Ćwiczenie nr 6

Zjawiska cieplno-przepływowe w zaizolowanym kanale.

Wstęp:

Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie symulacji przepływu czynnika przez rurę, która jest zaizolowana, a ciepło przenika do otoczenia.

Cele ćwiczenia:

• Tworzenie siatki numerycznej składającej się z więcej niż jedna domen

• Generacja siatki za pomocą wyciągania dwuwymiarowych elementów siatki

• Symulacja zjawisk sprzężonych poprzez łączenie domen za pomocą interface'u

Zadania do wykonania:

1. Przygotowanie geometrii i tworzenie siatki numerycznej.

1. Utwórz punkty o koordynatach i na ich podstawie utwórz okrąg (Create/Modify Curve>
   ):

nr punktu	x	y	z
pnt.00	0	0	0
pnt.01	0	10	0
pnt.02	10	0	0




2. Stwórz dwuwymiarowy blok (2D planar surface) o nazwie WLOT

3. Przypisz krawędzie bloku do okręgu za pomocą funkcji Blocking>Associate
   i z okna dialogowego wybierz Associate Edge to Curve
   

4. Z menu głównego w zakładce Blocking wybierz Pre-Mesh Parms
   i z okna dialogowego wybierz Edge Params. Następnie podziel wszystkie krawędzie bloku na 20 równooddalonych elementów. Następnie włącz widok Pre-Mesh i sprawdź, czy poprzednie kroki wykonane zostały poprawnie.




5. Sprawdź jakość otrzymanego Pre-Mesh poprzez kliknięcie na Blocking>Pre-Mesh Quality Histograms
   

1. W opcjach jako Criterion wybierz Aspect Ratio i kliknij Apply.

2. Na powstałym histogramie elementy Pre-Mesh ułożone są od najgorszych do najlepszych. Odznacz widoczność Pre-Mesh a następnie kliknij na słupki histogramu odpowiadające najgorszym elementom by zobaczyć, gdzie się one znajdują.




6. W celu poprawy jakości utwórz O-grid
   

1. Wybierz Select Block a następnie zaznacz odpowiedni blok. Zaakceptuj swój wybór środkowym przyciskiem myszy a następnie kliknij Apply.

7. Ustaw położenie nowopowstałych Vertices

1. Z zakładki Blocking wybierz narzędzie Move Vertices
   




2. Wybierz lokalizację odniesienia jako punkt w lokalizacji (0,0,0), który utworzyłeś na początku ćwiczenia

3. Każdy z czterech Vertices wybieraj osobno (Vertices to Set) i określaj jego współrzędne tak, aby zachować kształt konstrukcji, a odpowiednie wierzchołki znajdowały się w punktach:

x	y	z
3	3	0
-3	3	0
3	-3	0
-3	-3	0

4. Efekt końcowy powinien wyglądać następująco:




5. Następnie podziel ukośne krawędzie (Pre-Mesh Parms
   ) w taki sposób, że: Nodes > 30; Mesh Law> Exponential1; Spacing1>0.1




6. Przekształć Pre-Mesh w siatkę (Pre-mesh> Convert to Unstruct Mesh)

8. Uzyskaną siatkę wyciągnij wzdłuż osi Z, by otrzymać trójwymiarową siatkę rurociągu

1. Upewnij się się, że wszystkie elementy siatki są widoczne




2. Urzyj Edit Mesh > Extrude Mesh
   . W pierwszej kolejności wybierz elementy - wszystkie widoczne
   . Pozostałe opcje dobierz tak jak na rysunku i zaakceptuj przyciskiem Apply




9. Za pomocą tej samej metody wyciągnij elementy ściany bocznej rury, tak aby powstała izolacja.

Uwaga! W powstałej siatce elementu rura połowa elementów może mieć wektor normalny skierowany do środka, a część na zewnątrz walca. Aby zunifikować kierunki należy użyć opcji Edit Mesh > ReOrient Mesh
i Reorient Consisten
. Następnie wybrać dowolny element 2D z powierzchni siatki rury i zaakceptować.

