1 CFD Ansys Fluent

2 Metody komputerowe jako dziedzina badań o charakterze interdyscyplinarnymEfektywność metod i algorytmów numerycznych ich złożoności obliczeniowej i realizacji komputerowych Precyzje sformułowań aproksymacyjnych badanie ich własności takich jak zbieżności czy dokładność Typowa dyscyplina naukowa lub inżynierska, np. mechanika płynów (interpretacja poszczególnych etapów rozważań)

3 Powstało wiele metod numerycznych, które umożliwiają rozwiązywanie zagadnień brzegowo-początkowych. Do głównych metod należą: Metoda elementów skończonych , Metoda elementów brzegowych , Metoda różnic skończonych , Metody bez siatkowe , Metoda objętości skończonych lub objętości kontrolnych (obszarów kontrolnych). Metoda objętości skończonych wykorzystywana w CFD„ANSYS Fluent”

4 Korzyści ze stosowania metod komputerowych we współczesnej nauceWykonywanie obliczeń w dużej skali Dostarczanie i interpretacja wyników Sterowanie aparaturą Sugerowanie teorii i eksperymentów Wizualizacja zjawisk

5 Podstawowe pojęcia: Proces, obiekt, modelObiekt - fragment “rzeczywistości” wyodrębniony z otoczenia. Wejście i wyjście - strumienie informacji, masy lub energii, które łączą obiekt z otoczeniem. Rozważamy proces (fizyczny, chemiczny, biologiczny, socjologiczny, termodynamiczny, ekonomiczny lub inny) – jakaś “rzeczywistość” (najczęściej) podlega zmianom w czasie. Proces / obiekt opisujemy ilościowo za pomocą zmiennych. Zależność między tymi zmiennymi, wejściem i wyjściem oraz czasem opisujemy w modelu matematycznym. Tworzenie modelu - dwa podejścia: teoretyczne - na podstawie znajomości praw rządzących zjawiskami towarzyszącymi procesowi, fenomenologiczne - na podstawie obserwacji (pomiarów) przyczyn i skutków,

6 Podstawowe pojęcia: SymulacjaSymulacja procesu jest “programistyczną” reprezentacją modelu. Dokładniej: Dwa pojęcia: Symulacja i model: Model komputerowy to algorytmy i równania określające zachowania modelowanego systemu. Symulacja komputerowa to „przebieg programu”, który zawiera te algorytmy i równania. Zatem mówimy: tworzymy/budujemy/ konstruujemy model, uruchamiamy symulację.

7 Zastosowanie metod komputerowych na przykładzie oprogramowanie Ansys FluentMetoda zastosowana w Ansys Fluent należy do dziedziny nazywanej obliczeniową mechaniką płynów (CFD - Computional Fluid Dynamics) obejmującej przepływ cieczy , ciepła i powiązanych zjawisk jak np. reakcji chemicznych. Matematyka Informatyka CFD Gdzie możemy stosować CFD? Wszędzie ! ( I tak powstały modele pogodowe...) Aerodynamika pojazdów i samolotów Hydrodynamika statków Przemysł ciężki (optymalizacja procesów hutniczych) Procesy chemiczne Inżynieria środowiska (rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń) Inżynieria biomedyczna (przepływ krwi przez żyły i tętnice) Mechanika płynów

8 Zastosowanie w przemyśleEnergetyczny Biomedyczny Lotniczy Elektroniczny Naftowy i Gazowniczy Wydobywczy i metalurgiczny Motoryzacyjny Chemiczny

9

10 Schemat symulacji w Ansys Fluent złożonych z 3 podstawowych elementów obliczeń komputerowychSolver 9 In outline the numerical methods that form the basis of the solver perform the following steps:- •Approximation of unknown flow variables by means of functions. •Discretization and mathematical manipulations. •Solutions to algebraic equations.

11 KEY FACTS Rozwiązanie problemu przepływu jest (prędkość ,ciśnienie ,temperatura) zdefiniowane w węzłach każdego elementu Dokładność rozwiązania zależy od ilości elementów w siatce, ogólnie czym więcej elementów tym dokładniejsze rozwiązanie. Gęstsza siatka przekłada się bezpośrednio nie tylko na dokładność rozwiązywania ale i jego koszt (moc obliczeniowa komputera i czas obliczeń). Ponad 50% czasu użytkownika poświęcane jest tworzeniu modelu geometrycznego i generowaniu siatki!

12 Przykład 1 Transport ciepła w Ciale stałymWarunek Brzegowy typu Neumanna J = -100 [W/m2] Warunek Brzegowy typu Dirichlet T= 400 K T= 300 K

13 Ansys - Równanie bilansu Energii

14 Energy balance equation

15 Local energy balance equationDeformacja układu(mechaniczna) Strumień ciepła związany z kondukcją Ekspansja układu (mechaniczna) Wewnętrzną generacja ciepła Tempo zmiany energii wewnętrznej

16 Ansys Energy Eq. In Solid Regions

17

18 Przykład 2. Przepływ (laminarny) wymuszonyPrędkość wymuszona na wlocie 0.1[ m/s] Ciśnienie na wylocie Ciecz :Woda Ciało stałe

19 1526

20 Równania zachowanie masy i momentu pędu (Ansys Fluent)Mass conservation Momentum conservation

21 Turbulence kinetic energy k and its rate of dissipation ε are obtained from the following transport equations:

22 - generation of turbulence kinetic energy due to bouoyancy- generation of turbulence kinetic energy due to the mean velocity gradients - generation of turbulence kinetic energy due to bouoyancy - Contribution of the fluctuating dilatation in compressible turbulence to the overall dissipation rate - constants - Turbulent Prandtl numbers - User defined source terms Slajd dodatkowy odnosnie rownan turbulencji

23

24 Przykład 3 FIA – Wstrzykowa analiza przepływowaWe wstrzykowej analizie przepływowej niewielka , ściśle określona, objętość próbki zostaje wprowadzona w postaci dyskretnego pasma do przepływającego przez przewód ciągłego strumienia nośnika. Próbką bądź produkt jej reakcji , przepływając wraz z roztworem nośnym dociera do detektora przepływowego w którym mierzona jest wielkość fizykochemiczna proporcjonalna do stężenia oznaczonej substancji. Na podstawie wcześniej przeprowadzonej kalibracji możliwe jest wyznaczenie jeje dokładnego stężenia.

25 FIA – Wstrzykowa analiza przepływowaV

26