Esercitazione di Termofluidodinamica Computazionale

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1 Ing. Mitja Morgut Prof. Enrico Nobile Università degli Studi di Trieste DINMA, Sezione di Fisica Tecnica Esercitazione di Termofluidodinamica Computazionale Utilizzo del Generatore di Mesh ANSYS-ICEM CFD 11 (A) Flusso bidimensionale attorno ad un cilindro. Marzo 2009

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3 INDICE 1 Indice 1 Premessa 3 2 Import della geometria in ICEM 5 3 Creazione delle parti 7 4 Creazione dei blocchi (Blocking) Creazione del blocco iniziale Associazione degli edges alle curve Decomposizione in più blocchi Esecuzione dei Tagli Associazione di alcuni edges Proiezione dei vertici sulle curve Creazione della O-Grid attorno al cilindro Mesh di primo tentativo Eliminazione del blocco del cilindro Cambio di distribuzione 25 7 Check Quality 31 8 Output to CFX 32

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5 1 Premessa 3 1 Premessa In questa esercitazione viene descritto come preparare con ANSYS ICEM CFD 11, nel seguito ICEM per brevità, una mesh strutturata, da utilizzarsi in abbinamento con ANSYS CFX 11, per l indagine numerica del flusso bidimensionale attorno ad un cilindro. L approccio di meshatura di seguito proposto è stato scelto per consentire all utente pricipiante, di acquisire le conoscenze di base di ICEM-Hexa, con le quali poter in futuro affrontare problemi di meshatura ben più complessi. Nel seguito ove non diversamente specificato, si assume che i termini in grasseto corrispondono esattamente alle voci dell interfaccia grafica di ICEM. Il simbolo indica una scelta da un menu o da una casella, mentre parole o frasi in corsivo stanno ad indicare commenti o considerazioni importanti per l utente. In questo esercizio si assume che l utente abbia precedentemente creato la geometria 3D del dominio di calcolo. Nel caso in cui la geometria sia stata creata con DesignModeler, per esportarla da tale ambiente nel formato Parasolid accettato da ICEM seguite le istruzioni di seguito elencate. 1. Esportate la geometria del dominio che avete creato con DesignModeler nel formato Testo Parasolid così come visibile dalle Fig. 1, 2 Figura 1: Selezione comando Esporta

6 4 1 Premessa Figura 2: Selezione formato 2. Uscite dal Workbench e avviate ICEM fuori da tale ambiente. Se volete potete avviare ICEM anche all interno di questo ambiente selezionando dal Tab Project il tool Advance Meshing.In questo modo però vi ritroverete con una disposizione dei menu ed una rappresentazione della geometria, leggermente diversa di quella presente nelle figure di questo documento.

7 2 Import della geometria in ICEM 5 2 Import della geometria in ICEM 1. Dal menu selezionate File Import Geometry ParaSolid così come visibile in Fig. 3 Figura 3: Selezione formato 2. Apparso il menu visibile nella figura sottostante: Figura 4: Impostazioni di Input 2.1: Nella casella Tetin File inserite il percorso della vostra directory di lavoro seguito da un nome da assegnare al file (ad. es. cilindro.tin). 2.2: Barrate nel campo Units l opzione Millimeter 2.3: Premete OK

8 6 2 Import della geometria in ICEM 2.4: Appena premuto OK dovrebbe apparirvi la finestrella di Fig. 5. Premete su NO. Figura 5: Richiesta di salvataggio Fatto ciò dovrebbe apparirvi la geometria così come visibile in Fig. 6 Figura 6: Salvataggio progetto 3. Premete su File Save Poject As (Fig. 6) e salvate il progetto nella vostra directory di lavoro con il nome Cilindro_geom.prj.

9 3 Creazione delle parti 7 3 Creazione delle parti A questo punto è utile suddividere la geometria in ulteriori parti. Operate nel seguente modo. 1. Accendete la visione delle superfici barrando la voce Surfaces del menù ad albero (Modal Tree) di sinistra. 2. Sempre dal menu ad albero schiacciate con il tasto destro del mouse sulla voce Parts. Dal menù che appare scegliete l opzione Create Part. (Fig. 7) Figura 7: Selezione comando Create Part Fatto ciò dovrebbe apparirvi il comando Create Part visibile in Fig. 8 Figura 8: Selezione Superficie 1.1: Digitate nella casella Part l identificativo INGRESSO 1.2: Schiacciate su e selezionate la superficie di ingresso del dominio. (La superficie indicata dalla freccia in Fig. 8)

