Coraz częściej w zapytaniach supportowych spotykamy się z sytuacjami, w których wcześniej upraszczane geometrie w programach do symulacji komputerowej pozostają w pełnej, rzeczywistej postaci. Dziś nowoczesne programy CAD – takie jak Ansys SpaceClaim czy Discovery – bez problemu radzą sobie z modelowaniem złożonych, organicznych kształtów. Dzięki temu możliwe jest również skuteczne ich siatkowanie w wyspecjalizowanych narzędziach, takich jak Fluent Meshing, które potrafią obsłużyć nawet takie geometrie, które zawierają błędy.
W tym artykule przedstawimy funkcję z oprogramowania Ansys Fluent, która staje się kluczowa przy pracy na realistycznych, nieupraszczanych geometriach – krzywoliniowy układ współrzędnych (curvilinear coordinate system). To rozwiązanie pozwala prawidłowo zdefiniować kierunek przepływu w złożonych układach, dla których standardowe podejście okazuje się niewystarczające. Omówimy ją na przykładzie modelowania filtra jako objętości porowatej, występującego m.in. w układach chłodniczych (np. dysze rozprężne w klimatyzacji), lotniczych czy motoryzacyjnych.
Spis treści
- Przygotowanie geometrii
- Siatkowanie we Fluent Meshing
- Tworzenie krzywoliniowego układu współrzędnych
- Ustawienia w porowatym ośrodku
- Podsumowanie
Przygotowanie geometrii
Na rys. 1 prezentujemy układ geometrii w SpaceClaim.
Niezwykle istotne jest odpowiednie przygotowanie geometrii, co umożliwia właśnie wspomniane oprogramowanie Ansys Fluent. Mianowicie, aby usprawnić dalsze etapy symulacji, wszystkie domeny i warunki brzegowe powinny zostać odpowiednio nazwane zgodnie z przyjętą nomenklaturą. Warto również nadać nazwy ściankom wewnętrznym pomiędzy porowatym ośrodkiem a resztą płynu, co będzie kluczowe przy tworzeniu układu współrzędnych (rys. 2).
Siatkowanie we Fluent Meshing
Nazwana geometria powinna zostać zapisana w jednej strukturze z uwspólnioną topologią. Następnie należy ją zdyskretyzować – najlepiej i najszybciej będzie w oprogramowaniu Fluent Meshing, w którym tworzymy siatkę (rys. 3) i przystępujemy do dalszej pracy.
Po zaimportowaniu modelu ustawiamy warunki brzegowe. Do modelowania ośrodków porowatych zwyczajowo używamy takich narzędzi, jak porous zone (pełny model oparty na prawie Darcy’ego) lub porous jump (uproszczony model przepływu). Każde z nich ma swoje zalety i każde potrzebuje odpowiedniego wsadu. Obydwa podejścia działają dobrze dla przepływów o jednoznacznym kierunku. Jednak w przypadku filtrów „niestandardowych” o nieregularnym, krzywoliniowym kształcie konieczne jest precyzyjne określenie kierunku przepływu – i tutaj z pomocą przychodzi właśnie krzywoliniowy układ współrzędnych (rys. 4).
Tworzenie krzywoliniowego układu współrzędnych
Po dokonaniu wyboru krzywoliniowego układu współrzędnych w Ansys Fluent, naszym oczom ukazuje się okno, w którym należy ten układ zdefiniować. Na początku wybieramy cell-zone, a następnie opieramy układ o dwa kierunki przepływu – główny (direction 0) oraz pomocniczy (direction 1).
W pierwszej kolejności definiujemy główny kierunek przepływu (Direction 0) – od powierzchni białej do pomarańczowej (rys. 5), gdzie powierzchnia biała przedstawiona na rysunku 2 jest umownym startem, a powierzchnia pomarańczowa jest umownym końcem.
Określamy też kierunek pomocniczy (Direction 1) począwszy od powierzchni różowej (umownego startu przedstawionego na rysunku 2) do mniej istotnej – granatowej, czyli umownego końca z rysunku 2 (rys. 6).
Po wykonaniu obliczeń, program Ansys Fluent wygeneruje krzywoliniowy układ współrzędnych – proces ten może zająć chwilę. Aby zweryfikować jego poprawność, warto przeanalizować pomocnicze triady wyświetlane na obiekcie: oś X (czerwona) powinna lokalnie pokrywać się z kierunkiem przepływu (rys. 7).
Ustawienia w porowatym ośrodku
W kolejnym kroku parametry przepływu ustawiamy zgodnie z Prawem Darcy’ego (rys. 8), a objętość porowatą przypisujemy do nowo utworzonego układu współrzędnych,
Po przeprowadzeniu obliczeń możliwa jest pełna analiza przepływu przez złożony, porowaty układ (rys. 9).
Podsumowanie
Zastosowanie krzywoliniowego układu współrzędnych w Ansys Fluent pozwala na dokładne odwzorowanie przepływu w złożonych, rzeczywistych geometriach – zwłaszcza w modelach porowatych. To narzędzie znacznie zwiększa wiarygodność symulacji i może być nieocenione w branży HVAC, automotive czy aerospace. Choć funkcja ta nie jest szeroko opisana w dokumentacji, sprawdza się doskonale w praktyce i eliminuje potrzebę nadmiernego upraszczania modelu.
Autor: Piotr Eliasz, MESco Sp. z o.o.
Obserwuj nas w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco
