Моделирование осевого вентилятора во Fluent.

Кирилл "deLuther" Сергеев 09.06.2009

Данная статья входит в набор статей для решения задачи "Моделирование осевого вентилятора в Ansys 12"

Полный список статей для этой задачи таков:

 

Описание задачи

1. Создание геометрии в Ansys BladeModeler

2. Предварительные расчеты

3. Создание сетки с помощью CFX-Mesh

4. Расчет течения в Ansys CFX.

5. Поспроцесоорная обработка результатов в CFD-Post.

 

См. также:

6. Расчет течения в Ansys Fluent (данная статья)

---

 

Предполагается что модель и сетка построена, но расчёта в CFX не проводилось (если нет, надо удалить систему CFX в схематике воркбенча).

На этом этапе можно пойти двумя слегка разными путями, просто добавив систему Fluid Flow (FLUENT) и соединив нужные ячейки либо добавив систему FLUENT и потом к ней подсоединить систему Results. Как это можно сделать:

1) В Analysis Systems выбрать Fluid Flow (FLUENT) и добавить в проект, перетянув на появившиеся зелёные прямоугольники (в окне Projects Schematic), либо добавить двойным щелчком. Далее выделить ячейку Mesh и, держа кнопку мыши нажатой, перетащить на ячейку Setup (выделяется зелёным и затем красным когда мышь находится сверху ячейки). После того как ячейки соединятся из системы Fluid Flow (FLUENT) автоматически уберутся все ячейки до Setup. После этого надо выделить ячейку Mesh системы Mesh и во всплывающем меню (по правой кнопке) выбрать Update.

 

 

2) Из Component Systems добавить систему FLUENT и соединить ячейки, как описано ранее, либо во всплывающем меню ячейки Mesh выбрать Transfer Data To New -> FLUENT, после этого следует обновить ячейку Mesh, как и в предыдущем случае.

 

 

Большой разницы между вариантами нет.

 

Далее выделяем ячейку Setup системы FLUENT, здесь я поставлю галку на Run Parallel Version и в появившемся свойстве Number of Processors (Parallel Run Settings) поставлю 3.

Далее открываем ячейку Setup на редактирование (дабл-клик или во всплывающем меню Edit...). В появившемся диалоге можно просто нажать кнопку OK (как видно, количество процессов можно поменять и здесь).

 

 

Здесь мы видим интерфейс Fluent V12, который открывается на General. Здесь стоит сменить единицы измерения для угловой скорости на rpm. Для этого жмём Units, в окне выбираем angular-velocity и rpm, закрываем окно (Close).

Теперь надо настроить основные модели, в нашем случае нам надо включить модель SST. Щёлкаем на Models в дереве, выбираем в списке Viscous, жмём Edit..., далее выбираем k-omega (2 eqn) и SST. OK.

 

 

Теперь настроим материалы, мы используем несжимаемый воздух, но поменяем его свойства, чтобы они соответствовали температуре 25 C и атмосферному давлению.

Выбираем Materials, air, жмём Create/Edit..., меняем плотность на 1.18403 и вязкость на 1.84791e-05. Жмём Change/Create для сохранения настроек и Close для закрытия окна.

 

 

На следующем этапе (следую по дереву сверху вниз) зададим условия для проточной части, т.е. движение области.

Выбираем Cell Zone Conditions, solid, Edit... В диалоге меняем Motion Type на Moving Reference Frame (также стоит убедиться, что ось вращения указана правильно, в нашем случае Rotation-Axis Direction установлена правильно) и указываем -3000 в Rotation Velocity->Speed (rpm) (можно задать и 3000, если изменить направление оси вращения на противоположное). Закрываем диалог по OK.

 

 

Теперь можно задавать граничные условия (ГУ).

Переключимся на Boundary Conditions.