10 8 3 Creazione delle parti 1.3: Premete il tasto centrale del mouse oppure sulla casella Apply. Premuto il tasto centrale o la casella Apply il meshatore dovrebbe aver creato la parte INGRESSO. 3. ATTENZIONE: Senza uscire dal comando create ora la parte USCITA. Figura 9: Selezione Superficie 2.1: Digitate nella casella Part l identificativo USCITA 2.2: Schiacciate su e selezionate la superficie di uscita del dominio. (La parete indicata dalla freccia in Fig. 9) 2.3: Premete il tasto centrale del mouse oppure sulla casella Apply. Premuto il tasto centrale o la casella Apply il meshatore dovrebbe aver creato la parte USCITA. 4. ATTENZIONE: Senza uscire dal comando create ora la parte PARETE, la quale è composta dalla supeficie superiore e quella inferiore del dominio. 3.1: Digitate nella casella Part l identificativo PARETE 3.2: Schiacciate su e selezionate la superfice superiore e quella inferiore del dominio. (Le superfici indicate dalle frecce in Fig. 10) 3.3: Premete il tasto centrale del mouse oppure sulla casella Apply. Premuto il tasto centrale o la casella apply il meshatore dovrebbe aver creato la parte PARETE. 5. Create ora la parte SIMMETRIA 4.1: Digitate nella casella Part l identificativo SIMMETRIA 4.2: Schiacciate su. Selezionate le superfici del dominio normali all asse del cilindro, Fig. 11.

11 3 Creazione delle parti 9 4.3: Premete il tasto centrale del mouse oppure sulla casella Apply. Premuto il tasto centrale o la casella Apply il meshatore dovrebbe aver creato la parte SIMMETRIA. Figura 10: Selezione delle superfici per la parte PARETE Figura 11: Selezione delle superfici per la parte SIMMETRIA

12 10 3 Creazione delle parti 6. Infine create la parte CILINDRO nel seguente modo. 5.1 Deselezionate dall albero di Parts la visuale della parte SIMMETRIA così come visibile in Fig Schiacciate su e selezionate le superfici che compongono il mantello del cilindro. 5.3 Premete il tasto centrale del mouse oppure sulla casella Apply. Premuto il tasto centrale o la casella Apply il meshatore dovrebbe aver creato la parte CILINDRO 5.4 Premete Dismiss Figura 12: Selezione delle superfici per la parte SIMMETRIA 7. Salvate il progetto ad. es. come Cilindro_Parts.prj

13 4 Creazione dei blocchi (Blocking) 11 4 Creazione dei blocchi (Blocking) Da qui in poi inizierete la creazione della struttura a blocchi indispensabile per la generazione della mesh strutturata. 4.1 Creazione del blocco iniziale 1. Dal Tab di funzionamento selezionate Blocking e poi cliccate sull icona Create Block indicata dalla freccia di Fig. 13. Figura 13: Selezione del comando Create Block 2. Comparsa la finestra di comando visibile in Fig. 14, premete direttamente su Apply. In questo modo verrà generato un blocco sovrapposto alle curve che delimitano il dominio. Inoltre dopo aver generato il blocco iniziale il meshatore inizializzerà una nuova parte chiamata VORFN e renderà disponibili tutti gli altri comandi del Tab Blocking utili a manipolare la struttura a blocchi. Provate a disattivare le superfici e le curve. In questo modo potrete vedere che gli edges, colorati di bianco, che compongono il blocco iniziale coincidono in questo caso con i bordi del dominio. Figura 14: Blocco iniziale

14 Associazione degli edges alle curve 4.2 Associazione degli edges alle curve Prima di proseguire con il blocking è bene vincolare il blocco iniziale a determinate entità geometriche. Questo può essere fatto in vari modi: 1. Associando i vertici a determinati punti 2. Associando gli edges a determinate curve 3. Associando le facce a determinate superfici In questo esempio vincolerete il blocco iniziale associando gli edges alle curve. A questo punto è utile far notare che per associare gli edges alle curve le curve devono essere attive/visibili. 1. Per operare con maggiore facilità visualizzate solo le curve, come indicato in Fig Dal Tab Blocking selezionate l icona Associate indicata dalla freccia (Fig. 15) e successivamente scegliete da Edit Associations il comando cerchiato in figura. Figura 15: Selezione comando 2.1: Premete sull icona, scegliete l edge indicato in Fig. 15 (che combacia con la curva del bordo) e premete il tasto centrale del mouse. L identificativo dell edge dovrebbe comparire nella casella Edge(s); (Fig. 15). 2.2: Premete sull icona, selezionate la curva indicata con la freccia che combacia in questo caso con quella dell edge. (Fig. 15) Una volta selezionata premete il tasto centrale del mouse. Premuto il tasto centrale il meshatore immediatamente associerà l edge selezionato alla curva selezionata.

