Применение программного комплекса AnsysIcem к решению задач химической промышленности

На данном рисунке представлено устройство для вытяжки световолокна, которое в свою очередь состоит из двух сред. Первая среда подаётся по трубке №1, предварительно поступая из цилиндра с воронкой №4, вторая среда течёт по колену №3, из которого попадает в тело №2 (промежуток между первой трубкой и вертикальным продолжением цилиндра №4), после этого в зоне №5 эти среды смешиваются, в результате на выходе получается световолокно.

Ход построения

Замечания о манипуляциях с геометрией

1) При выполнении таких действий, как вращение кривой или других видах движения, начальная кривая может совпадать с конечной при этом в нижнем окне выдается сообщение о соединенных точках и кривых. Иногда окружности или кривые разбиваются на части при этом исходные кривые сохраняются. В последствии вы можете по ошибке, где-то указать не ту кривую, например проассоциировать блок не с четвертью окружности, а с третью да ещё с вырезом, возможно некорректное создание поверхностей по кривым Во избежание таких несчастий надо очень внимательно следить за геометрией, своевременно создавать соответствующие части, удалять мусор. Если это горе всё-таки произошло заметить его можно, например если на одной кривой лежит две кривые, то при выделении одна из них подсвечивается пунктиром, можно подвести мышь к кривой и выделить её затем щёлкнуть по ней ещё раз, если при этом выделилась некоторая соседняя кривая, то всё в порядке, если же ничего не изменилось (или, например, на окружности загорелся какой-то мусор) или подсветка стала ярче, то лучше удалить этот хлам, проще оставлять его в части GEOM и при провождении ассоциаций или других действий эту часть отключать из видимости.

Удалять следует дубликаты кривых (для этого надо либо вовремя создавать части, либо пользоваться деревом вида, узнавать имена дубликатов, впоследствии копировать их в имена удаляемых кривых).

2) Не стоит лишний раз создавать и удалять геометрию. Если вы отменяете действия, то надо отменять его полностью (иногда отмена одного действия может потребовать нескольких нажатий кнопки назад), в противном случае возможны проблемы из пункта один.

3) Не стоит лишний раз проводить операции соединения или разбиения для поверхностей. Дело в том, что поверхности в ICME хранятся в двух видах: параметрически и численно, операцию слияния можно проводить только для численных, недостатки перевода в это состояние очевидны. При операции разбиения возможна (всё из-за той же толерантности) некорректная перепараметризация (трещины, разрывы, и более жёсткие искажения).

4) При построении поверхностей путём движения кривых (вращение кривой, движение кривой вдоль кривой), каждая движимая кривая создаёт одну поверхность за один этап. Так как операция слияния и разбиения работает корректно для кривых, то желательно заранее знать сколько нужно поверхностей.

Продолжаем построение геометрии. Ещё раз прочитаем замечание №4 и убедимся, что полоска из сглаживающей плоскости нам не нужна, поэтому склеим отрезок LN, с соответствующей дугой, для этого нажмём: , затем выберем соответствующие кривые, нажимаем колесо. Теперь тоже самое делаем для отрезка MO и соответствующей дуги. Заметим, что подобные сглаживания нужны, если строимая сетка будет меньше, чем размер сглаживающих дуг, в противном случае сглаживание бесполезно; что касается физики производства этих “стенок”, то там на самом деле имеет место некоторое оплавление углов при их отливки. Рисунок со скруглениями, здесь не представлен, т.к в подобном масштабе он ничем не отличается от приведённого; поэтому далее будем подразумевать под кривыми LN и MO соответствующие отрезки с приклеенными дугами. Больше ничего не склеиваем, т.к ко всем остальным кривым (включая дуги CD и C1D1), после вращения будут “прикреплены”, соответствующие блоки.

Первый этап построения первого тела закончен, сохраняем эту “фигуру” в часть: щёлкаем правой кнопкой по слову Part в дереве вида, выбираем создать часть, в появившемся окне вводим имя новой части PART.T_1_0, около строчки выбора (), нажимаем на ,зажимаем левую кнопку и обводим все точки и кривые представленные на рисунке (предварительно, не забыв, включить нужные из этих кнопок - в этом случае достаточно выбрать только точки и кривые), нажимаем на колесо.

