В случае CFD, вопрос определения действующих сил и моментов на тело (стенку) не так тривиален, как может показаться на первый взгляд. Данная статья направлена на прояснение вопросов, касающихся вычисления различных сил и моментов в программном комплексе FlowVision.
- Как определить силу, действующую на подвижное тело со стороны жидкости?
- Если через характеристики, то по какой переменной ее строить?
- А на каком объекте ее необходимо строить?
- Если построить характеристику по давлению на импортированном объекте, то можно увидеть множество разных величин: интеграл по давлению, Fbody и Ffluid - чем они различаются?
- В какой системе координат вычисляются проекции сил и моментов? В глобальной или локальной системе подвижного тела? Относительно какой точки вычисляется моменты Mfluid, Mbody?
- Я хотел посмотреть силу, действующую на тело, но Fbody и Mbody в характеристиках равны нулю. Почему?
Как определить силу, действующую на подвижное тело со стороны жидкости?
Для определения силы, действующей на тело необходимо создать характеристику.
Какую переменную использовать при создании характеристики
Для задач, в которых определен гидростатический слой корректно использовать переменную Давление (+гидростатическое).
Для задач без гидростатических слоев можно использовать переменную Давление (если не определен гидростатический слой, то Давление = Давление (+гидростатическое) ).
Для определения сил, действующих на поверхность не стоит использовать Полное давление. По определению Сила = интеграл давления по поверхности, а не интеграл полного давления по поверхности.
На каком объекте строить Характеристику
Для определения полных сил и моментов, действующих на поверхность, характеристику можно создавать как на Супергруппе, так и на Импортированном объекте.
Если необходимо получить информацию о движущемся Подвижном теле, то целесообразно строить характеристику именно на Импортированном объекте. В этом случае будет доступна информация о кинетике Подвижного тела (скорости, координаты) и, возможно, дополнительные динамические характеристики (Fbody и Mbody).
Чем отличаются Интеграл давления по поверхности от Ffluid и Fbody
Настоятельно рекомендуем ознакомиться с документацией, где в описании Характеристик указаны уравнения, по которым вычисляются Силы и Моменты.
Рассмотрим Характеристику на поверхности импортированного объекта с подвижным телом. В этом случае:
- Интеграл давления по поверхности - по сути это сила, действующая на жидкость со стороны тела без учета вязкостной составляющей. По определению включает в себя выталкивающую силу (закон Архимеда).
- Ffluid - сила, действующая со стороны тела на жидкость. Кроме просто интеграла включает в себя вязкостную составляющую (силу трения).
- Fbody - полная сила, действующая на тело. Включает в себя интеграл давления по поверхности, вязкостную составляющую, силу тяжести,а также силы, определенные пользователем в параметрах подвижного тела. Т.е. по сути, Fbody = -Ffluid +Fexternal + mтела*g
Почему Fbody не равно -Ffluid, хотя внешние силы не заданы?
В алгоритме вычисления силы Fbody есть ряд особенностей, т.к. именно на основе этой силы и происходит вычисление перемещения подвижных тел. Например, Fbody, который мы видим в конце итерации в характеристиках вычисляется до начала этой итерации. А Ffluid вычисляется в конце итерации. Если процесс сильно нестационарный, то возможны существенные различия между двумя этими величинами.
Кроме того, Fbody вычисляется с некоторым демпфированием. Очень примерно и условно можно записать следующее выражение для случая без внешних сил: Fbody = -(Ffluid + Ffluid' )/2. Где Ffluid - сила, действующая на жидкость на начало текущей итерации, а Ffluid' - сила, действующая на жидкость, на начало предыдущей итерации.
В какой системе координат вычисляются проекции сил и моментов? В глобальной или локальной системе подвижного тела?
Все силы и моменты задаются и вычисляются в глобальной (абсолютной) системе координат!
Относительно какой точки вычисляется моменты Mfluid, Mbody?
Mfluid вычисляется относительно Центра характеристики, который задается в свойствах характеристики. Mbody вычисляется относительно центра вращения подвижного тела.
Почему Mbody и Fbody равны нулю
Компоненты Mbody и Fbody вычисляются только в том случае, когда в параметрах подвижного тела включено влияние на движение гидродинамических сил и/или моментов. Таким образом, если подвижное тело не движется под действием жидкости, то эти величины будут равны нулю.