15 4.2 Associazione degli edges alle curve 13 Figura 16: Selezione comando 3. ATTENZIONE senza uscire dal comando associate, in maniera analoga a quanto fatto in precedenza, l edge indicato dalla freccia di fig. 16 alla curva ad esso coincidente, come fatto in precedenza. 3.1: Premete sull icona, scegliete l edge evidenziato in Fig. 16 e premete il tasto centrale del mouse. Il nominativo del edge scelto dorvrebbe comparire nella casella Edge(s); (Fig. 16). 3.2: Premete sull icona, selezionate la curva indicata con la freccia che combacia in questo caso con quella dell edge. (Fig. 16) Una volta selezionata premete il tasto centrale del mouse. Premuto il tasto centrale il meshatore immediatamente associerà l edge selezionato alla curva selezionata. 4. A questo punto provate a deselezionare la visibilità delle curve. Facendo ciò dovreste notare che gli edges che avete associato si sono colorati di verde. Ricordate che ICEM utilizza il colore verde per indicare gli edges associati ad una o più curve. 5. Associate i restanti edges alle rispettive curve, operando in modo analogo a quanto fatto finora. 6. Finite le associazioni salvate il progetto come Cilindro_bloccoIniziale.prj

16 14 5 Decomposizione in più blocchi 5 Decomposizione in più blocchi Per poter costruire la mesh il blocco iniziale sarà decomposto in più blocchi. Questò sarà fatto attraverso l esecuzione di opportuni tagli (split). 5.1 Esecuzione dei Tagli 1. Dal Tab Blocking selezionate l icona indicata dalla freccia in Fig Dal Split Block cliccate sull icona cerchiata (Fig. 17) 2.1: Cliccate sul simbolo e selezionate l edge indicato dalla freccetta. 2.2: Una volta visibile il taglio spostatelo all incirca nella posizione visibile in Fig. 17, cioè circa un diametro a monte del cilindro, e premete il tasto centrale del mouse. Figura 17: Primo Taglio 2.3: Cliccate sull edge indicato dalla freccetta in fig : Una volta visibile il taglio spostatelo all incirca nella posizione visibile in Fig. 18, circa un diametro a valle del cilindro e premete il tasto centrale del mouse. 2.5: Cliccate sull edge indicato dalla freccetta in fig : Una volta visibile il taglio spostatelo all incirca nella posizione indicata in Fig. 19, circa un diametro sopra il cilindro, e premete il tasto centrale del mouse. 2.7: Cliccate sull edge indicato dalla freccetta in fig : Una volta visibile il taglio spostatelo all incirca nella posizione visibile in Fig. 20, circa un diametro sotto il cilindro, e premete il tasto centrale del mouse. 2.9 : Premete Dismiss

17 5.1 Esecuzione dei Tagli 15 Figura 18: Secondo Taglio Figura 19: Terzo Taglio Figura 20: Quarto Taglio

18 Associazione di alcuni edges 5.2 Associazione di alcuni edges 1. Settate la visuale in maniera analoga a quella di fig Dal Tab Blocking selezionate l icona Associate indicata dalla freccetta (21) e successivamente scegliete da Edit Associations il comando cerchiato. 2.1: Premete sull icona, scegliete gli edges indicati in Fig. 21 e premete il tasto centrale del mouse. I nominativi degli edges scelti dorvrebbero comparire nella casella Edge(s); 2.2: Premete sull icona, selezionate le curve indicate con le frecce (Fig. 22) Una volta selezionate, premete il tasto centrale del mouse. Premuto il tasto centrale il meshatore immediatamente associerà gli edges selezionati alla curve selezionate. Figura 21: Selezione degli edges Figura 22: Selezione delle curve

19 5.2 Associazione di alcuni edges : Premete sull icona, scegliete gli edge indicati in Fig. 23 e premete il tasto centrale del mouse. I nominativi degli edges scelti dorvrebbero comparire nella casella Edge(s); 2.4: Premete sull icona, selezionate le curve indicate con le frecce (Fig. 24) Una volta selezionate premete il tasto centrale del mouse. Premuto il tasto centrale il meshatore immediatamente associerà gli edges selezionati alla curve selezionate. Figura 23: Selezione degli edges Figura 24: Selezione delle curve

