ANSYS v14.5 Update CFD
Ludvík Láníček Brno, 13. března 2013 1
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
© 1991-2013 SVS FEM s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Materiály, včetně všech částí a příloh, jsou chráněny autorskými právy. Jakékoliv jejich užití mimo rámec autorských práv je vázáno na písemný souhlas fy. SVS FEM s.r.o. To platí především o kopírování, překladech, mikrofiších a zpracování elektronickými systémy.
2
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Manipulace s mřížkou
3
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
CutCell Remeshing (FL) •
Remesh cutcell meshes with boundary layers (FL) – Použití hexa-dominantní mřížky s prismatickou vrstvou pro deformující se mřížky – Není potřeba dodatečných rozdělení objemů pro generaci sítě – Remeshing je sériový •
4
Není tedy vhodný pro velmi velké modely
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Identifikace dotyku (FL) •
• •
Detekce kontaktů, dosednutí pro simulaci ventilů, FSI aplikace • Podchycení ploch, které se k sobě přiblíží do definované vzdálenosti, a zabránění tak vzájemné kolizi pohybujících se stěn • Chování proudového pole ve štěrbině lze popsat s pomocí porézní oblasti UDF definuje, jak se bude chovat kontakt V aktuální verzi není kompatibilní se „Systems Coupling“ Detekce kontaktu na modelu, kde se stěny proti sobě deformují v sinusovém tvaru
5
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Detekce kontaktů v modelu se „skákajícími koulemi“
Pohyb mřížky na hranicích (CFX) Klouzající mřížka Paralelní vazba mřížky na okrajovou podmínku – Mřížka na povrchu se může po ní pohybovat – Popis geometrie, ani parametrizace klouzání mřížky nejsou potřeba – Obecný pohyb na modelu pak lze předepsat s menším počtem topologií • Klesá potřeba interpolace mezi jednotlivými mřížkami • Udržení kvalitní sítě (ortogonality) přes delší rozsah pohybu mřížky • Snižuje se potřeba uživatelem kontrolovat pohyb mřížky
Výpočet pojistného ventilu s deformující se mřížkou. Demonstrace kvality elementů v průběhu oscilace ustálení pozice kuličky 6
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Pohyb mřížky na hranicích (CFX) Pohyb mřížky na rotačních plochách •
Pohyb mřížky na rotačních plochách pro dodržení kvality sítě („Surface of Revolution“) – Uživatelem definovaná osa rotace – Povrchová síť klouže po rotační ploše definované osou a poloměrem z jejího počátečního tvaru – Zachovává se konstantní hodnota rádiusu pro každou osovou pozici – Celkový pohyb mřížky se řídí podle tvaru počáteční mřížky – Základní použití je pro modelování kmitání lopatek • Podle kmitajícího konce lopatky se deformuje povrchová mřížka na stěně • Vylepšení robustnosti výpočtu pro velké amplitudy • Zajištění odpovídající kvality mřížky
7
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Demonstrace pohybu deformující se mřížky na rotační ploše při výpočtu kmitání lopatky („flutter“)
Pohyb mřížky na hranicích (CFX) Relativní posuv •
Pohyb mřížky relativně k její počáteční pozici – Důležité pro periodický pohyb • Vyvarování se akumulace chyb přes časový úsek • Zajištění soudržné sítě přes jednotlivé cykly – Příklady použití • Pohyb pístu • Kmitání lopatek
8
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Simulace kmitajících lopatek turbíny s posuvem definovaným kolmo na jejich tětivu, tedy kde zachování soudržné mřížky je zásadní
Pohyb mřížky na hranicích (CFX) Elastická mřížka Deformace mřížky „Elastic Analogue“ β – Jiná varianta než základní algoritmus „Displacement diffusion“ – Mřížka se chová jako elastický materiál – Pomáhá zachovat ortogonalitu sítě – Kompatibilní se stávajícími modely tuhosti mřížky (options) • Tuhost mřížky se zvyšuje se zmenšujícími se objemy jednotlivých elementů – Vyšší výpočetní náročnost
Elastic Analogue (tuhost mřížky f(objem))
Lepší udržení ortogonality mřížky
Displacement diffusion (tuhost mřížky f(wall dist))
9
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Adjoint Solver (FL) •
Lze definovat kombinované proměnné – Definovaných proměnných pro inženýrské účely •
např.: poměr vztlak/odpor, nerovnoměrnosti hmotnostního toku na výstupu
– Jednodušší definování celkového směru vylepšení (minimum, maximum)
