Моделирование процесса кипения нанофлюидов

ANSYS CFX в среде ANSYS Workbench

     На  данный момент программный комплекс ANSYS CFX также работает и в интегрирующей среде ANSYS Workbench. Создание геометрии, задание физических моделей, решение и постпроцессинг — все это объединено в общий процесс разработки. Древовидная структура проекта облегчает работу и упрощает внедрение данной технологии.

Геометрия

     Модуль  ANSYS DesignModeler создан для геометрического препроцессинга модели. Используя прямые интерфейсы к CAD-системам, DesignModeler позволяет работать с параметрическими моделями, обеспечивая двустороннюю связь между расчетной и CAD-моделью. Возможность вносить изменения в геометрию позволяет привести исходную CAD-модель к требованиям расчетной системы, например удалить мелкие элементы и ликвидировать нестыковки поверхностей. В дальнейшем эта геометрия может быть использована для всех видов расчета в ANSYS, что упрощает постановку связанных задач.

Генерация расчетной сетки

     Одним из условий получения корректных CFD-результатов является создание высококачественной расчетной сетки. ANSYS, Inc. предлагает два решения для CFD: модуль ANSYS CFX-Mesh и универсальный сеточный пакет ANSYS ICEM CFD. Все эти решения доступны под интегрирующей средой ANSYS Workbench.

CFD препроцессинг

     Модуль  CFX-Pre использует современный, интуитивно понятный интерфейс для задания всех граничных условий и физических моделей, необходимых для создания файла для решателя. Импорт расчетной сетки возможен из большинства сеточных генераторов, включая ANSYS CFX-Mesh, ANSYS ICEM CFD и ANSYS CFX TurboGrid.

CFD-решатель

     Основой всей расчетной технологии ANSYS CFX является решатель Algebraic Coupled Multigrid. Используя неявную связанную схему решения линеаризованной системы уравнений, решатель обеспечивает быструю и устойчивую сходимость во всех типах задач. При этом время решения задачи находится в линейной зависимости от объема расчетной сетки. Преимущество ANSYS CFX особенно проявляется при решении больших моделей с многокомпонентными течениями и сложной структурой. Решатель ANSYS CFX мало чувствителен к отношениям размеров элементов, временным шагам и релаксационным факторам. Точность решения достигается как за счет высокой точности на узел, так и схемой дискретизации второго порядка устанавливаемой по умолчанию. Эти же свойства сохраняются при параллельных расчетах, обеспечивая отличные параметры ускорения на многопроцессорных системах и кластерах рабочих станций.

Дополнительные  модули

     Точность  моделирования непосредственно  связана с физическими моделями, используемыми в расчете. ANSYS CFX содержит большое количество физических моделей для обеспечения точных результатов в широком диапазоне промышленных задач. Все физические модели могут взаимодействовать друг с другом, на любой топологии сетки, с применением всех типов интерфейсов областей расчета, используя связанный многосеточный решатель, в том числе и при параллельном расчете.

Многофазные потоки.

     Более чем 20-летний опыт в моделировании  многофазных потоков позволил развить  множество физических моделей, позволяющих  рассчитывать потоки из нескольких фаз, их взаимодействие, свободные поверхности  и учитывать эффект поверхностного натяжения. Модель движения твердых  частиц (Lagrangian Particle Transport) позволяет учесть одну или несколько дискретных примесей в однородном потоке. Модель межфазного тепло- и массообмена позволяет рассчитывать кипение, испарение и кавитацию.

Вращающиеся машины.

     ANSYS CFX является признанным лидером CFD- технологии моделирования для вращающихся машин. Несколько типов интерфейсов между расчетными областями облегчают моделирование взаимодействия ротор—статор. Пре- и постпроцессор содержит специальный режим работы для анализа турбомашин.

Турбулентность.

