Эрозия под действием твердых частиц

СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Моделирование эрозии, возникающей из-за действия
твердых частиц с использованием метода Лагранжа
(Lagrangian: Solid Particle Erosion)
Данный тьюториал демонстрирует возможности STAR-CCM+ в моделировании
эрозии, вызванной твердыми частицами в жидком потоке.
Геометрия редуктора для дроссельных клапанов, используемая в данном
тьюториале, первоначально была сконструирована в центре по исследованию
эрозии, и является запатентованной в США [1]. Геометрия показана ниже.
Этот прибор был испытан в центре по исследованию эрозии с использованием
экспериментального устройства с песком и жидкостью (как сообщает Wallace
[2]), и условия, используемые в тьюториале, основаны на реальных испытаниях.
В эрозионных испытаниях дроссель располагался внутри трубы диаметром
53.1мм. Измерения статического давления проводились в двух местах: на
1
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
расстоянии 106мм вверх по потоку от дросселя и 318мм вниз по потоку. Общая
потеря массы была получена путем периодического взвешивания дросселя во
время испытаний.
В данном тьюториале в качестве жидкой фазы используется вода при комнатной
температуре. Условия на входе следующие (соответствуют массовому расходу
28.57 л/c в трубе диаметром 53.1мм):
Таблица 1: Жидкая фаза (Liquid Phase)
Свойство (Property)
Плотность жидкости
(Fluid Density)
Вязкость жидкости
(Fluid Viscosity)
Скорость на входе (Inlet
Velocity)
Интенсивность
турбулентности
(Turbulence Intensity)
Линейный масштаб
турбулентности
(Turbulent Length Scale)
Значение (Value)
997.561
Единицы (Units)
kg/m3
8.8871е-4
Pa*s
12.901
m/s
0.029
0.0037
m
Массовая концентрация частиц 0.39%. Свойства частиц следующие:
Таблица 2: Фаза частиц (Particle Phase)
Свойство (Property)
Плотность (Density)
Диаметр (Diameter)
Начальная осевая
скорость (Initial axial
velocity)
Значение (Value)
2650.0
2.75 е-4
12.901
Единицы (Units)
kg/m3
m
m/s
2
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Методические указания (Prerequisites)
Руководство тьюториала «Моделирование эрозии, возникающей из-за действия
твердых частиц с использованием метода Лагранжа» (Lagrangian: Solid Particle
Erosion) предполагает, что Вы уже знакомы с некоторыми методами работы в
STAR-CCM+.
Для выполнения тьюториала Вам следует ознакомиться со следующими
методиками:
Раздел
Тьюториал
Рабочий процесс в STARCCM+ (The STAR-CCM+
workflow)
Использование
инструментов визуализации,
сцен и графиков (Using
visualization tools,
scenes and plots)
Введение в STAR-CCM+ (Introduction to STARCCM+)
Введение в STAR-CCM+ (Introduction to STARCCM+)
Импортирование сетки и присваивание имени расчету
(Importing the Mesh and Naming the Simulation)
Запустим STAR-CCM+, импортируем поддерживаемую геометрию и сохраним
задачу.
Трехмерная, многогранная сетка была подготовлена для этого анализа. Сетка
была сохранена в формате .ccm, который содержит всю необходимую
информацию о ячейках, вершинах и границах, требуемую для геометрии задачи.
Чтобы импортировать сетку и присвоить имя расчету:
1. Запустите STAR-CCM+.
2. Начните новую задачу.
3. Выберите «Файл > Импорт > Импорт объемной сетки…» (File > Import >
Import Volume Mesh…).
3
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
4. В
диалоговом
окне
«Открыть»
(Open)
выберите
doc/startutorialsdata/multiphaseFlow/data/flow_restrictor.ccm и нажмите на
кнопку «Открыть» (Open).
STAR-CCM+ начнет процесс импортирования сетки, который может занять
несколько секунд, и который будет отображаться в окне вывода (Output). Одна
сеточная область с названием «Fluid» будет создана в папке «Области» (Regions).
В графическом окне (Graphics) будет создана геометрическая сцена (geometry
scene).
5. Сохраните новую модель под именем erosion.sim.
Визуализация импортированной геометрии
(Visualizing the Imported Geometry)
Проверьте отображение «Геометрической сцены 1» (Geometry Scene 1) в
графическом окне (Graphics).
Для визуализации импортированной геометрии:
1. Используйте функции мыши, чтобы создать вид модели приблизительно
так, как показано на рисунке ниже.
4
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
2. Откройте папку «Области > Fluid > Границы» (Regions > Fluid > Boundaries),
чтобы просмотреть области границ, которые были импортированы вместе с
сеткой.
5
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
3. Выберите папку границы Restrictor, чтобы просмотреть поверхности дросселя
в «Геометрической сцене 1» (Geometry Scene 1).
6
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Выбор физических моделей (Selecting the Physics Models)
Физические модели определяют первичные переменные
включая давление, температуру, скорость, а также
формулирование, используемое для создания решения.
моделирования,
математическое
В данном тьюториале требуется задание нескольких моделей, так как будет
рассматриваться не только турбулентная сплошная фаза, но также движение
частиц в сплошной среде. Для моделирования этих фаз в STAR-CCM+
используются две разных стратегии. Сплошная фаза текучей среды
моделируется, используя Эйлерово определение, согласно которому свойства
среды берутся в определенных точках на всем протяжении среды. Фаза частиц
моделируется, используя Лагранжев метод, в котором траектории частиц
отслеживаются в сплошной фазе.
STAR-CCM+ разрешает двустороннее соединение между сплошной фазой и
дисперсными фазами частиц. Однако для данного тьюториала соединение не
будет рассматриваться, что значительно сократит время, требуемое для
моделирования.
В этой задаче только одна область требуется для сплошной фазы. По умолчанию,
континуум «Физический континуум 1» (Physics 1) автоматически создается при
импортировании сетки. Этот континуум необходимо отредактировать, чтобы
задать все подходящие модели для жидкой среды — воды.
