Определение гидродинамических характеристик подводного объекта с помощью системы Flow Simulation

Определение гидродинамических характеристик по теоретическим формулам затруднительно, а иногда просто невозможно. В связи с этим прибегают к эксперименту.

Если соблюдены условия динамического подобия потоков жидкости, обтекающих геометрически подобные тела, то безразмерные коэффициенты для таких тел тоже будут одинаковыми. В связи с этим эксперимент производят с моделями торпед, геометрически подобными натурному объекту. По силам и моментам, действующим на модель, определяют гидродинамические силы и моменты, приложенные к торпеде при ее движении в жидкости.

Модельные испытания по определению безразмерных коэффициентов осуществляются в аэродинамических трубах либо гидроканалах. Модель торпеды подвешивается в аэродинамической трубе на специальной подвеске и обдувается потоком воздуха. Возникающие при этом силы аэродинамические силы замеряются на аэродинамических весах. При испытаниях в гидроканале полностью погруженная под воду модель торпеды буксируется специальной тележкой. Сначала определяются позиционные силы, затем вращательные производные.

Единственный, но существенный в современных условиях, недостаток таких исследований — их высокая стоимость, которая обычно учитывается в конечной стоимости продукции, и время, необходимое для подготовки и проведения таких исследований. Это существенно снижает конкурентоспособность разрабатываемой техники, которая оказывается не только слишком дорогой, но и имеет характеристики, катастрофически отстающие от развивающихся требований рынка. А любые попытки снизить эти финансовые и временные затраты за счет сокращения объема таких исследований (в современных условиях при существенно ослабленном государственном контроле за качеством продукции это происходит почти повсеместно) обычно также приводят к потере конкурентоспособности продукции — теперь уже из-за снижения ее качества.

Поэтому оптимальный, а во многих случаях и единственный, путь это проведение виртуального эксперимента с использованием ЭВМ. Что сократит и время на подготовку данного эксперимента и финансовые ресурсы.

Для проведения подобного эксперимента нами был выбран пакет SolidWorks+Flow Simulation. Ранее была произведена разработка облика ПА. Для перехода непосредственно к эксперименту необходимо его подготовить. А именно создать проект Flow Simulation, задать начальные условия, выбрать тип задачи, систему единиц, поставить цели, выбрать расчетную сетку, и т. д.

Для того чтобы запустить Flow Simulation, необходимо выполнить следующее:

· Активизировать команду в меню Инструменты | Добавления.

· На экране открыть диалоговое окно Добавления (рис).

· Поставить флажок в строке Solidworks Flow Simulation

Рис. 20 - Активация интегрированного пакета Flow Simulation

Из перечисленных выше вариантов создания проекта мы выбираем с помощью Мастера проекта. Поскольку использование Мастера проекта является наиболее наглядным путем создания проекта.

Мастер проекта позволяет создать проект, шаг за шагом двигаясь от одного типа данных базовой части проекта к другому. Для вызова Мастера проекта из меню Flow Simulation выберите Project | Wizard (Проект | Мастер).

Шаг 1 — Project Name (Имя проекта)

Задание исходных данных для нового проекта с помощью Мастера проекта начинается с определения конфигурации модели, к которой этот проект будет присоединен. Можно либо использовать текущую конфигурацию, либо создать копию текущей конфигурации с новым именем:

· Create new (Создать новую) — создает копию текущей конфигурации с именем, заданным в поле Configuration name (Имя конфигурации), и присоединяет к ней проект Flow Simulation;

· Use current (Использовать текущую) — присоединяет проект к текущей конфигурации модели;

· Comments (Комментарии)— в комментариях может быть задана любая справочная информация. После создания проекта комментарии могут быть просмотрены и, при желании, отредактированы в окне Comment (Комментарий), вызываемом из меню Project | Edit Comment (Проект | Изменить комментарий).

Шаг 2 — Unit system (Система единиц)

На этом этапе выбирается наиболее удобная система единиц измерения для ввода и вывода числовых данных.

Выбранная система единиц никак не влияет на основную систему единиц SolidWorks, используемую для создания детали.

