Анализ и моделирование течений жидкостей и газов c использованием комплекса ANSYS CFX Описание архитектуры и процесса решения типовых задач посредством пакета ANSYS CFX

2 Обзор цикла проектирования и анализа Создание геометрической модели (CAD) Теоретический анализ, определение режима течения Построение расчетной сетки (ANSYS CFX Mesh или ANSYS ICEM CFD) Гидро-, газодинамический расчет и анализ (CFX) Гидро-, газодинамический расчет и анализ (CFX) Оптимизация

3 Архитектура комплекса ANSYS CFX CFX-Pre (Препроцессор физики) CFX-Post (Постпроцессор) CFX-Solver (Решатель) CFX-Solver Manager (Менеджер задач) ANSYS CFX Mesh ANSYS ICEM CFD (Генерация сетки) CAD (Создание геометрии)

Комплекс ANSYS CFX 4 1. ANSYS CFX-Pre – приложение, в котором реализован процесс определения физики поставленной задачи. 2. ANSYS CFX-Solver – приложение, реализующее процесс решения задачи вычислительной гидродинамики. 3. ANSYS CFX-Post – это программа, предназначенная для анализа, визуализации и представления результатов, полученных в ходе решения задачи посредством ANSYS CFX Solver.

5 Архитектура комплекса ANSYS CFX CFX-Pre (Препроцессор физики) CFX-Post (Постпроцессор) CFX-Solver (Решатель) CFX-Solver Manager (Менеджер задач) CAD (Создание геометрии) ANSYS CFX Mesh ANSYS ICEM CFD (Генерация сетки)

6 CAD Система автоматизации проектных работ (САПР) или CAD (англ. Computer-Aided Design) программный пакет, предназначенный для создания чертежей, конструкторской и/или технологической документации и/или 3D моделей. В современных системах проектирования CAD получает данные из систем твёрдотельного моделирования CAE (Computer-aided engineering), и передаёт в CAM (Computer-aided manufacturing) для подготовки производства (например генерации программ обработки деталей для станков с ЧПУ или ГАПС (Гибких Автоматизимрованных Производственных Систем)).

7 CAD В ANSYS CFX могут импортироваться геометрические данные из CAD: Solid Works (машиностроение); Solid Edge (2D/3D CAD-система); Catia [V5] (аэрокосмическая промышленность); BladeGen (лопаточные устройства турбомашин); ACIS (3D CAD-система); Parasolid и другие.

8 Архитектура комплекса ANSYS CFX CFX-Pre (Препроцессор физики) CFX-Post (Постпроцессор) CFX-Solver (Решатель) CFX-Solver Manager (Менеджер задач) CAD (Создание геометрии) ANSYS CFX Mesh ANSYS ICEM CFD (Генерация сетки)

9 CFX Mesh CFX Mesh – приложение генерации сеток. На данном этапе происходит следующее: определение геометрии области исследования; создание областей потоков жидкостей или газов, твердых областей и задание имен граничным областям; установка параметров сетки.

ANSYS ICEM CFD ANSYS ICEM CFD - Комплексное решение для задач генерации расчетных сеток любых типов, от структурированной многоблочной до неструктурированной гекса- или тетраэдрической или гибридной. ICEM CFD Tetra - полностью автоматический генератор неструктурированных объемных тетраэдрических сеток. ICEM CFD HEXA - создание гексаэдрической сетки в полуавтоматическом режиме на основе любой геометрии. 10

11 Архитектура комплекса ANSYS CFX CFX-Pre (Препроцессор физики) CFX-Post (Постпроцессор) CFX-Solver (Решатель) CFX-Solver Manager (Менеджер задач) CAD (Создание геометрии) ANSYS CFX Mesh ANSYS ICEM CFD (Генерация сетки)

12 ANSYS CFX-Pre Физический препроцессор ANSYS CFX-Pre импортирует сетку, созданную генераторами сеток: CFX Mesh; ICEM CFD; ANSYS; ANSYS Meshing; FLUENT; Nastran и другие.

13 ANSYS CFX-Pre ANSYS CFX-Pre реализует процесс определения физики задачи: физической модели; ее параметров и характеристик; граничные условия (входные, выходные); модель теплообмена.

14 Архитектура комплекса ANSYS CFX CFX-Pre (Препроцессор физики) CFX-Post (Постпроцессор) CFX-Solver (Решатель) CFX-Solver Manager (Менеджер задач) CAD (Создание геометрии) ANSYS CFX Mesh ANSYS ICEM CFD (Генерация сетки)

15 ANSYS CFX-Solver Решатель ANSYS CFX - Solver импортирует задачу, поставленную посредством ANSYS CFX-Pre.

16 ANSYS CFX-Solver ANSYS CFX - Solver реализует процесс решения задачи вычислительной гидро- или газодинамики, т.е. производит поиск решения всех требуемых переменных: уравнения в частных производных интегрируются по всему объему задачи в области исследования, соответствует применению закона сохранения (масс или момента) к каждой исследуемой области; полученные интегральные уравнения преобразуются в систему алгебраических уравнений путем аппроксимирования членов в интегральных уравнениях; алгебраические уравнения решаются численным методом.