Чтобы выбрать физические модели:
1. Для физического континуума «Континуумы > Физический континуум 1»
(Continua > Physics 1) выберите следующие модели по порядку:
Группа моделей (Group Box)
Разрешенные модели (Enabled
Models)
Время (Time)
Материал (Material)
Поток (Flow)
Модель (Model)
Трехмерная модель (Three
Dimensional) (уже выбрана)
Стационарный (Steady)
Жидкость (Liquid)
Разделенное течение (Segregated
Flow)
Градиенты (Gradients) (выбрана
7
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
автоматически)
Уравнение состояния (Equation of
Постоянная плотность (Constant
State)
Density)
Режим течения (Viscous Regime)
Турбулентный (Turbulent)
Уравнение Навье-Стокса,
усредненное по Рейнольдсу
(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
(выбрана автоматически)
Модель турбулентности,
k-Omega модели турбулентности
усредненная по Рейнольдсу (Reynolds- (K-Omega Turbulence)
Averaged Turbulence)
Модель SST (Menter) K-Omega
(выбрана автоматически)
Пристеночная модель для любых
y+ (All y+ Wall Treatment)
(выбрана автоматически)
Дополнительные модели (Optional
Лагранжева многофазность
Models)
(Lagrangian Multiphase)
2. Нажмите «Закрыть» (Close).
3. Чтобы просмотреть выбранные модели, откройте папку «Физический
континуум 1 > Модели» (Physics1 > Models).
8
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
4. Сохраните задачу.
Выбор моделей лагранжевой фазы
(Selecting the Lagrangian Phase Models)
Создадим Лагранжеву фазу и выберем подходящие модели фаз.
Модель «Лагранжева многофазность» (Lagrangian Multiphase) требует выбора
дополнительных моделей, представляющих характеристики лагранжевой фазы.
Чтобы создать Лагранжеву фазу и выбрать модели фаз:
1. В континууме «Физический континуум 1» (Physics 1» нажмите правой
кнопкой мыши на папку «Модели > Лагранжева многофазность > Лагранжевы
фазы» (Models > Lagrangian Multiphase > Lagrangian Phases) и создайте новую
фазу.
2. Для фазы «Фаза 1» (Phase 1) выберите следующие модели по порядку:
9
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Группа моделей (Group Box)
Разрешенные
модели
(Enabled
Models)
Тип частиц (Particle Type)
Материал (Material)
Уравнение состояния (Equation of
state)
Дополнительные
силы
частиц
(Optional Particle Forces)
Дополнительные
Models)
модели
(Optional
Подбор траекторий (Track Sampling)
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Модель (Model)
Время нахождения (Residence Time)
(уже выбрана)
Частицы
материала
(Material
Particles)
Сила, обусловленная градиентом
давления (Pressure Gradients Force)
(выбрана автоматически)
Сферические частицы (Spherical
Particles) (выбрана автоматически)
Твердый (сплошной) (Solid)
Постоянная плотность (Constant
Density)
Сила сопротивления (Drag Force)
Виртуальная (фактическая) масса
(Virtual Mass)
Турбулентная дисперсия (Turbulent
Dispersion)
Эрозия (Erosion)
Файл траекторий (Track File)
3. Нажмите «Закрыть» (Close).
Папка «Фаза 1» (Phase 1) будет выглядеть следующим образом:
10
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
4. Сохраните задачу.
Задание свойств материала (Setting the Material Properties)
Зададим свойства материала для сплошной и Лагранжевой фаз.
Данный раздел тьюториала рассматривает свойства материала для двух фаз:
сплошной и Лагранжевой. В этой задаче свойства, выставленные по умолчанию
для воды, являются подходящими для непрерывной фазы. В поток жидкости
вводятся частицы песка, поэтому необходимо задать плотность песка для
значения плотности лагранжевой фазы.
Чтобы задать свойства материала:
Зададим свойства материала для Лагранжевой фазы.
1. Откройте папку «Физический континуум 1 > Модели > Лагранжева
11
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
многофазность > Лагранжевы фазы > Фаза 1 > Модели > Твердый (сплошной) >
Алюминий > Свойства материала» (Physics 1 > Models > Lagrangian Multiphase >
Lagrangian Phases > Phase 1 > Models > Solid > Al > Material Properties) и задайте
следующие свойства:
Папка (Node)
Плотность >
Константа (Density >
Constant)
Свойство (Property)
Величина (Value)
Значение (Setting)
2650 kg/m3
2. Переименуйте папку Алюминий (Al) на «Песок» (Sand).
3. Сохраните задачу.
Задание свойств моделей лагранжевой фазы
(Setting the Lagrangian Phase Model Properties)
Зададим свойства моделей Лагранжевой фазы. В модели силы сопротивления
(Drag Force Model) будет использоваться метод, заданный по умолчанию, для
коэффициента сопротивления (Drag Coefficient), а именно, корреляция SchillerNaumann.
Чтобы задать свойства моделей Лагранжевой фазы:
1. Выберите папку «Лагранжевы фазы > Фаза 1 > Модели» (Lagrangian Phases >
Phase 1 > Models) и задайте следующие свойства:
Папка (Node)
Сила сопротивления >
Коэффициент
сопротивления (Drag
Force > Drag
Coefficient)
Файл траекторий
(Track File)
Свойство (Property)
Метод (Method)
Значение (Setting)
Schiller-Naumann
Векторы (Vectors)
Центроид
частиц
(Parcel. Centroid)
Скорость
частиц
(Particle. Velocity)
12
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
2. Сохраните задачу.
Определение пользовательских переменных для коэффициентов
восстановления (Defining Field Functions for the Restitution Coefficients)
Создадим переменные для представления коэффициентов восстановления.
Коэффициенты восстановления используются для того, чтобы предсказать угол,
под которым частица отскочит от твердой стенки. В данном тьюториале
используются уравнения, разработанные Forder:
 T  1  0.78 p  0.84 p2  0.21 3p  0.028 p4  0.022 5p
 N  0.988  0.78 p  0.19 p2  0.024 3p  0.027 4p
Пользовательские переменные будут использоваться для представления этих
уравнений в STAR-CCM+. Величины, на которые будут ссылаться переменные,
должны быть получены из предопределенных системных переменных или
других пользовательских переменных. В данном тьюториале нам нужна
предопределенная системная переменная для угла падения частицы, и ее можно
13
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
найти следующим образом:
1. Откройте папку «Инструменты > Пользовательские переменные» (Tools >
Field Functions).
