СОДЕРЖАНИЕ
Введение
0.1. Что такое CFD? История этого дела.
0.2. Современное состояние вопроса в мире и в России.
0.3. Пакет sigmaFlow. Цели и задачи.
1. Основные уравнения
1.1. Уравнение для ламинарного режима (Навье-Стокс).
1.2. Уравнение для турбулентного режима (Рейнольдса).
1.3. Уравнение энергии
1.4. Уравнение переноса компонент среды
1.5. Термодинамические свойства среды
2. Модели турбулентности
2.1. k-epsilon и ее модификации.
2.2. k-omega и ее модификации.
2.3. Пристеночные функции (моделирование пристеночной области, «законы стенки»).
3. Дискретизация
3.1. Сетки
3.2. Метод контрольного объема (на примере обобщенного уравнения переноса)
3.2.1. Дискретизация обобщенного уравнения в декартовой системе координат
3.2.1.1 Аппроксимация диффузионного потока.
3.2.2.2 Схемы аппроксимации конвективного потока.
3.4. Алгоритм решения. Связь полей скорости и давления (SIMPLE, нижняя релаксация).
4. Граничные условия.
4.1. Вход.
4.2. Выход.
4.3. Симметрия (скольжение).
4.4.Твердая стенка.
4.4.1. Теплоотдача на стенках.
5. Методы решения систем линейных алгебраических уравнений
5. Дополнительные процессы.
5.1. Радиационный перенос энергии.
5.2. Химическое реагирование и горение.
5.2.1. Образование вредных примесей (NOX).
5.3. Дисперсная фаза.
5.4. Плавление и кристаллизация.
5.5. Кавитация.
5.6. Свободная поверхность.
5.7. Пористая среда.
5.8. Сжимаемость.
6. Примеры и тесты
6.1. Ламинарное течение жидкости в плоской каверне.
6.2. Ламинарное двумерное течение жидкости за обратным уступом.
6.3. Ламинарное течение жидкости в гибе квадратного сечения.
6.4. Ламинарное обтекание цилиндра.
6.5. Ламинарное течение жидкости в тройнике.
6.6. Свободная конвекция в пространстве между двумя коаксиальными цилиндрами.
6.7. Свободная конвекция и радиационный теплообмен в квадратной полости.
6.8. Турбулентная свободная конвекция в вытянутой каверне.
6.9. Турбулентный теплообмен в расширяющемся канале.
Список используемых источников
Методы вычислительной гидродинамики (CFD) находят все более широкое применение для изучения характеристик течений при проведении, как академических исследований, так и при оптимизации режимов работы технологических устройств.
На данный момент в мире существует ряд универсальных прикладных программных продуктов (таких как «Fluent», «CFX», «STAR-CD», и др.), позволяющих проводить моделирование широкого класса физических процессов в научных и инженерных областях. Эти дорогостоящие высокоинтеллектуальные CFD пакеты программ сопровождаются хорошим сервисным обеспечением: курсы по получению навыков работы с программами, лекции по физико-математическим моделям реализованных в них, документация, большое количество примеров, система консультаций, конференции пользователей, рекламные журналы и пр.
Однако для освоения инструментария и тестирования, необходимых пользователю подпрограмм требуется от 1 до 2 лет работы с продуктом. Сдерживающим фактором для широкого распространения этих CFD кодов так же является отсутствие доступных учебных версий программ и неподготовленность инженерного персонала. Стоимость единичной инсталляции таких пакетов составляет порядка 40000$.
В последнее время начали активно развиваться и отечественные специализированные пакеты такие как «GDT» ,«VP2/3», «FlowVision», использующиеся для расчета гидродинамики и теплообмена в ряде прикладных задач.
Авторами работы разработан универсальный учебный пакет программ “sFlow”, предназначенный, для компьютерного моделирования процессов гидродинамики и тепломассообмена, с помощью которого были проведены расчеты по исследованию систем газоочистки, вентиляции, сжигания топлива и т. д. для различных промышленных объектов металлургии и энергетики. С помощью пакета проводятся исследовательские и оптимизационные расчеты большого числа технологических объектов металлургии и энергетики. Приведенные примеры демонстрируют возможность с помощью численного моделирования анализировать различные технологические объекты: получать картину протекающих физико-химических процессов, выявлять особенности конструкции, оказывающие существенное влияние на функционирование системы, и проводить поиск оптимальных режимов их работы. В настоящее время коллективом разработчиков программы “sFlow” накоплен большой опыт расчета задач «реальных» пространственных течений. Различные версии программы используются в ряде исследовательских институтов, промышленных предприятий.
Пакет “sFlow” уже несколько лет используется для обучения основам CFD студентов и аспирантов кафедры теплофизики Красноярского государственного технического университета. Учитывая накопленный педагогический опыт авторами была выпущена учебная версия программы “sFlow”, которая является усеченной версией коммерческого пакета. Учебная версия специально разработана для обучения основным навыкам работы с современными CFD программами и проведения квалифицированного моделирования течений. Она позволяет проводить расчетные исследования пространственных ламинарных и турбулентных неизотермических многокомпонентных потоков. Программа содержит основные структурные элементы “тяжелых” пакетов. Это программы для: построения геометрии и расчетной сетки; формирования краевых условий задачи, выбора физических моделей и настройки решателя; расчета и мониторинга сходимости задачи; анализа результатов моделирования. Элементы программы объединены интерфейсной средой с использованием библиотеки пространственной визуализации OpenGL.
Учебная версия программы сопровождается методическим материалом, включающим в себя описание физико-математических моделей, методы и алгоритмы, реализованные в программе, инструкции по работе с графическим интерфейсом, построению геометрии и расчетной сетки.
Пакет программ “sFlow” позволяет моделировать: стационарные и нестационарные, ламинарные и турбулентные течения, несжимаемых газов, одно и многокомпонентных неизотермических запыленных сред с химическими реакциями и сложным теплообменом.
· Программы для построения геометрии исследуемой области и расчетной сетки.
· Программы для визуального анализа построенных сеток.
· Программы для анализа результатов расчета:
визуализации полей скорости (вектора), скалярных полей (линейная графика, изолинии, изоповерхности, воксельная графика и т.д.), визуализации частицами и треками.
· Программа мониторинга сходимости расчета.
· Расчетное ядро комплекса.
В пакете “sFlow” реализованы следующие физико-химические модели:
движение жидкости и газа –
· модель Навье-Стокса для ламинарных течений,
· модификации k-e и k-w моделей для турбулентных течений;
радиационный теплообмен -
· P1 приближение,
· метод Монте-Карло;
сопряженный теплообмен -
· в системе с неподвижными границами,
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.