Приступаем ко второй стадии построения: будем вращать исходную геометрию. Для того чтобы впоследствии не сталкиваться с операциями разбиения поверхностей вращения на четыре плоскости (ровно столько нужно для ассоциации четырёх боковых граней блока), сразу будем вращать геометрию последовательно на углы . Нажимаем , затем , в этом поле , введём цифру 90, здесь , нажмём на , выберем точки с координатами: Q(0 0 0), Q1(0 0.06 0) (если они не созданы их надо создать), эти точки характеризуют ось вращения, в качестве таких точек можно взять любую пару лежащую на оси Y. Так как вращать будем четыре раза удобно скопировать отобразившиеся имена точек: , в буфер обмена (клавиши Ctrl-Insert), чтобы в последствии не тратить время на выделение, а только вставлять это значение (клавиши Shift-Insert), (вообще все горячие клавиши можно узнать нажав на справку и найдя пункт Hot Keys).

В поле , нажав , вводим кривые, выбирая их все сразу мышью (если все элементы выбираемой геометрии принадлежат одной части, то удобно выбирать сразу всю часть: в появившемся меню выбора надо нажать , а в всплывшем окне поставить галочку напротив нужной части, в данном случае это часть PART.T_1_0, можно выбирать несколько частей). Получим нечто похожее на то что представлено справа. Если поверхности не видно, то либо не стоит соответствующей галочки в дереве видов, либо не выбрана опция Solid для поверхностей.

Замечание: если вы выбирали геометрию из всей части или обводя всю фигуру мышью, среди выбираемых элементов могли оказаться точки, при вращении они не окажут никакого влияния на фигуру вращения, даже если не было выбрано ни одной точки то программа сама создаст их на пересечении прямых образа, а также дуги соответствующие границам поверхностей.

Теперь выделяем, аналогично, образ исходной фигуры, не забыв вставить точки вращения из буфера (использование буфера полезно ещё и тем, что если вы случайно введёте точки вращения не в том порядке, то фигура будет вращаться в другую сторону); повторяем операцию вращения последних образов кривых (цифру 90 не убираем), до тех пор пока фигура не станет иметь вид похожий на тот, что справа. Заметим, что на указанных рисунках уже добавлены “крышки” сверху и снизу. Для удобства работы с геометрией верхняя воронка (плоскости соответствующие вращающимся дугам CD и C1D1) объединены в отдельную часть PART.T_1_1, а так же часть соответствующую невидимым поверхностям образованных вращением кривой МОС1 - часть PART.T_1_2 (по умолчанию оставшийся кусок будет в части PART.T_1_0). Стратегия построения такова, что в дальнейшем планируется описать эту фигуру тремя блоками соответствующими: нижней воронке (образовалась после вращения MO и LN), цилиндру (после вращении NC и OC1), уже оговоренной верхней воронке. Для того чтобы можно было корректно проассоциировать верхние грани блока должны быть созданы плоскости соответствующие внутренностям окружностей образованных после вращения точек O и C1.

Возможен вопрос: для чего разбивать на три блока. Формально всю эту трубку можно описать одним блоком (не включая центрального разбиения: 0-grid), проассоциировав его рёбра с кривыми образующимися путём вращения исходного профиля. Но реально в местах резкого изменения топологии (дуга окружности, сужение), ассоциация будет некорректной (для просмотра качества блока есть соответствующие опции).

Теперь строим эти “крышки” выбираем: , выбираем метод построения, заполняем , незабываем поставить толерантность: , выбираем по четыре кусочка кривых и жмём на колесо. В результате получаем четыре дополнительных плоскости: верхняя и нижняя крышки, и окружности соответствующие вращению точек O и C1; для того чтобы удобнее было строить эти круги, можно либо отключить видимость ненужных частей, либо отключить видимость поверхностей, либо снять опцию solid с поверхностей.

Создание блоков

При выборе законов разбиения (как в этом меню, так и в меню на страницу выше), возможно допущение ряда “ошибок”, например внесли некорректные данные в закон или, даже, просто закрывая только что описанное меню, нажали не на кнопку , а просто закрыли (нажав на ), а так же в ряде других “странных” случаев. Обычно, сообщение об ошибке появляется некоторое время спустя, например, при попытке ещё раз изменить закон. Для того чтобы восстановить нормальную работу, в появившемся сообщении об ошибке нажмите , а в всплывшем окне “Edge meshing Parameters” (аналог меню на стр.9) нажмите .