1. Upewnij się, że wszystkie elementy siatki w dalszym ciągu są widoczne oraz że na ekranie wyświetlona jest wyłącznie siatka z części RURA.

2. Ponownie użyj narzędzia extrude, tym razem z następującymi parametrami:

Parametr	Wartość
New Volume name	IZOLACJA
New side part	BOKI
New top part	ZEW
Spacing type	Function
Spacing	0.1*layer

Zaakceptuj

3. Sprawdź poprawność siatki (wygląd, przypisanie do poszczególnych części) i wyeksportuj siatkę do formatu ANSYS CFX.

2. Przygotowanie symulacji

1. Importuj siatkę numeryczną do CFX Pre w jednostkach cm

2. Utwórz dwie domeny

1. Płyn

Parametr	Wartość
Domain Type	Fluid
Material	Air Ideal Gas
Ref. Pressure	1 atm
Heat Transfer	Thermal Energy
Turbulence	Laminar

2. Izolacja

Parametr	Wartość
Domain Type	Solid
Material	Aluminium
Heat Transfer	Thermal Energy

3. Utwórz warunki brzegowe w domenie Płyn

1. Wlot

Parametr	Wartość
Boundary Type	Inlet
Mass and Momentum	Normal Speed
Normal Speed	1 m/s
Static Temperature	390 K

2. Wylot

Parametr	Wartość
Boundary Type	Outlet
Mass and Momentum	Average Static Pressure
Relative Pressure	0

4. Utwórz warunki brzegowe w domenie Izolacja

1. Zew (powierzchnia zewnętrzna izolacji)

Parametr	Wartość
Boundary Type	Wall
Heat Transfer	Heat Transfer Coeff.
Heat Trans. Coeff.	100 W/(m^2 K)
Outside Temperature	270 K

2. Boki (ściany naokoło wlotu i wylotu)

Parametr	Wartość
Boundary Type	Wall
Heat Transfer	Adiabatic

5. Stwórz Interface
   o parametrach

Parametr	Wartość
Interface Type	Fluid Solid
Side 1 > Domain	Izolacja
Region List	RURA_2
Side 2 > Domain	Plyn
Region List	RURA_1
Additional Interface Models	Heat Transfer
Interface Model	Thin Material
Material	Copper
Thickness	3 mm

! Uwaga: Jeżeli na liście Region List nie ma odpowiedniej powierzchni należy użyć przycisku


6. Sprawdź poprawność przypisania domen i warunków brzegowych i uruchom moduł Solver

3. Postprocessing

1. Za pomocą powierzchni (Planes) wykreśl rozkłady temperatur w płynie i w izolacji

2. Stwórz wykres pokazujący rozkład temperatury wzdłuż promienia rury

3. Zaznacz widoczność zewnętrznej ściany izolacji i pokoloruj ją według wartości Heat Flux

4. Oblicz całkowitą moc cieplną przepływającą przez powierzchnię zewnętrzną izolacji

1. Stwórz nowe wyrażenie (Insert > Expression), nazwij ją wedle uznania

2. W definicji wyrażenia użyj: areaInt(Heat Flux)@Zew i kliknij Apply

! Uwaga: Wyrażenie areaInt oblicza całkę po powierzchni. Inne podobne funkcje z taką samą składnią to np.: volumeInt (całka po objętości), areaAve (średnia z powierzchni), probe (pobranie wartości z punktu)

4. Wróć do modułu CFX Pre i zmień materiał izolacji

1. Stwórz nowy materiał (Insert > Material). Nazwij go Welna i przyporządkuj mu właściwości wełny mineralnej (ciało stałe o odpowiedniej gęstości, pojemności cieplnej, współczynniku przewodzenia).

2. We właściwościach domeny Izolacja zmień materiał na Welna

3. Powtórz obliczenia z nową izolacją i porównaj wyniki

p_o

wylot

interface

wlot

T₁, w₁

λ

T_o

α

---