17 Архитектура комплекса ANSYS CFX CFX-Pre (Препроцессор физики) CFX-Post (Постпроцессор) CFX-Solver (Решатель) CFX-Solver Manager (Менеджер задач) CAD (Создание геометрии) ANSYS CFX Mesh ANSYS ICEM CFD (Генерация сетки)

18 ANSYS CFX-Solver Manager ANSYS CFX-Solver Manager – это надстройка над CFX-Solver. Она позволяет: контролировать ход решения задачи; определять входные файлы решателя; запускать или приостанавливать CFX-Solver ; контролировать процесс решения задачи; устанавливать CFX-Solver для проведения параллельных вычислений.

19 Архитектура комплекса ANSYS CFX CFX-Pre (Препроцессор физики) CFX-Post (Постпроцессор) CFX-Solver (Решатель) CFX-Solver Manager (Менеджер задач) CAD (Создание геометрии) ANSYS CFX Mesh ANSYS ICEM CFD (Генерация сетки)

20 ANSYS CFX-Post Постпроцессор ANSYS CFX-Post предназначен для анализа, визуализации и представления результатов, полученных в ходе решения задачи посредством ANSYS CFX-Solver. Для этого используются следующие средства: визуализация геометрии и исследуемых областей; векторные графики для визуализации направления и величины потоков; визуализация изменения скалярных величин (такие как температура, давление) внутри исследуемой области.

21 ANSYS Workbench ANSYS Workbench входит в состав комплекса ANSYS и обеспечивает унифицированную инструментальную среду для разработки и управления разнообразной CAE-информацией.

22 ANSYS Workbench

23 ANSYS Workbench ANSYS Workbench включает следующие приложения: DesignModeler; CFX-Mesh; Simulation; FE Modeler; DesignXplorer; Engineering Data; Customization and the Workbench SDK.

24 Архитектура комплекса ANSYS CFX CFX-Pre (Препроцессор физики) CFX-Post (Постпроцессор) CFX-Solver (Решатель) CFX-Solver Manager (Менеджер задач) CAD (Создание геометрии) ANSYS CFX Mesh ANSYS ICEM CFD (Генерация сетки)

25 Решение типовой задачи Решим задачу обтекания трубы потоком воздуха. Для этого: создадим геометрию исследуемой области; сформируем на ее основе сетку; определим физику задачи; запустим процесс решения; визуализируем результат.

26 ANSYS DesignModeler

27 ANSYS CFX Mesh

28 ANSYS CFX-Pre

29 ANSYS CFX-Solver

30 ANSYS CFX-Post

ANSYS CFX в среде Workbench 31

Области применения Аэрокосмическая промышленность: процессы обтекания тел, химические процессы горения в ДВС, реактивное движение, турбулентные потоки в жидких и газообразных средах, смеси газов Турбомашиностроение: потоки в турбинах, процессы вращения турбин Нефтегазовая и химическая промышленность: химические процессы горения, процессы течения Автомобилестроение: обтекание тел, процессы вентиляции, процессы горения в ДВС, процессы теплообмена Судостроение и морская техника: процессы обтекания Теплоэнергетика Вентиляция и кондиционирование Биомедицинские приложения: моделирование течения жидкостей организма; моделирование процессов теплообмена Микроэлектромеханические системы MEMS: моделирование процессов теплообмена 32

Примеры расчета Расчет системы вентиляции стадиона «Арена «Ходынка» 33

Примеры расчета Моделирование процессов горения, тепло и массообмена в топках котлов на пылевидном топливе 34 Общая структура течения в топочной камере и распределение температуры в топке 120 МВт котла

Примеры расчета Численный анализ пожаровзрывоопасности объектов нефтегазовой отрасли, промышленности и строительства 35 Моделирование утечки газа и образования взрывоопасной смеси на морской нефтяной платформе Изоповерхность концентрации углерода в момент времени t = 120 сек (CFX-Post)

Примеры расчета Моделирование течения многофазного потока в трубопроводе с ловушкой для конденсата 36 Пример нестационарной адаптации сетки на границе раздела газ-жидкость: синий цвет отображает газ, красный - жидкость. На фотографии ловушки для конденсата Внешний вид расчетной сетки до адаптации

Примеры расчета Аппарат со встречно-закрученными потоками 37 Общий вид расчетной области. Картина течения в осевом сечении аппарата.