-
Notifications
You must be signed in to change notification settings - Fork 60
/
Copy pathmomp_lab05.Rmd
203 lines (117 loc) · 10.3 KB
/
momp_lab05.Rmd
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
---
title: Ustalony przepływ 2D przez dyszę zbieżno-rozbieżną
number: 0
course: Metody Obliczeniowe Mechaniki Płynów
material: Instrukcja 5
---
# Cel ćwiczenia
Symulacja przepływu turbulentnego ściśliwego (liczba Macha > 0.3) w dyszy zbieżno-rozbieżnej o przekroju kołowym, jak również zapoznanie z opcją dynamicznej adaptacji siatki.
# Streszczenie
W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić symulację ustaloqnego przepływu turbulentnego (model k-\(\omega\) SST) z wykorzystaniem solvera density based.
Obliczenia należy wykonać dla powietrza traktowanego jako gaz idealny, na stworzonej podczas zajęć siatce, z wykorzystaniem solvera density based, a następnie porównanie wyników przy użyciu solvera pressure based.
Wyniki ćwiczenia należy przedstawić prowadzącemu w formie sprawozdania.
# Przebieg ćwiczenia
## Geometria
Stwórz **powierzchnię** przedstawioną na rysunku 1.
## Siatka obliczeniowa
1. Nazwij warunki brzegowe zdognie z rysunkiem 2.
2. Nadaj podziały zgodnie z rysunkiem 2.
3. Zadając pionowe podziały, zastosuj opcję bias tak, aby siatka zagęszczała się w kierunku warunku brzegowego **wall**.
4. Do powierzchni *Powietrze* dodaj narzędzie **Mapped Meshing** (korzystałeś z niej w [Instrukcji I]( http://ccfd.github.io/courses/momp_lab01.html ) )
5. Manipuluj opcjami programu aby siatka wyglądała jak na rysunku 3.
<details><summary>Podgląd gotowej siatki</summary>
<p>
</p>
</details>
## Obliczenia w programie Fluent
### Przepływ poddźwiękowy
1. Ponieważ będziemy modelować, ze względu na osiową symetrię, tylko górną połówkę dyszy, ustaw w opcjach wyświetlania odpowiednią płaszczyznę symetrii aby zobaczyć dolną część domeny.
2. Zmień (dla wygody) jednostkę miary dla ciśnienia na atmosfery ( **Setup / General / Units...** lub w górnej belce programu **Physics / General... / Units...**).
3. Ustaw solver density based (**Setup / General**), który można używać dla przepływów ściśliwych, transonicznych, w których nie ma regionów o niskiej prędkości przepływu.
W przypadkach kiedy w dużym obszarze przepływu prędkość jest niska należy użyć solvera pressure-based (np. opływ profilu/samolotu)
4. Włącz odpowiedni **model turbulencji**.
5. Ponieważ w przepływie ściśliwym występuje znaczna zmiana temperatury ośrodka należy włączyć do rozwiązania **równanie energii** (włącza się automatycznie przy wyborze odpowiednich właściwości płynu).
6. Płynem, który będziemy symulować jest powietrze. Zmień gęstość płynu na **ideal-gas**.
5. Warunki brzegowe (dwukrotnie klikamy na **Boundary conditions** w **Setup** lub **Physics/Zones/Boundaries** w górnej belce programu.
