, .

CAD / CAM / CAE - софтуерни решения и технологии.

.

АБОНИРАЙТЕ СЕ

Бюлетин

Абонамент за е-бюлетин




Анкета

Как да изглежда форума в частта, касаеща софтуера?
1. Да се раздели по категории - CAD, CAM, CAE
2. Да не се променя
3. Друго - отправете предложения

Tecplot: Намаляване на налягането при изчисляване на сепарацията на потока

Bookmark and Share

Tecplot: Намаляване на налягането при изчисляване на сепарацията на потока

 

 
Изследователите намаляват налягането при изчисляването на сепарацията на потока, използвайки Tecplot 360.

Vince Adams


 


Фигура 1: Резултати от CFD сепарация на потока зад цилиндър. Изображение Tecplot Inc. и  M. Breuer, Катедра „Механика на флуидите”, Helmut-Schmidt University Hamburg.

 
Във всяка симулация получаването на точни резултати е само половината от битката. Дали доминиращото е натоварването на материала или флуидния поток, всички данни са толкова важни, колкото способността на инженерите да ги тълкуват и прилагат.
Едно от най-важните, но все още доста трудно за разбиране е точното поведение на разцепения от стените флуид. Все пак, след петгодишни изследвания, екип от учени от Масачузетския технологичен институт San Diego State University и United Technologies разработват методология, която позволява на инженерите да определят точното местоположение и ъгълът на сепарация на потока в 2D и 3D при постоянни и променливи условия.
"Визуализация на постоянен или неустойчив поток може да се сравнява с гледането на статично изображение или на филм", отбелязва Mike Peery, президент на TecPlot, Inc в Белвю, WA. "Те изолират постоянните параметри от постоянно променливите при неустойчив поток."
В резултат на това развитие се стига до свеждане до минимум на триенето в автомобилите до оптимизиране на охлаждането на турбинните лопатки (виж "Ползите от турбината"), като същевременно всички индустрии се стремят към по-голяма енергийна ефективност и икономия на гориво.


Проблемът


Инженерите и учените вече били наясно със сепарирането на потока преди повече от 100 години. Започнала идентификация на това явление от Ludwig Prandtl. Преди Prandtl да открие граничния слой на флуидния поток около потопено тяло, учените не са били наясно с въздействието на вискозитета и триенето на твърди повърхности. Повечето анализи на потоците пренебрегват това явление, като по този начин се увеличава степента на неточност при изчисленията, а това пък допринася за предвиждане на триенето. Фигура 2 показва потока около цилиндър. 
 


Фигура 2: Теоретичен поток около цилиндър.


Имайте предвид, че движението на потока, включително неговата скорост, е симетрично около центъра на цилиндъра. Уравнението на Бернули показва, че при равни скорости, разпределението на налягането в предната част на цилиндъра трябва да е равно по големина и противоположно по посока на налягането в задната част. Теоретично, цилиндърът не трябва да спира поток от не вискозна течност! Jean le Rond d’Alembert идентифицира това несъответствие при експериментални резултати в средата на 18-ти век, но не успява да го обясни.
Теоретичния труд на Prandtl по отношение на граничните слоеве, публикуван през 1904 г., пояснява, че потокът около всяко твърдо тяло се състои от две отделни области - граничен слой и свободен поток. На повърхността на твърдото тяло скоростта е нула и се увеличава до скоростта на свободния поток на определено разстояние от повърхността. Преходната област наричаме граничен слой. Тъй като граничният слой е тънък, градиентата на скоростта е висока. Тази сила на триене не компенсира несъответствието, идентифицирано от d’Alembert.

Prandtl също установил, че сепарацията на флуидния поток е свързана с поведението на граничния слой. Голямото напречно напрежение (натиск) на граничния слой, при наличие на нарастващо налягане, предизвиква отделяне на граничния слой от повърхността и потичането му като свободен поток (виж Фиг.3). Когато потокът се отдели от тялото, временно постигнатия баланс на налягането се нарушава. Областта на високо налягане в предната част на твърдото тяло в потока, вече не се компенсира от обратното налягане в другия край на тялото.

 

 

Фигура 3. Реален поток около цилиндър със сепарация

 

Form drag обикновено е по-голямо от skin friction drag и нараства с увеличаването на скоростта на флуида. Следователно, минимизирането на диференциалното налягане чрез намаляване или премахване на областта на trailing face отвъд точката на сепарация на граничния поток, може да предизвика драматичен ефект върху ефективността на тялото, което се придвижва във флуида. Приложения: самолетите, автомобилите, лодките и дори топките за голф. 

 

Решението

 
Специалистите по аеродинамика, както и всеки инженер, се стремят към оптимизиране на триенето на даден продукт, традиционно разчитайки на аеродинамичния тунел, за да проучат взаимодействието между тялото и течността. Мястото, на което потока се отделя от тялото обикновено се характеризира като преход от ламинарен поток към турбулентен. Струята дим подчертава този преход чрез въртелив или разпръснат вихър. Въпреки наличието на вихър, е лесно забележимо дори за неопитно око, че определянето на местоположението на тялото, където потокът действително се разселя е изключително трудно, дори за специалисти.
В условията на постоянен поток, където входният поток е независим от времето или цикличен, напречното напрежение върху повърхността на тялото може да показва също мястото на разделение. Специално
оцветените зони на тялото в аеродинамичния тунел обозначават зоните на напречно напрежение, което показва разделянето на потока, но те не осигуряват обратна връзка за това, къде отива на течността, когато се разделя. Това е особено важно за разработването на приложения за охлаждане и смесване и не се отнася до по-общия случай на нестабилен поток. 
 


