Новая опция Injection Region для задания источников/стоков массы в ANSYS CFX R19.2

Зачем это нужно?

Во многих случаях, особенно на ранних этапах процесса проектирования, бывает нецелесообразно разрешать большое количество отверстий, на которых определяется источник или сток массы. Чаще всего большое количество источников массы необходимо задавать при расчете пленочного охлаждения лопатки турбины.

Моделирование охлаждаемой лопатки турбины.

 

Используя опцию Injection Region в CFX, вы можете создавать большое количество источников и стоков массы для моделирования отверстий через, которые, например, поступает холодный воздух.

Итак, давайте приступим непосредственно к рассмотрению настроек, которые необходимо задать для определения областей инжекции. Процесс задания настроек мы будем рассматривать на тестовой модели, которая представляет из себя обыкновенный канал квадратного сечения, на нижней стенке, которого будет определено три отверстия через, которые поступает горячий воздух. В случае использования опции Injection Region отверстия явно прорисовываться не будут.

Явное задание ГУ inlet на нижних отверстиях (рисунок слева) и задание массового расхода с использованием опции Injection Region (рисунок справа).

 

Как видно на верхнем правом рисунке области инжекции (вдува) обозначаются фиолетовыми кубиками. В конце статьи мы сравним результаты, полученные с использованием двух разных подходов. Для того, чтобы создать области инжекции необходимо в главном меню выбрать Insert > Injection Region или нажать на кнопку Injection Region в верхней панели инструментов . Далее в появившейся панели вводите имя и нажимаете OK. После этого перед вами появится панель задач Injection Region, в которой имеется две вкладки: Basic Settings и Injection Details.

Панель задач Injection Region.

 

Рассмотрим для начала вкладку Basic Settings. Первое, что предлагается определить это тип области (Region Type). Здесь имеется два варианта: источник массы (inlet) или сток (outlet). Так как мы в данной задаче моделируем вдув потока, то соответственно выбираем Inlet. Далее в разделе Injection Location Type необходимо определить будет ли происходит инжекция в объеме (Domain) или на поверхности (Selected 2D Regions). В нашем случае это последняя опция. В Location из выпадающего списка мы выбираем поверхность, на которой будут задаваться источники массы. Так как в нашем случае это нижняя стенка, то мы выбираем границу с названием wall_down.

После этого нам необходимо определить пользовательский профиль, в котором координаты задают положение областей инжекции. Соответственно возникает вопрос, как нам создать данный профиль? Это делается довольно просто. Необходимо зайти в CFD-Post и загрузить, например, файл в формате .cfx. Файл с результатами загружать не обязательно, так как нам всего лишь нужно получить координаты точек, в которых будет происходить инжекция. Далее создадим три точки через Location > Point. В открывшейся панели Details of Point 1 в вкладке Geometry указываете координаты первой точки и нажимаете Apply, аналогичные действия повторяете для остальных точек. В конечном итоге у вас должно появиться три поинта, как показано на нижнем рисунке.

Создание точек в CFD-Post.

 

Чтобы экспортировать профиль из CFD-Post необходимо зайти в File > Export, далее в открывшемся окне в Type выбираем из выпадающего списка BC Profile, в Location выбираем ранее созданные точки и в Profile Type выбираем Custom. В разделе Spatial Fields можно выбрать любую переменную, так как в последствии мы заменим её вручную на диаметр отверстия.

Экспорт профиля из CFD-Post.

 

Профиль представляет из себя обычный текстовый файл с расширением .csv, который нам необходимо в дальнейшем отредактировать.

Начальный файл профиля.

 

Согласно документации (CFX-Pre User’s Guide > 18. Injection Regions > 18.3. User Functions for Injection Regions) файл профиля должен выглядеть следующим образом:

Отредактированный файл профиля.

 

В данном файле мы изменили переменную Length на Diameter, которая соответственно задает диаметр, каждого отверстия. Обратите внимание на то, что файл должен содержать как минимум три строки в разделе [Data], т.е. должно быть определено хотя бы три области инжекции! Кроме того, в данном файле может содержаться раздел [Parameters], в котором могут быть определены переменные, значения которых будут являться постоянными для всех областей инжекции. Более подробно о разделе [Parameters] вы можете прочитать в документации: CFX-Pre User’s Guide > 18. Injection Regions > 18.3. User Functions for Injection Regions. Хочу обратить внимание на то, что вы можете самостоятельно задавать координаты областей инжекции, не используя при этом CFD-Post вообще. Для этого достаточно только следовать общей структуре файла, которая представлена в разделе документации упомянутом ранее.

После создания профиля областей инжекции его необходимо загрузить в CFX-Pre. Для этого в верхнем меню выбираем Tools > Initialize Profile Data, далее выбираете файл с профилем, подключаете видимость областей инжекции (Visibility) и нажимаете ОК.

Инициализация профиля с точками инжекции.

 

После инициализации профиля он автоматически подставится в Profile Name в вкладке Basic Settings. Далее вам необходимо нажать на кнопку Generate Values для того, чтобы диаметры отверстий, определенные в профиле, подгрузились в вкладке Injection Details в поле Diameter.

Вкладка Injection Details панели Injection Region.  

 

Кроме того, вы можете выбрать систему координат в разделе Coordinate Frame относительно, которой будет происходить инжекция потока.

В итоге после задания всех настроек вкладка Basic Settings должна выглядеть следующим образом:

Вкладка Basic Settings c заданными настройками.

 

Далее переходим к настройкам, которые располагаются в вкладке Injection Details. В поле Mass Flow Rate задаем массовый расход через каждое отверстие (Per Injection Position). В разделе Flow Direction определяем направление течения. В данном случае поток будет протекать по нормали к поверхности поэтому в Y Component необходимо поставить 1. Значение турбулентности оставляем по умолчанию и в поле Static Temperature указываем 70 С. После задания всех настроек вкладка Injection Details должна выглядеть следующим образом:

Вкладка Injection Details.

 

После определения областей инжекции необходимо задать граничные условия на входной и выходной границе канала. На входе была задана скорость = 1 м/с и температура = 20 С. На выходе атмосферное давление. В качестве модели турбулентно сти была выбрана модель к-e.

После всех этих манипуляций запускаем расчет и добиваемся сходимости. Затем переходим к этапу пост-обработки.

Как можно видеть на нижних рисунках результаты расчетов довольно хорошо согласуются друг с другом.

Поле температуры. Слева задавалось ГУ inlet на нижних отверстиях, справа injection regions. В нижней части представлен разностный график.

 

Конечно, так как это только демонстрационный пример, то сетка на модели является достаточно грубой и отверстия в случае использования опции injection regions имеют форму отличную от окружности, но несмотря на это, качественно поля совпадают.

Таким образом новая опция injection regions может успешно использоваться для разрешения большого количества отверстий, но которых определяется источник или сток массы.

Демонстрационная модель канала приложена к статье (проект сохранен в версии 19.2).

Дополнительная информация по новой опции injection region содержится в документации: CFX > CFX-Pre User's Guide > 18. Injection Regions

А про какую модель или тему вы бы хотели увидеть следующую статью?