2. Пролистайте список до переменной «Угол падения частицы» (Particle Incidence
Angle).
14
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
3. Выберите переменную «Угол падения частицы» (Particle Incidence Angle) и
обратите внимание на «Имя переменной» (Function Name).
Просмотрев требуемое имя ParticleIncidenceAngle, теперь возможно создать
переменную для коэффициента нормального восстановления формы (Normal
Restitution Coefficient).
4. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Инструменты > Пользовательские
переменные» (Tools > Field Functions) и в выпадающем меню выберите «Новый >
Скаляр» (New > Scalar).
В дереве объектов появится папка «Пользовательская переменная 1» (User Field
15
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Function 1).
5. Переименуйте эту папку на ENormal.
6. Выберите ENormal и задайте следующие свойства:
Свойство (Property)
Имя переменной (Function Name)
Размеры (Dimensions)
Определение (Definition)
Значение (Setting)
NormalRestitutionCoefficient
Безмерный (Dimensionless)
0.988 - 0.78*
$ParticleIncidenceAngle +
0.19*(pow($ParticleInciden
ceAngle, 2)) 0.024*(pow($ParticleIncide
nceAngle, 3)) +
0.027*(pow($ParticleIncide
nceAngle, 4))
Теперь проделаем то же самое для коэффициента касательного восстановления
формы.
7. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Инструменты > Пользовательские
переменные» (Tools > Field Functions) и в выпадающем меню выберите «Новый >
Скаляр» (New > Scalar).
В дереве объектов появится новая папка «Пользовательская переменная 1» (User
Field Function 1).
8. Переименуйте папку «Пользовательская переменная 1» (User Field Function 1)
на ETan.
9. Выберите папку ETan и задайте следующие свойства:
Свойство (Property)
Имя переменной (Function Name)
Размеры (Dimensions)
Определение (Definition)
Значение (Setting)
TangentialRestitutionCoefficient
Безмерный (Dimensionless)
1 - 0.78*
$ParticleIncidenceAngle +
0.84*(pow($ParticleInciden
ceAngle, 2)) 0.21*(pow($ParticleInciden
ceAngle, 3)) +
0.028*(pow($ParticleIncide
16
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
nceAngle, 4)) 0.022*(pow($ParticleIncide
nceAngle, 5))
Задание граничных условий лагранжевой фазы
(Settung the Lagrangian Phase Boundary Conditions)
Определим граничные условия Лагранжевой фазы.
Граничные условия лагранжевой фазы используются для того, чтобы определить
поведение частиц и капель, когда они ударяются о твердую стенку. Характер
соударения можно определить для следующих типов границ:
 Перегородка (baffle)
 Контакт (граница раздела) (contact (interface))
 Стенка (wall)
В этой задаче необходимо определить модели взаимодействия с границами
только для границ типа стенка (wall), так как перегородки и контактные границы
раздела отсутствуют. Необходимо отметить, что в этом разделе задаются
параметры для модели эрозии (Erosion model).
Пользовательские переменные, созданные на предыдущем шаге, теперь
применяются для граничных условий Лагранжевой фазы.
Чтобы задать граничные условия Лагранжевой фазы
1. Откройте папку «Физический континуум 1 > Модели > Лагранжева
многофазность > Лагранжевы фазы > Фаза 1 > Граничные условия > Стенка»
(Physics 1 > Models > Lagrangian Multiphase > Lagrangian Phases > Phase 1 >
Boundary Conditions > Wall) и задайте следующие свойства:
Папка (Node)
Физические условия >
Режим (Physics
Conditions > Mode)
Свойство (Property)
Активный режим
(Active Mode)
Значение (Setting)
Отскок (Rebound)
17
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Физические величины
> Коэффициент
нормального
восстановления
формы (Physics Values
> Normal Restitution
Coefficient)
> Пользовательская
переменная (Field
Function)
> Коэффициент
касательного
восстановления
формы (Tangential
Restitution Coefficient)
> Пользовательская
переменная (Field
Function)
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Метод (Method)
Пользовательская
переменная (Field
Function)
Скалярная
переменная (Scalar
Function)
Метод (Method)
ENormal
Скалярная
переменная (Scalar
Function)
ETan
Пользовательская
переменная (Field
Function)
18
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
2. Сохраните задачу.
Задание модели эрозии (Setting the Erosion Model)
Зададим подходящую модель эрозии.
При моделировании эрозии с использованием методов вычислительной газо-,
гидродинамики необходимо выбрать модель эрозии, учитывая материал,
подвергаемый эрозии, и условия, при которых она возникает. Также важно
принимать во внимание, что моделирование эрозии не обязательно прогнозирует
потерю материала с подходящей степенью точности, и не рекомендуется
оценивать времена жизни компонентов, основываясь только на CFD
моделировании. Если оценка времени жизни является важной, тогда
дополнительное экспериментальное подтверждение требуется для оценки
эффективности модели эрозии при соответствующих условиях.
В данном тьюториале первоначально будет использоваться модель Oka, и позже
будет использоваться дополнительная модель, определенная пользователем для
сравнения. В STAR-CCM+ коэффициенты, выставленные по умолчанию для Oka
модели, соответствуют коэффициентам при эрозии углеродистой стали от
воздействия песка.
Чтобы задать модель эрозии:
1. Продолжая работу с папкой «Континуумы > Физический континуум 1 >
Модели > Лагранжева многофазность > Лагранжевы фазы > Фаза 1 > Граничные
условия > Стенка > Физические величины» (Continua > Physics 1 > Models >
Lagrangian Multiphase > Lagrangian Phases > Phase 1 > Boundary Conditions > Wall
> Physics Values), выберите папку «Износ при ударе» (Impact Wear) и измените
«Метод» (Method) на «Oka модель» (Oka).
19
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
2. Выберите папку «Износ при ударе > Oka» (Impact Wear > Oka) и просмотрите
свойства модели.
3. Сохраните задачу.
Задание граничных условий для сплошной фазы
(Setting Continuous Phase Boundary Conditions)
Зададим граничные условия для сплошной фазы.
Граничные условия для границ типа стенка, заданные по умолчанию, являются
подходящими для анализа, а для плоскостей симметрии нет параметров,
определяемых пользователем. Границы входа и выхода необходимо изменить.
