Ime ravnine je poljubno, ne sme pa se začeti s številko in ne sme vsebovati

Ravnina je lahko definirana na različne načine:

Glavno okno

Orodne vrsticeGlavni meni


Stran: 6 od 26

ene že vnaprej. Dodatne ravnine definiramo s

prikažejo različne možnosti za

eti s številko in ne sme vsebovati

Orodne vrstice



• From Plane – z eno od obstoječih ravnin, izbrati je potrebno še referenčno ravnino (Base

Plane)

• From Face – s ploskvijo na obstoječi geometriji, izbrati je potrebno še podtip ravnine (Outline

Plane, Tangent Plane) in referenčno ploskev (Base Face)

• From Point and Edge – s točko in robom na obstoječi geometriji, izbrati je potrebno točko

(Base Point) in rob (Base Edge), ki pa ne smeta biti kolinearna, sicer ne definirata ravnine

• From Point and Normal – s točko na obstoječi geometriji in normalo, ki je lahko definirana z

robom na obstoječi geometriji, izbrati je potrebno še točko (Base Point) in način, kako je

definirana normala (Normal Defined By)

• From Three Points – s tremi točkami na obstoječi geometriji, ki pa ne smejo biti kolinearne,

izbrati je potrebno ustrezne točke (Selected Points)

• From Coordinates – s koordinatami točke in normale na ravnino, vnesti je potrebno koordinate

točke (Point X, Point Y in Point Z) ter smer normale (Normal X, Normal Y in Normal Z)

Poleg izhodišča je nova ravnina lahko definirana tudi z več transformacijami glede na osnovno

definicijo. Možnosti so:

• None – brez dodatne transformacije

• Reverse Normal/Z-Axis – zamenjana smer normale (Z osi)

• Flip XY-Axes – zamenjani X in Y osi

• Offset X/Y/Z – premik v X/Y/Z smeri glede na novo ravnino, podati je treba še razdaljo pomika

• Rotate about X/Y/Z/Edge – zasuk okrog X/Y/Z osi glede na novo ravnino ali okrog roba na

obstoječi geometriji, podati je treba še kot zasuka in v zadnjem primeru tudi izbrati rob

• Align X-Axis with Base/Global/Edge – orientira X os z referenčno ali osnovno ravnino ali z

izbranim robom na obstoječi geometriji, v zadnjem primeru je potrebno dodatno izbrati rob

• Offset Global X/Y/Z – premik v X/Y/Z smeri osnovnga koordinatnega sistema, podati je treba

še razdaljo pomika

• Rotate about Global X/Y/Z – zasuk okrog X/Y/Z osi osnovnega koordinatnega sistema, podati

je treba še kot zasuka

• Move Transform Up/Down – sprememba vrstnega reda transformacij

• Remove Transform – izbris transformacije

Z gumbom Generate je ustvarjena ravnina z izbranimi nastavitvami. Določene nastavitve je možno

tudi naknadno spreminjati s samo izbiro ravnine v seznamu objektov, za nekatere spremembe je

potrebno izbrati Edit Selections z desnim klikom na izbrano ravnino v seznamu objektov (slika 5),

nekatere pa ostanejo nespremenljive.



Slika 5: Možnosti spreminjanja lastnosti risalne ravnine

Na pripravljeni ravnini lahko nato rišemo skice, ki so osnova za trirazsežne objekte, ki sestavljajo

geometrijo.

3.2. Skice

V seznamu objektov (zavihek Modeling

na katerem so na voljo orodja za risanje in urejanje skic (slika 7).

V rubriki Draw so orodja za risanje razli

...). V rubriki Modify so orodja za spreminjanje že narisanih linij in krivulj, v

možnosti za določevanje dimenzij posameznih daljic, polmerov in premerov krožnic in lokov,

medsebojnih razdalj med elementi skice

parametri, čemur pravimo parametrizacija geometrije. S spremembo enega samega parametra je

tako možno istočasno spremeniti ve

relativno hitro in enostavno spreminjanje geometrije, oziroma izdelavo ve

geometrije, pri čemer pa ima vsaka razli

določimo nekatere lastnosti in medsebojna razmerja med elemeti skice, ki ostajajo nespr

npr. enaka dolžina ali kot, pravokotnost dveh linih, simetrija itd. Skice lahko v za

samo približno, potem pa jih z uporabo orodij v rubrikah

oblikujemo. V rubriki Settings pa nastavimo osnovne pa


Slika 5: Možnosti spreminjanja lastnosti risalne ravnine


Modeling) izberi risalno ravnino, nato pa zavihek

na katerem so na voljo orodja za risanje in urejanje skic (slika 7).

