Компьютерные системы ANSYS CFX

Основные уравнения газовой динамики, численные методы решения дифференциальных уравнений и его структура. Сущность метода контрольного объема центрированного по узлу и ячейке в программном пакете ANSYS CFX. Основы моделирования нестационарного обтекания.
Краткое сожержание материала:

1

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Постановка задачи 6

Цели работы 7

1. Основные уравнения газовой динамики 8

Выводы 12

2. Численные методы решения дифференциальных уравнений газовой динамики 14

2.1 Структура численного решения основных дифференциальных уравнений газовой динамики 14

2.2 Метод контрольного объема 16

2.1.1 Метод контрольного объема, центрированного по узлу 22

2.1.2 Метод контрольного объема, центрированного по ячейке 23

2.1.3 Разнесенные и совмещенные сетки 23

2.3 Компьютерные пакеты для численного решения задач газовой динамики 25

Выводы 27

3. Программное решение ANSYS для вычислительной газовой динамики: комплексы ANSYS ICEM CFD и ANSYS CFX 29

3.1 Сеточный генератор ANSYS ICEM CFD 29

3.2 Комплекс численного моделирования задач газовой динамики ANSYS CFX 31

3.3 Особенности метода контрольного объема в ANSYS CFX 33

3.3.1 Решение МКО на совмещенной сетке 33

3.3.2 Порядок точности схем дискретизации 35

3.3.3 Нелинейный учет сжимаемости 38

3.3.4 Система линеаризованных уравнений и ее решение 39

Выводы 47

4. Анализ исходных данных для численного эксперимента. Выбор параметров расчетной сетки и модели турбулентности 48

4.1 Данные физического эксперимента для тела вращения «оживальная головная часть-цилиндр» 50

4.2 Построение расчетной модели 53

4.3.1 Характеристики вычислительной системы, использованной для проведения расчетов 55

4.3.2 Расчетная модель турбулентности 55

4.3.3 Построение сеточной модели расчетной области 58

Выводы 64

5. Проведение численного моделирования стационарного обтекания тела вращения типа «оживальная головная часть-цилиндр» в пакете ANSYS-CFX. Результаты и их анализ 66

5.1 Предварительные замечания 66

5.2 Особенности моделирования нестационарного обтекания 68

5.3 Анализ влияния параметров расчета на сходимость численного решения 69

5.4 Сравнение результатов численного и физического экспериментов 73

Выводы 85

6. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 86

6.1 Потенциально-опасные и вредные производственные факторы при работе на ПЭВМ 86

6.2 Требования к ПЭВМ 87

6.3 Требования к помещениям для работы с ПЭВМ 89

6.4 Требования к микроклимату, содержанию аэроионов и вредных химических веществ в воздухе на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ 91

6.5 Требования к уровням шума и вибрации на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ 92

6.6 Требования к освещению на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ 93

6.7 Требования к визуальным параметрам ВДТ, контролируемым на рабочих местах 96

6.8 Требования к уровням электромагнитных полей на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ 96

6.9 Анализ пожарной безопасности помещения 97

6.10 Общие требования к организации рабочих мест пользователей ПЭВМ 97

6.11 Требования к организации и оборудованию рабочих мест с ПЭВМ 99

4.12 Требования к проведению государственного санитарно-эпидемиологического надзора и производственного контроля 101

4.13 Режим труда и отдыха 101

6.14 Мероприятия и средства, применяемые для выполнения электробезопасности ЭВМ 102

6.15 Режим труда и отдыха 104

6.16 Предложения по организации работы с ПЭВМ 105

Выводы 107

7. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 108

7.1 Планирование НИР 108

7.2. Расчет трудоемкости и заработной платы 110

7.3. Расчет стоимости машинного часа 110

7.4. Затраты на НИР 115

Выводы 116

Заключение 117

Библиографический список 118

Приложение 120

Введение

Возникнув три десятилетия тому назад на стыке вычислительной математики и теоретической гидромеханики, вычислительная гидродинамика (англ. Computational Fluid Dynamic - CFD) прошла большой путь и к настоящему времени оформилась как обособленный раздел науки, предметом которого является численное моделирование различных течений жидкости и газа и решение возникающих при этом задач при помощи методов, основанных на использовании компьютерных систем. Этот раздел науки, имеющий большое прикладное значение, продолжает свое интенсивное развитие.