Чтобы задать граничные условия для сплошной фазы:
20
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
1. Откройте папку «Области > Fluid > Границы > Inflow» (Regions > Fluid >
Boundaries > Inflow) и задайте следующие свойства:
Папка (Node)
Физические условия >
Задание
турбулентности
(Physics Conditions >
Turbulence
Specification)
> Задание скорости
(Velocity Specification)
Физические величины
>
Интенсивность
турбулентности
>
Константа
(Physics
Values > Turbulence
Intensity > Constant)
> Линейный масштаб
турбулентности
>
Константа (Turbulent
Length
Scale
>
Constant)
>
Скорость
>
Константа (Velocity >
Constant)
Свойство (Property)
Метод (Method)
Значение (Setting)
Интенсивность
+
Масштаб
длины
(Intensity + Length
Scale)
Метод (Method)
Значение (Value)
Компоненты
(Components)
0.029
Значение (Value)
0.0037 m
Значение (Value)
[0.0, -12.901, 0.0] m/s
2. Выберите папку «Области > Fluid > Границы > Outflow» (Regions > Fluid >
Boundaries > Outflow) и задайте следующие свойства:
Папка (Node)
Свойство (Property)
Физические условия > Метод (Method)
Задание
турбулентности
(Physics Conditions >
Turbulence
Specification)
Физические величины Значение (Value)
>
Интенсивность
турбулентности
>
Значение (Setting)
Интенсивность
+
Масштаб
длины
(Intensity + Length
Scale)
0.029
21
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Константа
(Physics
Values > Turbulence
Intensity > Constant)
> Линейный масштаб Значение (Value)
турбулентности
>
Константа (Turbulent
Length
Scale
>
Constant)
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
0.0037 m
3. Сохраните задачу.
Моделирование инжектора (Setting up the Injector)
Зададим инжектор, который используется для ввода частиц в расчетную область.
Частицы дисперсной Лагранжевой фазы вводятся в вычислительную область
через инжектор. Инжектор определяет начальное состояние частиц и их
пространственное распределение. В данном случае частицы будут вводиться
около входа со скоростью, совпадающей со сплошной фазой.
Новая производная часть, представляющая демонстрационную сетку
(presentation grid), будет создана для определения точек впрыска, так как это
улучшит распределение частиц по сечению трубы.
Чтобы задать инжектор:
1. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Производные части» (Derived Parts)
и выберите «Новая часть > Проба > Демонстрационная сетка…» (New Part >
Probe > Presentation Grid…).
2. В диалоговом окне «Создать демонстрационную сетку» (Create Presentation
Grid) добавьте область Fluid в «Вводимые части» (Input Parts), нажмите
«Создать» (Create), затем «Закрыть» (Close).
3. Переименуйте папку «Производные части > демонстрационная сетка» (Derived
Parts > presentation grid) на «Сетка впрыска» (Injection Grid).
4. Выберите папку «Сетка впрыска» (Injection Grid) и задайте следующие
22
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
значения:
X-разрешение (X Resolution)
Y-разрешение (Y Resolution)
Система координат (Coordinate System)
Точка 1(Point 1)
Точка 2 (Point 2)
Нормаль (Normal)
Начало координат (Origin)
100
100
Лабораторная (Laboratory)
[0.11065, 0.22, -0.0265] m, m, m
[0.137, 0.22, 0.0] m, m, m
[0.0, -1.0, 0.0] m, m, m
[0.0, 0.22, 0.0] m, m, m
Теперь надо создать сам инжектор.
5. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Инжекторы» (Injectors) и выберите
«Новый» (New).
6. Выберите папку «Инжектор 1» (Injector 1) и задайте для свойства «Тип» (Type)
«Инжектор части» (Part Injector).
7. Задайте «Вводимые части» (Input Parts) как «Производные части > Сетка
впрыска» (Derived Parts > Injection Grid).
23
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
8. Нажмите ОК.
9. В завершении для свойства «Лагранжева фаза» (Lagrangian Phase) выберите
«Фаза 1» (Phase 1), как показано на рисунке ниже.
Свойство «Число точек» (Number of Points) будет задано как 0 до тех пор, пока
точки ввода не будут вычисляться во время инициализации решения. Теперь
необходимо задать условия и значения для определения частиц.
10. Откройте папку «Инжекторы > Инжектор 1 > Условия» (Injectors > Injector 1
> Conditions) и задайте следующие свойства:
24
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Папка (Node)
Задание скорости
течения (Flow Rate
Specification)
Распределение
массового расхода
(Flow Rate Distribution)
Задание размера
частицы (Particle Size
Specification)
Задание скорости
(Velocity Specification)
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Свойство (Property)
Метод (Method)
Значение (Setting)
Скорость потока
массы (Mass Flow Rate)
Метод (Method)
На
инжектор
Injector)
Метод (Method)
Размер частицы
(Particle Size)
Метод (Method)
Компоненты
(Components)
(Per
Теперь надо задать конкретные значения для этих параметров.
11. Откройте папку «Инжекторы > Инжектор 1 > Значения» (Injectors > Injector 1
> Values) и задайте следующие свойства:
Папка (Node)
Скорость > Константа
(Velocity > Constant)
Скорость потока
массы > Константа
(Mass Flow Rate >
Constant)
Потоки частиц (Parcel
Streams)
Диаметр частицы >
Константа (Particle
Diameter > Constant)
Свойство (Property)
Значение (Value)
Значение (Setting)
[0.0, -12.901, 0.0] m/s
Значение (Value)
0.027787 kg/s
Значение (Value)
3
Значение (Value)
2.75E - 4m
25
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
12. Сохраните задачу.
Установка параметров решателя и критериев остановки
(Setting Solver Parameters and Stopping Criteria)
Зададим подходящие параметры решателя и критерии остановки для задачи.
В моделировании Лагранжевой многофазности важно задать максимальное
время, в течение которого считается траектория частицы, так как возможны
ситуации, когда частицы будут «захвачены» средой (например, застойная зона) и
будут находиться там неопределенное время.