•
Podpora posuvné a rotační periodicity – Ve verzi 14.5 nejsou podporovány: SRF, MRF a sliding mesh
•
Příklad s 2D posuvnou periodicitou: vektory „Optimal Displacement“ na lopatce pro poměr vztlak/odpor
Postprocessing – Hladší vykreslování výsledků po obecných plochách • • • •
10
Optimal displacement vectors Oriented optimal displacement Oriented shape sensitivity Sensitivity to viscosity
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Orientovaný „Optimal Displacement“: Pro snížení tlakové ztráty červené oblasti stlačit, modré vytáhnout
Mesh Morpher (FL) •
Fluent Mesh Morpher a Optimizer parameters spolupracuje s Design Explorer – Kombinace optimalizačních nástrojů DesignXploreru s Fluent Mesh Morpher a Optimizer (MMO) • • •
•
Rychlejší optimalizace Závislosti mezi parametry Vícenásobné operace
Zlepšení používání „Mesh Morpher and Optimizer (MMO)“ – Předělané uživatelské rozhraní – Celkový report pro MMO v grafickém rozhraní
•
Lepší kontrola změn MMO oblasti s pomocí okrajové oblasti – Definování rozměrů MMO kontrolní oblasti jako násobek od vybrané 2D oblasti • 11
Výrazné zjednodušení práce
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Ovládání
12
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Solution Monitoring Workbench (FL) •
Sledování výpočtu FLUENTu přímo v prostředí ANSYS Workbench – Sledování konvergence výpočtu, kdy FLUENT běží na pozadí – Výpis konvergence při přepočtu „Design Point“ – Vykreslování je podporováno i v kombinaci s RSM
Ukázka zobrazení průběhu residuí výpočtu FLUENTu v prostředí Workbench
13
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Solution Monitoring Monitor Convergence (FL) •
Definované monitory jako míra dosažení konvergence – „Surface“, „volume“, „lift“, „drag“ a „moment“ monitory – Konvergence je dosaženo, pokud velikost odchylek je pod definovanou mez – Samostatně nebo v kombinaci s hodnotami residuí – Sledování středních hodnot, pouze TUI β
•
Aktualizace monitorů při změně „Cell zone“ – Pokud je zóna přidána nebo odstraněna během výpočtu, pak jsou monitory taktéž aktualizovány
14
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Solution Monitoring Monitoring Point (CFX) •
Monitorovací body v definovaných bodech pro pohyblivou geometrii – Udržení pozice monitorovacího bodu při pohybu sítě – Volba interpolace • Nejbližší uzel • Tri-linearní interpolace – Kontrola, jak často se má pozice monitorovacího bodu zkontrolovat – Zlepšení pro porovnávání výpočtu s experimentem
15
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Monitorovací bod v úplavu za turbínovými lopatkami, s pevně definovanou pozicí, v pohybující se mřížce
Solution Monitoring Post-Processing (CFX) •
Vykreslení průběhu výpočtu z CFX v CFD-Post β – Zobrazování průběhu konvergence v grafech • Porovnání aktuálního výpočtu s jiným – Výpočet statistických hodnot z monitorovacích bodů – Zahrnutí průběhu konvergence do reportu
16
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
ANSYS Fluent jako server •
FLUENT Remote Console
Plný přístup uživatele k řešiči FLUENTu s použitím FLUENTu jako serveru. – Fluent as a Server (Fluent aaS)
Definování fyziky, numeriky, inicializace, výpočet a zpracování výsledků pro „Fluent aaS“ přes rozhraní:
Rseries
Ccapacity
0
CT_L
0
XY Plot 1
Ansoft LLC
Simplorer_pulse_discharge_320mA
0.35
ANSOFT
Curve Info I2.I
4.20
TR
Curve Info RLoad.V
0.30
I2
R5
TR
4.00 0.25
3.80 0.20
3.60
0.15
0
3.40 0.10
3.20
FML1
EQU 0.00
April 16, 2013
RT_L
RLoad
0.00
© 2011 ANSYS, Inc.
CT_S
VOC
0.05
17
RT_S
IBatt
RLoad.V [V]
– Fluent Remote Console: předkompilovaná klientská aplikace • Vzdálená konzole • Příkazy přes TUI commands a přenos souborů – Vlastní aplikace pak používají „Fluent aaS“ přes SDK jako modul • Simplorer, Matlab, Python, … – Napojení je pak nezávislé na operačním systému
I2.I [A]
•
2500.00
5000.00
7500.00 Time [s]
10000.00
3.00 12500.00
15000.00
0.00
2000.00 4000.00 6000.00 8000.00 10000.00 12000.00 14000.00 Time [s]
Simulace vybíjení akumulátoru spojením SIMPLORERu a FLUENTu
Uživatelské prostředí Profily, export (FL) •
Profily mohou být předepsány jako zdrojové členy – Hodnota zdroje je závislá na poloze nebo času – Včetně transientních profilů pro „open channel“ vlny
•
