Вопрос 2 Анализ гидрогазодинамики и теплопередача в SolidWorks Flow Simulation

SolidWorks FlowSimulation позволяет:

- проводить анализ теплообмена;

- производить расчет теплового потока вблизи адиабатных стенок или в твердотельных телах;

- задавать различные типы источников тепла;

- задавать свойства моделям различных твердотельных материалов;

- определять собственные материалы путем назначения им значений физических свойств, таких как теплопроводность, теплоемкость и т.д.

- проводить расчет теплоты излучения. Инженерная база данных содержит излучающие поверхности, такие как стенка черного тела, стенка белого тела, серое тело с произвольным альбедо, а также широкий спектр поверхностей реальных материалов;

- анализировать потоки жидкостей различных типов (жидкости, газы/пар, реальные газы, вязкопластичные жидкости, а также сжимаемые жидкости). База данных содержит множество жидкостей с определенными свойствами;

- анализировать проблемы с несколькими жидкостями различного типа при условии разделения областей с различными жидкостями друг от друга с помощью подобластей жидкости;

- анализировать взаимное растворение жидкостей. Смешивать можно только жидкости одного типа.

Основные функциональные особенности FlowSimulation следующие:

1) Подготовка модели:

- поддержка произвольных систем единиц,

- пополняемые инженерные базы данных по свойствам веществ, объектов и материалов.

2) Начальные и граничные условия:

- входные параметры — скорость, давление (статическое, динамическое, окружающей среды), массовый и объемный расход,

- температура, концентрация компонентов, параметры турбулентности,

- расходно-напорные характеристики виртуальных вентиляторов,

- различные типы стенок, включая шероховатые. Коэффициент теплоотдачи и параметры условной среды на стенках, не граничащих с реальной текучей средой,

- источники тепла (объемные и поверхностные), виртуальные тепловентиляторы,

- возможность задания зависимости граничных условий, параметров и прочего от времени и координат,

- симметрия относительно базовых плоскостей и периодическая симметрия.

Перед запуском расчета Flow Simulation предлагает дополнительные настройки. Чтобы ускорить расчет, установите значения начальных условий, близкие к предполагаемым окончательным параметрам.

Исходные параметры жидкости	Эти параметры можно задать глобально. При работе со сборкой можно задать их локально для узла или отдельной детали. Температура Сжатие Скорость потока Состав жидкости
Начальная температура	Задание начальной температуры твердого тела.
Исходные параметры сетки	Настройте дополнительные параметры, которые управляют способом разрешения контакта твердой и жидкой фаз, искривленных поверхностей, узких каналов, небольших твердотельных элементов и т.д. с помощью анализа. Эти параметры можно применить глобально, а также к сборкам, узлу сборки или отдельной детали.

Установите значения граничных условий.

Для впускных и выпускных отверстий	Только для впускного отверстия
Масса и объем Объемный расход Скорость Число Маха Статическое давление Общее давление Давление среды Давление на стенке	Профиль скорости потока, линия завихрения или вектор Температура Состав (для сборок) Параметры турбулентности

Установите при необходимости:

Вентилятор	Теоретический вентилятор, который полностью определяется кривой, означающей группированную зависимость объемного расхода и перепада давления. Вентилятор можно использовать в качестве впускного и выпускного отверстий или внутреннего вентилятора. База данных содержит кривые вентилятора для выбранных промышленных вентиляторов. Кроме того, можно самостоятельно определить кривые вентилятора.
Теплоотвод	Теоретический вентилятор, совмещенный с теплоотводом. Flow Simulation определяет теплоотвод по кривой вентилятора и кривой жаропрочности.
Термоэлектрический охлаждающий модуль	Теоретическое охлаждающее устройство Peltier определяется по разнице максимальной температуры, которую оно может выработать.

3) Расчетная сетка и управление вычислительной процедурой:

- генерация расчетной сетки непосредственно по модели SolidWorks,

- автоматическое создание расчетной области и генерация сетки в области твердого тела и области течения,

- автоматическая адаптация сетки в зависимости от геометрических характеристик модели и поля решения,

- возможность запуска на счет нескольких вариантов в пакетном режиме с управлением числом задействованных процессоров,

- задание целей моделирования (интересующих параметров на поверхностях или в объемах) и их мониторинг в ходе расчета,

- возможность предварительного просмотра полей течения в заданных сечениях без остановки расчета,

- критерии автоматической остановки расчета.