Во-первых, стоит выбрать какие ГУ зададим на входе и выходе. Массовый расход на выходе можно задать через Outflow, но только в доле от общего расхода, причём это ГУ несовместимо с давлением на входе. Задание давления на выходе тоже не вполне отвечает нашей задаче - т.к. давление неизвестно. При задании нулевого давления на выходе (выброс в атмосферу) и расхода на входе, на входе мы получим разрежение, что соответствует нахождению вентилятора после какого-нибудь препятствия (сопротивления). Фактически более адекватной альтернативой ГУ в CFX будет задание расхода на входе (mass-flow-inlet), расхода на выходе (outflow) и референсного давления в какой-то точке на входе (выберем средний радиус).

Выделим зону inflow_blade1 в списке Zone и поменяем тип на mass-flow-inlet, подтвердив намерение изменить тип, мы попадаем в диалог настройки зоны. В поле Mass Flow Rate (kg/s) укажем расход по предварительным расчётам: 0.0757686. Справа находится тип задания, где кроме constant можно задать расход в виде параметра, но, в отличие от CFX, в данном случае это несколько бесполезно. Причина станет понятна позднее. В любом случае при выборе New Input Parameter... надо указать только имя и значение. Оставим constant. В Direction Specification Method выберем Normal to Boundary, в Turbulence->Specification Method выберем Intensity and Viscosity Ratio и укажем 5% для Turbulent Intensity. Такие параметры турбулентности соответствуют средней турбулентности (Medium) в CFX. При желании зону можно переименовать, например оставив inflow, но оставим название без изменения.

 

 

Для того чтобы увидеть, какая зона, что представляет можно отобразить её через Display Mesh...

Выберем зону outflow-blade1 и убедимся, что её тип outflow (если нет, то надо поменять на outflow, доля расхода, Flow Rate Weighting=1).

Убедимся что для зон blade_blade1, hub_blade1 и shroud_blade1 стоит тип ГУ - wall. Далее задать стационарную стенку для shroud_blade1, выделяем эту зону, нажимаем Edit... В Wall Motion надо выбрать Moving Wall, в Motion - Absolute и Rotational, тогда значение Speed=0 будет означать неподвижную стенку. OK для применения настроек и закрытия диалога.

Теперь нас ожидает более интересная стадия, а именно задание периодических границ. Тут-то и кроется одна из загвоздок - для задания адекватных периодических границ, в подобных случаях, требуется модификация сетки. И это делается не через графический интерфейс, а в консольном окне. Щёлкаем в нём и жмём Enter, появляется запрос на команду и меню. Набираем команду mesh и переходим к разделу mesh, нажмём Enter для отображения меню раздела. Нас интересует modify-zones, вводим это в командную строку и выполняем, затем Enter для отображения меню. Вот мы и добрались, нас интересует команда make-periodic, которую и вводим.

make-periodic, после выполнения следует запрос номера периодической зоны, укажем номер зоны periodica_blade1, номер можно увидеть посмотрев на поле ID при выборе этой границы в списке зон. В данном случае это 9. Вводим, Enter. Следует запрос второй (теневой) зоны, укажем ID зоны periodicb_blade1 (10), Enter. Следует запрос является ли периодичность вращательной или переносной (по умолчанию yes - т.е. вращательная), Enter. На запрос о создании периодических зон отвечаем утвердительно (yes) т.е. Enter. Сообщается информация о процессе и что зона 10 удалена. Также отметим, что тип зоны periodica_blade1 изменён на periodic. В чём же именно загвоздка? А загвоздка в том, что при изменении сетки в воркбенче, эти изменения уберутся и придётся повторно создавать периодическую пару т.к. модификации сетки не сохраняются (точнее сохраняются только для текущего Solution`а). Задание же периодики через интерфейсы приводит к неправильной картине на периодических границах (скорость по направлению вращения).

Осталось только задать точку для референсного давления. Жмём кнопку Operating Conditions... (в Boundary Conditions) и для Reference Pressure Location вводим 0.1965,0,-0.012.

 

 

Выполнение расчёта.

 

В данном случае мы оставим метод решения как есть.