Современная вычислительная гидродинамика занимается разработкой таких актуальных направлений, как расчет движений вязкой жидкости, численное исследование течений газа с физико-химическими превращениями, изучение распространения ударных волн в различных средах, решение газодинамических задач при наличии излучения, связанные задачи типа «прочность - газовая динамика», «акустика - газовая динамика» и пр.

Бурному росту CFD-расчетов, безусловно, способствуют совершенствование компьютерных технологий, создание универсальных, удобных в использовании и доступных широкому кругу исследователей программных CFD-комплексов, уверенно справляющихся с разнообразными типами задач. Подобные программы не только уверенно составляют конкуренцию реальному физическому эксперименту, но иногда являются единственной возможность ответить на интересующие исследователя вопросы. Среди несомненных достоинств компьютерного моделирования можно отметить следующие:

а) Сокращение времени при проектировании и отработке модели.

б) Численный эксперимент позволяет моделировать условия, не воспроизводимые при натурных испытаниях.

в) Использование методов вычислительной газовой динамики обеспечивает исследователя более полной и широкой информацией.

г) Экономическая эффективность компьютерных расчетов на порядок выше проведения эксперимента.

д) Возможность быстрой корректировки расчетной модели за счет чего достигается эффективное использование времени исследователя.

С каждым днем список достоинств методов вычислительной газовой динамики увеличивается, а сами методы совершенствуются, становясь обязательным инструментом решения широчайшего класса задач в руках любого исследователя.

Постановка задачи

Вместе с идеей привлекательности использования средств компьютерного анализа возникает проблема освоения быстроразвивающихся методов, осуществления грамотного и обоснованного выбора инструментов численного моделирования, отработки численных моделей с целью выявления их сильных и слабых сторон.

Основным способом решения обозначенной проблемы становится проведение тестовых задач для простых расчетных случаев, либо численное моделирование на основе данных физического эксперимента. Второй вариант предпочтителен, так как всегда имеется возможность оценить адекватность решения, его точность.

На основе указанных соображений была поставлена задача для выполнения рамках данной работы:

· На основе расчета нестационарного обтекания тела вращения рассмотреть вопросы оптимизации расчетной области с учетом имеющихся экспериментальных данных.

· Исследовать параметры вычислительных процессов, их влияние на численное решение.

Цели работы

а) Провести в комплексе ANSYS-CFX численное моделировании стационарного обтекания тела вращения типа «оживальная головная часть-цилиндр» на основе экспериментальных данных приведенных в AGARD Advisory Report No. 138 (AGARD-AR-138). Experimental Data Base for Computer Program Assessment. Report of the Fluid Dynamics Panel Working Group 04.

б) На основе стационарной задачи провести расчет обтекания тела вращения типа «оживальная головная часть-цилиндр» в нестационарной постановке.

в) Провести сравнительный анализ результатов численного и физического эксперимента.

г) Исследовать влияние основных параметров численного расчета на решение.

1. Основные уравнения газовой динамики

Газовая динамика - это раздел механики сплошных сред, описывающий движение жидкостей и газов в рамках модели сплошной среды. Последнее означает, что рассматриваются масштабы явлений, значительно превосходящие длину свободного пробега молекул. В рамках данного подхода все физические законы, а также свойства являются общими как для макрообъектов, так и бесконечно малых объемов.

В наиболее общем случае для задачи газовой динамики требуется решить систему из четырех независимых уравнений, которая носит название системы уравнений Навье-Стокса:

1. Уравнение неразрывности (сохранения массы)

.

2. Уравнение количества движения (сохранения импульса)

,

где

- тензор напряжений, записываемый в виде

;

- дельта-функция Кронекера

...