Esempio di analisi con ANSYS-CFX 11

Esempio di analisi con ANSYS-CFX 11 Enrico Nobile Francesco Pinto Dipartimento di Ingegneria Navale, del Mare e per l Ambiente DINMA, Sezione di Fisica Tecnica Facoltà di Ingegneria, Università di Trieste 1 Sommario Introduziozne Definizione del problema Rilievi sperimentali Avvio di ANSYS Geometria (Design Modeler) Generazione Mesh (CFX-Mesh) CFX-Pre Dominio fluido Condizioni al contorno Parametri del Solver e definition file Solver Manager Monitoring dei risultati CFX-Post 2 1

Introduzione Obiettivo: Seguire, passo passo, un problema completo di CFD con CFX-5 Problema geometricamente semplice, ma con interessanti aspetti fisici Interesse nel riprodurre I rilievi sperimentali Qualità delle previsioni influenzate dalle modalità di analisi Altri casi per cui è facile reperire dati e visualizzazioni sperimentali: Perdite di carico attraverso variazioni di sezione, organi di strozzatura, Scambio termico convettivo su lastra piana, cilindro investito da corrente trasversale,.. Caratteristiche di portanza e resistenza su profili alari 2D (es: serie 4 e 5 NACA ) 3 Definizione del problema Si desidera studiare il flusso turbolento, per un fluido incomprimibile (acqua a 20 C) ed in assenza di scambio termico, attraverso una curva a 90 di una tubazione a sezione circolare: Dati del problema: D = 50 mm L 1 = 200 mm L 2 = 300 mm r e = 150 mm, r i =100 mm U m = 0.2 m/s µ = 1x10-3 kg/(m*s) ρ = 998 kg/m 3 Re = 9980 4 2

Rilievi sperimentali Dai rilievi sperimentali (H. Nippert, 1929): Eventuale presenza di fenomeni di separazione, sia all intradosso che all estradosso della curva Sovrapposizione, al moto principale, di una corrente secondaria, che tende a spostare i valori massimi della velocità verso il lato esterno Doppio moto spiraliforme, che si estende per un tratto molto lungo dopo la fine della curva, anche (40 60)D. 5 Avvio di ANSYS Workbench Avvio di ANSYS Workbench Doppio clic sull icona del desktop (oppure start programmi ANSYS 11.0 ANSYS Workbench) Apertura di un nuovo progetto Click sull icona Empty Project Nuovo Progetto 6 3

Avvio di ANSYS Workbench Salvataggio del progetto Scegliere la cartella di lavoro Rinominare in Gomito.wbdb 7 Avvio di DesignModeler Cliccare su New geometry Compare un menù per la scelta dell unità di misura: scegliere millimetri e click su OK Unità di misura Avvio di DesignModeler 8 4

Geometria Nella generazione della geometria, vi sono sempre più modalità per giungere al medesimo risultato: la scelta, oltre che dettata dall esperienza, dipende da numerosi fattori, quali: Facilità della successiva generazione della griglia, e qualità della griglia Parametrizzazione della geometria (analisi parametriche, ottimizzazione) Esportazione risultati verso altri prodotti (es. interazioni fluido-struttura) Ordine di generazione degli elementi 9 Geometria Selezionare il piano YZ e con il tasto destro del mouse selezionare l opzione Look at per spostare la vista sul piano stesso Click sull icona New Sketch Rinominare lo schizzo in Diametro Spostarsi sul menù sketching per disegnare un profilo 2D Icona Nuovo Schizzo Rinominare Schizzo Menu Sketching 10 5

Selezionare l opzione circonferenza Geometria Posizionare il puntatore del mouse all origine degli assi fino alla comparsa della lettera P, indicante l opzione di snap al punto Premere il tasto sinistro, trascinare il mouse in senso radiale e rilasciarlo per definire il raggio Selezionare il menu Dimensions per definire in modo parametrico il valore del diametro Menu Dimensions 11 Selezionare l opzione Diametro Geometria Spostare il mouse sulla circonferenza Click per associare la quota D1 all entità geometrica Nel menu dettagli digirare il valore del diametro (50 mm) nell apposita casella. Definizione Quota 12 6

Geometria Nell albero di Modeling selezionare lo schizzo da estrudere Click sull icona Extrusion in alto a sinistra Rinominare l estrusione in TuboMonte, come già fatto per lo schizzo Impostare la direzione di estrusione Reversed Definire la profondità di estrusione (Depth) a 200 mm Click sull icona Generate, lasciando gli altri parametri al valore di default 13 Geometria Riportarsi sul piano YZ e generare un nuovo schizzo, da rinominare in Asse Selezionare gli strumenti di sketching e dal menu disegno click su Line Tracciare, mantenendo premuto il tasto sinistro del mouse, una linea orizzintale, facendo attenzione che ci sia una lettera H vicino alla linea Passare al menu Dimensions e selezionare una quota verticale Click sulla linea da quotare e poi sull asse delle Y, per definire la quota Definire, come prima, il corretto valore della quota (125 mm) 14 7