Чтобы не выходить преждевременно из Мастера проектов, желательно заранее, до начала создания проекта, посмотреть базу данных Unit (Система единиц) и в случае необходимости сформировать в ней удобную для вас систему единиц. Чтобы попасть в базу данных Unit, в меню FloWorks выберите Tools | Engineering Database (Инструменты | Инженерная база данных). Подробную информацию об инженерной базе данных см. в разделе «Инженерная база данных» этой главы.

Если не определены пользовательские системы единиц измерения, то выбор осуществляется среди следующих заданных систем:

· CGS (СГС) — сантиметр-грамм-секунда;

· FPS — фут-фунт-секунда;

· IPS — дюйм-фунт-секунда;

· NMM (НМКС) — Ньютон-миллиметр-килограмм-секунда;

· SI (СИ)— Международная система единиц (Ньютон-метр-килограмм-секунда);

· USA — фут-фунт-секунда (давление в pound/inch2 (фунт-сила/дюйм2), т. е. psi, объемный расход в foot3/min (фут3/мин), т. е. CFM).

После того как базовая часть проекта создана, изменить выбранную систему единиц можно в диалоговом окне Unit Settings (Установки системы единиц).

Шаг 3 — Analysis Type (Тип задачи)

На этом этапе определяется тип задачи (внешняя или внутренняя), указывается, нужно ли исключать полости из расчета, а также определяется ось, используемая для задания значений в цилиндрической или сферической системе координат, физические особенности задачи (physical features).

В этом же окне учитываются физические особенности задачи:

· Heat transfer in solids (Теплопередача в твердых телах) — учитывает теплопередачу в твердых телах;

· Radiation (Радиационный теплообмен) — учитывает радиационный теплообмен при решении задачи сопряженного теплообмена, т. е. при включенной опции Heat transfer in solids (Теплопередача в твердых телах);

· Time dependent (Нестационарность) — необходимо выбрать эту опцию, если рассматривается нестационарная задача. Для задания интервала физического времени задачи щелкните Time Settings (Установки времени) и задайте значение времени в поле Total analysis time (Длительность процесса). Кроме того, в поле Output time moments (Моменты выдачи результатов) отметьте моменты времени (от начала рассматриваемого интервала физического времени задачи) сохранения результатов решения нестационарной задачи или в поле Output time step (Временной шаг выдачи) — интервал сохранения результатов. После прохождения Мастера проектов установки времени могут быть изменены в окне Calculation Control Options (Опции управления расчетом);

· Gravity (Гравитационные эффекты)— выберите эту опцию, если необходимо учитывать в задаче гравитационные эффекты (например, при расчете свободной конвекции). Щелкните Gravitational Settings (Гравитационные данные) и задайте компоненты X, Y, Z вектора гравитационного ускорения. Если решается нестационарная задача, то вектор гравитационного ускорения можно также задать зависящим от времени. Если в вашем проекте рассматриваются жидкости, то проверьте наличие в инженерной базе данных зависимости их плотности от температуры.

· Rotation (Вращающаяся система координат)

Если в задаче какое-нибудь твердое тело вращается, то течение в такой задаче можно рассчитать в системе координат, вращающейся вместе с этим телом, т. е. неподвижной относительно него. При этом неподвижные части модели должны быть осесимметричны относительно оси вращения системы координат. Неподвижная (в абсолютной системе координат) поверхность стенки задается с помощью граничного условия Stator (Статор) на вкладке Moving walls (Вращающиеся стенки) диалогового окна Boundary Conditions (Граничные условия).

Если задается вращающаяся система координат, то по умолчанию предполагается, что все стенки модели вращаются со скоростью вращения этой системы координат, т. е. неподвижны относительно нее. При этом учитываются соответствующие кориолисовы и центробежные силы.

Шаг 4 —Default Fluid (Текучая среда)

На этом шаге задается тип текучей среды (fluid type), а также задаются текучие вещества (fluids), чье течение будет рассчитываться в данном проекте. В Flow Simulation возможен анализ одного из следующих типов текучей среды:

· Liquid (ньютоновская несжимаемая жидкость);

· Non-Newtonian liquid (неньютоновская жидкость);

· Compressible liquid (сжимаемая жидкость);

· Gas (газ).

В случае многокомпонентной среды тип среды относится ко всем ее компонентам.

В списке присутствуют жидкости или газы (в зависимости от выбранного типа текучей среды), определенные в Flow Simulation. В проекте могут использоваться до 10-ти текучих веществ.