Переключимся в раздел Monitors.

Выделив в первом списке Residuals, нажмём Edit... и изменим критерий сходимости (Absolute Criteria) на 0.0001 для continuity, x-velocity, y-velocity и z-velocity, оставив для уравнений турбулентности 0.001.

 

 

Следующим шагом зададим мониторинг момента на ступице и лопатке.

Выберем Moment, Edit... в диалоге включим Print to Console и Plot и выберем границы для ступицы и лопатки.

 

 

Также можно задать мониторинг для давления на входе и выходе.

Это делается в Surface Monitors. Жмём Create...

Зададим название ptin, отметим Plot, выберем режим осреднения по расходу, полное давление и поверхность inflow_blade1

 

 

Кроме этого может быть нелишним задать диапазон для отображения данных, т.к. на начальных шагах значения могут быть слишком большими и потом будет сложно следить за сходимостью. Настройка осей доступна по кнопке Axes...

 

 

Похожим образом зададим мониторинг статического давления на выходе:

 

 

Следует отметить, что Window было изменено с 4 на 3, чтобы давления выводились в одно окно. Параметры осей менять не надо, т.к. они уже заданы.

Далее выберем в дереве Solution Initialization, в списке Compute from выберем inflow_blade1, инициализационные параметры будут посчитаны исходя из параметров входа. Жмём Initialize и переходим к Run Calculation. В поле Number of Iterations укажем 500 итераций. После нажатия Calculate запустится расчёт. Для отображения мониторов надо выбрать соответствующее окно из списка в левом верхнем углу графического окна.

 

 

Собственно при запуске появляется предупреждение, что изменения сетки не сохраняются, здесь только можно выбрать OK для продолжения расчёта, что соответствует использованию модифицированной сетки только на текущий момент. Cancel просто останавливает процесс. Но можно вручную сохранить модифицированную сетку, чтобы предохранить её от автоматических изменений в воркбенче.

Расчёт завершится в районе 203 шагов (может несущественно отличаться при различном количестве процессоров/расчётных процессов). Затраченное время и другую статистику по производительности можно получить, выполнив команду меню Parallel->Timer->Usage (не работает в случае Serial).

 

Быстрый анализ результатов.

 

Выполним кое-какие действия для постпроцессинга, в меню выполним команду Define->Turbo Topology. В появившемся диалоге зададим имя топологии Fan, потом, поочерёдно переключаясь между границами (Boundaries) выбираем поверхности (Surfaces) которые им должны соответствовать. В случае периодических поверхностей надо назначить Theta Periodic->periodica_blade1 и проигнорировать Theta Min и Theta Max.

Таким образом:

Hub	hub_blade1
Casing	shroud_blade1
Theta Periodic	periodica_blade1
Inlet	inflow_blade1
Outlet	outflow_blade1
Blade	blade_blade1

После чего нажать Define. В консоли будет написано Enabling turbo postprocessing functions, кроме того, будет добавлен ещё один пункт в меню приложения - Turbo.

Выполнив команду Turbo->Report... и, нажав в диалоге Compute, мы получим базовые параметры работы вентилятора.

 

 

Кроме того в меню есть пункты Average Contours... позволяющий построить осреднённые параметры в меридиональном сечении, 2D Contours... для построения распределения параметров в сечениях по размаху лопатки, а также Averaged XY Plot для построения графиков осреднённых параметров потока.

Воспользуемся 2D Contours... и построим распределение давления на среднем радиусе.

Turbo->2D Contours..., в поле Normalized Spanwise Coordinates укажем 0.5.

 

 

Для лучшего отображения сечения стоит выполнить Display->Views...

В диалоге выбрать front, затем Apply и Auto Scale для подбора масштаба.

Можно закрыть флюэнт и сохранить проект, возможно при закрытии он спросит стоит ли сохранять параметры, надо сохранить (это то что мы определяли после расчёта). Изменения сетки в любом случае сохраняются только в текущем Solution.