20 Proiezione dei vertici sulle curve 5.3 Proiezione dei vertici sulle curve 1. Selezionate dal menu Edit Associations il comando cerchiato (Snap Project Vertices). Lasciate le impostazioni di default e premete il tasto Apply. Questa operazione dovrebbe produrvi il risultato di Fig. 25. Come potete notare i vertici degli edges si sono adagiati sulle curve alle quali gli stessi edges sono stati precedentemente associati. Figura 25: Snap dei vertici 2. Salvate il progetto con il nome Cilindro_Snap.prj

21 5.4 Creazione della O-Grid attorno al cilindro Creazione della O-Grid attorno al cilindro Per catturare al meglio lo strato limite, e per garantire una migliore qualità della griglia, conviene costruire attorno al cilindro la struttura a blocchi nota come O-Grid 1. Selezionate il Tab Blocking e poi schiacciate sull icona Split Block indicata dalla freccia in Fig. 26 Figura 26: Selezione comando Ogrid Block 2. Dal menu Split Block selezionate il comando cerchiato Ogrid Block. (Fig. 26) 3. Dal menu Ogrid Block schiacciate sull icona cerchiata e poi: 3.1: Premete/selezionate il blocco centrale (colorato di nero) di Fig : Selezionato il blocco premete il tasto centrale del mouse. Fatto ciò il blocco dovrebbe apparire rimpicciolito come in Fig Dal menu Ogrid Block schiacciate sull icona cerchiata di Fig. 28 e poi: 4.1: Selezionate le due facce indicate dai rettangoli di Fig : Premete il tasto centrale del mouse Fatto ciò dovreste ottenere il risultato visibile in Fig Barrate l opzione Around block(s) e inserite un valore di Offset pari a 0.2. (Fig. 30). 6. Premete Apply Fatto ciò dovreste ottenere una struttura come quella visibile in Fig Salvate il progetto con il nome Cilindro_Ogrid.prj

22 Creazione della O-Grid attorno al cilindro Figura 27: Selezione blocco Figura 28: Selezione blocco

23 5.4 Creazione della O-Grid attorno al cilindro 21 Figura 29: Selezione blocco Figura 30: Visualizzazione della O-Grid

24 Mesh di primo tentativo 5.5 Mesh di primo tentativo Per generare la mesh di primo tentativo operate come segue: 1. Dal Tab Mesh selezionate l icona indicata dalla freccia di Fig. 31 Figura 31: Selezione comando 2. Settate il comando come di seguito 2.1: Premete sull icona 2.2: : Posizionate il mouse al centro del dominio e schiacciate il tasto a. In questo modo tutte le superfici saranno selezionate e compariranno nella casella Surface(s) 2.3 : ponete un valore di Maximum size pari a : Schiacciate Apply 3. Dall albero Blocking barrate/accendete la Pre-Mesh. 3.1: Apparso il messaggio soprastante premete su YES Fatto ciò dovreste ottenere la mesh di Fig. 32. Tale mesh però non è ancora corretta poichè gli elementi ricoprono il cilindro.

25 5.6 Eliminazione del blocco del cilindro 23 Figura 32: Mesh di tentativo 5.6 Eliminazione del blocco del cilindro 1. Spegnete la Pre-Mesh 2. Posizionatevi con il mouse sulla Parts VORFN, schiacciate il tasto destro e selezionate Add to Part come visibile in Fig. 33. Figura 33: Selezione comando 3. Apparso il comando, schiacciate sull icona cerchiata di Fig. 34 e poi: 3.1: Selezionate il blocco corrispondente al cilindro. 3.2: Premete il tasto centrale del mouse Fatto ciò dovreste ottenere il risultato di Fig. 35

26 Eliminazione del blocco del cilindro Figura 34: Selezione del blocco Figura 35: Spostamento del blocco in VORFN Figura 36: Mesh corretta 4. Accendete la Pre-Mesh. Con ciò dovreste ottenere la mesh visibile in Fig Spegnete la Pre-Mesh 6. Salvate il progetto con il nome Cilindro_Mesh1.prj