a. W **Operating Conditions...** ustaw **Operting pressure (jednostka)** na 0 atm (ponieważ ustaliliśmy ciśnienie operacyjne na zero, ciśnienie w warunkach brzegowych będzie ciśnieniem absolutnym)
Sprawdź w *Fluent Users Guide* rozdział 8.14 lub w przewodniku po Fluencie co to jest operating pressure
b. Wlot (pressure inlet - używamy kiedy znane jest ciśnienie wlotowe a nieznane są prędkości i wydatki masowe na wlocie)
1. Gauge Total Pressure 0.9 [atm] (ciśnienie stagnacji)
2. Supersonic/Initial Gauge Pressure 0.7369 [atm] (wartość ciśnienia statycznego na wlocie w przypadku gdy przepływ stanie się lokalnie naddźwiękowy, również używane do policzenia początkowych wartości ciśnienia, temperatury i prędkości jeśli wlot zostanie wybrany do inicjalizowania przepływu)
3. Turb intensity 1.5%, viscosity ratio 10
c. Wylot (pressure outlet - w przypadku przepływu poddźwiękowego pozwala zdefiniować ciśnienie statyczne na wylocie z obszaru obliczeniowego)
1. gauge pressure 0.7369 [atm]
2. backflow turbulent intensity 1.5, viscosity ratio 10
6. **Solution / Methods** - we wszystkich polach pod dyskretyzacją ustawić równania 1go rzędu.
7. **Solution / Controls**
1. Ustaw liczbę Couranta na 50. Pisząc sprawozdanie, sprawdź czym jest liczba Couranta (jaka jest jej definicja).
2. W **Limits...**, ustawić minimalną temp. statyczną na 200 K, a maksymalną na 400 K (wprowadzając limity na rozwiązanie, zmniejszamy prawdopodobieństwo rozbiegnięcia się obliczeń w wyniku osiągnięcia nieprawdopodobnie dużych, bądź też małych wartości).
8. W celu monitorowania zbieżności rozwiązania, monitoruj różnicę strumienia masy na wylocie i wlocie z dyszy:
1. Otwórz **Solutions / Report Definitions **
2. Użyj opcji **New / Surface Report / Mass Flow Rate...**
3. W oknie tworzenia raportu **wpisz nazwę** oraz zaznacz **wlot i wylot Twojej domeny**
4. Zaakceptuj zmiany.
9. Wyłącz kryterium zbieżności reszt **Convergence Criterion = none** (**Solution / Monitors / Residual**).
Ta opcja pojawi się po zaznaczeniu **Show Advanced Options**.
10. W **Solution / Monitors** stwórz nowy raport za pomocą opcji **Report Plots**:
1. **New...**
2. Odpowiednio nazwij wykres
3. Zaznacz stworzony wcześniej raport i za pomocą opcji **Add>>** dodaj raport do wykresu.
4. W opcjach wykresu wybierz:
- nazwę która pojawi się na wykresie
- nazwę osi Y (zmiennej którą będziesz monitorował)
- okno w którym pojawi się wykres (tą opcję możesz pozostawić domyślną
5. Zaznacz opcję **Print to Console** abyś mógł dokładnie monitorować zbieżność.
11. Rozpocznij obliczenia i monitoruj zbieżność strumienia masy. Twoje zdefiniowane okno z wykresem wydatku masowego znajduje się w drugiej zakładce w oknie graficznym.
Śledź zbieżność na podstawie wyświetlanego wykresu wydatku masowego oraz wartości wydatku masowego w konsoli w dolnej części programu
Sprawdź w której kolumnie konsoli znajduje się zdefiniowana przez Ciebie zmienna.
Obliczenia możemy zakończyć gdy wydatek masowy zbiegnie się w okolicy zera. (Zmienna zacznie oscylować w granicy 1e-6)
12. Aby sczytać wartość różnicy strumieni masy na wlocie i wylocie przejdź do **Results / Reports / Fluxes** i zaznacz odpowiednie powierzchnie.
13. Sprawdź czy wyniki obliczeń mają sens bazując na intuicji inżynierskiej.
Stwórz wykresy ciśnienia w osi symetrii oraz w najwęższym miejscu kanału (zapisz je w formie obrazka oraz serii danych), kontury ciśnienia i liczby Macha, sprawdź czy w którymś miejscu zachodzi oderwanie (linie prądu / wektory), oraz czy zostaje przekroczona prędkość dźwięku – wykonać odpowiednie wizualizacje.