Для задания текучих веществ проекта дважды щелкните на нужном вам веществе в списке или перетащите материалы из этого списка в список Selected fluids (Текучие вещества проекта).

Здесь выбираем Liquids – Water.

Шаг 5 – Wall conditions (Условие на стенках)

Здесь задается шероховатость стенки (Roughness), которая по умолчанию будет использоваться для всех стенок модели, находящихся в контакте с текучей средой, за исключением тех стенок, чья шероховатость задана в граничном условии Real Wall (Реальная стенка) в диалоговом окне Boundary Condition (Граничное условие), а так же Default Wall Conditions (Тепловое условие на стенках по умолчанию).

Если в проекте не решается сопряженная задача теплообмена (т. е. опция Heat transfer in solids (Теплопередача в твердых телах) не выбрана), то на соприкасающихся с текучей средой стенках модели необходимо задать одно из следующих тепловых условий, которые будут использоваться в проекте для всех стенок модели по умолчанию:

· Adiabatic wall (Адиабатическая стенка) — т. е. теплоизолированная стенка. По умолчанию на всех стенках задается прилипание потока, т. е. рассматривается трение потока на стенке. Если вы хотите задать стенку не только теплоизолированной, но и не оказывающей сопротивления трения потоку, то в диалоговом окне Boundary Condition (Граничное условие) на этой стенке надо задать граничное условие Ideal Wall (Идеальная стенка);

· Wall temperature (Температура стенки) — задает температуру стенок;

· Heat flux (Удельный тепловой поток) — поток тепла через единицу площади поверхности в единицу времени. Положительные значения соответствуют потоку тепла от стенки к текучей среде, отрицательные значения — потоку тепла от текучей среды к стенке;

· Heat transfer rate (Тепловая мощность) — поток тепла через всю выделенную поверхность в единицу времени. Положительные значения соответствуют потоку тепла от стенки к текучей среде, отрицательные значения — потоку тепла от текучей среды к стенке.

Величина шероховатости определяется через высоты неровностей (выступов и впадин) шероховатой поверхности, случайным образом распределенных по этой поверхности, и представляет собой используемую в инженерной практике величину Rz. Величина шероховатости может быть задана в микронах (микрометрах), микродюймах, или в производных единицах измерения (custom units).

Шаг 6 – Initial conditions (Начальные условия)

Под заданием Initial and Ambient Conditions (Начальных условий) подразумевается задание значений термодинамических параметров текучей среды (давление, температура, плотность), скорости потока, параметров турбулентности, концентраций веществ (если текучая среда состоит из нескольких веществ), а также значения начальной температуры твердых веществ.

В зависимости от типа задачи, заданные параметры имеют разный смысл:

· если вы решаете стационарную внутреннюю (internal) задачу, то задание параметров в этом окне означает задание начальных условий в расчетной области. Если вы хотите решить такую задачу за более короткое время, то задайте Initial Conditions, т. е. начальные значения независимых параметров задачи, как можно ближе к предполагаемому решению по сравнению с задаваемыми по умолчанию;

· если вы решаете стационарную внешнюю (external) задачу, то задание параметров в этом окне означает задание начальных условий в расчетной области и граничных условий на ее границах. Задаваемые термодинамические параметры и скорость набегающего (т. е. внешнего) невозмущенного потока характеризуют начальное состояние обтекающей тело среды;

· если вы решаете нестационарную (time-dependent) задачу, то, в общем случае, необходимо задать точное начальное состояние среды за исключением тех случаев, когда задача имеет установившееся периодическое решение (например, в случае задания периодических граничных условий), которое не зависит от начальных условий и, следовательно, может быть получено при любых начальных условиях, несмотря на то, что может быть потребуется больше времени для исключения их влияния.

Начальные (внешние) условия могут быть заданы постоянными или переменными в пространстве и времени. Можно также использовать результаты других расчетов в качестве начальных (внешних) условий.

На этом шаге в поле Velocity in X direction устанавливаем значение скорости нашей торпеды. Для задания углов атаки и дрейфа используем поля Velocity in Y direction, Velocity in Z direction.