Rozšíření importu a exportu dat – Export do PATRAN je paralelní – Export do Radtherm z mřížky s polyhedrálními elementy
18
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Uživatelské prostředí Output Control (CFX) •
Zápis proměnných v transientním výpočtu je na hranicích – Doplňující volba pro ukládání dat – Vhodné, pokud nepotřebujete hodnoty proměnných v celém modelu • Např. jsou potřeba jen tlaky na povrchu – export do akustického řešiče
– Přínos: • Snížení času na I/O • Ukládá se menší množství dat
19
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Uživatelské prostředí Zpracování výsledků (CFD-Post) •
Zlepšení reportů v prostředí ANSYS Workbench – Předvolby šablon reportů – Volba přepočtu reportu při update projektu
•
Upravený „Quick Animations“ – Přepočítají se pouze určené a na nich závislé části
•
Fluent post-processing – Rychlejší načítání zkomprimovaných (*.gz) výsledků • Částečný vliv na transientní analýzu – Podpora změny topologie v CDAT souborech • Ovlivnění výpočtu pro ICE výpočty
20
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Fyzikální modely
21
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Spalování (FL) Rychlost a přesnost •
Rychlejší výpočet PDF tabulky pro difuzní a částečně kinetické spalování – Automatické vkládání výpočetních bodů do PDF tabulky •
Při překročení definované velikosti změny hodnot proměnných se vloží další bod
– Přesnější lineární interpolace (2.řádu) – Zrychlení výpočtu • •
22
Spalování o ~50% času Celková simulace o ~75% času
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Spalování (FL) Výpočet CO •
Nový premixed laminar flamelet model pro přesnější výpočet CO – Založeno na přístupu „Flamelet Generated Manifolds (FGM)“ – Rychlejší a více přesný model pro výpočet „flamelet“ kinetického spalování se zahrnutím emisí CO – Výpočet 2x2 transportních rovnic pro „mixture fraction“ (mean a variance) a „reaction variance“ (mean a variance)
– Hodí se nejlépe pro dokonalé čistě kinetické spalování
23
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Zobrazení molárního zlomku pro CO
Spalování (CFX) BVM, G-eqv. •
Nastavení BVM pro difuzní spalování β – Burning Velocity Model (BVM) je primárně určený pro kinetické („premixed“) nebo částečně kinetické („partially-premixed“) spalování – Pro difuzní spalování BVM v některých případech dává nereálné výsledky – Nové nastavení, upravená diskretizace pro BVM tento problém překonává
•
„Auto-ignition“ funkce je kompatibilní s Gequation modelem spalování β
Ukázka teplotního pole u vířivého hořáku. Vrchní obrázek je pro standardní nastavení. Spodní obrázek je pro nové nastavení, dávající reálné výsledky. 24
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Neideální termodynamické vlastnosti směsí (CFX)
• Rozšířena možnost definovat vlastnosti směsí pomocí CEL výrazů pro požadovaný popis neideálních vlastností směsi
– Stavové rovnice směsí • Hustota jako funkce p, T a jednotlivých složek směsi nebo • Tlak jako funkce v, T a jednotlivých složek směsi – Mixture specific heat capacity • Definovaná společně s měrnou entalpií a měrnou entropií – Přesnější definování vlastních termodynamických vlastností směsi, kdy popis ideální směsi (přes hmotu průměrovaný) není dostatečně přesný
25
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Radiace (CFX) •
Zlepšená účinnost výpočtu radiace – Snížení velikosti komunikace mezi jádry – Ovlivnění rychlosti výpočtu první iterace a při rozdělení na velký počet jader
•
Rozdělení na jednotlivé jádra pro pokročilé radiační modely β – Standardní CFX možnost rozložit výpočet radiace s pokročilými modely radiace (Discrete Transfer and Monte-Carlo). Odpadá ruční nastavování. – Možnost provedení rozložení na jednotlivé jádra pro modely s pokročilými modely radiace na stroji, který pak nebude součástí výpočtového clusteru. – Vyhnutí se opakovaného provádění „partitions“ pro modely s opakujícími se simulacemi •
26
Např. výpočet několika návrhových bodů
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
1x se provede partition, na „nějakém“ stroji – nyní i pro radiaci
Nx se provede výpočet s využitím již provedeného separátního partition: • operating_point_001 • operating_point_002 • operating_point_003 • ….
