W przypadku wykonywania analiz CFD w stanie ustalonym dla struktur oddalonych od źródła przepływu ważnym elementem analizy jest odpowiednie odzwierciedlenie warunków brzegowych panujących w układzie. Jeżeli np. celem analizy jest ustalenie jednostkowej ilości ciepła oddawanej przez rurociąg do otoczenia to analizowany układ powinien odzwierciedlać w pełni stacjonarne pole przepływu. Uzyskanie takiego pola nie jest możliwe w przypadku zadawania warunku brzegowego w postaci stałej prędkości płynu na powierzchni wlotowej układu (najprostsza i domyślna opcja programu ANSYS AIM), gdyż nie odzwierciedla on zmiany prędkości przepływu w kierunku radialnym rurociągu (tzw. profilu prędkości przepływu). Brak zmniejszonej prędkości przepływu przy ściance rurociągu może mieć wpływ na wartość strumienia ciepła, a przez to na końcowe wyniki obliczeń. Aby uniknąć niepotrzebnego błędu obliczeniowego istnieje możliwość utworzenia dodatkowej geometrii symulującej ustalanie się początkowego profilu prędkości płynu. Należy jedynie pamiętać aby nową geometrię odizolować termicznie od reszty układu. Zaleca się, aby długość dodatkowej geometrii była 20 razy większa od średnicy wewnętrznej rurociągu.

Rysunek2

W prezentowanym przykładzie wykonano analizę termiczno-przepływową rurociągu (Rys. 1.) osadzonego w ziemi, w którym porównano wyniki obliczeń jednostkowych strat ciepła dla układu bez uwzględnienia oraz z uwzględnieniem początkowego profilu przepływu. Poprzez rurociąg przepływało powietrze o temperaturze 30 oC i prędkości 0.1 m/s (Rys. 2.).

Rysunek2

 Na granicy gruntu założono warunek stałej temperatury 10 oC. Wyniki analizy przedstawiono w postaci map prędkości płynu (Rys. 3.) oraz rozkładu temperatury (Rys. 4.) w obszarze początkowym. Wartości ciepła oddane do otoczenia poprzez warunek brzegowy temperatury przedstawiono w Tabeli 1.

 

Rys 3. Uzyskane profile prędkości płynu

Rys 3. Uzyskane profile prędkości płynu

 

Tabela

Rys 4. Uzyskane rozkład temperatury.

 

Tabela

 Wyniki obliczeń wskazują na znaczący wpływ uwzględnienia początkowego profilu prędkości na wartości obliczonego strumienia ciepła. Jest to związane ze znacznie większymi prędkościami płynu w warstwie przyściennej w modelu bez uwzględnienia rzeczywistego profilu prędkości. Większa prędkość płynu znacznie zwiększa współczynnik wymiany ciepła pomiędzy domeną płynu a rurociągiem, co powoduje znaczący błąd obliczeń.

Autor: Maciej Kryś