Численный анализ турбулентного теплопереноса в двухмерном канале с тепловыделяющим элементом

yarik-kursach.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Направление - 140100 Теплоэнергетика и теплотехника
Кафедра - Теоретической и промышленной теплотехники
ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ДВУХМЕРНОМ КАНАЛЕ С ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ
по дисциплине: «Использование вычислительных комплексов в решении прикладных задач»
Курсовая работа 21 с. 16 рисунков 5 источников литературы.
Цель работы – произвести численный анализ турбулентного теплопереноса путем создания модели согласно условиям задания и осуществления требуемых расчетов и построений с помощью программного обеспечения.
В результате численного анализа турбулентного теплопереноса в двухмерном канале с тепловыделяющим элементом были смоделированы основные условия протекания стационарного неизотермического течения построены и проанализированы основные зависимости и величины.
Область применения: решение прикладных задач в области теплотехники и газодинамики.
Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Office Word 2013 редакторе формул Math Type 6.0 программном комплексе Fluent.
Построение модели и задание граничных условий. . .. .
Выполнение расчетов в программе Fluent
Визуализация полей распределения параметров в расчетной области
Построение профилей горизонтальных компонент скорости и температур в заданных сечениях
Список используемой литературы .
на курсовой проект по курсу
«Использование вычислительных комплексов в решении прикладных задач»
Студенту группы 5БМ42 Гребенькову Ярославу Александровичу
Тема работы: Численный анализ турбулентного теплопереноса в двухмерном канале с тепловыделяющим элементом
Рассмотреть стационарное турбулентное неизотермическое течение вязкой несжимаемой жидкости (вода: ρ = 1000 кгм3 = 10-6 м2с) в плоском канале с внезапным расширением. Геометрическая постановка задачи представлена на рис.1. На входе в канал распределение скорости равномерное и имеет значение 34 мс. Кинетическая энергия турбулентности = 23 м2c2 диссипация энергии турбулентности = 121 м2c3. Температура на входе в канал равна 300°К. Все стенки являются адиабатическими за исключением вертикальной стенки (Т=320°К). На выходе использовать граничное условие Outflow. Учесть влияние силы тяжести.
В результате изобразить линии тока изотермы и векторное поле скорости в анализируемом объекте а также профили горизонтальной компоненты скорости и температуры в сечении 1(рис.1).
В результате изобразить линии тока изотермы и векторное поле скорости в анализируемом объекте а также профили горизонтальной компоненты скорости и температуры в сечении 1.
Рисунок 1-Графическая постановка задачи.ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Диссипация - переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося тела энергии электрического тока и т.д.) в энергию неупорядоченных процессов в конечном итоге - в тепло.
Турбулентное течение - течение жидкости или газа при котором частицы жидкости совершают неупорядоченные хаотические движения по сложным траекториям а скорость температура давление и плотность среды испытывают хаотические флуктуации.
Ряд задач в современной теплотехнике газодинамике и других областях эффективно решается при помощи получивших развитие программ позволяющих довольно точно смоделировать физические процессы происходящие в рамках рассматриваемых задач.
Одной из таких программ является программный комплекс Fluent позволяющий осуществлять моделирование и расчет основных параметров процессов теплопередачи движения течения жидкостей и газов в каналах произвольной формы и многих других.
Типичный процесс исследования потока с помощью программного комплекса Fluent показан на блок-схеме (рис. 2).
Первые три этапа решения задачи выполняются в программе Gambit являющейся составной частью программного комплекса. Остальные этапы реализуются непосредственно в программе Fluent.
Рисунок 2 – Алгоритм работы программного комплекса
Программа Fluent позволяет решать двухмерные осесимметричные и трехмерные задачи в стационарной или нестационарной постановках в большом диапазоне скоростей потока.
Программа Fluent обладает большой базой данных свойств рабочих тел которая включает в себя сведения о жидкостях газах и твердых телах. Параметры рабочего тела в расчете могут быть как постоянными так и меняться в зависимости от параметров потока.
В программе реализованы широкие возможности визуализации результатов решения. Результаты могут быть представлены в виде графиков текстовых файлов или интегральных значений параметров.
Построение модели и задание граничных условий.
Для построения графической модели объекта задачи используется программа Gambit.