27 6 Cambio di distribuzione 25 6 Cambio di distribuzione Per infittire la mesh si può agire modificando la distribuzione dei nodi dei singoli edges che formano il blocking. Di seguito per infittire la mesh utilizzerete la distribuzione (mesh law) di Poisson e Uniform. Nella distibuzione di Poisson dovrete settare tutti i campi presenti nel apposito comando mentre nella distibuzione uniform basterà settare il numero di nodi. 1. Selezionate il Tab Blocking, schiacciate sull icona Pre-Mesh Params indicata dalla freccia e selezionate il comando cerchiato (vedi Fig. 37). 2.1: Premete su e poi selezionate ad.es. l edge indicato dalla freccia. Assicuratevi che la selezione dell edge sia stata ricopiata nell apposita casella. 2.2: Cambiate il numero di nodi Nodes ponendolo pari a : Scegliete la Mesh law Poisson 2.4: Settate i restanti campi così come visibile in Fig : Barrate l opzione Copy Parameters, e scegliete To All Parallel Edges 2.5: Premete Apply Figura 37: Distribuzione nodi sulla O-grid

28 26 6 Cambio di distribuzione 2.6 Premete su e poi selezionate ad.es. l edge indicato dalla freccia di fig. 38 Assicuratevi che la selezione dell edge sia stata ricopiata nell apposita casella. 2.7: Cambiate il numero di nodi Nodes ponendolo pari a : Scegliete la Mesh law Uniform 2.9: Lasciate gli altri campi come di default in quanto non vengono considerati in questo tipo di distribuzione 2.4: Barrate l opzione Copy Parameters, e scegliete To All Parallel Edges 2.5: Premete Apply Figura 38: Distribuzione nodi 2. Operando in modo analogo, modificate le distribuzioni dei restanti edges così come indicato nelle Fig Modificate le distribuzioni, salvate il progetto con il nome Cilindro_MeshFinale.prj

29 6 Cambio di distribuzione 27 Figura 39: Distribuzione nodi Figura 40: Distribuzione nodi

30 28 6 Cambio di distribuzione Figura 41: Distribuzione nodi Figura 42: Distribuzione nodi

31 6 Cambio di distribuzione 29 Figura 43: Distribuzione nodi 4. Attivate la Pre-Mesh dovreste ottenere una mesh simile a quella visibile nelle fig Figura 44: Vista dell intera mesh

32 30 6 Cambio di distribuzione Figura 45: Primo zoom Figura 46: Secondo zoom

33 7 Check Quality 31 7 Check Quality Per verificare che la mesh creata sia effettivamente buona dovete eseguire un check della mesh. I parametri che normalmente si valutano sono il determinante 3x3x3 e l angolo, poichè attraverso ad essi è possibile valutare la deformazione delle celle e la presenza di eventuali celle compenetranti. 1. Selezionate dal Tab Blocking l icona indicata dalla freccia in Fig. 47. Figura 47: Selezione comando 1.1: Scegliete come criterio: determinant 3x3x3. (fig. 48) 1.2: Assicuratevi che non sia barrato Active parts only 1.3: Premete Apply Dovreste ottenere il risultato visibile in Fig. 50. Figura 48: Check Determinant 3x3x3 Figura 49: Check Angle Figura 50: Determinant 3x3x3 Figura 51: Angle 1.4: Scegliete come criterio: Angle (Fig. 49) 1.5: Assicuratevi che non sia barrato Active parts only 1.6: Premete Apply Dovreste ottenere la distribuzione di Fig. 51. Si fa presente che una mesh strutturata può considerarsi di buona qualità se il determinante 3x3x3 è maggiore di 0.3 e se l angolo è maggiore di 18 gradi. Per questo motivo la presente mesh è di qualità ottima.

34 32 8 Output to CFX 8 Output to CFX 1. Inanzitutto dovete convertire la mesh da strutturata a non-strutturata perchè il Solver di CFX lavora con le mesh non-strutturate Tasto destro su Pre-Mesh e poi selezionate Convert to Unstruct Mesh così come indicato in Fig. 52. Figura 52: Conversione Mesh 2. Selezionate il Tab Output, schiacciate sull icona Select Solver indicata dalla freccia in Fig. 53 Impostate Output Solver ANSYS CFX. Figura 53: Selezione Solver

35 8 Output to CFX Schiacciate sull icona Write Input indicata dalla freccia in Fig : Appena schiacciata l icona, il meshatore vi chiederà di salvare il progetto. Scegliete YES. Figura 54: Salvataggio progetto 3.2: Salvato il progetto dovrebbe apparirvi la finestra con le opzioni di output di Fig. 55. Lasciate le opzioni di default e premete Done Figura 55: Finestrella di Output!!!!! Complimenti!!!!! ora potete importare la mesh in CFX-Pre ed eseguire le simulazioni.

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