Radiace (FL) Zrychlení výpočtu radiace •
Výrazné zrychlení načítání *.cas pro S2S model radiace – Zkrácení času pro kompletaci radiačních ploch
•
Kratší doba výpočtu součinitelů osálání pro velké úlohy – Snížení potřebného času pro výpočet součinitelů osálání u teplotních výpočtů v automobilovém průmyslu
•
Case 1: 1.44M cells
Case 2: 26.3M cells
No of processors
Speed-up Ratio
No of processors
Speed-up Ratio
8
8.61
8
3.94
12
7.01
16
4.11
16
7.92
32
4.12
24
7.97
48
2.28
Porovnání zrychlení načítání souboru na dvou modelech
Rychlejší výpočet součinitelů osálání pro S2S s využitím periodických okrajových podmínek – Zmenšení výpočetního času a nároků na paměť – Rotační a posuvná periodicita – Nekonformní periodicita Urychlení výpočtu součinitelů osálání pro výpočet teplotního režimu v motorovém prostoru (model: 7.34M elementů, celkový počet ploch pro radiaci: 1.38M)
27
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
No. of processors
Speed-up Factor (R14.0/R14.5)
1
6.21
2
6.2
4
8.43
8
7.98
Radiace (FL) S2S; Fluid-Solid •
Vylepšení slučování plošek pro S2S algoritmus radiace, odstraňující nereálná přehřátá místa – Pro všechna použití S2S modulu radiace u složitých aplikacích. Obzvláště zvyšující přesnost výpočtu pro výpočty teplotních režimů v motorovém prostoru
Starý algoritmus (s přehřátými místy)
Rozložení teplotního pole v motorovém prostoru
Použití vylepšeného algoritmu
•
Přenos teplot mezi zdroji v Fluid a Solid oblastmi pomocí nerovnovážného teplotního modelu („non-equilibrium thermal model“) – Zaměření: automobilový průmysl, chladnutí nebo ohřívání katalyzátoru výfukových plynů
Zobrazení zdrojů v nerovnovážném teplotním modelu na Fluid/Solid rozhraní v automobilovém katalyzátoru
Fluid oblast
28
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Překrývající se Fluid a Solid oblasti
Solid oblast
Radiace (FL) Convective Augmentation Factor • Modeling Convective Augmentation Factor (CAF) (FL)
– Convective augmentation factor (CAF) je definovaný jako poměr: (změřené Nusseltovo číslo)/(ideální Nusseltovo číslo). • Nu = a.Reb.Prc
– Zachycení lokálního zvýšení přestupu tepla –
od místního zvýšení rozvíření proudového pole nebo narušené mezní vrstvy (CAF>1.0) Parametr je vhodný pro aplikace s intenzivním přestupem tepla: • motorový prostor, výfukové potrubí, tepelné výměníky
– Přístupné pouze přes TUI
29
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Výsledky R13 (potřeba UDF)
Výsledky R14.5 (bez UDF)
Turbulence (FL) •
SAS přístup pro všechny k-ω modely turbulence
Původní EWT
– SAS model turbulence je přesnější než RANS modely pro případy s velkou nestabilitou proudového pole – Zadání pouze v TUI
•
Zlepšený popis popisu stěnové funkce pro standard-, realizable- a RNG- k-ε modely turbulence β
Vylepšený NWT
– Snížení vlivu na velikost mřížky a vyšší přesnost simulací v blízkosti stěn
Nestlačitelné proudění, mezní vrstva na ploché desce: vylepšený popis smykových sil na stěně pro Standard-(k, ε) na mřížkách rozdílné velikosti.
30
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Akustika (FL) •
Načítání Acoustics Source Data souborů – Pro Ffowcs Williams-Hawkings akustický řešič lze použít data z jiného řešiče nebo z analytického výpočtu • Načítání externích ASD souborů do akustického řešiče
Fluent CFD Solver
In-house CFD solvers, Analytical Solution p, U, on FW-H surface
ASD File
Fluent FW-H Acoustics Solver
31
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Vícefázové proudění
32
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Vícefázové proudění (CFX) DPM •
Další možnosti exportu dat – Export histogramů částeček do *.csv souboru z definovaných lokací • Netříděná data • Normalizovaná • Akumulovaná
– Export pohybu částeček do *.csv souboru – Načítání *.csv souborů pro následnou analýzu • CFD-Post • MS-Excel • …
– Doplněk k základnímu vyhodnocení DPM v CFD-Post – Možnost dalšího vyhodnocení DPM simulací
33
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Doplňující výstupy pro částice použité pro histogramy v CFD-Post (vrchní) nebo MS-Excel (spodní obrázek)
Vícefázové proudění (FL) DPM - Numerika •
Vyšší robustnost pro DPM
•
Průměrování přes uzly – Příspěvek z DPM do proudového pole je rozpočítán přes uzly elementu. Zdroj je tak plynule rozložen přes sousedící elementy. – Potřebné pro simulace používající DEM
•
0.0