Slika 6: Risanje skice na risalni ploskvi

so orodja za risanje različnih objektov (črta med dvema točkama, pravokotnik, krog,

so orodja za spreminjanje že narisanih linij in krivulj, v

evanje dimenzij posameznih daljic, polmerov in premerov krožnic in lokov,

medsebojnih razdalj med elementi skice itd. Definirane dimenzije lahko povežemo z lastnimi

emur pravimo parametrizacija geometrije. S spremembo enega samega parametra je

asno spremeniti večje število dimenzij na različnih skicah. To nam omogo

stavno spreminjanje geometrije, oziroma izdelavo več razli

emer pa ima vsaka različica drugačne dimenzije.V rubriki

imo nekatere lastnosti in medsebojna razmerja med elemeti skice, ki ostajajo nespr

npr. enaka dolžina ali kot, pravokotnost dveh linih, simetrija itd. Skice lahko v za

samo približno, potem pa jih z uporabo orodij v rubrikah Dimensions in

pa nastavimo osnovne parametre pomožne mreže za risanje (grid).


Stran: 8 od 26


) izberi risalno ravnino, nato pa zavihek Sketching (slika 6),

čkama, pravokotnik, krog,

so orodja za spreminjanje že narisanih linij in krivulj, v Dimensions pa so

evanje dimenzij posameznih daljic, polmerov in premerov krožnic in lokov,

itd. Definirane dimenzije lahko povežemo z lastnimi

emur pravimo parametrizacija geometrije. S spremembo enega samega parametra je

nih skicah. To nam omogoča

č različic v osnovi enake

ne dimenzije.V rubriki Constraints lahko

imo nekatere lastnosti in medsebojna razmerja med elemeti skice, ki ostajajo nespremenljivi,

npr. enaka dolžina ali kot, pravokotnost dveh linih, simetrija itd. Skice lahko v začetku narišemo

in Constraints natančno

rametre pomožne mreže za risanje (grid).



Slika 7: Orodja za risanje in urejanje 2D skic

3.3. izdelovanje 3D gradnikov iz skic

Iz obstoječih skic in ploskev obstoječih teles naredimo gradnike geometrije z ukazi (slika 8):

Extrude – v smeri normale na skico naredi telo z osnovnico v obliki skice in podano višino

Revolve – naredi vrtenino z osnovnico v obliki skice okrog izbrane osi vrtenja in za izbran kot

Sweep – naredi telo z 'vlečenjem' skice ob izbrani krivulji

Skin/Loft – 'napne' prehod med dvema skicama z različno obliko

Thin/Surface – obstoječo ploskev spremeni v telo s podano debelino

Blend – zaobli robove že izdelanih teles

Chamfer – posname robove že izdelanih teles



Gradnike je možno k obstoječim

lahko pa jih ustvarimo ločeno od že obstoje

novim gradnikom na obstoječih ustvariti samo linije, ki prikazujejo prese

Faces). Take linije so lahko v pomo

pogojev za numerično simulacijo.

Postopek izdelave geometrije vedno poteka korak za korakom, tako kot dolo

korake. Zato je potrebno po vsakem koraku na nov

V vsakem koraku se je možno sklicevati na v prejšnjih korakih definirano geometrijo ne pa tudi na

elemente, ki bodo definirani šele v naslednjih korakih. Pri postopku risanja je

previden na vrstni red posameznih korakov, saj tega kasneje ni mogo

bistveno vpliva na končni rezultat, torej geometrijo ra

Ko je geometrija v celoti določ

avtomatsko shrani narisano geometrijo v ustrezno datoteko, nato pa se

bila izdelava geometrije računskega prostora uspešna, je to na shemi ra

ustrezno označeno.


Slika 8: Izdelovanje teles iz skic

čim gradnikom dodajati (Add Material) ali odvzemati (

eno od že obstoječih gradnikov (Add Frozen). Prav tako je mogo

čih ustvariti samo linije, ki prikazujejo presečišč

e linije so lahko v pomoč pri nadaljnjem risanju ali pa kasneje pri definiranju robnih

no simulacijo.