Шаг 7 — Result and Geometry Resolution (Уровень решения и разрешения геометрии)

На этом шаге задаются параметры, влияющие на расчетную сетку и критерии завершения расчета, а значит, и на точность решения задачи. Очевидно, что чем мельче расчетная сетка, тем точнее моделируется задача, и тем ближе ее дискретное решение к реальному непрерывному распределению. Второй составляющей, определяющей точность решения, является величина критериев сходимости, по достижении которых задача считается сошедшейся. При этом более жесткие критерии и более мелкая расчетная сетка, очевидно, требуют большей оперативной памяти и процессорного времени. Поэтому задание параметров, влияющих на расчетную сетку и критерии сходимости, — это всегда компромисс между желаемой точностью и имеющимися ресурсами компьютера.

· Result Resolution (Уровень решения) — влияет на уровень начальной сетки и критерии сходимости задачи. Можно выбрать любой из восьми предлагаемых уровней решения задачи. Первый уровень позволяет получить решение очень быстро, но оно будет иметь самую низкую точность. Восьмой уровень позволяет получить наиболее точное решение, но для этого потребуется много оперативной памяти и процессорного времени. Чем выше требуемая точность решения, тем более высокий Result Resolution (Уровень решения) должен быть установлен. Очевидно, что для каждой конкретной задачи достаточным будет тот Result Resolution (Уровень решения), превышение которого не приводит к заметному изменению результатов.

· Gap Size (Зазор)— задав величину Minimum gap size (Минимальный зазор), вы определяете минимальный размер проходного сечения задачи, который будет разрешен расчетной сеткой. Фактически, заданная величина минимального зазора используется Flow Simulation при построении расчетной сетки и непосредственно влияет на размер наименьшей ячейки, такой, чтобы в любом зазоре оказалось не менее двух ячеек поперек зазора. Автоматически определяемый минимальный зазор зависит от размеров модели и расчетной области, а также от размеров отверстий и тел, на которых заданы начальные и граничные условия. Если модель имеет проходное сечение, минимальные размеры которого меньше заданного или автоматически определенного минимального размера проходного сечения, то эти проходные сечения могут оказаться (и, скорее всего, будут) неразрешенными, т. е. при расчете будут иметь другие размеры (меньшие или большие). Чтобы вручную задать минимальный зазор, отметьте Manual specifications of the minimum gap size (Минимальный зазор задается пользователем) и введите нужное значение в поле Minimum gap size (Минимальный зазор). Можно связать величину минимального зазора (Minimum gap size) с не которым размером модели, т. е. приравнять зазор этому размеру. В результате при изменении этого размера будет автоматически изменяться величина минимального зазора. Чтобы установить такую связь, отметьте опцию Minimum gap size refers to the feature dimension (Связать минимальный зазор с выбранным размером модели) и выберите соответствующий размер в графическом окне.

· Wall Thickness (Толщина стенки) — если модель имеет омываемые текучей средой с обеих сторон стенки или выпирающие в поток уступы, чья толщина меньше Minimum wall thickness (Минимальной толщины стенки) или Minimum gap size (Минимального размера проходного сечения), то эти особенности модели могут оказаться (и, скорее всего, будут) неразрешенными, т. е. при расчете будут заменены текучей средой. Чтобы вручную задать минимальную толщину стенки, отметьте Manual specifications of the minimum wall thickness (Задание минимальной толщины стенки вручную) и введите нужное значение в поле Minimum wall thickness (Минимальная толщина стенки). Можно связать величину минимальной толщины стенки (Minimum wall thickness) с некоторым размером модели, т. е. приравнять толщину этому размеру. В результате при изменении этого размера будет автоматически изменяться величина минимальной толщины стенки. Чтобы установить такую связь, отметьте опцию Minimum wall thickness refers to the feature dimension (Связать минимальную толщину стенки с выбранным размером модели) и выберите соответствующий размер в графическом окне.

· Advanced narrow channel refinement (Дробление сетки в узких каналах) — если эта опция выбрана, то Flow Simulation сильнее обычного мельчит сетку в узких каналах для обеспечения более высокой точности расчета течения и теплообмена в этих каналах. Необходимо иметь в виду, что это может привести к значительному увеличению числа ячеек расчетной сетки.На этом этапе устанавливаем положение движка Result Resolution (Уровень решения) в положение 5.

Дата добавления: 2015-10-29