DPM source-term linearization (FL) β – Linearizace DPM zdrojového členu pro hybnost, energii a složky proudového pole s pomocí hodnoty dané proměnné (f) na elementu – Testy prokázaly vyšší numerickou stabilitu pro stacionární úlohy a možnost větších časových kroků a vyšší hodnoty relaxací pro transientní simulace obsahující DPM •
34
Objemový zlomek Objemový zlomek Standardní průměrování Průměrování přes uzly 0.013
/define/models/dpm/interaction/linearized-dpm-source-terms? Yes
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
SDPM,f Sconst Slinf
Vícefázové proudění (FL) DPM – Fyzikální modely • Pro DPM přidány fyzikální modely „přidaná hmota“ a „sílové působení od gradientu tlaku“ pro přesnější modelování plyn/kapalina simulací – Simulace, kde hustota média se blíží k hustotě částic nebo ji překračuje • Bubliny v kapalině
•
Proměnná hustota částic DPM β – Všechny typy DPM částic mohou mít proměnnou hustotu • • •
Teplotně závislé UDF Závislé na složení/koncentraci
• Částice mohou současně měnit svůj rozměr a hustotu
35
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Vícefázové proudění (FL) DPM popisy •
Shrnutí DPM hodnot přes výpočtovou oblast pomocí hodnot průměrovaných přes elementy – Užitečné pro vyhodnocování simulací s DPM – Zobrazení průměrných nebo efektivních rychlostí, teploty, jednotlivých složek, průměru a objemového zlomku – Vykreslení vektorů průměrné rychlosti – Počet částic obsažených v elementu •
•
Naznačuje statistickou věrohodnost výsledků
Vytvoření ohraničených oblastí pro DPM vzorkování k vyhodnocování dat na zájmové oblasti – Snížení množství ukládaných dat během výpočtu
•
Převod osově symetrického zdroje DPM na 3D – Např.: spalování, vypařování
36
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Vícefázové proudění (FL) DPM vstřikování •
Úhly vstřiku jako transientní profil pro kuželový tvar vstupujícího média – Úhel vstřikování jako funkce času nebo úhlu hřídele, definovaný pomocí profilů
•
Kuželové vstřikování pro zjednodušenou geometrii modelu • Simulace na výřezu nebo osově symetrickém modelu
•
Nová metoda shlukování (parcel) DEM a sprejů (transientní výpočty) – Standardně je jeden shluk vstřikován přes jednu reprezentaci spreje a jeden časový krok – Nové metody shlukování: • •
Konstantní průměr nebo hmoty shluku pro DEM Konstantní počet částic ve shluku pro spreje (transientní výpočty)
37
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Vícefázové proudění (CFX) Podchlazený var •
Vylepšení pro „RPI Wall Boiling Model“ (podchlazený var) – Robustnější výpočet – Přidány další nástroje pro kontrolu a přesnější nastavení
R14.0
• Definice relaxačních parametrů pro přehřátí na otápěné stěně • Shodné relaxační parametry pro jednotlivé mechanismy přestupu tepla na otápěné stěně • konvekce, vypařování, „quenching“
• Vlastní definování velikosti poměrné plochy pro jednotlivé mechanismy β • Uživatelem definovatelné mechanismy přestupu tepla na otápěné stěně β
R14.5
– Zaměřeno na chlazení palivových tyčí Lepší konvergence simulace experimentu prováděného na zkušebním zařízení DEBORA, díky novým relaxačním nástrojům (Courtesy HZDR)
38
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Vícefázové proudění (CFX) Podchlazený var •
Přidány korelace pro přenos látky a energie (CFX) β – Morelův model pro buzení turbulence od bublin •
Zachycení příspěvku k více fázové turbulenci od varu na stěně
• Tomiyamova korelace pro přestup tepla •
Lepší popis děje pro velké bubliny
Ranz Marshall Tomiyama Experiment
39
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Zkušební stav TOPFLOW v HZDR. Test, kde vstřikovaná vodní pára do svislé trubky posloužila k nastavení Tomiyama modelu přestupu tepla, který dává lepší výsledky pro radiální rozložení objemového zlomku páry
Vícefázové proudění (CFX) Podchlazený var •
Lepší vyhodnocení výsledků – Možnost zobrazení jednotlivých typů tepelných toků • Přímé vyhodnocení velikosti poměrné plochy pro každý typ přestupu tepla • Snadné definování měrného tepelného tok s pomocí CEL výrazů
Výsledky Bartolomejova testu na vertikální vyhřávané trubici (vlevo), kde jsou přímo zadány poměrné plochy pro jednotlivé mechanismy přestupu tepla (střed). Výsledky pro jmenovité měrné tepelné toky po výšce otápěné stěny (vpravo) lze pak přímo vykreslit
40
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Vícefázové proudění (FL) „Degassing“ okrajová podmínka •
Okrajová podmínka „degassing“ (odplynění) – Pro model s volnou hladinou, kdy přes tuto okrajovou podmínku odchází rozptýlená fáze (bubliny), ale pro spojitou fázi (kapalinu) je neprůchozí – Vhodné pro modelování barbotážních systémů •
41
Odpadá potřeba modelovat část nad volnou hladinou