Чтобы задать параметры решателя и критерии остановки:
1. Откройте папку «Решатели» (Solvers) и задайте следующие свойства:
Папка (Node)
Лагранжева
многофазность >
Стационарный
(Lagrangian Multiphase
> Steady)
Свойство (Property)
Значение (Setting)
Максимальное время 0.1
нахождения (Maximum
Residence Time)
Уровень детальности Высокий (High)
(Verbosity)
26
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Новый критерий остановки будет создан на основе мониторов (monitors),
которые появляются при выборе решателя «Разделенный поток» (Segregated
Flow). Целью является достижение невязок уровня 1.0Е-3 для уравнений
непрерывности и момента до остановки расчета.
2. Откройте папку «Мониторы» (Monitors).
3. Выберите несколько папок:
- Непрерывность (Continuity)
- Момент Х (X-momentum)
- Момент Y (Y-momentum)
- Момент Z (Z-momentum)
4. Нажмите правой кнопкой мыши по одной из выбранных папок и выберите из
всплывающего меню пункт «Создать критерий остановки из монитора» (Create
Stopping Criterion from Monitor).
27
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
5. Откройте папку «Критерии остановки > Критерий непрерывности» (Stopping
Criteria > Continuity Criterion).
Критерии остановки были созданы для каждого из мониторов, выбранных ранее.
Вместо редактирования каждой папки по отдельности можно изменить свойства
всех вновь созданных папок одним действием.
6. Выберите сразу несколько папок:
- Критерий непрерывности (Continuity Criterion)
- Критерий Х-момента (X-momentum Criterion)
- Критерий Y-момента (Y-momentum Criterion)
28
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
- Критерий Z-момента (Z-momentum Criterion)
7. В окне свойств (Properties) в качестве «Логического правила» (Logical Rule)
выберите «И» (And).
8. Выберите одновременно папки:
- Критерий непрерывности > Минимальный предел (Continuity
Minimum Limit)
- Критерий Х-момента > Минимальный предел (X-momentum
Minimum Limit)
- Критерий Y-момента > Минимальный предел (Y-momentum
Minimum Limit)
- Критерий Z-момента > Минимальный предел (Z-momentum
Criterion >
Criterion >
Criterion >
Criterion >
29
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Minimum Limit)
9. В окне свойств (Properties) задайте «Минимальное значение» (Minimum Value)
0.001.
10. Сохраните задачу.
Визуализация решения (Visualizing the Simulation)
Создадим скалярную сцену для просмотра результатов моделирования.
По мере развития решения будем наблюдать распределение давления на
плоскостях симметрии.
Для визуализации решения:
1. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Сцены» (Scenes) и выберите «Новая
сцена > Скаляр» (New Scenes > Scalar).
2. Выберите папку «Сцены > Сцена скаляров 1 > Окна отображения > Скаляр 1 >
Части» (Scenes > Scalar Scene 1 > Displayers > Scalar 1 > Parts) и задайте «Части»
30
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
(Parts) как «Области > Fluid > Симметрия» (Regions > Fluid > Symmetry).
3. Нажмите ОК.
4. Выберите папку «Скаляр 1 > Скалярная переменная» (Scalar 1 > Scalar Field) и
установите «Переменную» (Function) на «Давление» (Pressure).
5. Используя кнопки мыши, расположите модель в «Скалярной сцене 1» (Scalar
Scene 1), как показано на рисунке ниже.
31
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
6. Выберите папку «Цветовая шкала» (Color Bar) и задайте следующие свойства:
Параметр (Setting)
Ориентация (Orientation)
Ширина (Width)
Высота (Hight)
Положение (Position)
Значение (Value)
Вертикальная (Vertical) (Задаётся до
установки ширины и высоты)
0.1
0.7
[0.77, 0.11]
32
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Отображение и создание отчета для падения давления
(Reporting and Plotting the Pressure Drop)
Создадим отчеты для среднего давления на границах входа и выхода и
воспользуемся этими отчетами для пользовательской переменной, которая
рассчитывает падение давления.
Для падения давления в дросселе имеются экспериментальные данные при
расходе 28,09 liter/s. Эти данные можно сравнить с данными, получаемыми при
моделировании, чтобы оценить точность результатов. Для этого необходимо
создать отчеты для среднего давления на границах входа и выхода и использовать
эти отчеты в пользовательской переменной, которая рассчитывает падение
давления. Эта переменная может отображаться во время расчета для оценки
сходимости.
Статическое давление верхней части потока было измерено на расстоянии двух
диаметров трубки до дросселя, а статическое давление нижней части потока
было измерено на расстоянии шести диаметров после дросселя. Входная граница
потока соответствует измерениям верхней части потока, но сечение плоскостью
необходимо создать в точке измерения нижней части потока. Сначала создадим
сечение плоскостью:
1. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Производные части» (Derived Parts)
и выберите «Новая часть > Сечение > Плоскость…» (New Part > Section >
Plane…).
На месте дерева объектов появится новое диалоговое окно «Создать сечение
плоскостью» (Create Plane Section),
2. В группе «Вводимые части» (Input Parts) выберите Fluid.
3. В группе «Параметры плоскости» (Plane Parameters) введите для Y начала
координат (Y origin) -0.239014m, для Х-нормали (Х normal) 0m, для Y-нормали
(Y normal) 1m. Остальные параметры можно оставить без изменений.
4. В группе «Отображение» (Display) выберите параметр «Нет окна
отображения» (No Displayer).
33
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
5. Нажмите «Создать» (Create), а затем «Закрыть» (Close).
В дереве объектов внутри папки «Производные части» (Derived Parts) появится
34
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
новая папка «Сечение плоскостью» (Plane Section).
Далее создадим отчеты для получения статического давления.
6. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Отчеты» (Reports) и выберите
«Новый отчет > Осредненный по поверхности» (New Report > Surface Averaged).
7. Переименуйте папку «Осредненный по поверхности 1» (Surface Averaged 1) на
Upstream Pressure.
8. Выберите папку Upstream Pressure и для «Скалярной переменной» (Scalar Field
Function) выберите «Давление» (Pressure).
9. Нажмите на правую часть свойства «Части» (Parts). В появившемся
диалоговом окне откройте папки «Области» (Regions) и Fluid и выберите границу
35
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Inflow, как показано на рисунке ниже.
10. Нажмите ОК.
Аналогичный отчет должен быть создан для давления нижней части потока:
11. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Отчеты» (Reports) и выберите
«Новый отчет > Осредненный по поверхности» (New Report > Surface Average).
