Модель зазора FlowVision

Необходимо моделировать течение в узких каналах, но нет вычислительных ресурсов, чтобы разрешить их расчётной сеткой? 
На помощь придёт специальный функционал - Стандартная модель зазора.

Узнайте больше об этом функционале и о некоторых lifehack`ax, которые упростят ваши расчёты, в этой статье.

• Что такое зазор?
• Область применимости Стандартной модели зазора
• Условия формирования зазора в FV
• Включение модели зазора
• Визуализация зазора
• Специальные коэфициенты в зазоре 
• Полезные приёмы 

Что такое зазор?

Появление зазора между объектами в расчётной подобласти характерно для задач точного приборостроения, биомеханики и других, в геометрии которых возникают узкие проточные области. Для разрешения этих узких проточных областей и была разработана Стандартная модель зазора.

Область применения стандартной модели зазора

Модель зазора предполагает, что в зазоре реализуется плоское течение Пуазёйля. Это ламинарное течение (), для которого характерен параболический профиль скорости.

Параболический профиль скорости в течение Пуазёйля

Допустимо использовать модель зазора и в случае турбулентного течения. Однако, необходимо отслеживать физичность получаемых параметров.

При необходимости можно задать в зазоре дополнительное сопротивление потоку - с помощью коэффициента эффективной вязкости в зазоре.

Для температуры в зазоре также реализуется параболический профиль поперёк зазора.

При необходимости можно искусственно менять теплопроводность в зазоре - с помощью коэффициента теплоотдачи зазора.

Условия формирования зазора во FlowVision

Во FlowVision под зазором понимается пространство между двумя зазор-образующими поверхностями. Поверхность считается зазор-образующей, если одновременно выполняются условия:

• поверхности принадлежат разным ГУ типа Стенка или Связанный (с условием связи сопряжённый теплообмен);

Обозначение разных ГУ типа Стенка

• расстояние между поверхностями меньше максимального размера зазора, заданном в настройках модели зазора;
• угол между нормалями к поверхностям лежит в диапазоне 120º ≤ α ≤ 180º (данное условие зашито в FlowVision).

Обозначение угла между нормалями

• Между поверхностями расположено не больше одной целой ячейки расчётной сетки. Если между поверхностями будет расположено две ячейки , то модель зазора уже не отработает.

Включение модели зазора

Активировать использование стандартной модели зазора можно в окне свойств вкладки Модели (Препроцессор > Модели):

 

 Визуализация зазора

Чтобы увидеть как FV определил зазор, можно построить с помощью Постпроцессора слой Зазорные ячейки.
Для этого создайте слой Набор ячеек на Пространстве (шаг 1), затем в окне свойств этого слоя выберите Тип = Зазорные (шаг 2).

Шаг 1

Шаг 2

Визуализация зазорных ячеек

Стоит отметить, что визуализируются 3D ячейки целиком (не обрезанные поверхностью).

Величина зазора

Величину зазора можно узнать, если:

1. построить слой Цветовые контуры в плоскости, проходящей через зазор, и выбрать переменную из списка общих и нефазовых переменных - Зазор.
2. создать Характеристику по пространству для переменной Зазор. Результат можно отобразить с помощью окна info.

Специальные коэффициенты в зазоре

• Эффективная вязкость в зазоре
• Коэффициент теплоотдачи зазора

Эти коэффициенты задаются в окне свойств внешней подобласти. Например, если в воздушной среде зазор образуется между сталью и медью, то задавать параметры среды в зазоре необходимо в подобласти Воздух.

По умолчанию, эти коэффициенты равны -1 и не учитываются в расчёте. То есть в зазоре задаются молекулярные величины вязкости и теплопроводности среды. 

Чтобы учитывать специальные коэффициенты при расчёте, их необходимо задать на обоих ГУ зазор-образующих поверхностей.

Эффективная вязкость в зазоре

Для процессов в зазоре, сила трения на зазор-образующих поверхностях не учитывается. Вместо неё вводится объёмная сила трения в зазоре (F):

Здесь μ_gap - коэффициент вязкости в зазоре. Он вычисляется на основе коэффициентов эффективной вязкости в зазоре (μ₁ и μ₂), указанных в окне свойств ГУ на зазор-образующих поверхностях.

Окно свойств ГУ на одной из зазор-образующих поверхностей

Коэффициент теплоотдачи зазора

Тепловой поток в зазоре вычисляется на основе величины λgap - теплопроводности в зазоре. Формула для вычисления λgap включает в себя величины коэффициентов теплоотдачи зазора (α1 и α2), которые задаются в окне свойств ГУ на зазор-образующих поверхностях. 

                                                                                 , где  - коэффициент теплоотдачи зазора.

 Окно свойств ГУ на одной из зазор-образующих поверхностей

Полезные приёмы

Мы рассмотрим:

• Исключение протекание среды в зазоре
• Моделирование условий идеального теплового контакта
• Задание в зазоре необходимо термического сопротивления
• Модель зазора и Скользящая поверхность

Исключение протекания среды

Если целью моделирования являются тепловые процессы в зазоре, то можно упростить постановку задачи: исключить из рассмотрения процессы движения среды внутри зазора.

Чтобы обеспечить в зазоре неподвижность среды, необходимо для зазор-образующих поверхностей указать величину эффективной вязкости в зазоре на порядок больше, чем молекулярная вязкость среды, в которой образуется зазор. Например, если зазор образуется в воздушной среде, то смело задавайте значение эффективной вязкости в зазоре = 1.

 

Моделирование условий идеального теплового контакта 

Чтобы убрать термические "мосты" и моделировать процесс мгновенной теплопередачи, можно задать для зазор-образующих поверхностей одинаковый коэффициент теплоотдачи зазора, посчитанный на основе максимальной теплопроводности двух зазор-образующих веществ.

Пусть зазор образован между медью и железом. Принимая во внимание, что теплопроводность меди (=3,85 при 0ºC) больше, чем у железа (=0,76 при 0ºC), в окне свойств обоих ГУ зададим коэффициент теплоотдачи зазора: 

Задание необходимого термического сопротивления 

При моделировании разных условий теплоизоляции (например, при использовании разных типов герметика), можно задать требуемое значение коэффициента теплопроводности зазора (λgap), вычисляемое по формуле: 

Для этого надо подобрать соответствующие величины коэффициентов теплоотдачи зазора (α₁ и α₂) на зазор-образующих поверхностях.

Модель Зазора и Скользящая поверхность

В обновлении 3.14.02 появилась возможность строить зазорные ячейки между граничным условием Стенка и Скользящей поверхностью и между Подвижным телом и Скользящей поверхностью.

Это может быть удобно в задачах с вращающимися/открывающимися/закрывающимися кранами и позволяет уйти от явного моделирования эффекта разрыва расчетной сетки. Для этого в используемой модели Зазора задается очень высокая эффективная вязкость.