Postopek izdelave geometrije vedno poteka korak za korakom, tako kot dolo

korake. Zato je potrebno po vsakem koraku na novo sestaviti (Generate) celotno geometrijo.

Slika 9: Sestavljanje geometrije


elemente, ki bodo definirani šele v naslednjih korakih. Pri postopku risanja je

previden na vrstni red posameznih korakov, saj tega kasneje ni mogoče spreminjati. Vrstni red pa

ni rezultat, torej geometrijo računskega področja.

Ko je geometrija v celoti določena in izrisana zapremo DesignModeler, pri

avtomatsko shrani narisano geometrijo v ustrezno datoteko, nato pa se vrnemo v Workbench.

čunskega prostora uspešna, je to na shemi računskega primera tudi


Stran: 10 od 26

) ali odvzemati (Cut Material),

Prav tako je mogoče z

čišče obeh teles (Imprint

em risanju ali pa kasneje pri definiranju robnih

Postopek izdelave geometrije vedno poteka korak za korakom, tako kot določamo posamezne

) celotno geometrijo.


elemente, ki bodo definirani šele v naslednjih korakih. Pri postopku risanja je torej treba biti

e spreminjati. Vrstni red pa

pri čemer Workbench

vrnemo v Workbench. Če je

unskega prostora uspešna, je to na shemi računskega primera tudi



4. Meshing

Numerična simulacija poteka v t.i. kontrolnih volumnih,

tetraedrične oblike, ki zapolnjujejo celotno izdelano geometrijo ra

Meshing je namenjen izdelavi nestrukturirane

mreže nastaviti parametre, ki dolo

numerične simulacije.

Za izdelavo računske mreže poženemo korak

Geometry (slika 10). Odpre se program

programu DesignModeler. V oknu za nastavitve lahko takoj za

izbiro elementa Mesh (slika 11).

Slika 11: Izbira elementa

Glede na geometrijo program predlaga

izdelavo mreže. S prednastavljenimi parametri je mreža obi

je sestavljena samo iz tetraedričnih elementov. Z dodatnimi nastavitvami lahko spreminjamo tako

obliko elementov (tetraedrična, prizmati

funkcije prehoda med sosednjimi elementi idr. Vse to vpliva na kvaliteto mreže in

na kvaliteto izračunov. V spodnjem levem delu se odpre okno z možnostmi

za mreženje celotne geometrije ali definiranega sestavnega kosa.


Slika 10: Uspešno izdelana geometrija

na simulacija poteka v t.i. kontrolnih volumnih, majhnih prostorih, obi

ne oblike, ki zapolnjujejo celotno izdelano geometrijo računskega podro

je namenjen izdelavi nestrukturirane mreže, pri čemer pa je potrebno pred samo izdelavo

mreže nastaviti parametre, ki določajo lastnosti mreže, te pa lahko bistveno vplivajo na rezultate

unske mreže poženemo korak Mesh, ki sledi že uspešno opravljenemu kor

slika 10). Odpre se program Meshing z geometrijo, ki smo jo predhodno pripravili v

V oknu za nastavitve lahko takoj začnemo nastavljati parametre mreže z

Slika 11: Izbira elementa Mesh iz drevesne strukture

Glede na geometrijo program predlaga določene nastavitve mreže, zato lahko z

S prednastavljenimi parametri je mreža običajno dokaj groba

tetraedričnih elementov. Z dodatnimi nastavitvami lahko spreminjamo tako

na, prizmatična, heksagonalna), kot tudi zgostitve, velikosti elementov,

rehoda med sosednjimi elementi idr. Vse to vpliva na kvaliteto mreže in

podnjem levem delu se odpre okno z možnostmi, ki jih lahko nastavimo

za mreženje celotne geometrije ali definiranega sestavnega kosa. Osnovni parametri mreže so:


Stran: 11 od 26

majhnih prostorih, običajno nepravilne

unskega področja. Program

emer pa je potrebno pred samo izdelavo

ajo lastnosti mreže, te pa lahko bistveno vplivajo na rezultate

, ki sledi že uspešno opravljenemu koraku

z geometrijo, ki smo jo predhodno pripravili v

nemo nastavljati parametre mreže z

ene nastavitve mreže, zato lahko z Generate poženemo

(elementi so veliki) in

nih elementov. Z dodatnimi nastavitvami lahko spreminjamo tako

na, heksagonalna), kot tudi zgostitve, velikosti elementov,

rehoda med sosednjimi elementi idr. Vse to vpliva na kvaliteto mreže in posledično tudi

