Star-CD. Свойства и теплофизические модели

Ляскин Антон 02.04.2009

Индекс материала
Star-CD. Свойства и теплофизические модели
1
Все страницы

Панель Thermophysical Models and Properties предоставляет пользователю средства для задания моделей теплофизических свойств жидкостей, и ввода констант соответствующих тому или иному материалу. Так, например, для разных потоков в модели могут использоваться различные модели турбулентности.

В связи с этим, перед заданием граничных условий, обязательным является определение теплофизической модели свойств жидкости(ей). В зависимости от модели жидкости, программа перестроится на запрос у пользователя дополнительной исходной информации требуемой для формирования граничных условий и расчетной модели.

 

 

Перед заданием свойств материалов необходимо просмотреть текущее состояние панели ячеек Cell Table Editor, и убедиться в том, что в данный момент активизирован нужный набор (номер) ячеек. Номера свойств представлены в окне Material Number. К панели можно перейти через Tool > Cell Tool... > Edit Types... или нажав в гл. окне на кнопку

 

 

Нужный материал может включать в себя ячейки нескольких типов. Однако, в пределах одного потока возможна работа только с одним типом материала.

 

и свойства материалов в программе задаются в разделе Thermophysical Models and Properties.

 

1) Thermal Options (тепловые опции) - подключает к решателю ряд специальных тепловых опций, необходимость активизации которых определяется задачей.

2) Liquids and Gases (жидкости и газы) - предоставляет пользователю возможность задания математических моделей свойств жидкости в сочетании с необходимыми константами.

3) Additional Scalars (дополнительные скаляры) - позволяет пользователю задавать скалярные переменные, которые дополняют глобальные установки.

4) Solids (твердые тела) - позволяет пользователю задавать физические свойства твердых материалов.

5) Porosity (пористость) - дает возможность задать пористые свойства ячейкам которые связаны с жидкостями, через соответствующие коэффициенты. По умолчанию эти коэффициенты равны нулю.

Свойства жидкости задаются применительно к материалам, которые состоят из ячеек жидкостного типа. То же самое касается и твердых тел. Для определения модели и свойств для каждого конкретного материала панель имеет переключатель бегункового типа - Material #, который позволяет пользователю в нужный момент осуществлять выбор.

 

Задание тепловых опций - папка (Thermal Options )

 

 

С помощью панели Thermal Options пользователь может активизировать в процедуре расчета три дополнительные тепловые опции - тепловое излучение, солнечное излучение и сопряженный тепломассообмен. Они активизируются глобально, т.е. применительно ко всей модели, а не к одному частному материалу.

 

Задание молекулярных свойств для жидкостей и газов (Liquids and Gases>Molecular Properties).

Плотность

1. В виде постоянной величины - Constant.

2. В виде функции от химического состава жидкости (при этом каждая компонента жидкости должна иметь постоянную плотность и соответствующие им скаляры активизированы) - MultiComp. Величины описываются с помощью уравнения.

3. В виде функции от температуры при изобарическом законе изменения плотности - Isobaric. Эта формула включает в себя исходную плотность и коэффициент объемного расширения.

4. В виде функции идеального газа Ideal-f(T,P) или закона идеального газа без учета влияния давления Ideal-f(T). Обе опции идеального газа будут учитывать присутствие эффекта изменения химического состава смеси, при этом обязательным условием является то, что скаляры являются активными. Опция Ideal-f(T) фиксирует давление идеального газа на уровне контрольной величины задаваемой пользователем для данного материала.

5. В виде функции от нескольких переменных, которая задается с помощью пользовательской подпрограммы - User

Молекулярная вязкость

Математическая модель, описывающая закон изменение молекулярной динамической вязкости, может быть задана в одной из следующих форм:

1. В виде постоянной величины - Constant.

2. Ей можно пренебречь для проведения расчета без учета вязкости среды - Inviscid. Аналогичного результата можно добиться если задать величину вязкости величиной в 1.0Е-30. В этом случае решатель автоматически перейдет на расчет невязкого потока для текущего материала.

3. Может варьироваться в зависимости от изменения химического состава жидкости при обязательном наличии активных скаляров компонент MultiComp.

4. Можно задать неньютоновский характер поведения в соответствии с моделью Оствальда-де Вэйле - NonNewt.

5. В виде функции температуры по закону Сазерленда.

6. В виде функции температуры задаемой в виде полинома.

7. В виде функции от нескольких переменных, которая задается с помощью пользовательской подпрограммы - User.

 

Теплоемкость

Если жидкость имеет переменную плотность, то задается параметр Cp. Если плотность жидкости постоянна, то задается параметр C?. Теплоемкость жидкости может быть задана следующим образом:

1. В виде постоянной величины - Constant.

2. В виде функции от химического состава жидкости при условии наличия активных скаляров - MultiComp.

3. В виде функции температуры задаваемой в виде полинома - Polynomial.

4. В виде функции от температуры и химического состава задаваемой с помощью пользовательской подпрограммы - User-Cp

Три, ниже приводимые, опции используются для изменения соотношения температуры и энтальпии :

5. Энтальпия становится функцией температуры (и при необходимости активных скаляров), которая задается с помощью пользовательской подпрограммы - User-H(T)

6. Температура становится функцией энтальпии (и при необходимости активных скаляров), которая задается с помощью пользовательской подпрограммы - User-T(H)

7. Температура и энтальпия становится функциями друг друга с помощью пользовательской подпрограммы - User-Both.