4) Возможности моделирования:

- стационарные и нестационарные течения,

- сжимаемые и несжимаемые (жидкости или газы) течения, включая дозвуковые, транс и сверхзвуковые режимы,

- идеальные и реальные газы,

- неньютоновские жидкости,

- одно и многокомпонентные течения без химического взаимодействия и разделения фаз,

- совместный расчет течения жидкости или газа и теплопередачи внутри твердого тела без наличия границы раздела газ жидкость,

- ламинарные и турбулентные течения, учет ламинарного/турбулентного перехода,

- «замораживание» течения для разделения «быстрых» и «медленных» процессов,

- течения в пористых средах с учетом теплопроводности стенки,

- учет шероховатости стенки,

- внешнее и/или внутреннее течение,

- конвективный теплообмен, свободная, вынужденная или смешанная конвекция,

- радиационный теплообмен с управлением прозрачностью стенок и разделением свойств стенок для теплообмена излучением и солнечной радиацией,

- расчет траекторий твердых частиц и капель в потоке,

- возможность расчета двумерной (2D) задачи,

- тепловые элементы Пельтье.

5) Результаты анализа:

- результаты выводятся в окне SolidWorks,

- вывод функции на любой плоскости или поверхности в виде цветовых эпюр, векторов и изолиний, отображение результатов с помощью изоповерхностей,

- интегральные характеристики на произвольной грани или совокупности граней,

- создание трехмерных траекторий,

- вывод характеристик расчета в MS Excel,

- распределение любой характеристики вдоль любой кривой и передача в MS Excel,

- анимация результатов,

- расчет характеристик в точках, определяемых пользователем,

- вывод основных расчетных и интегральных величин в MS Excel,

- автоматическое создание отчета,

- передача давления на стенках, коэффициентов теплоотдачи и температур в SolidWorksSimulation.

SolidWorks Flow Simulation включает следующие функции для просмотра результатов.

Эпюры	Анимации	Исследование частиц
Эпюры трехмерных профилей	Траектории потока	Отчеты
Эпюры вырезов	Цели	Параметры точки, поверхности и объема
Эпюры поверхностей	Изометрические поверхности	Эпюры XY

Кроме того, можно получить окончательное значение любого физического параметра, включая величину потока, падение давления и т.д., на заданный момент или максимальное, минимальное, среднее или средневзвешенное значение для поверхности или области объема.

В качестве примера рассмотрим последовательность расчёта тепловых нагрузок в корпусе прибора.

Шаг 1. Создание анализа с помощью «Мастера» (Рис. 2.1).

Рис. 2.1 - Запуск мастера настроек симуляции

После нажатия выбранной строки «Wizard» («Мастер») появится окно. Для открытия очередного окна нужно нажать кнопку «Далее».

Шаг 2. Задание единиц измерения – СИ, градусы Цельсия (Рис. 2.2).

Рис. 2.2 - Задание единиц измерения

Шаг 3. Задание типа измерения – внешний или внутренний. Выбрать – внутренний. Задать – учёт теплопроводности в телах и гравитацию по оси Y (Рис. 2.3).

Рис. 2.3 - Задание типа измерения

Шаг 4. Задание среды – газ, воздух и его влажность (при необходимости) (Рис. 2.4).

Рис. 2.4 - Задание среды

Шаг 5. Задание материала модели по умолчанию – выбрать изолятор (Рис. 2.5).

Рис. 2.5 - Задание материала модели по умолчанию

Шаг 6. Задание граничных условий. Задать адиабатный процесс (Рис. 2.6).

Рис. 2.6 - Задание граничных условий

Шаг 7. Задание параметров наружного воздуха. Задать давление -1 Атм, температуру - 20 градусов Цельсия (Рис. 2.7).

Рис. 2.7 - Задание параметров наружного воздуха

Шаг 8. Задание сетки. Задать стандартную сетку (Рис. 2.8).

Рис. 2.8 - Задание сетки

Шаг 9. Задание сетки. Задать стандартную сетку (задаётся по умолчанию) (Рис. 2.9).