, ki jih lahko nastavimo

Osnovni parametri mreže so:



• Defaults

- Physics Preference – fizikalno področje obravnavanega primera (mehanika,

elektromagnetizem, dinamika fluidov), glede na katerega so določene nekatere privzete

nastavitve parametrov mreže

- Solver Preference – uporabljeni program za numerično simulacijo (CFX, Fluent,

POLYFLOW), glede na katerega so določene nekatere privzete nastavitve parametrov

mreže

- Relevance – korekcija gostote mreže v celotnem geometrijskem modelu (od -100 za grobo

mrežo in manj natančen izračun do +100 za bolj gosto mrežo in natančnejši izračun)

• Sizing

- Use Advanced Size Function – napredne funkcije za nadzor mreženja (On:Proximity,

On:Curvature, On:Proximity and Curvature, On:Fixed, Off), ki nam pomagajo pri

konstrukciji mreže pri majhnih spremembah geometrije glede na celotno geometrijo

(proximity) ali ne-oglatih geometrijah, saj elementi ne vsebujejo krivih robov ampak le

ravne (curvature).

- Relevance Center – določa izhodiščni tip mreže, na katerega se nanaša tudi vrednost

parametra Relevance, možnosti so Coarse (groba), Medium (srednja) in Fine (gosta mreža)

- Initial Size Seed – izhodiščna dimenzija za določitev velikosti elementov se lahko nanaša na

aktivne dele celotne geometrije (Active Assembly), celotno geometrijo vključno z

neaktivnimi deli (Full Assembly) ali samo določen del geometrije (Part)

- Element Size – velikost elementov v celotnem geometrijskem modelu

- Smoothing – izboljšava mreže (Low, Medium, High), vpliva tudi na čas izdelave mreže

- Transition – hitrost prehoda med področji z različno velikimi elementi (Slow, Fast)

- Span Angle Center – največji kot, ki ga na zaokrožitvah pokrije en sam element mreže

- Minimum Edge Length – informacija o dolžini roba najmanjšega elementa v mreži

• Inflation

- Use Automatic Inflation – samodejna zgostitev ob steni, če so ustrezne ploskve določene že

pri izdelavi geometrije

- Inflation Option – način določanja višine plasti zgoščene mreže ob steni (Total Thickness,

First Layer Thickness, Smooth Transition, First Aspect Ratio, Last Aspect Ratio), glede na

izbiro je potrebno nastaviti še dodatne parametre

- Inflation Algorithm – izbira metode za zgoščevanje mreže ob steni (Pre, Post)

- View Advanced Options – možnost izbire naprednih nastavitev zgostitve ob steni

Pri mreženju lahko uporabimo tudi lokalne spremembe definicije mreže, ki jih lahko najdemo s

klikom na Mesh Control v orodni vrstici. Te funkcije lahko uporabimo za določeno označeno

površino ali volumen, kjer se izvrši določena sprememba mreže, na ostali geometriji pa ostane

takšna kakršna je bila definirana pred novo lokalno spremembo mreže.



Slika 12: Prikaz orodja Mesh Control za

Možnosti za lokalne spremembe mreže:

Method – tip mreženja glede na obliko elementov (le za telesa)

Sizing – velikosti elementov za telesa, ploskve in robove

Contact Regions – definicija stičnih površin med telesi

Refinement – zgostitev mreže na dolo

Mapped Face Meshing –alternativen na

Match Control – na ločenih ploskv

Pinch – odstranjevanje majhnih nezaželenih

Inflation – na označenih mestih tvori plast prizmati

toka ob steni zaradi mejne plasti

Slika 13: Plasti prizmatičnih elementov ob robu

Vsaka nastavitev je v mreži upoštevana šele po

ustvarjanju mreže je grafično prikazan v posebnem okencu (s

odvisno od velikosti mreže (števila elementov) in zmo

Ko je proces končan lahko s klik

računskega področja, prikazani so samo robovi elementov mreže na ploskvah geometrijskega

modela, ne pa po celotni prostornini


Prikaz orodja Mesh Control za lokalno spremembo mreže

spremembe mreže:

tip mreženja glede na obliko elementov (le za telesa)