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Vícefázové proudění (FL) Eulerovský popis proudění •
Nové silové modely a korelace pro přesnější modelování plyn-kapalina (bubliny) modelů – Tahové síly: nové tahové korelace pro modelování nesférického tvaru bublin v částech modelu s nízkým podílem plynné fáze – Vztlakové modely: odladěny nové modely pro konkrétní podmínky více fázového proudění •
Volí se podle typů disperzní fáze (pevná, kapalná, plynná), její velikosti a tvaru
– „Wall Lubrication Force“: nový model pro zachycení silového působení odtlačujícího bubliny od stěn v jejich těsné blízkosti
42
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Tahové síly: Rozdíl mezi tuhou kuličkou a bublinou přes daný rozsah jejich průměru (> 3mm)
Vícefázové proudění (FL) Eulerovský popis proudění •
Nové fyzikální modely pro turbulenci pro simulaci s disperzní fází – „Turbulent Dispersion“ • •
Ovlivnění disperzní fáze od turbulentní vírové struktury spojité fáze Možnost volby více modelů
– „Turbulence Interaction“ • •
43
Vliv disperzní fáze na více fázové turbulentní pole Nabídka několika nastavení
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Turbulentní disperse není zahrnuta
Ovlivnění od turbulentní disperse
Vícefázové proudění (FL) „Eulerian Wall film“ •
Vylepšení pro „Eulerian Wall Film Modeling“ (EWFM) – Zrychlení transientního výpočtu pomocí adaptivního časového kroku
•
Vyšší přesnost modelu: – Zahrnut vliv povrchového napětí do hybnostních rovnic – Náhodné lokace rozstřikovaných částeček separací z kapalinového filmu na stěně jsou přesněji modelované
•
Nové modely: – Spojení EWFM s „Mixture“ a „Eulerian“ více fázového proudění, včetně tepelného přenosu – Kondenzace a vypařování pro „Eulerian Wall Film“
44
3D křídlo s vztlakovými klapkami
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
• Návrh odmrazování křídla • Predikce trajektorií
Vícefázové proudění (FL) VOF •
Superpozice vln – Uživatelem definovaný tvar obecného počtu vln a jejich superpozice – Fyzikální jevy, kde můžeme pozorovat superpozici vln: • • • •
Ustálené vlny Rázy nebo skupiny ploch Vzájemné vybuzení nebo rušení Nepravidelné vlny
Ustálené vlny: demonstrace vybuzení a rušení vln 45
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Vícefázové proudění (FL) Více fázové VOF •
Hodnota povrchového napětí jako funkce obecné proměnné (např. koncentrace složky) pro přesnější modelování Marangoniho konvekce • Důležité pro aplikace jako je nanášení, svařování, microfluidic, sušení polovodičových desek, …
Konstantní povrchové napětí
Proměnné povrchové napětí (funkce koncetrace etanolu)
Etanol
Případová studie: Padající kapka alkoholu do vody Voda
46
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Vícefázové proudění (FL) VOF se stlačitelnou kapalinou •
Simulace stlačitelné kapaliny – Stlačitelnost kapalin zlepšuje predikci tlaku na počátku výpočtu a podporuje stabilitu a konvergenci výpočtu pro případy s deformující se sítí – Použitelný pro jedno- a více- fázové modely – Vhodný pro simulace s vysokými tlaky (hydraulika) – Pro stlačitelné proudění je možné vyhodnocení rychlosti zvuku ve výsledcích
Stlačitelná kapalina (korektní výsledek)
Nestlačitelná kapalina (nereálný výsledek) Kostka částečně ponořená do vody Časový krok = 1e-4 s
Taitova rce
47
© 2011 ANSYS, Inc.
Zobrazení tlaku v 10-tém časovém kroku pro modelový případ demonstrující modelování stlačitelné kapaliny April 16, 2013
Vícefázové proudění (FL) VOF + porézní oblasti •
Možnost kombinace: VOF + MDM + porézní oblast – Částečné ošetření pro zdroje porozity při použití MDM – Přesnější modelování pohybu hladiny u porézních oblastech
•
Vylepšená numerika pro VOF + MDM – Nastavení „unstructured PRESTO“ pro strukturovanou mřížku zajišťuje lepší stabilitu na nekonformním rozhraní – Lepší výsledky pro malé časové kroky – Přístupné přes TUI
48
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
R 14.5 (kombinace VOF + MDM + porézní oblasti)
Lopatkové stroje
49
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
TBR Methods (CFX) Blade flutter •
Kmitání lopatek – Praktický přístup k zjištění tendence lopatek k rozkmitání (flutter) • • •
•
Zjištění vlastních frekvencí a jejich tvarů v modální analýze Zadání odpovídajícího posunutí na lopatce z modální analýzy pro výpočet proudění Stanovení stability modelu, aerodynamického tlumení vibrující lopatky Cíl: určení, zda bude lopatka kmitat, či ne
Axiální kompresor s definovaným kmitáním lopatek.