Фигура 4: Вече е възможно да се изчисли с достатъчна точност точното местонахождение на зоната на разделяне на потока и да се визуализира геометрията на навлизането му в свободния поток като 3D
изоповърхнини.


На практика от около 20 години инженерите използват компютри, за да предвидят флуидния поток, използвайки изчислителната динамика на флуидите (computational fluid dynamics - CFD). Това осигурява много предимства при тестването в аеродинамичния тунел, където тези променливи могат да бъдат контролирани и резултатите могат да се визуализират чрез много на брой графични средства. Нещо повече, тези резултати могат да бъдат анимирани, съхранени, повторени и проверени през свободното време инженера. Тази гъвкавост при визуализацията прави определянето на мястото на сепарация по-лесно, но както може да се види на Фигура 1, възпроизвеждането на резултатите при димния поток все още е неточно.
"Можете да видите формирането на тези вихри и всичко наоколо, което е много хубаво, но как инженерите да разберат това?" пита Peery.


The Breakthrough

 
Вече е възможно да се изчисли с достатъчна точност, местонахождението на зоната на сепарация на потока при определени условия и да се визуализира геометрично въвеждането му в свободния поток като 3D изоповърхнини. Професорите George Haller (MIT), Gustaaf Jacobs (San Diego State), Dr. Amit Surana (United Technologies) и техните екипи успели да се убедят в съществуването на това явление чрез 3D изоповърхнини и да представят реалния емпиричен резултат от разделянето с помощта на Tecplot 360      ( вж. Фигура 4).
  "Това е реална промяна в начина, по който възприемаме флуидите и ще намери отражение в много области на организацията на потока", казва Jacobs. "Докато триенето със сигурност е важно приложение, то подобряването на процесите на смесване също може да се окаже толкова важно”.

Ползата


Двигателите с газова турбина действително работят на температури над тази на топене на остриетата, което повишава ефективността. Инженерите използват техника, наречена филм за охлаждане, което предпазва остриета и те могат да работят в тази среда. За тази цел се правят малки отвори в острието, където сгъстен въздух създава охладен филм близо до повърхността, а това ги предпазва от разтопяване. Разделянето на граничния слой на потока, причинено от тези струи е един от ограничаващите фактори за това до каква максимална температура може да работи една газова турбина. Ако инженерите могат наистина да си обяснят разделянето на потока в отделните зони, мястото и профилът на отворите в остриетата, както и стойностите на охлаждане на въздуха могат да бъдат оптимизирани, което значително ще подобри на ефективността на двигателите.
Според Peery "Tecplot 360 помага на инженерите да разтълкуват и разберат детайлите при изчисляването по начини, които действително е задълбочен и се различава от това, което някой е мислил преди, поне като общи познания. С нарастващата изчислителна мощност, с която разполагат инженерите, изчисляването на подробни неустойчиви резултати е по-често срещано. Това създава необходимостта от тълкуване на данните по такъв начин, че да има смисъл."
Анализаторът Craig Jensen смята, че това помага за справяне с все по-големия проблем в автомобилната индустрия: "Индустрията трябва да се придвижва в посока към по-аеродинамични изследвания в областта на симулацията, но продължителните срокове и неспособността на инженерите да общуват помежду си, насърчава продължаването на физически тестове. Този инструмент за визуализация със сигурност може да помогне да паднат бариерите. Larry Rinek, бизнес консултант от Frost и Sullivan и известен авиационен историк, споделя. "Важно е потокът да бъде възможно най-далеч. Няколко инча могат да осигурят измеримо подобрение в разхода на гориво и емисиите на СО2." Larry посочва също, че сепарацията на потока е честа причина за нестабилността при самолетите.
Фактът, че тези изчисления се отнасят, както за устойчивите, така и за неустойчивите потоци, не бива да се пренебрегва. Предишната теория поддържаше само анализите при постоянен поток или при предвидими и повтарящи се условия. Определянето на средната изоповърхнина, представя сепарацията на потока при променливи условия. Jacobs бърза да отбележи, че работата, която наскоро е приключил неговия екип се гради върху значителното развитие на много други разработки в областта на динамиката на флуидите. "Работата ни е плод на усилията на стотици учени, които са работили по този проблем повече от един век", казва Jacobs.
Jacobs отдава голямо значение и на силата и гъвкавостта на Tecplot 360 при разработката на това нововъведение. Той е използвал Tecplot софтуер повече от 10 години и смята, че най-голямото му предимство е неговата лесна употреба и възможност за персонализация. "Структурата на файловете и макро функциите са особено полезни." Необходим компонент е визуализация, която не съществува при софтуерите до момента. Възможността за работа в рамките на съществуващите обработки или визуализации освобождава неговият екип да се съсредоточи върху науката, а не върху потребителския интерфейс.
Peery бърза да отбележи, че той и неговата компания оценяват високо възможността да предоставят технологии за визуализация за целите на това проучване, но фокусът трябва да са Haller, Jacobs, Surana и научните изследвания. "Нашето разбиране за сепарация на потока е просто голям скок напред."


Методиката използва уравненията за високите честоти на Navier-Stokes като основа на всички съвременни CFD изчисления. Решението изрично адресира поведението в граничния слой.
Според Jacobs, "По-нисшите методи, използвани от повечето търговски CFD кодове са ефективни при по-обобщени резултати за потока, но може да има проблеми с получаване на точни резултати в граничния слой. "Необходима е голяма прецизност за пълното разбиране на сепарацията. Jacobs предполага, че може би до няколко години и търговските приложения ще включват това изследване. Въпреки това, търсенето от страна на инженерната общност в крайна сметка ще накара водещите CFD доставчици по този и други начини да променят разбирането си за все по-сложните данни.