### Przepływ nadddźwiękowy
14. Przeprowadź symulację dla zwiększonego ciśnienia na wlocie do dyszy (gauge pressure = 1.1 atm). Teraz spodziewamy się wystąpienia przepływu lokalnie znacznie przekraczającego prędkość dźwięku.
### Solver pressure based
15. Przeprowadź symulacje z wykorzystaniem solvera pressure based (jak wcześniej dla dwóch różnych ciśnień wlotowych) i porównaj wyniki. W przypadku wykresów, najłatwiej będzie wskazać różnice, zestawiając wyniki dla obu przypadków w jednym oknie wykresu.
### Przepływ nadddźwiękowy - adaptacja siatki
Obliczenia wykonać dla przepływu z ciśnieniem wlotowym 1.1 atm, solverem density based, porównać wyniki z przypadkami: bez zagęszczenia siatki oraz dla solvera density based.
1. W celu dokładnego rozwiązania równań w miejscach dużych skoków wartości zmiennych włącz automatyczne zagęszczanie siatki (Górna belka programu **Domain / Adapt / Automatic...**) z opcjami:
Zanim to zrobisz musisz zainicjalizować rozwiązanie
1. Stworz warunek dla rozrzedzenia **Cell registers / New / Field Variable...**
- Nazwij warunek jako **Coarsen**
- Typ wybierz jaki **Cell less than**
- **Derivative Option** ustaw na **Gradient**
- Wpisz w polu **Cells having value less than** wartość **0.3**
- Wybierz ciśnienie statyczne w polu **Gradient of**
- w **Scaling Option** wybierz **Scale by Zone Average** (gradient będzie porównywany z lokalną średnią prędkością.)
- **Save**
Ten warunek będzie oznaczał komórki w których gradient ciśnienia statycznego znajdzie się poniżej 0.3.
2. Stworz warunek dla zagęszczenia **Cell registers / New / Field Variable...**
- Nazwij warunek jako **Refine**
- Typ wybierz jaki **Cell more than**
- **Derivative Option** ustaw na **Gradient**
- Wpisz w polu **Cells having value more than** wartość **0.7**
- Wybierz ciśnienie statyczne w polu **Gradient of**
- w **Scaling Option** wybierz **Scale by Zone Average** (gradient będzie porównywany z lokalną średnią prędkością.)
- **Save**
Ten warunek będzie oznaczał komórki w których gradient ciśnienia statycznego znajdzie się powyżej 0.7.
3. W polu **Frequency(Iteration)**, wpisz **Interwał** 100 iteracji (adaptacja siatki nastąpi raz co 100 kroków);
4. W polu **Refinement Criterion** wybierz Twój warunek **Refine**
5. W polu **Coarsening Criterion** wybierz Twój warunek **Coarsen**
6. Wejdź w opcję **General Adaption Controls** i w polu **Maximum Refinement Level** wpisujemy **2**.
7. Warto w tym miejscu zapisać przypadek obliczeniowy. Jeżeli fluent modyfikuje siatkę, skutki są nieodwracalne. Jeżeli po modyfikacji będzie niezadowalająca, trzeba będzie zaczynać od zera.
2. Rozpocznij obliczenia i monitoruj zbieżność strumienia masy.
3. Po dokładnie 100 iteracjach (tak wynika z ustawień z pkt. 1b) powinna nastąpić adaptacja siatki, w celu sprawdzenia czy wszystko działa poprawnie przerwij obliczenia po ~ 110 iteracjach.
Sprawdź jak wygląda siatka.
Jeśli można zauważyć miejsca zagęszczenia / rozrzedzenia oczek to znaczy, że ustawienia dotyczące dynamicznej adaptacji siatki są poprawne.
W przeciwnym przypadku powtórz ustawienia adaptacji, pkt. 1.
<details><summary>Podgląd gotowej siatki</summary>
<p>
</p>
</details>
4. Kontynuuj obliczenia. W przypadku adaptowanej siatki zbieżność wydatku masowego może już nie być taki gładki. Przerwij obliczenia w zadowalającym momencie.
5. Dokonaj analizy wyników.