1.Построение модели. Для построения модели в программе выполняются последовательно команды:
>vertex>create Real Vertex. С помощью данной команды осуществляется построение точек по заданным координатам согласно исходным данным.
Рисунок 3 – Результат построения точек
>Edge>create Straight Edge. При помощи данной команды точки последовательно соединяются отрезками.
Рисунок 4 – Результат построения отрезков
>Face>create Face from Wireframe. Эта команда позволяет создать поверхность при помощи объединения отрезков в замкнутый контур.
Рисунок 5 – Результат построения поверхности
>Mesh>Face>Mesh Faces. Посредством выполнения этой команды осуществляется наложение конечно-элементной сетки.
a) В поле Elements выбирается Tri (треугольная сетка)
b) В поле Type следует выбрать Pave
Также для получения довольно точных решений следует уменьшить сетку путем ввода в поле Spacing числа 01. Это уменьшит сетку в 10 раз а значит увеличится количество элементов на которые разбит объект. В результате проделанных операций получаем объект изображенный на рис.6:
Рисунок 6 – Результаты построения модели
2.Задание граничных условий. В последнюю очередь осуществляется наложение граничных условий на области рассматриваемого объекта путем выполнения команды:
>Zones>Specify Boundary Types. После чего выбираются области и вид условий.
a)для области входа – veloc
b)для области выхода согласно условиям задачи - outf
c)для вертикальной стенки T=320°К – wa
В результате проделанных операций получаем объект изображенный на рис.7:
Рисунок 7 – Результаты наложения граничных условий.
После успешного построения модели в программе Gambit осуществляется ее экспорт в файл с расширением *.msh для работы в программе Fluent.
Проверка объекта выполнение расчетов.
1. После успешного экспорта файл открывается в программе Fluent посредством команды File>Read>Case.
2. Далее производится проверка конечно-элементной сетки на наличие ошибок при помощи команды Grid>Check. Результаты проверки представлены на рис.8:
Рисунок 8-Результаты проверки модели.
3. Масштабирование конечно-элементной сетки. В условии задачи все длины заданы в метрах. Поэтому масштабирование сетки не требуется.
4.Просмотр конечно-элементной сетки осуществляется при помощи команды Display > Grid.(рисунок 9)
Рисунок 9– Отображение конечно-элементной сетки в программе Fluent.
5. Далее задаются опции решателя. Данная операция осуществляется командой Define > Models> Solver.
- для решения рассматриваемой задачи целесообразно выбрать
- в поле Space выбирается двухмерная задача 2d;
- в поле Time - стационарная задача Steady.
6. Учет в расчете уравнения энергии. Данная операция осуществляется командой Define > Models> Energy.( ставим галочку в поле Energy Equation).
7. Определение модели турбулентности. Для задания модели турбулентности необходимо выбрать команду: Define > Models> Viscous. Так как течение турбулентное и заданы энергия турбулентности диссипация энергии турбулентности энергия турбулентности выбираем psilon .
8. Задание свойств рабочего тела. Задание свойств рабочего тела осуществляется в меню Materials которое вызывается командой: Define > Materials. Задается коэффициент вязкости потока и плотность. Так как в рассматриваемой задаче рабочее тело – вода нажимаем кнопку Fluent Database и выбираем H2O чтобы скопировать параметры после чего корректируем плотность согласно заданию.
9. Задание справочного давления. Чтобы значения давления выводились в абсолютных единицах (избыточное) выполняем команду Define > Operating Condition и выставляем Operating pressure равное 0. Также чтобы учесть гравитацию ставим галочку в поле Gravity и задаем ускорение свободного падения.
10Задание граничных условий. Меню задания граничных условий вызывается командой: Define > Boundary Condition. Выбираем одну из поверхностей и задаем условия:
10.1 Для поверхности входа задаем:
a) Скорость. Причем выбираем в Velocity specification method команду components чтобы задать скорость по осям. Также задаем энергию турбулентности диссипацию энергии турбулентности
b)Температуру на входе 300К согласно условиям.
10.2 Для поверхности выхода изменения не вносятся.
10.3Для поверхности препятствия задаем температуру 320К.