– Zadá se pro celý disk nebo se použije „Fourier Transformation“ – Různá vylepšení pro podporu tohoto typu analýzy • •
Podpora v „Turbo Mode“ Načítání profilů Výsledná fluktuace tlakového pole na 90% poměrné výšky
50
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
TBR Methods (CFX) Blade flutter •
Kmitání lopatek – Export buzeného tvaru lopatek z modální analýzy v ANSYS Mechanical pomocí nového příkazu (EXPROFILE). Vytvoří se textový soubor (profile) pro CFX. – Zobrazení načtených dat v CFX pro jejich kontrolu – Okrajová podmínka s předepsaným periodickým posunutím deformující se mřížky •
Uživatel pouze definuje tvar posunutí, frekvenci, měřítko velikosti a úhlový posun
– Řešič počítá práci a výkon (přes jednotku plochy) na lopatce pro zjištění velikosti působícího aeroelastického tlumení na zadaný posuv • Tutorial #36: Fourier Transformation Method for a Blade Flutter Case
– Různé vylepšení pro tento typ analýzy • 51
Deformace sítě, sledování výpočtu vyhodnocování, …
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Zobrazení načtených profilů pro kontrolu pozice, velikosti, směru orientace
TBR Methods (CFX) Možnosti, CFD-Post •
Rozšíření možností výpočtů s TBR – „Time Transformation“ s mokrou párou – „Fourier Transformation“ v jednostupňové Rotor/Stator analýzeβ
•
Zpracování výsledků s TBR – Transientní statistika • RMS, aritmetický průměr, směrodatná odchylka
– Lepší výběr časových kroků – Upravené „TBR expansion macro“ β • Větší rozsah zobrazovaných proměnných • Plná mřížka a objektová reprezentace • Kvantitativní analýza expandovaných dat, včetně „Expressions“ a „User variables“
Vykreslení proměnné expanzí přes několik pasáží
Zobrazení kmitání profilů je možné jak během výpočtu (kontrola konvergence výpočtu), tak při vyhodnocování (reporty) 52
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
BladeModeler Návrh lopatek •
Porovnání jednotlivých návrhů lopatek – Zachovat již existujícího návrh a následně ho použít při dalších návrzích – Porovnání jednotlivých návrhů v: • • • •
•
3D zobrazení Meridiánový řez Pohledy pro úhly a tloušťku Pohledy „Blade-to-blade“
Podpora pro Linux – Možnost provádět parametrické výpočty v dávce na Linuxovském clusteru
•
Definování Theta s LE/TE beta – Vylepšená kontrola tvaru střednice: vazba LE/TE úhlů, wrap úhlu – Možnost zadat úhly lopatek na LE/TE parametricky • Parametrizace úlohy, optimalizace tvaru lopatky 53
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Aktuální návrh Srovnání
BladeModeler SectorCut •
Nástroj „Sector Cut“β – Automatické generace výřezu disku oběžného kola s cyklickou symetrií • Uživatel definuje tvar disku kola a základní parametry pro lopatku • • •
Provede se vytvoření „FlowPath“ a lopatky Určí se „StageFluidZone“ pro proudovou oblast Následně se definuje „SectorCut“, který ořeže disk přes roviny cyklické symetrie podle „StageFluidZone“
– Lze volit různé typy ořezání disku: • • •
54
Axiální Radiální Kombinované
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Vista CPD •
Vista CPD (Centrifugal Pump Design) – CPD přidáno přímo do rozhraní projektu v ANSYS Workbench – Možnost použít CPD přímo k definování: • Geometrie lopatek • 2D proudové analýzy („Throughflow“) • Geometrii pro volutu a vytvoření mřížky na ni
55
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Lopatkové stroje Workbench •
Nový „Throughflow“ (Analysis Systems) v ANSYS Workbench – Kombinace geometrie a Vista TF – Simulace je možné vytvářet přímo z Vista návrhových modulů • Vista RTD/CCD/CPD
– Snadné ohodnocení, analyzování a optimalizace návrhové geometrie s pomocí 2D analýzy
• „Turbomachinery Fluid Flow System“ pro radiální kompresoryβ – Automatické vytvoření stavu ve Vista CCD a převedení všech informací do 3D analýzy • např. nastavení okrajových podmínek pro určený návrhový stav
– Všechny kroky v jednom: • Geometrie – TurboGrid – Setup – Výpočet – Zpracování výsledků
56
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Fluid Structure Interaction
57
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Multiphysics in Workbench CFD ↔ ELMG •
Fluid – Electromagnetics coupling – Jedno- a obou- směrná vazba mezi ANSYS FLUENT a Maxwell nebo HFSS • •
Fluent: časově ustálená teplota
Externí plochy a objemy Paralelní výpočty
Maxwell
FLUENT
1-way
2-way
Steady
Steady
Yes
Yes
Steady
Transient
Yes
Yes
Transient
Steady
Yes
b
Transient
Transient
b
b Maxwell: časově průměrované ztráty
58
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Multiphysics in Workbench 1-way FSI •
1-way (pouze) teplotní FSI mezi FLUENTem a Mechanical přes „Systems Coupling“, s využitím modulu “External Data“ – Do modulu „External Data“ lze načítat tepelný tok, teplotu, teplotu u stěny (near wall temp.) a součinitel přestupu tepla v AXDT formátu z • ANSYS Mechanical • ANSYS CFD-Post • Jiných řešič;, tabulkových editorů, ..
– Podpora změn ve FLUENTu zaslaných z „System Coupling“ přes definované stěny – Podpora změn v CFD-Post pro export do „External Data“
59
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
2-way FSI (FL) Stabilita výpočtu • Nový stabilizační parametr výpočtu pro 2-way FSI s pomocí „Systém Coupling“ – „Volume-based“ a „Coefficientbased“stabilizační parametry pro zdrojové členy na definovaných hranicích
• Možnost postupně zadávat zatížení během časového kroku – Dostupné pro všechny předávané veličiny – Možný lineární nárůst hodnot z první iterace po minimální počet iterací – Užitečné pro statický přenos dat a souběžné statické výpočty. Jednotlivá zatížení se zvedají postupně. Vhodné pro stabilitu výpočtu.