После того как выбрано разбиение (возвратились в меню на стр.14), очень удобно поставить здесь галочку , и выбрать метод копирования, например , если введена эта настройка, то на все рёбра блока параллельные текущему будут перенесены все настройки для данного ребра (число узлов, закон разбиения и т.д.).

После того как заполнены все только что перечисленные пункты, ребро готово для разбиения, нажимаем кнопку , теперь можно пользоваться всеми свойствами меню предварительного просмотра сеток (на дереве вида вкладка Pre-Mesh).

Возвращаемся к исходной геометрии. На рёбрах NC, ставим число узлов 75, в качестве закона разбиения выбираем сплайн, во вкладке функций находим пункт “парабола со сгущением к концам” (Parabola Ends), несколько модифицируем её (рисунок на этой странице), ставим галочку копировать параметры на все параллельные рёбра. Далее берём любое горизонтальное ребро и ставим число узлов 15, выбираем равномерный закон разбиения (BiGeomertic), также копируем настройки на все параллельные рёбра, тоже самое проделываем для соседнего (с боку) горизонтального ребра (можно любого горизонтального не принадлежащего предыдущему семейству параллельных рёбер).

Разбиваем ребро соответствующие дуге CD: число узлов ставим 15, закон Linear, в появившемся меню выбираем линейную функцию (Ramp) функцию, делаем сгущение к началу (зависит от направления локальной системы координат, т.е. надо посмотреть направление базисных векторов на блоке), для этого делаем отражение слева на права. Поднимаем нижнюю точку так, чтобы размер максимального элемента был 0.00029, а максимального 0.0008 (в результате будет непрерывность сетки в точке С, т.к. при проведении предыдущего разбиения в этой точке было именно это значение длины элемента). Незабываем скопировать параметры. Результат справа.

Разбиваем ребро соответствующее кривой LN. Аналогично выбираем линейный закон, число узлов задаём 30, минимальный элемент ставим длину 0.000105, а максимальный 0.00029 (таким образом выполнится непрерывность сетки в точке O, точка N, является менее важной, т.к. течение жидкости идёт по внутренности трубки). Незабываем ставить копирование параметров на все параллельные кривые.

Осталось разбить все рёбра параллельные ON (это будут все оставшиеся рёбра), т.к. эта область содержит твёрдое тело, которое нас не интересует, ставим число узлов 5 и закон равномерный.

В результате был получен прообраз сетки. Проверить его корректность можно в пункте предварительного просмотра (Pre-Mesh), приступаем к последней фазе создания сетки.

Так как блоки описывающие внутренность тела представляют одно физическое тело, а блоки описывающие стенку другое, то надо объединить эти блоки соответственно в две новые части (это лучше сделать, чтобы потом не пришлось лишний раз их склеивать в решателе), при этом старые части автоматически исчезнут, вместе с блоками отправляем в эти части и все промежуточные поверхности к которым эти блоки были прикреплены (например поверхности образованные после вращения отрезка NO, эти поверхности не имеют никакого физического смысла, но удалять их нельзя, т.к. тогда “поплывёт сетка”). Как это делать было сказано выше, новые части называем BLOCK_T_1_1 и BLOCK_T_1_2.

Всё готово для создания сетки, создаём её. В дереве вида на вкладке блоков находим пункт предварительной сетки (Pre-Mesh), выбираем опцию создать неструктурированную сетку (Convert to Unstruct Mesh).

Экспорт в решатель

Было построено третье тело, результат представлен справа.

Ход построения. Строим точки: О(-0.028 0.08045 0.006), С(-0.028 0.08045 0.006), D(-0.022 0.08045 0), строим по ним окружность. Строим точки: К(-0.028 0.0605 0), L(-0.008 0.0405 0), M(-0.008 0.0605 0), строим по ним четверть окружности. Строим точку Q(0.04 0.0405 0). Склеиваем кривые OK, KL, LQ. Строим поверхность путём движения окружности ABCD, вдоль склеенной кривой (если кривые не склеить, а двигать поочерёдно вдоль каждой из кривых, то получатся поверхности, которые не имеют ни физического, ни практического смысла).