12. Переименуйте папку «Осредненный по поверхности 1» (Surface Average 1) на
Downstream Pressure.
13. Выберите папку Downstream Pressure и для «Скалярной переменной» (Scalar
Field Function) выберите «Давление» (Pressure), а для «Частей» (Parts) выберите
«Сечение плоскостью» (Plane Section).
В результате окно свойств (Properties) должно выглядеть следующим образом:
36
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Две новые переменные, соответствующие этим отчетам, автоматически
добавились в дерево объектов.
14. Откройте папку «Инструменты > Пользовательские переменные» (Tools >
Field Functions) и пролистайте список, чтобы увидеть новые папки:
Проверьте окно свойств (Properties) и убедитесь, что имена переменных DownstreamPressureReport и UpstreamPressureReport, соответственно. Используем
эти имена для создания отчета для падения давления:
15. Нажмите правой клавишей мыши на папку «Отчеты» (Reports) и выберите
«Новый отчет > Выражение» (New Report > Expression).
16. Переименуйте папку «Выражение 1» (Expression 1) на «Падение давления»
(Pressure Drop).
17. Выберите папку «Падение давления» (Pressure Drop).
18. Используйте кнопку пользовательского редактора (Custom Editor), чтобы
ввести следующее «Определение» (Definition):
$UpstreamPressureReport - $DownstreamPressureReport
37
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
19. Нажмите ОК.
20. Нажмите на кнопку пользовательского редактора (Custom Editor) для
свойства «Размеры» (Dimensions). В диалоговом окне «Падение давления –
Размеры» (Pressure Drop – Dimensions) задайте для «Давления» (Pressure) размер
(dimension) 1, как показано на рисунке ниже.
38
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
21. Нажмите ОК.
22. В завершении для свойства «Единицы» (Units) задайте бар (bar).
Окно свойств (Properties) для отчета «Падение давления» (Pressure Drop) будет
выглядеть следующим образом:
39
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Монитор (monitor) и график (рисунок) (plot) будут созданы на основании этого
отчета.
23. Нажмите правой клавишей мыши на папку «Отчеты > Падение давления»
(Reports > Pressure Drop) и выберите «Создать монитор и график из отчета»
(Create Monitor and Plot from Report).
Созданные монитор и график можно увидеть в дереве объектов.
40
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
24. Нажмите правой клавишей мыши на «Графики > График монитора падения
давления» (Plots > Pressure Drop Monitor Plot) и выберите «Открыть» (Open) из
всплывающего меню. Отобразится пустой график.
25. Сохраните задачу.
Инициализация и запуск расчета
(Initializing and Running the Simulation)
Подготовка задачи к расчету завершена. Теперь мы можем запустить расчет.
Задача будет запущена в два этапа. Сначала будет получено решение
стационарной задачи для жидкой фазы в отсутствии частиц, а затем траектории
частиц будут получены с отдельной дополнительной итерацией. Это подходящий
метод, так как двусторонняя связь не была активизирована для лагранжевой
фазы.
41
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Жидкая фаза (Fluid Phase)
Чтобы отключить лагранжев решатель во время решения для жидкой фазы:
1. Выберите папку «Решатели > Лагранжева многофазность» (Solvers >
Lagrangian Multiphase) и поставьте галочку напротив свойства «Решатель
заморожен» (Solver Frozen) в группе «Анализ» (Expert).
Чтобы инициализировать решение и запустить расчет:
2. Нажмите на кнопку
«Инициализировать решение» (Initialize Solution) в
панели инструментов «Решение» (Solution) или выберите в меню «Решение >
Инициализировать решение» (Solution > Initialize solution).
3. Нажмите в панели инструментов «Решение» (Solution) на кнопку
«Выполнить» (Run).
Решение будет отображаться в окне вывода (Output). Не обращайте внимания на
предупреждающее сообщение о сглаживании (smoothing) в окне вывода (Output).
Автоматически в графическом окне (Graphics) будет создано изображение
невязок (Residuals), отображающее процесс работы решателя.
Выбирая вкладки в верхней части графического окна (Graphics), возможно
делать активной для просмотра ту или иную сцену и график.
4. Нажмите на вкладку «Скалярная сцена 1» (Scalar Scene 1), чтобы просмотреть
распределение давления по мере развития решения.
42
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Во время расчета можно остановить процесс, нажав на соответствующую кнопку
«Остановить итерации» (Stop) в панели инструментов. Если Вы делаете
остановку расчета, он может быть продолжен при нажатии кнопки
«Выполнить» (Run).
Если расчет не прерывать, он будет продолжаться, пока не будут выполнены
1000 итераций, или не будет достигнут критерий остановки (невязка
неразрывности) 0.001.
В конце расчета график монитора падения давления (Pressure Drop Monitor Plot)
будет выглядеть, как показано на рисунке ниже.
5. Нажмите на вкладку «Скалярная сцена 1» (Scalar Scene 1) в верхней части
графического окна (Graphics).
43
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Отобразится сцена, схожая с той, что изображена на рисунке ниже.
6. По завершению расчета сохраните задачу.
Лагранжева фаза (Lagrangian Phase)
Включим решатель лагранжевой многофазности для того, чтобы получить
траектории частиц и прогноз эрозии.
7. Выберите папку «Решатели > Лагранжева многофазность» (Solvers >
Lagrangian Multiphase).
8. Уберите галочку напротив свойства «Решатель замерожен» (Solver Frozen) в
окне свойств (Properties).
9. Нажмите в панели инструментов «Решение» (Solution) на кнопку
«Шаг»
(Step), чтобы сделать одну итерацию. Обратите внимание, что решателю может
44
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
потребоваться несколько минут, чтобы вычислить все траектории частиц.
10. Когда вычисление траекторий частиц будет завершено, сохраните задачу.
Визуализация результатов (Visualizing the Results)
Создадим скалярную сцену для просмотра результатов расчета.
В первую очередь нас интересует коэффициент эрозии на поверхности дросселя.
Можно создать скалярную сцену, показывающую его профиль.
Для визуализации результатов:
1. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Сцены» (Scenes) и выберите «Новая
сцена > Скаляр» (New Scene > Scalar).
