Введение в Инженерную Вычислительную Термогидромеханику Engineering Computational

Введение в Инженерную Вычислительную Термогидромеханику Engineering Computational Fluid Dynamics С. В. Жубрин Center of Explosion and Fire Safety Kingston University London, United Kingdom

Что такое CFD ? l Движения жидкостей и газов, перенос теплоты и массы подчиняются законам сохранения в форме уравнений в частных производных. l CFD, Computational Fluid Dynamics, дословно вычислительная гидродинамика, принятое в мировой практике название искусства замены систем уравнений в частных производных на набор алгебраических уравнений, которые могут быть решены при помощи цифровых компьютеров.

Что такое CFD ? CFD генерирует качественную и количественную информацию о явлениях переноса на основе : • математического моделирования • численных методов и • программных средств CFD вооружает инженеров возможностью проводить «численные эксперименты» в ‘виртуальной лаборатории’

Примеры приложений CFD В начале развития CFD, в основном, обслуживала запросы военных и аэрокосмических исследований.

Примеры приложений CFD В начале развития CFD, в основном, обслуживала запросы военных и аэрокосмических исследований.

Примеры приложений CFD Распространение атмосферных загрязнений

Что такое ЕCFD ? l Инженерная вычислительная гидродинамика, ECFD - приложение и развитие принципов и методов CFD для решения практических задач промышленных энерготехнологий. l Место и дата рождения: Imperial College of London University, конец 1960 -х. l Выход в промышленность: начало 1970 -х (1974 – CHAM, 1 -я коммерческая компания) l Специфика: многофазность, многофизичность, многомасштабность, многонаселенность. l ECFD – многодисциплинарная область знания, интерфейс технической физики, термохимии, тепломассообмена, прикладной математики и компьютерной техники.

Энерготехнологический пример: топка котла-утилизатора Физико-химические процессы; l Двухфазность. l Двухтопливность. l Высыхание твердостей. l Возгонка летучих. l Горение летучих газов. l Угле/золообразование. l Горение угольных фракций. l Конвекция, турбулентность. l Тепловое излучение.

Циклонная топка Траектории частиц Температуры стенок ACFDA Inc. , Toronto, Canada, 2008

Сопряженный расчет работы термохимического реактора. Печь - элемент сети, ТХР рассчитывается детально.

Эксперимент vs ECFD расчетов l ECFD дает такую детальную информацию о том, что происходит внутри аппаратов, которую трудно, дорого или невозможно получить экспериментально. l Оборудование и людей трудно перемещать, компьютерные программы портативны, легки в использовании и модификации. l Хотя ECFD не заменяет полностью эксперимент, объем опытных работ и их стоимость могут быть существенно сокращены. l Предупреждение: ECFD расчеты не обладают 100% надежностью из-за: (a) неопределенности входных данных; (b) неадекватности моделей процессов; (c) численной неточности, вызванной ограниченной мощностью компьютеров.

Как работает ECFD ? Основные компоненты расчета ECFD: l Инженер, постановщик задачи. l Инженер-модельер, обладающий научным знанием (моделями, методами) для понимания и математического представления задачи. l Инженер-пользователь, детально инструктирующий l программный код, который воплощает требуемое научное знание. l Компьютерный процессор, производящий вычисления. l Инженер-аналитик, , который анализирует и интерпретирует результаты моделирования.

Неопределенности и ошибки Можно или нет доверять моделированию зависит от неопределенности и суммарного эффекта ошибок. l Неопределенность – это потенциальная неточность из-за недостатка знаний (турбулентность – типичный пример). l Ошибка – неточность из-за других причин. - Методические ошибки имеют механизмы, помогающие их локализации, оценке и устранению. - Программно-пользовательские ошибки не имеют стандартных процедур для их установления и могут долго оставаться неустановленными и неисправленными. - Локальные ошибки – это ошибки решения в одной ячейке. - Глобальные ошибки – это ошибки решения по всей расчетной области. Локальные ошибки входят в глобальные и могут перемещаться по расчетной сетке.