Рис. 2.9 - Задание сетки

В результате перечисленных действий создалось дерево исследования, которое содержит исходные данные и результаты исследования (Рис. 2.10).

Рис. 2.10 - Дерево исследования

Последующие шаги поясняют порядок задания исходных данных.

Шаг 10. Задание материалов модели (Рис. 2.11, 2.12).

Рис. 2.11 - Выбор вставки материала

Рис. 2.12 - Вставка материала

Для дальнейших установок необходимо создать заглушки для воздуха.

Шаг 11. Задание граничных условий – параметры внешней среды (Рис. 2.13, 2.14).

Рис. 2.13 - Выбор режима задания граничных условий

Рис. 2.14 - Задание граничных условий

Шаг 12. Выделить место под вентилятор, выбрать из базы данных вентилятор с требуемыми параметрами. Установить тип вентилятора – вытягивающий (Рис. 2.15, 2.16).

Рис. 2.15 - Выбор базы вентиляторов

Рис. 2.16 - Выбор типа вентилятора из базы

Шаг 13. Задать источники тепла (Рис. 2.17, 2.18).

Рис. 2.17 - Выбор режима задания источников тепла

Рис. 2.18 - Выбор деталей на схеме и указание их мощности

Шаг 14. Задать контролируемый параметр для анализа - макс температуру процессоров (Рис. 2.19, 2.20).

Для этого зайти в режим выбора контролируемых параметров (Рис. 2.19), а затем указать нужный параметр в перечне (Рис.2.20).

Рис. 2.19 - Выбор режима контролируемых параметров

Рис. 2.20 - Выбор контролируемого параметра

Шаг 15. Запуск и настройка анализа (Рис. 2.21, 2.22).

Рис. 2.21 - Запуск анализа

Рис. 2.22 - Настройка анализа

Шаг 16. Просмотр результатов анализа в различных режимах (Рис. 2.23, 2.24, 2.25, 2.26,2.27, 2.28).

Рис. 2.23 - Загрузка результатов анализа

Рис. 2.24 - Выбор режима просмотра результатов анализа в режиме 3D

Рис. 2.25 - Просмотр результатов анализа в режиме 3D

Рис. 2.26 - Просмотр результатов анализа в режиме линии

Рис. 2.27 - Выбор режима просмотра результатов анализа в режиме – сечение

Рис. 2.28 - Просмотр результатов анализа в режиме - сечение

Шаг 17. Передача результатов анализа в редактор Exel и их просмотр (Рис. 2.29, 2.30).

Рис. 2.29 - Выбор режима передачи результатов анализа в Exel

Рис. 2.30 - Отображение результатов анализа в Exel

Выводы:

В данном вопросе изучили основы анализа в SolidWorks Flow Simulation.

Заключение

На данном занятии изучили основы прочностного расчета в SolidWorks Simulation и основы расчёта гидрогазодинамики и теплопередачи в SolidWorks FlowSimulation.

С помощью анализа, выполненного в SolidWorks Simulation и FlowSimulation можно выполнить следующие задачи:

- уменьшить стоимостьмодели за счет проведении ее испытания на компьютере вместо дорогостоящих эксплуатационных испытаний;

- сократить время, необходимое для представления продуктов на рынок, путем уменьшения количества циклов разработки изделия.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие граничные условия используются при расчёте прочности модели в SolidWorks Simulation и порядок их задания.

2. Какие типы анализа на прочность и устойчивость используются в SolidWorks Simulation и порядок их задания.

3. Какие виды оптимизации модели при расчёте её на прочность используются в SolidWorks Simulation и порядок их реализации.

4. Какие граничные условия используются при расчёте тепловых нагрузок модели в SolidWorks Flow Simulation и порядок их задания.

5. Какие виды сеток используются в SolidWorks Flow Simulation и порядок их задания.

3. Какие виды анализа используются в SolidWorks Flow Simulation и порядок их реализации.

Литература

1. Прохоренко В.П. SolidWorks. Практическое руководство. – М.: ООО «Бином – Пресс», 2004 г. - 448 с.

2. Алямовский А. А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. — 448 с.: ил.

В.В. Котович