     Большинство промышленных потоков являются турбулентными, и ANSYS CFX содержит более 16 моделей турбулентности, позволяющих учесть все нюансы течения. В качестве хорошо зарекомендовавших себя моделей используются модели k-e и SST с автоматической функцией стенки. Для более сложных течений, с большой степенью анизотропности турбулентности, применяются модели напряжений Рейнольдса (RSM). Среди зональных моделей турбулентности, помимо LES- и DES-формулировок, есть модель DES-SST, более корректно учитывающая пристенные эффекты. Уникальной опцией является переходная модель турбулентности на основе SST-модели турбулентности, созданная специально для турбомашиностроения и авиакосмической промышленности.

Теплообмен.

     Оптимизация теплообмена между потоком и  твердым телом является типичной задачей во многих отраслях промышленности. Возможности ANSYS CFX позволяют решать подобные задачи в 3-мерной постановке с учетом сопряженного теплообмена и теплопроводности твердого материала.

Радиационный  теплообмен.

     Широкий выбор моделей радиационного  теплообмена позволяет учесть такие  эффекты, как преломление, отражение, частичное отражение и поглощение. Эти эффекты крайне важны при  анализе горения, теплообмена и  вентиляции.

Горение. Взаимодействие всех компонентов химических реакций решается одновременно, что улучшает сходимость решения в сложных реакциях. Представлены модели горения как EDM-, так FCR- и Flamelet- типа, позволяющие рассчитывать горение как полностью, так и частично перемешанных смесей.

Жидкостно-структурное  взаимодействие.

     ANSYS, Inc. используя специализированные решения как в структурном анализе, так и в гидрогазодинамике позволяет моделировать связанные задачи аэроупругости, сопряженного теплообмена. Подобный подход дает возможность добиваться беспрецедентных результатов как в каждой отдельной области, так и в интерфейсе между ними.

Движущаяся  сетка.

     В тех случаях, когда геометрия  расчетной области изменяется в  процессе работы, например в винтовых компрессорах, шестеренчатых и мембранных насосах, поршневых компрессорах и  двигателях, корректное моделирование  возможно только с учетом данного  эффекта. ANSYS CFX позволяет работать с подобными расчетными моделями, в том числе совместно с ANSYS Mechanical/Multiphysics.

CFD-постпроцессинг

     В CFX-Post в интуитивно понятном интерфейсе содержатся мощные средства постпроцессинга, в том числе анализ качественных и количественных результатов. Мощные средства отображения графической информации дают возможность проанализировать структуру потока с помощью изоповерхностей, сечений, векторов, траекторий и многих других методов. Анализ количественных результатов с помощью встроенных функций позволяет получить более точное представление о характеристиках изделия. Специализированный модуль Turbo-Post дает возможность анализировать турбомашины с помощью типичных для них систем координат (m', theta, span). 

Параллельные  расчеты

     Используя любую комбинацию имеющихся вычислительных ресурсов, ANSYS CFX позволяет уменьшить время расчета и выполнить большие по объему задачи. Все без исключения физические модели могут быть распараллелены. При этом достигается такая же сходимость, как и при обычном расчете.

     Преимущество  ANSYS CFX основано на совокупности проверенных и лидирующих в своей области технологий в каждом элементе программного комплекса. Именно это обстоятельство обеспечивает точность, надежность, скорость и гибкость и дает прекрасные результаты при применении.

Список  использованной литературы

1. http://ru.wikipedia.org
2. P.Moriarty, Nanostructured Materials, in Rep.Prog.Phys, 64, 297 (2001)
3. А.И.Гусев, А.А.Рампель, Нанокристаллические материалы, Физматлит, Москва, 2001
4. R.Turton. The Quantum Dot, W.Y.Freeman Spectrum, Oxford, 2000
5. K.L.Wang, A.A.Balandin Quantum Dots: Physics and Applications in Optics of Nanostructured Materials, Ed. V.A.Markel and T.F.George, J.Wiley, New York, 2001, p.515
6. http://www.nanonewsnet.ru/