 

Теплопроводность

 

 

Теплопроводность жидкости может быть задана следующим образом:

1. В виде постоянной величины - Constant.

2. В виде функции от химического состава жидкости при условии наличия активных скаляров - MultiComp.

3. В виде функции температуры задаемой в виде полиномиальной функции  - Polynomial.

4. В виде функции от произвольных переменных задаваемых с помощью пользовательской подпрограммы - User.

 

Доступ к базе осуществляется при помощи кнопки Define properties from database... на панели Molecular Properties. Данные можно просмотреть нажав на кнопку View/Edit Data Base Fluid Data Base диалоговой панели Fluid Data Base.

 

 

Данные внутренней базы данных хранятся в файле props.bds. Для того, что бы воспользоваться имеющейся информацией, выберите нужную жидкость или газ из списка Fluid Data Base и нажмите на кнопку Apply.

Диалоговый список Fluid Data Base позволяет пользователю просматривать информацию в базе данных. Для просмотра данных пользователю необходимо выбрать интересующий его материал из списка имеющегося на экране.

Если для описания какого то из свойств пользователь воспользуется опцией Polynomial, то это автоматически переключит работу на процесс задания аппроксимационного полинома с помощью панели Polynomial Function Definition.

 

 

Данная панель позволяет пользователю вводить коэффициенты аппроксимирующего полинома функций описывающих свойства жидкости. Пользователю необходимо задать диапазон температур и соответствующие коэффициенты в специально предусмотренные для этого текстовые окна, а затем нажать на кнопку Apply Coefficients.

Для часто используемых материалов программа имеет свою внутреннюю базу данных коэффициентов теплоемкости - CHEMKIN и CEC. Для того, чтобы воспользоваться базой, из списка Data Base необходимо выбрать требуемый материал, после чего необходимо сколоть кнопку на исполнение Apply Data Base Substance.

В случае необходимости использования в процессе моделирования жидкости одной из моделей турбулентности, последнюю активизируют для каждой жидкости по отдельности.

 

 

Модель турбулентности выбирается из меню, так как это показано на, выше приводимом, рисунке. Специфика каждой модели обсуждается в 2 главе методологии. Пользователь может изменить любой из стандартных коэффициентов задаваемых программой по умолчанию. Доступ к текстовым полям коэффициентов осуществляется выбором опции Show Coefficients. При этом следует проявлять крайнюю осторожность и четко представлять себе физический смысл производимых вами изменений.

Пользователю необходимо иметь в виду специфику пристеночных областей. Для них более предпочтительным является использование низкорейнольдсовых и LES моделей турбулентности, так как в случае их использования может отпасть необходимость в дополнительной обработке. Для моделей с большими числами Рейнольдса, такой тип расчета известен как "закон стенки" или "функция пристеночной области". Эти уравнения относятся к моделям нулевого уровня и описываются в главе 6 Методологии. Вкладка Two-Layer позволяет пользователю подключить к расчету одну из многочисленных моделей нулевого уровня для описания пристеночной области. Список простеночных функций на выбор предлогаемых пользователю включает в себя модели Норриса и Рейнольдса, Хассида и Пореха, Вольфщтейна и Ван Дриста а также любую пользовательскую модель задаваемую подпрограммой. Помните, что расчет по функциям стенки выполняется только для тех ячеек которые принадлежат пристеночным областям. Таким образом пользователь получает возможность в расчете использовать комбинацию пристеночной функции и двухуровневой модели для центральной высоко турболизированной части потока.

Если турбулентность моделируется двухуровневой моделью, то в пристеночной области необходимо создать мелкую сетку . Аналогичные соображения касаются LES и низкорейнольдсовых моделей , где может потребоваться еще более мелкая сетка. Хотя в виде опции LES модель можно комбинировать с пристеночной функцией для уменьшения плотности сетки.

 

 

При моделировании потоков для которых крайне важным является изменение температуры (теплоперенос, процесс сжатия потока и т.д.), к решателю необходимо подключить уравнение сохранения энергии. Эта опция активизируется с помощью панели Thermal Models и изменяется в зависимости от используемого материала. Для переменной Conservation пользователь может использовать (реализовать) несколько альтернатив: Static Enthalpy, Total Enthalpy и Rothalpy (т.е. статическая энтальпия, полная энтальпия и ротальпия). Опция Static Enthalpy предпологает, что вся энтальпия постоянна и однородна в пределах области расчета (область применения - высоко скоростные невязкие потоки).

Кроме того пользователь имеет возможность переориентировать решатель на тепловую или термохимическую энтальпию посредствам выбора одной из опции в Enthalpy. Термохимическую энтальпию часто используют для моделирования химического взаимодействия потоков с целью исключения крупных источников, которые представляют собой температуру, с которой идет химическая реакция. Тем не менее, для сложных химических реакций с высокоуровневыми схемами дифференцирования использование тепловой энтальпии может оказаться более целесообразным.