Geometria Selezionare l opzione di modellazione: Revolve Rinominare la feature in Gomito Nella finestra di dettaglio, associare al base object lo schizzo Diametro e alla voce axis lo schizzo Asse (in figura è selezionato lo schizzo Asse : premendo Apply lo si associa all asse di rotazione) Impostare l angolo di rivoluzione a 90 Click su Generate 15 Geometria Ruotare il tubo in modo da portare in primo piano la superficie a valle del gomito Click sull icona New Plane Rinominare in PianoValle Nella zona dettagli, tra i possibili tipi, selezionare From Face Spostarsi su Faccia di base, selezionare la faccia nel viewpoint e poi premere Apply Infine Generate, per creare in piano Icona New Plane 16 8

Geometria Una volta generato il piano generare una nuova feature estrusione, rinominandola in TuboValle Associare all oggetto base il piano appena creato. (In questo modo vengono estruse tutte le superfici presenti nel piano) Definire una profondità di estrusione pari a 300 mm Generare la feature 17 Geometria Salvare la geometria appena creata col nome di Gomito. L estensione del file è.agdb Per comodità, spotarsi sulla finestra project e salvare l intero progetto (estensione.wbdb ). In questo modo si potra accedere a tutte le fasi del progetto da uno stesso ambiente Cliccare su New mesh, per entrare nell ambiente CFX-Mesh Entrata CFX-Mesh Stato del progetto 18 9

Generazione Mesh Nell ambiente meshing è necessario scegiere la metodologia di creazione della mesh Tra le opzioni scegliere CFD come Physics Preference Scegliere CFX-Mesh come metodo 19 Generazione Mesh Nell albero del modello: tasto destro del mouse su Regions e selezionare : Insert Composite 2D Region Rinominare in INGRESSO Selezionare la faccia di ingresso al tubo a monte della curva, riconoscibile dalla posizione rispetto agli assi (per comodità, il ramo più corto) Premere su Apply Eseguire la stessa operazione sulla faccia di USCITA 20 10

Generazione Mesh Eseguire la stessa operazione sulle pareti laterali, rinominando la regione in PARETE La parete è costituita da 3 superfici, per eseguire la scelta di più superfici, tenere premuto il tasto Ctrl 21 Generazione Mesh Definizione delle dimensioni della mesh di volume: Evidenziare la voce Default Body Spacing e impostare il valore di Maximum Spacing a 5mm Definizione delle dimensioni della mesh di superficie: Evidenziare la voce Default Face Spacing e impostare il valore di Maximum Edge Length a 5mm Definizione della mesh prismatica: Tasto destro sulla voce Inflation e click su Inflated Boundary Selezionare PARETE e premere Apply 22 11

Generazione Mesh Generazione della mesh di superficie Generazione della mesh di volume Salvare il file Gomito che avrà estensione.cmdb Mesh di superficie Mesh di volume 23 CFX-Pre Tornare alla Tab del progetto e cliccare su Create CDF Simulation with mesh Nuova Simulazione CFD 24 12

CFX-Pre Viene creata una nuova istanza di CFX 11, integrata in Workbench 25 CFX-Pre: Dominio Icona Create Domain Passare al selector Physics Creare un nuovo dominio premendo sull apposita icona e nominarlo Gomito Comparirà una finestra intitolata Edit Domain: dalla Fluids List, selezionare Water Lasciare gli altri parametri al valore di default 26 13

CFX-Pre: Condizioni al Contorno Click sull icona Create Boundary Conditions, compare la finestra Insert Boundary Nominare la B.C Inlet ed assiciarla al dominio Gomito Premere OK: compare una finestra dal titolo Boundary:Inlet nella quale è possibile asociare ad una delle locations (Regions) il Boundary type di riferimento Associare alla Location INGRESSO il tipo di B.C. Inlet Icona Create B.C. 27 CFX-Pre: Condizioni al Contorno Prima di completare la definizione della condizione al contorno,è necessario impostare alcuni parametri legati al tipo ci condizione al contorno Passare alla finestra Boundary Details Settare il valore della velocità a 0,2 m/s Lasciare gli altri paramertri invariati e premere Apply Set Velocità 28 14