60
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
2-way FSI (FL) Dynamic Mesh • Použití „Coupled solver“ pro „Laplace diffusion smoothing“ – Nový základní řešič pro deformující se části – Zvýšení robustnosti pro všechny typy deformující se sítě – Lze použít „rpvar“ přepínač pro použití segregovaného řešiče
• Deformace mřížky přes „6-DOF“ může být nyní definovaná ve stejném modelu se „System Coupling“ – Deformace přes jednotlivé jmenované způsoby mohou být zadány společně v jednom modelu, ale ne při rozdílných okrajových podmínkách – Využití pro 2-wat FSI s 6-DOF pohybem
Transientní odezva elastické přepážky jako důsledek vírových struktur v proudovém poli. 61
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
2-way FSI (FL) GUI System Coupling • Grafické zobrazení konvergence jak ve Windows, tak v Linuxu • Nové monitorovací grafy pro „Fluent residuals“, „Mechanical results trackers“, a „MAPDL NLHIST data“.
• Načítání MAPDL výstupního souboru pro komponenty (*.cm) do CFD-Post
– Možnost načítat „Named Selection“ a –
62
lokace okrajových podmínek z Mechanical do CFD-Post Snadnější zpracování výsledků ze strukturální analýzy do CFD-Post pro FSI výpočty
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
DesignXplorer
63
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
DesignXplorer 14.5 Optimalizace • Metody přímé optimalizace • Použití existujících optimalizačních metod jako přímých – Sampling, NLPQL a MOGA • Přidány nové metody adaptivní optimalizace – Adaptive Single Objective (K-NLPQL) – Adaptive Multiple Objective (K-MOGA) • Nový MISQP (Mixed Integer) algoritmus – Vhodný pro diskrétní parametry • Výchozí RS založena na vzorkové optimalizaci s hledáním minima a maxima pro každou proměnnou
64
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
DesignXplorer 14.5 Ovládání • Diagram historie – Pro vstupy a objekty („objective“)
• Rozšíření pro: – Optimalizační vlastnosti – Definování vazeb („constraint“)
• Přidání, mazání, editace kandidátů • Vylepšení tabulky kandidátů • Přepracovaný způsob použití objektů jako • • • •
65
vstupů Rozdělení objektů a vazeb Výsledky při přerušení Přístup k odhadům („raw optimization data”) Naznačení historie jednotlivých proměnných
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
DesignXplorer 14.5 Další vylepšení • Návrhové body („Design Points - DP“) – Vylepšené obnovení při aktualizaci DX – Automatické opakování při nevyhovění DP
• Design of Experiments – Latin Hypercube Sampling (LHS) – Výchozí hodnoty pro kontrolu náhodného rozložení
• Miscellaneous LHS
OSF
– Tabulka hrubých dat (odhadů) – Držení jednotlivých pojmenování • při zajemňování mřížky
– Barevné odlišení dat podle jejich zdroje nebo typu
66
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Workbench IC Engine System
67
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Workbench IC Engine System Uživatelské prostředí • Zmenšení času potřebného pro vytvoření simulace chladného proudění („cold-flow“) nebo proudění přes ventil („port-flow“), z hodin na minuty – Automatizovaná příprava geometrie a mřížky pro čtyřventilové motory – Automatické nastavení fyziky a numeriky pro simulace typu „cold-flow“ a „port-flow“ na základě doporučení vývoje software – Včetně pohybu mřížky
– Automatické vytváření reportů – Uživatelem definovatelné části pro další fyziku (vstřikování, spalování, ..) – Podpora pro Windows i Linux
68
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Workbench IC Engine System „Port-flow“ simulace •
Podpora „Port-flow“ výpočtů – Automatická příprava geometrie pro tento typ analýzy – Automatická generace sítě – Cutcell a hybridní mřížka s prismatickými elementy
• Automatické přednastavení řešiče • Specializovaná generace zpráv – Automatické vytváření řezů pro jednotlivé typy zavíření (swirl, tumble) a jejich výpočet v závislosti na „crank angle“ – Obrázky jsou řazeny do tabulek – Automatické obrázky proměnných – Zobrazení jednotlivých „Design points“ a porovnání obrázků mezi různými „Design points“
69
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Workbench IC Engine System „Keygrid“ tvorba modelu •
Keygrid tvorba modelu – Na úhlu klikové hřídele závislá dekompozice geometrie a tvorba mřížky na ni
•
Podpora parametrické tvorby mřížky pro rozdílné úhly natočení klikové hřídele – Nastavení pro mřížku se dělá pouze jednou – Vytvoření libovolného počtu „Design points“ v závislosti na parametrech: – Úhel natočení hřídele, minimální zdvih, poloha pístu
• Update mezi jednotlivými „Design points“ • Jednotlivé soubory s mřížkou se vytvářejí automaticky 70
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
Geometry and Mesh at crank angle near TDC
Geometry and Mesh at crank angle near BDC
Děkuji za pozornost
71
© 2011 ANSYS, Inc.
April 16, 2013