Классификация ошибок Знание источников ошибок и контроль над ними – важные условия успешного использования CFD кодов. Методические ошибки : l l Неопределенность физических моделей и упрощений. Конечность размеров сеточных ячеек. l Недостаточная сходимость из-за прекращения итераций. l Округления компьютерной арифметики. Программно-пользовательские ошибки : l “Жучки” в программировании и логические ошибки. l Неправильный выбор моделей, их параметров и краевых условий. Проверка и апробация – процедуры контроля над ошибками.

Функциональная проверка расчетов Вопрос: Мы правильно решаем уравнения ? Ответ: l Удовлетворение предписанным критериям сходимости итераций. l Выполнение принципов сохранения на локальном и глобальном уровнях. l Независимость результатов от размеров сеток ( по времени и пространству). l Сравнение с аналитическими и надежными численными решениями для тестовых условий и конфигураций.

Многомасштабное v Аналитического Теплообменный пучок перекрестного тока Схематика Сравнение

Балансовые проверки l Обработка локальных полей – балансы l Модель консервативна – балансы строго удовлетворяются l Заметна высокая теплопередача излучением H 2

Многомасштабное v Аналитического Камера вторичного дожигания мусоросжигательной печи.

Вопрос: Практическая апробация расчетов Мы решаем правильные уравнения ? Ответ: l Проверка кода – численное решение ОК ? l Сравнить с опытом – реальность решения ОК ? l Параметрический анализ – оценка эффектов неопределенности исходных данных и недопонимания физики. l Модификации моделей, геометрии, и режимных условий. Цель проверок и апробаций – убедиться, что моделирование ОК в требуемомом диапазоне режимно-конструктивных условий.

Радиационно-конвективный тракт ПГУ Температура ; К Сравнение

Коммерческие CFD комплексы ю Комментарии: • Open. FOAM (http: //www. openfoam. com/) популярный некоммерческий открытый CFD код • Flow. Vision популярен в России.

Дoполнительные комментарии l «Слепое» , т. е. без владения основами, использование многоцелевых коммерческих кодов для реального инженерного моделирования возможно только в редких случаях. l Отраслевые, т. е. проблемно-ориентированные, версии более пригодны для эпизодического, слепого применения (6 sigmа. DС of FFL). l Нестандартные модели ( например, турбулентнохимические эффекты горения) требуют модификации и наращивания вычислительных циклов. l Только несколько коммерческих кодов (CFX, FLUENT, PHOENICS) предлагают удобные средства интервенции в свои внутренние вычислительные циклы. l In. Form и PLANT модули PHOENICSа предлагают один из лучших уровней дружественности вторжения.

Заключительные замечания 1. Проверенные программные комплексы удобны для проведения многомасштабного ECFD моделирования. 2. Результаты успешного моделирования, как правило, количественно реалистичны и демонстрируют адекватные качественные тенденции. 3. Требуются постоянные исследования по систематической проверке и настройке моделей, их улучшения и обновления. 4. Реализацию моделей следует осуществлять в стандартах доступных широкому кругу специалистов.

Cтруктура вводного курса 1. Введение. 2. Уравнения вычислительной термогидромеханики. 3. Основные вспомогательные модели. 4. Модели химических и фазовых превращений. 5. Многомасштабные и многофазные эффекты. 6. Объединение системных и детальных расчетов. 7. Процесс инженерного CFD моделирования.

Спасибо за Ваше внимание https: //docs. google. com/Doc? id=dfnmhh 6 z_328 gm 77 j 3

Анимационные примеры нестационарного моделирования

Развитие взрывной волны CEFS of Kingston University, London, UK

Другие примеры • Аварийное покидание самолета • Подводный запуск • Вентиляция подвижным составом • Реактор с мешалкой

Drifting of Multi-fractional oil slick, CHAM-MEI , 1994 l Animation shows the movement , dispersion and depositons of slick comprising fifteen different oils fractions. l Each oil fraction is represented by its own unique colour.

Oil slick drifting underneath of fragmentary ice cover l Saint Clair River, Ohio, USA l Ice-cover is in transparent shade. l Slick slows down under ice, and accelerates in open water.