2. Откройте папку «Сцены > Сцена скаляров 2» (Scenes > Scalar Scene 2) и
выберите папку «Окна отображения > Скаляр 1 > Части» (Displayers > Scalar 1 >
Parts).
45
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
3. Установите свойство «Части» (Parts) как «Области > Fluid > Дроссель»
(Regions > Fluid > Restrictor).
4. Продолжая работать с папкой «Окна отображения > Скаляр 1» (Displayers >
Scalar 1), выберите папку «Скалярная переменная» (Scalar Field).
5. Выберите для свойства «Переменная» (Function) «Коэффициент эрозии»
(Erosion Rate).
6. Выберите папку «Сцены > Сцена скаляров 2 > Окна отображения > Контур 1»
(Scenes > Scalar Scene 2 > Displayers > Outline 1) и отмените выбор свойства
«Контур» (Outline).
Вид можно восстановить, используя кнопку
Выбрать виды» (Save – Restore – Select Views).
«Сохранить – Восстановить –
7. Нажмите на кнопку
«Сохранить – Восстановить – Выбрать виды» (Save –
Restore – Select Views) и выберите в меню «Вид > +Y > Вверх +Z» (View > +Y >
Up +Z) .
46
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
8. Выберите папку «Цветовая шкала» (Color Bar) и задайте следующие
параметры:
Параметр (Setting)
Ориентация (Orientation)
Ширина (Width)
Высота (Hight)
Положение (Position)
Значение (Value)
Вертикальное (Vertical) (Задается до
установки ширины и высоты)
0.1
0.7
[0.7, 0.1]
47
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
9. Используя кнопку
«Увеличение рамкой» (Rubberband Zoom) и функции
мыши, приблизьте изображение эрозионной зоны дросселя, как показано на
рисунке ниже.
48
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Изображение показывает, где могут ожидаться максимальные коэффициенты
эрозии.
Оценка общего коэффициента эрозии
(Estimating the Overall Erosion Rate)
Создадим переменную и отчет для оценки общего коэффициента эрозии.
Чтобы получить оценку коэффициента эрозии в г/ч для всего дросселя,
необходимо создать переменную, для которой будем умножать вычисленный
коэффициент эрозии в каждой грани границы на площадь грани.
Для оценки общего коэффициента эрозии:
49
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Создадим переменную.
1. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Инструменты > Пользовательские
переменные» (Tools > Field Functions) и выберите «Новый > Скаляр» (New >
Scalar).
2. Переименуйте созданную папку «Пользовательская переменная 1» (User Field
Function 1) на «Общий коэффициент эрозии» (Overall Erosion Rate).
3. Откройте пользовательский редактор для свойства «Размеры» (Dimensions) и
задайте «Время» (Time) как -1, «Массу» (Mass) как 1, как показано на рисунке
ниже.
4. Нажмите ОК.
50
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
5. Для «Имени переменной» (Function Name) введите OverallErosionRate.
6. Для свойства «Определение» (Definition) введите в диалоговом окне
следующее определение:
$ErosionRate * mag($$Area)
7. Нажмите ОК.
В результате окно свойств (Properties) должно выглядеть следующим образом:
Можно вывести общий коэффициент эрозии в единицах, отличных от kg/s,
создав новую пользовательскую единицу. Для демонстрации создадим новую
единицу g/hr. Коэффициент перевода:
1 g/hr = 2.777778x10-7 kg/s
8. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Инструменты > Единицы» (Tools >
Units) и выберите во всплывающем меню «Новый» (New).
51
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
9. Переименуйте папку «Единицы 1» (Units 1) на g/hr.
10. Выберите папку g/hr и для свойства «Описание» (Description) задайте g/hr.
11. Для свойства «Размеры» (Dimensions) задайте «Массу» (Mass) как 1.
12. Установите «Время» (Time) на -1.
13. Нажмите ОК.
14. Введите для свойства «Преобразование» (Conversion) 2.777778E-7.
В результате окно свойств (Properties) должно выглядеть следующим образом:
52
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Теперь создадим отчет, который будет использовать новую переменную и
единицы.
15. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Отчеты» (Reports) и выберите
«Новый отчет > Сумма» (New Report > Sum).
16. Переименуйте папку «Сумма 1» (Sum 1) на «Общий коэффициент эрозии»
(Overall Erosion Rate).
17. Для свойства «Скалярная переменная» (Scalar Field Function) задайте «Общий
коэффициент эрозии» (Overall Erosion Rate).
18. Нажмите на правой части свойства «Части» (Parts), откройте папки
«Области» (Regions) и Fluid и выберите «Дроссель» (Restrictor).
19. Задайте g/hr в качестве «Единиц» (Units), используя выпадающее меню.
В результате окно свойств (Properties) должно выглядеть следующим образом:
20. Нажмите правой кнопкой мыши на папку отчета «Общий коэффициент
эрозии» (Overall Erosion Rate) и выберите в меню «Отчет о решении задачи»
(Run Report).
53
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Окно вывода (Output) покажет результат отчета.
Выведенное значение соответствует одной четвертой модели. Чтобы получить
общий коэффициент эрозии для задачи, необходимо умножить на 4. Таким
образом, для полной модели предполагаемый коэффициент эрозии составляет
0.63 g/hr.
Сравнение с экспериментальными данными
(Comparison with Experimental Data)
Сравним результаты расчета с экспериментальными данными.
Падение давления (Pressure Drop)
Для экспериментов, проведенных при расходе 28.09 liters/s, полученное падение
давления в дросселе составляет 5.44 bar. Это хорошо совпадает с посчитанным
падением давления 5.99 bar при 28.57 liters/s, полученным в данном тьюториале с
относительно грубой сеткой.
Коэффициент эрозии (Erosion Rate)
Эрозионный эксперимент для устройства дросселя, рассматриваемого в данном
тьюториале, показал средний коэффициент эрозии 0.58 g/hr за 14-часовой
период. Расход течения и концентрация песка, используемые тьюториале,
совпадают с используемыми в эрозионном тесте, и предполагаемый
коэффициент эрозии, используя модель Oka, составляет 0.63 g/hr.
54
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Применение альтернативных переменных для коэффициента эрозии
(Implementing Alternative Functions for Erosion Ratio)
Так как уравнения эрозии часто подбираются для конкретной комбинации
материал/песок, вероятно, что некоторые пользователи пожелают применить
свои собственные модели на основе экспериментальных испытаний. В этом
разделе применим в качестве примера модель, разработанную Zhang в Центре
исследований эрозии/коррозии Tulsa.
