logo desc

Расчёты в зависимости от угла скоса модели   

Напомним, что мы моделируем обтекание тела Ахмеда - модели, геометрически близкой к корпусу автомобиля. Ахмед в своём эксперименте исследовал влияние угла скоса модели на величину продольной силы сопротивления набегающему потоку, движущимся со скоростью V = 60 м/с.

18

Геометрия модели тела Ахмеда с разным углом скоса φ

Подготовка проекта в KompasFlow происходит быстрее, чем в FlowVision. По большой мере это объясняется упрощёнными возможностями KompasFlow по сравнению с FlowVision. Предлагаю вместе пройти по структуре создания проекта.

1. Создание расчётной подобласти 

В KompasFlow не заложена возможность использования в расчёте отдельных импортированных объектов. Расчётная область обязательно должна быть твёрдым телом, полученным в результате булевого вычитания модели из объёма внешней расчётной области. Из-за этого могут возникнуть некоторые неудобства в работе, например, при задании на модели граничного условия.

Так как поверхность тела представлена набором поверхностей (а не одним импортированным объектом), то присвоить ГУ каждой поверхности сложнее, чем сделать это для одного целого объекта. Но этого неудобства легко можно избежать: при создании граничных условий, первым создайте граничное условие для поверхности модели ("Стенка"). Первое созданное граничное условие применяется ко всей расчётной области, и далее останется только переназначить тип ГУ для поверхностей входа, выхода и симметрии. 

2. Вещество и набор решаемых уравнений

Наиболее востребованные вещества можно загрузить из встроенной базы веществ. Так как в KompasFlow используется только для моделирования однофазных течений, то задается только одно вещество. В моём случае это Воздух_газовая (равновесная).

Далее для вещества задаются физические процессы:

  • движение: уравнение в форме Навье - Стокса;
  • турбулентность: модель турбулентности KEFV (модифицированная k - ε модель);
  • теплоперенос: с учётом полной (H) и термодинамической (h) энтальпии.

Для дозвукового обтекания тела Ахмеда задавались движение (с учётом турбулентности) и теплоперенос (с учётом h).

3. Граничные условия

При моделировании, конечно, нас больше будет интересовать течение, чем теплообмен. И в KompasFlow представлен полный набор граничных условий, необходимых для моделирования течения во всем диапазоне скоростей. Для задачи Ahmed Body использовались граничные условия:

BC 2

Схема задания граничных условий 

  • Вход/Выход: фиксированная скорость = (- 60;0;0)
  • Свободный выход: давление = 0
  • Симметрия
  • Стенка (на поверхности модели)
  • Стенка (на нижней грани - моделирование пола)

На поверхности модели задаётся отдельное ГУ "Стенка", чтобы в дальнейшем использовать его для задания адаптации сетки и вычисления характеристик аэродинамических сил по поверхности тела. 

4. Начальные условия

В аэродинамических расчётах не надо забывать про роль начальных условий - это первое приближение, от которого зависит скорость получения конечного результата. Начальные условия в KompasFlow применяются только во всём объёме расчётной области.

Конечно, по возможности крайне рекомендуется задавать и локальные начальные условия, например, параметры торможения у поверхности обтекаемого тела. Но НУ влияют только на быстроту получения результата, а не на его точность. Поэтому для дозвукового обтекания тела Ахмеда достаточно задать начальное распределение скорости (- 60, 0, 0) во всём объёме расчётной области.

5. расчётная сетка

Расчётная сетка определялась по результатам проведения исследования сходимости решения по сетке. Так как в KompasFlow нельзя адаптировать сетку в объеме объектов, то адаптация применяется только по поверхности модели. Начальная сетка адаптировалась 3 уровнем по 10 слоёв для каждого уровня. Итоговая расчётная сетка состояла из 1 млн. ячеек, и расчёт одного случая занимал на моём рабочем компьютере не больше 12 часов. Здесь я хочу отметить одно моё личное неудобство - в KompasFlow нельзя задавать для каждого уровня адаптации своё количество слоёв. Поэтому при увеличении уровня адаптации (4 уровень, по 10 слоёв) количество ячеек стало около 3 млн.

расчётная сетка в Kompas Flow

Сечение расчётной сетки: применяется 3 уровень адаптации (по 10 слоёв для каждого уровня)

В KompasFlow также можно использовать адаптацию к решению: к значению или градиенту. Это очень актуальный функционал для задач сверхзвукового обтекания с возникновением скачков уплотнения и градиентов параметров.

6. Параметры расчёта 

 В окне свойств параметров расчёта в KompasFlow задаётся:

  • Шаг расчёта, с помощью числа CFL - это аналог конвективного CFL из FlowVision.
    Во FlowVision помимо конвективного CFL есть ещё диффузионный, поверхностный и скользящий. В помощь пользователем мы написали целую статью про шаг по времени в FlowVision. Но в KompasFlow нет подвижных тел, скользящей поверхности и диффузионного переноса вещества, поэтому необходимо задавать только конвективный шаг по времени.

    Для этой задачи CFL = 30, как при исследовании сходимости по шагу, проведённом ещё во Flowvision.

  • Максимальный шаг расчёта;
    Этот ограничитель актуален для задач с резкими градиентами параметров в начале расчёта. Не забывайте: на первой итерации, когда шаг по времени велик, решение может развалиться. Чтобы не допустить этого, ограничьте максимальный шаг. Ещё больше полезных советов о том, что делать, если расчёт разваливается, вы найдете в статье. Для данной задачи максимальный шаг остался без изменений.

  • Моделируемое время;
    Расчёт в KompasFlow останавливается при достижении заданного физического времени. Конечно, это намного проще, чем критерий останова во FlowVision, но всё равно немного сковывает пользователя. 

  • Частота сохранений;
    Для этой задачи я задала частоту сохранений = 100 (но можно больше или меньше - как вам удобнее). Так как KompasFlow не считает процессы во времени, то считается, что и история сохранений расчёта здесь не нужна, но поверьте, это очень полезная вещь!  

7. визулизационные слои 

В качестве контролируемых параметров выбраны скорость и давление, как наиболее показательные для данной задачи. С помощью слоя заливка были построены распределения данных параметров по плоскости симметрии. Для интереса сравним результаты с расчётом в FlowVision.

скорость KF

Распределение скорости в KompasFlow (φ = 25 °)

скорость FV

Распределение скорости во FlowVision (φ = 25 °)

давление KF

Распределение давления в KompasFlow (φ = 25 °)

давление FV

Распределение давления во FlowVision (φ = 25°)

Картины течения говорят сами за себя - сходство потрясающее. В целом, на основе данного сравнения уже можно сделать вывод о том, что возможности KompasFlow ничем не хуже FlowVision, но всё-таки посмотрим на результаты расчёта коэффициента продольной силы, Сх = Fx/(qS).

8. Результаты

график расчёта

Сравнение результатов расчётов коэффициента продольной силы (Сх) в KompasFlow и FlowVision с экспериментальными данными

После визуального сравнения полей параметров из KompasFlow и Flowvision, было ожидаемо, что численные результаты коэффициента сопротивления будут иметь схожий характер, но они более того очень приближены к эксперименту.

Среднее рассогласование между расчётом в KompasFlow и экспериментом - 8%, а между расчётом в FlowVision и экспериментом - 3%