velikosti elementov za telesa, ploskve in robove

definicija stičnih površin med telesi

zgostitev mreže na določeni površini ali robu

alternativen način diskretizacije pri določenih tipih mreženja

ploskvah ali robovih ustvari enako mrežo

odstranjevanje majhnih nezaželenih delov geometrije, s čimer se izboljša

enih mestih tvori plast prizmatične mreže, ki omogoča natan

toka ob steni zaradi mejne plasti

čnih elementov ob robu (inflation) in tetraedričnih v sredini geometrije

je v mreži upoštevana šele po pritisku na gumb Generate Mesh

no prikazan v posebnem okencu (slika 14), sam postopek pa lahko,

odvisno od velikosti mreže (števila elementov) in zmogljivosti računalnika traja tudi nekaj minut

klikom na Mesh v oknu z nastavitvami prikažemo ustvarjeno mrežo

ja, prikazani so samo robovi elementov mreže na ploskvah geometrijskega

tornini.


Stran: 13 od 26

lokalno spremembo mreže

enih tipih mreženja

imer se izboljša kvaliteta mreže

natančnejši popis razmer

sredini geometrije

Generate Mesh, napredek pri

), sam postopek pa lahko,

unalnika traja tudi nekaj minut.

žemo ustvarjeno mrežo

ja, prikazani so samo robovi elementov mreže na ploskvah geometrijskega



Slika 14: okno za spremljanje procesa konstrukcije mreže

Ko zapremo program Meshing, se mreža avtomatsko shrani, datoteka pa se pojavi na seznamu

datotek v osnovnem oknu programa Workbench. Sledi nastavitev parametrov, potrebnih za pravilen

potek numerične simulacije, v programu CFX-Pre.

5. CFX-Pre

Ko je na voljo uspešno izdelana računska mreža, kar je ustrezno označeno na shemi računskega

primera, lahko s klikom na naslednji korak (Setup) poženemo program CFX-Pre. Tu opravimo

celotno pred-procesiranje, torej nastavljanje vseh parametrov, s katerimi kontroliramo potek

simulacije:

− robni pogoji določajo, kaj se dogaja na mejnih ploskvah računskega področja

− stiki med pod-področji določajo pretok delovne tekočine med pod-področji in njihovo

morebitno gibanje

− snovi, v računskem področju so lahko različne snovi v različnih agregatnih stanjih, moramo pa

jim določiti ustrezne snovne in transportne lastnosti

− reakcije, med določenimi snovmi v računskem področju lahko pride do kemičnih reakcij, ki

morajo biti vnaprej opisane z ustreznimi matematičnimi modeli

− nastavitve računskega postopka, kamor sodijo turbulentni modeli, diskretizacija, način

iteriranja, kriteriji za zaključek računanja (konvergenca),...

Za nastavljanje katerega koli parametra ni potrebno vstaviti le številčne vrednosti, ampak lahko

definiramo tudi novo spremenljivko, izraz, funkcijo ali napišemo podprogram, ki bo izvajal

določene ukaze (Addition Variable, Expression, User Function, User Subrutine)

Slika 18: Definicija lastnih spremenljivk, izrazov, funkcij in podprogramov

Prvi korak pri pred-procesiranju je definiranje računskega področja (domain) s klikom na Default

Domain v drevesni strukturi.



Slika 15: Določitev računskga področja

Odpre se okno, kjer nastavimo splošne parametre za računsko področje (Basic Settings), numerične

modele, ki bodo uporabljeni za izračun tokovnih in temperaturnih razmer (zavihek Fluid Models) in

začetne pogoje za simulacijo (zavihek Initialisation)



Slika 16: Default Domain - BasicSettings

Location je del mreže, ki ga bo zavzemalo

računsko področje.

Domain Type predstavlja različne možnosti za

nastavitev tipa domene (Fluid, Solid, Prous in

Immersed Domain).

Koordinatni sistem je lahko isti kot pri

nastajanju geometrije (Coord 0 ali definiramo

novega).

V polju Fluid and Particle Definitions lahko

kreiramo več različnih fluidov (če jih

potrebujemo, vendar se nam pojavijo še novi

zavihki kot so Basic Settings, Fluid Models,…

kjer moramo definirati tudi interakcije med

njimi). Kot privzet je definiran Fluid 1, nato

pa mu nastavimo lastnosti. Kot material v

vrstici Option lahko izberemo enega ali več iz

Material Library.

Reference Pressure nam omogoča nastavitev

referenčnega tlak v domeni, Buoyancy Model

pa upoštevanje vzgona oziroma težnosti,

kadar ta bistveno vpliva na razmere v

računskem področju.

Domain Motion določa, ali bo računsko

področje mirovalo (Stationary), ali pa se bo

gibalo, npr. v primeru turbinskega rotorja in

podobno.

Mesh Deformation nam omogoča

spreminjanje osnovne geometrije in mreže

zaradi deformacije računskega področja.



Slika 17: Default Domain – Fluid Models

Heat Transfer Model določa, kako bo

obravnavan morebiten prenos toplote v

računskem področju.

Turbulence Model določa način obravnavanja

toka fluida.

Combustion nam daje možnost modeliranja

zgorevanja v domeni

Thermal Radiation nam ponuja možnost

modeliranja prenosa toplote tudi preko

sevanja in ne le preko kondukcije in

konvekcije

Zavihek Initialisation nam omogoča definiranje začetnih pogojev, ki jih morda že lahko poznamo

teoretično ali preko kakšnih meritev in tako lahko skrajšamo računski čas simulacije. Nastavitve

potrdi z gumbom OK in nastavitveno okno se zapre.

Naslednji korak je definiranje robnih pogojev. Vsem zunanjim ploskvam računskega področja je

potrebno predpisati določene lastnosti, drugače so avtomatsko definirane kot trdna, hidravlično

gladka, adiabatna stena, kar vidimo v drevesni strukturi pri Default Domain Default. Vse ostale robne

pogoje pa definiramo s klikom na orodni vrstici, kakor kaže slika 18.

Slika 18: Določevanje robnih pogojev

Možnih je več tipov robnih pogojev, od izbranega tipa pa so odvisni tudi parametri, ki jih je

potrebno nastaviti.

Inlet Vstopni robni pogoj, ki dopušča izključno vstopanje tekočine v računsko

področje. Nastavimo lahko masni tok ali hitrost vstopajoče tekočine, tlak,

temperaturo, intenzivnost turbulence,...



Outlet Izstopni robni pogoj, ki dopušča izključno izstopanje tekočine iz računskega

področja. Podobno kot pri vstopu lahko nastavimo masni tok ali hitrost

izstopajoče tekočine, lahko pa tudi statični ali totalni tlak na izstopni površini.

Opening Vstopno-izstopni robni pogoj omogoča vstopanje in izstopanje tekočine v ali iz

računskega področja. Nastavimo lahko tlak ali hitrost tekočine in za primer

vstopajoče tekočine še temperaturo, intenzivnost turbulence,...

Wall Stena predstavlja mejo računskega področja, skozi katero tekočina ne more

prehajati, lahko pa prehaja toplotni tok. Lahko je hidravlično gladka, lahko pa

ji tudi določimo hrapavost. Če stena ni adiabatna lahko prenos toplote skoznjo

definiramo z gostoto toplotnega toka, temperaturo stene, ali s koeficientom

prestopa toplote.

Symmetry Simetrična stena prav tako ne dopušča prehajanja tekočine, pri izračunih pa je

upoštevano, da so na drugi strani ploskve razmere zrcalne tistim, ki veljajo za

obravnavano računsko področje.

Ko so robni pogoji definirani, je potrebno nastaviti še nekaj parametrov, ki določajo in kontrolirajo

potek računanja (konvergenco). Konvergenca je med samim računanjem predstavljena z diagrami,

katerih trend je ob primernih nastavitvah padajoč. Ko vse krivulje padejo pod določeno

(nastavljeno) mejo, pravimo, da je rešitev ''skonvergirala'' in so rezultati 'dovolj' točni. Odvisno od

zahtevnosti problema in določenih nastavitev, se lahko konvergenca (diagrami) hitreje ali počasneje

približuje postavljeni meji. Gumb Solver Control odpre okno, kjer je mogoče nastaviti vrsto

parametrov, s katerimi kontroliramo konvergenco.