Модель, данная Zhang:
ER  C BH 
0.59
FS VPn F  
F    5.40  10.11 2  10.93 3  6.33 4  1.42 5
где:
ER – коэффициент эрозии (Erosion Rate).
C и n – эмпирические константы, 2.17х10-7 и 2.41, соответственно.
BH – твердость по Бринеллю (Brinnel hardness). Для углеродистой стали берем
120 (Zhang al.).
Fs – коэффициент формы частицы, заданный как 0.2 для полностью круглой
частицы песка.
Vp – скорость соударения частицы.
θ - угол столкновения частицы (радиан).
Угловая переменная будет применяться в своем собственном значении, и на эту
угловую переменную будет, в свою очередь, ссылаться переменная для
коэффициента эрозии.
1. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Инструменты > Пользовательские
переменные» (Tools > Field Functions) и выберите «Новый > Скаляр» (New >
Scalar).
55
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
2. Переименуйте папку «Пользовательская переменная 1» (User Field Function 1)
в Zhang Angle Function.
3. Для Zhang Angle Function задайте следующие свойства:
Свойство (Property)
Имя переменной (Function Name)
Размеры (Dimensions)
Определение (Definition)
Значение (Setting)
ZhangAngleFunction
Безмерный (Dimensionless)
(5.4 *
$ParticleIncidenceAngle) - (10.11
pow($ParticleIncidenceAngle, 2))
(10.93 *
pow($ParticleIncidenceAngle, 3))
(6.33 *
pow($ParticleIncidenceAngle, 4))
(1.42 *
pow($ParticleIncidenceAngle, 5))
*
+
+
Если мы вставляем численные константы в уравнение:
ER  C BH 
0.59
FS VPn F  
применяемое уравнение окончательно выглядит следующим образом:
ER  2.17  10 7  120
0.59
 0.2  V p2.41  F  
ER  2.57497  10 9 V p2.41  F  
4. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Инструменты >Пользовательские
переменные» (Tools > Field Functions) и в выпадающем меню выберите «Новый >
Скаляр» (New > Scalar).
5. Переименуйте папку «Пользовательская переменная 1» (User Field Function 1)
в Zhang Erosion Ratio.
6. Выберите Zhang Erosion Ratio и задайте следующие свойства:
Свойство (Property)
Имя переменной (Function Name)
Размеры (Dimensions)
Определение (Definition)
Значение (Setting)
ZhangErosionRatio
Безмерный (Dimensionless)
2.57497E-9 *
pow($ParticleVelocityMagni
tude, 2.41) *
$ZhangAngleFunction
56
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
Теперь переменную необходимо задать в дереве моделирования лагранжевой
многофазности:
7. Откройте папку «Континуумы > Физический континуум 1 > Модели >
Лагранжева многофазность > Лагранжевы фазы > Фаза 1 > Граничные условия >
Стенка > Физические величины > Износ при ударе» (Continua > Physics 1 >
Models > Lagrangian Multiphase > Lagrangian Phases > Phase 1 > Boundary
Conditions > Wall > Physics Values > Impact Wear) и для «Метода» (Method)
выберите «Переменная» (Field Function).
8. Выберите папку «Стенка > Физические величины > Износ при ударе >
Переменная» (Wall > Physics Values > Impact Wear > Field Function) и в окне
свойств ( Properties) выберите для «Скалярной переменной» (Scalar Function)
Zhang Erosion ratio.
С новой переменной необходимо запустить только одну итерацию, чтобы
получить дальнейший прогноз эрозии.
9. Нажмите на кнопку
«Шаг» (Step) в панели «Решение» (Solution), чтобы
57
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
сделать одну итерацию. Обратите внимание, что может потребоваться несколько
минут решателю, чтобы вычислить все траектории частиц.
10. Сохраните задачу.
11. Запустите отчет «Общий коэффициент эрозии» (Overall Erosion Rate), чтобы
получить коэффициент потери массы исходя из новых результатов:
Коэффициент эрозии для целой детали вчетверо превосходит прогнозируемую
величину, которая составляет 0.41 g/hr для модели эрозии Zhang.
Заключение (Summary)
Данный тьюториал продемонстрировал, как решать задачу с эрозией в STARCCM+.
В тьюториале были продемонстрированы следующие возможности STARCCM+:
 Выбор физических моделей для лагранжевой фазы.
 Установка инжектора для моделирования лагранжевой многофазности.
 Определение свойств материалов, требуемых для выбранных моделей.
 Задание граничных условий.
58
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
 Установка параметров решателя.
 Инициализация и запуск решателя до достижения достаточно малых
значений невязок.
 Анализ результатов при помощи инструментов визуализации.
 Анализ результатов с помощью пользовательских переменных.
Список использованной литературы
(Solid Particle Erosion Tutorial Bibliography)
В тьюториале использовались следующие источники:
McCulloch, S., 2005. Патент США No. US 6,886,598 B2, «Штуцерные
дроссельные устройства и методы» (Choke Restrictor Devices and Methods).
Wallace, M.S., 2001. «Моделирование эрозии простых и сложных моделей с
использованием CFD.» (CFD-based erosion modelling of simple and complex
geometries.) PhD Thesis, University of Strathclyde.
Forder, A., Thew, M., Harrison, D., 1998. «Численное исследование эрозии
внутри нефтяных регулирующих клапанов из-за твердых частиц.» (A
numerical investigation of solid particle erosion experienced within oilfield control
valves.) Wear, Vol.216, pp. 184-193.
Zhang, Y., Reuterfors, E.P., McLaury, B.S., Shirazi, S.A., Rybicki, E.R., 2007.
«Сравнение вычисленных и измеренных скоростей частиц и эрозии в водяных
и воздушных потоках.» (Comparison of computed and measured particle
velocities and erosion in water and air flows.) Wear, Vol.263, pp. 330-338.
59
СИНЦ
Перевод документации STAR-CCM+
Тьюториалы по многофазным течениям. Моделирование эрозии,
возникающей из-за действия твердых частиц
Версия 10.04
Дата: 11.08.2015
60