От полученной поверхности отсекаем лишнюю часть: строим внешность второго тела (строим окружность в плоскости XZ с центром в начале координат, радиуса 0.0065,

строим поверхность, двигая эту окружность вдоль оси Oy на высоту 0.06), находим кривую пересечения этих двух поверхностей: открываем вкладку геометрия, в ней нажимаем кнопку с кривыми, нажимаем , выделяем две нужные поверхности, жмём на колесо, затем необходимо нажать . Теперь с помощью созданной кривой разбиваем третье тело на две части: нажимаем кнопку с поверхностями, нажимаем , затем выбираем нужную поверхность и кривую, поверхность разбита. Теперь надо создать границу третьего тела: сверху это круг ABCD, а снизу поверхность EFGH, создаём её, аналогично нажимаем , затем выбираем туже кривую, а поверхность берём соседнюю.

Замечания. 1) При отсечении первой поверхности на границе, где находится кривая EFGH, могли появиться новые кривые (их лучше удалить), тоже самое касается второго отсечения. 2) Качество операций пересечения напрямую связано с толерантностью (которую настроить можно здесь: главное менюнастройкимоделирование), в данной работе использовались следующие настройки: , . Что касается скорости то для слабого компьютера можно сделать толерантность более крупной. Иногда толерантность надо делать более крупной, например если не выполняются некоторые операции, такие как создание поверхности лежащей на другой поверхности и ограниченной кривой лежащей на той же поверхности (кнопка ), эта операция вообще плохо работает и ей лучше не пользоваться, если есть возможность, лучше просто разбивать поверхность на две с помощью кнопки , что и было сделано выше, об особенностях хранения поверхностей было сказано ещё раньше. Возникновение некорректности при чрезмерно высоком уровне толерантности (т.е. при задании слишком точной аппроксимации параметрических объектов), вызвано тем, что при таком уровне дискретизации поверхности и кривые которые явно лежат на этой поверхности (т.е. совпадает параметризация) воспринимаются как независимые (отдельные) объекты. При попытке произвести с подобными объектами какие-то действия возникает ошибка слияния (can not merge) или просто действие выполняется некорректно, например, вместо круга ограниченного четырьмя дугами можно получить плоскость содержащую эти дуги.

Далее следует удалить все ненужные объекты, включая остаток второго тела и лишни кривые (граница второго тела была нужна только чтобы создать поверхность EFGH). Далее полученная коленообразная поверхность разбивается на четыре. Заходим в пункт линии, нажимаем , выбираем , выбираем поверхность, затем здесь , нажимаем , далее выбираем точку А (потом всё тоже самое проделать для остальных точек), т.к. поверхность хранится в памяти параметрически, то в каждой точке существует два ортогональных направления (U и V), автоматически будет предложено одно из них, если это то направление, то нажимаем на колёсико, если нет надо явно выбрать метод , т.к. параметр V, для поверхностей созданных движением кривой вдоль кривой обычно соответствует кривой которую двигали, область изменения обоих параметров отрезок [0;1], то галочку ставим здесь , а в этом поле , ставим одно из значений: 0, 0.25, 0.5, 0.75 - каждое из них соответствует одной из четырёх точек: А, В, С, D, после этого строится координатная линия (линия с фиксированным значение параметра V). Далее находим точки пересечении построенных линий с нижней границей, т.е. точки E, F, G, H (обязательно надо заполнять толерантность). Далее кривую EFGH также надо разбить на четыре кривых: EF, FG, GH, HE. Далее исходная коленообразная поверхность разбивается на четыре, выбирается , затем выделяется поверхность и окаймляющие её кривые, после трёх таких шагов приходим к нужному результату (при создании новых поверхностей также возможно появление новых кривых). Далее аналогично был создан блок его вершины были проассоциированы с отмеченными на рисунке точками, рёбра и грани с только что созданными кривыми и поверхностями, аналогично была построена сетка и создан проект T_3, который был экспортирован в CFX.

Заключение

1) ANSYS - Solutions №№ 1-5 2007.

2) Механика жидкостей и газов Лойцянский Л.Г. Гл. ред. физ.-мат. лит.,1987.

3) Теоретическая гидродинамика Милн-Томсон Мир 1964.

4) Справка Documentation for ANSYS ICEM CFD.