11Установка параметров счета. Доступ к меню установки параметров счета осуществляется с помощью команды: Solve > Controls > Solution. В этом меню в зоне Pressure-Velocity Coupling выбирается алгоритм Coupled. Число Куранта уменьшаем до 50.
12Установка начальных значений параметров. При решении задач газовой динамики численными методами перед запуском решения необходимо установить начальные значения параметров в расчетной области. Меню установки начальных условий вызывается командой: Solve > Initialize > Initialize. Выбираем входную границу и нажимаем Init.
13Настройка отображения процесса решения. Для того чтобы отображать невязки в процессе расчета а также задать критерий остановки решения необходимо вызвать меню Residual Monitors с помощью команды: Solve > Monitors > Residual. Необходимо поставить галочки напротив слов Plot и Print. Это приведет к тому что невязки по всем уравнениям параметров будут печататься в окне сообщения (Print) и отображаться в виде графиков в графическом окне (Plot).
14Сохранение расчетной модели. Для сохранения расчетной модели и всех сделанных настроек решателя необходимо вызвать команду: File > Write > Case & Data.
15Запуск решения. Для запуска решения нужно выбрать команду: Solve > Iterate предварительно выставив количество итераций равное 500. В результате решения сходимость была достигнута после 18 итерации значит увеличение порядка дискретизации не требуется. Результаты решения изображены на рисунке 10:
Рисунок 10- процесс решения уравнений скорости энергии и неразрывности.
Визуализация полей распределения параметров в расчетной области. Для просмотра полей распределения параметров запускается команда: Display > Contours. Выбираем поле скорости согласно условиям задачи. Поле скорости для данной задачи изображено на рис. 11:
Рисунок 11-Распределение скоростей.
1. Построение линий тока. Команда Surface > LineRake. В поле type выбираем Rake. Число точек на линии выбираем 15. Далее выбираем команду Display > Pathlines. Выбираем все поверхности и нажимаем Display. В результате получаем изображение линий тока в рамках рассматриваемой задачи ( рис.12)
Рисунок 12 - распределение линий тока в рассматриваемом объекте.
2 Построение изотерм. выбираем команду Display > Pathlines. Выбираем все поверхности в поле Release of surfaces а также в поле color from выбираем Temperature и нажимаем Display. В результате получаем изображение изотерм ( рис. 13).
Рисунок 13-распределение линий изотерм в рассматриваемом объекте.
Построение профилей горизонтальных компонент скорости и температур в заданных сечениях. Для осуществления данной операции используем команду Plot > XY-plot.
Для оси Y выбираем Velocity и X Velocity( для температуры – temperature соответственно) для оси X выбираем Grid и X-coordinate. В поле survaces выбираем сечение 1. В результате получаем графики изменения горизонтальной компоненты скорости и температуры в сечении 1. (рис.15-16)
Примечание. Чтобы графики имели правильный вид осуществлено построение вспомогательной геометрии (сечений) при помощи команды Surface > LineRake.(рисунок 14)
Рисунок 14 – построение вспомогательной геометрии.
Рисунок 15 - изменение скорости в сечении 1.
Рисунок 16- изменение температуры в сечении 1.
В результате проделанной работы был осуществлен численный анализ турбулентного теплопереноса в двухмерном канале с тепловыделяющим элементом при помощи моделирования средствами программы Gambit и проведения расчетов в программе Fluent. По результатам расчетов были построены поле скоростей линии изотерм линии тока а также графики изменения горизонтальной компоненты скорости и температуры в заданном сечении.
По результатам исследований можно сделать вывод что для рассматриваемой задачи влияние силы тяжести а также изменение температуры греющей стенки в заданных диапазонах не оказывает существенного влияния на течение в канале. Входная скорость потока как было исследовано в работе оказывает влияние на поведение течения в канале. Так при малых значениях скорости наблюдается менее резкое формирование вихря в нижней части канала а при высоких скоростях наблюдается вихрь широкого фронта.
В целом были расширены знания и навыки работы с программами Fluent и Gambit в рамках решения задач включающих в себя условие турбулентного течения потока а также использование воды в качестве рабочего тела.
Список используемой литературы
О.В. Батурин Н.В. Батурин В.Н. Матвеев. Расчет течений жидкости и газа с помощью универсального программного комплекса FLUENT. СГАУ 2009. 147с.