Slika 19: Določitev konvergenčnih parametrov in kriterijev

Osnovni parametri so:

• Advection Scheme

- High Resolution – natančnejše računanje, vendar manjša stabilnost konvergence

- Upwind – manj natančno računanje, bolj stabilna konvergenca

- Specified Blend Factor – kombinacija zgornjih modelov s faktorjem med 0 (Upwind) in 1

(High Resolution)

• Timescale Control – časovno skalo računanja lahko solver izbere samostojno, lahko pa jo tudi

predpišemo, vpliva pa na hitrost in stabilnost konvergence

• Max. Iterations – največje število iteracijskih korakov – v primeru, da ne dosežemo dovolj

točnega rezultata, se izračun ustavi po določenem številu korakov

• Length Scale Option

- Conservative – avtomatska nastavitev parametrov za nekoliko počasnejšo, vendar bolj

stabilno konvergenco



- Aggressive – avtomatska nastavitev parametrov za nekoliko hitrejšo, vendar manj stabilno

konvergenco

- Specified Length Scale – izbrana vrednost, ki določa hitrost in stabilnost konvergence

• Convergence Criteria – kriterij konvergence, meja, pod katero morajo pasti RMS (povprečne)

ali MAX (največje) razlike vrednosti parametrov med zadnjo in predzadnjo iteracijo; izračun se

ustavi, ko dosežemo to mejo ali pa največje število korakov

Vse nastavitve se shranijo v ustrezno datoteko in s tem je pripravljeno vse za zagon numerične

simulacije, torej numeričnega reševanja sistema enačb, ki popisujejo fizikalne pojave v računskem

področju, ob upoštevanju vseh predhodno določenih robnih pogojev in drugih parametrov.

6. CFX-Solver Manager

Simulacijo poženemo in spremljamo njen potek v programu CFX-Solver Manager, ki ga odpremo s

klikom na korak Solution na shemi računskega primera. Tu imamo možnost nastaviti še nekaj

dodatnih računskih parametrov, med drugim lahko razdelimo računski primer med več procesorjev,

ki sočasno preračunavajo vsak svoj del celotnega računskega področja, s čimer lahko pri večjih

primerih bistveno skrajšamo čas računanja. Za ta namen v rubriki Parallel Environment namesto

Serial izberemo ustrezno možnost paralelnega procesiranja.

Slika 20: Zagon izračuna



Izračun poženemo s Start Run. Odpre se okno razdeljeno na dva dela, kjer je prikazan potek

izračuna. V desnem oknu je prikazana vsebina datoteke s končnico .out, ki je razdeljena na več

delov:

1. seznam vseh robnih pogojev in parametrov simulacije, ki so bili nastavljeni v CFX-Pre

2. rezultati preverjanja mreže, računskega področja in nastavitev računanja

3. potek izračuna (konvergenca)

4. integralne bilance pomembnejših veličin in osnovne informacije o rezultatih izračuna

V levem oknu je potek konvergence prikazan grafično. Pri uspešni konvergenci je trend vseh

diagramov padajoč.

Slika 21: Prikaz poteka izračuna (konvergence)

Po koncu izračuna, ko je dosežen kriterij konvergence, ali največje število korakov računanja se

rezultati skupaj z vsemi nastavitvami računanja in informacijami o poteku računanja zapišejo v .res

datoteko. Rezultate računanja si lahko ogledamo v programu CFX-Post.



7. CFX-Post

Rezultat numerične simulacije so tridimenzionalna polja hitrosti, temperatur, tlakov, ..., zato je

ponavadi najprimernejši grafični način prikazovanja teh parametrov, kar omogoča CFX-Post, ki ga

poženemo kot zadnjega izmed korakov računskega primera (Results). Rezultate lahko prikazujemo

na različne načine grafično in tudi tabelarično, kot je prikazano na slikah 21 do 25. Izbira načina

prikaza rezultatov numerične simulacije je odvisna od obravnavanega primera, torej od same

geometrije računskega področja, ključnih veličin, ki jih želimo predstaviti, lokacije, kjer potekajo

procesi, ki bistveno vplivajo na rezultate. Poleg lokalnih vrednosti izračunanih parametrov lahko

izračunamo tudi nekatere integralne vrednosti, preko lastnih funkcij pa lahko ustvarimo tudi

dodatne parametre temelječe na izračunanih veličinah (slika 20).

Slika 20: Določevanje lastnih spremenljivk, funkcijskih izrazov in izračun integralnih parametrov



Slika 21: Prikaz vektorjev hitrosti (Vector)



Slika 22: Prikaz vrednosti izbranega parametra na površini ali ploskvi (Contour)



Slika 23: Prikaz tokovnic (Streamline)



Slika 24: Prikaz vrednosti izračunanih parametrov z diagramom (Chart)



Slika 25: Tabelarični prikaz rezultatov izračuna

Documents

Numeri čne simulacije tokovnih in temperaturnih razmerlab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS14.pdf · Start – All Programs – ANSYS 14.5 – Workbench čunski primer in nadziramo