CFX-Pre: Condizioni al Contorno La stessa operazione va fatta sulle altre facce del dominio Creare una nuova B.C. da chiamare Outlet Definire il tipo di condizione al contono in Outlet Associare la condizione alla Region USCITA Passare alla finestra Boundary Details Impostare a 0 Pa il valore della Relative Pressure Premere OK 29 CFX-Pre: Condizioni al Contorno L ultima condizione è quella da associare alla parete del tubo Creare una nuova B.C. da chiamare Wall Definire il tipo di condizione al contono in Wall Associare la condizione alla Region PARETE I valori di default nella finestra Boundary Details sono quelli di parete fissa (No Slip) 30 15

CFX-Pre: Parametri del Solver Icona Solver Control Icona Solver File Click sull icona Solver Control Impostare lo schema convettivo Upwind Mantenere gli altri criteri di soluzione al valore di default e premere OK Click sull icona Write Solver File e premere OK per attivare il Solver Manager 31 Solver Manager All apertura del Solver Manager, il Definition File da cui eseguire la simulazione è già impostato. Lasciare vuota la voce Initial Value File e premere Start Run 32 16

Solver Manager Durante la simulazione è possibile monitorare i risultati sia graficamente che quantitativamente Alla fine del calcolo è possibile accedere direttamente a CFX-Post (i risultati vengono importati automaticamente) Valore Residui Icona CFX-Post Numero Iterazione 33 Post-Processing All apertura è visibile solo il wireframe del tubo, che consiste nelle 2 sezioni di ingresso e uscita. Per evidenziare la geometria spuntare la casella a fianco alla voce Wall nell albero delgli oggetti 34 17

Post-Processing Proviamo ad evidenziare la presenza di moti secondari per mezzo di linee di flusso Icona Streamlines Click su Stream Lines e OK nella finestra New Streamline All opzione Start From, scegliere Inlet Ne sotto-menu Symbol, definire ad 1 il valore di Line Width 35 Post-Processing Il risultato, proposto secondo due differenti visuali, denota la pressoché TOTALE ASSENZA DI MOTI SECONDARI 36 18

Post-Processing Si può confrontare qualitativamente il modulo della velocità in un piano con i risultati sperimentali Creare un nuovo piano Valle e chiamarlo Nella sezione Definition scegliere come metodo XY Plane (parallelismo al piano XY) Definire Z pari a -125 mm In questo modo si è creato un piano in corrispondenza dell uscita del gomito, su cui disegnare un contour della velocità 37 Post-Processing Creare un nuovo contour Valle e chiamarlo Contour Nella sezione Definition impostare la location sul piano Valle Scegliere come variabile al velocità e impostare il numero di contour desiderati 38 19

Post-Processing Premere il tasto destro sulla vista 3D Fit View Selezionare Predefined Camera e poi View Towards +Z Deselezionare tutto tranne Contour Valle Cliccare su Fit View 39 Post-Processing Si ottiene il seguente risultato: Il campo di velocità ricorda solo vagamente quello rilevato sperimentalmente, in cui vi è uno spostamento del massimo delle velocità verso l esterno, nonostante la griglia di calcolo sia abbastanza fine 40 20

Post-Processing Proviamo ad eseguire di nuovo il calcolo, ma con alcuni cambiamenti per quel che riguarda i parametri del solver Proviamo ad eseguire di nuovo il calcolo, ma con alcuni cambiamenti per quel che riguarda i parametri del solver Cambiare lo schema convettivo da Upwind a High Resolution Modificare il valore del Residual Target da 1e-4 a 1e-5 I parametri della mesh rimangono gli stessi: circa 150000 elementi, di cui 100000 tetraedri e 50000 prismi I tempi di calcolo, invece, passano da 7 minuti e mezzo a circa 45 minuti su un processore Athlon 1800+ I risultati, però, sono visibilmente differenti 41 Post-Processing 42 21

Post-Processing I risultati numerici sono in maggior accordo con quelli sperimentali 43 Post-Processing Un analisi più quantitativa e che potrebbe costituire una delle ragioni del calcolo riguarda la valutazione delle perdite di carico Si tratta, in questo caso, di una perdita di carico localizzata, che solitamente viene espressa secondo una relazione del tipo: Dove K varia in funzione del tipo di perdita (restringimento, gomito, curva, diaframma etc.) Nel caso di una curva, K è funzione di: Rapporto rc/d, con rc raggio di curvatura dell asse della curva Tipo di superficie (liscia o scabra) Numeri di Reynolds 1 p = K ρu 2 Per la valutazione della perdita di carico possiamo calcolare la pressione sui due piani immediatamente a monte (X = 0 mm) e a valle (Z = -125 mm) della curva 2 44 22

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