Modelowanie Powierzchni Swobodnej – czyli analiza układów dwufazowych w SOLIDWORKS Flow Simulation

Modelowanie Powierzchni Swobodnej – czyli analiza układów dwufazowych w SOLIDWORKS Flow Simulation

Powierzchnia swobodna jest to powierzchnia powstająca na granicy dwóch niemieszających się substancji między innymi takich jak układ woda-powietrze czy układ woda-olej. Przy jej obliczaniu najczęściej wykorzystywany jest model udziału objętościowego (VOF), który pozwala określić udział objętościowy substancji w komórce płynu dla różnych substancji. Model ten też jest wykorzystywany w SOLIDWORKS Flow Simulation.
Obliczenie powierzchni swobodnej pozwala nam zobrazować jak dwa niemieszające się płyny wchodzą w interakcje pomiędzy sobą.

https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0898122113003726-gr1.jpg

Rysunek obrazujący podział komórek ze względu na stany skupienia.

W przypadku powierzchni swobodnej granica pomiędzy płynami powinna się mieścić w maksymalnie dwóch komórkach siatki obliczeniowej. W tych elementach udział objętościowy jednej z frakcji zmienia się od jeden do zera.

Rozkład udziału objętościowego na granicy dwóch płynów

Oprogramowanie Flow Simulation pozwala nam na zamodelowanie powierzchni swobodnej w układach, w których skład mogą wchodzić:

  • Gazy
  • Ciecze nieściśliwe

Oprogramowanie pozwala nie tylko na obliczenie ruchu niemieszających się ze sobą substancji, ale też między innymi wymianę ciepła pomiędzy nimi czy wymianę ciepła układu z elementami ciała stałego. Zjawisko to zostało przedstawione na przykładzie przepływu wody poprzez zbiornik ukazany poniżej.

Projekt zbiornika wraz z wlewami znajdującymi się po czterech stronach układu

Aby przeprowadzić badanie powierzchni swobodnej w kreatorze badania „Wizard” koniecznym jest zaznaczenie opcji „Free Surface” w momencie wybierania rodzaju analizy. Jeżeli nie została wybrana opcja analizy niestacjonarnej, zostanie ona automatycznie dodana, jednocześnie nie będziemy mogli skorzystać z obszarów obrotowych.

Kreator badania z zaznaczoną opcją „Free Surface”

Następnym etapem będzie wybranie płynów, które będą tworzyły niemieszający się układ.


Kreator wyboru płynów użytych w analizie, otrzymujemy informacje że te dwie frakcje będą tworzyły nie mieszający się układ substancji.

Ostatnim elementem kreatora badania jest nadanie warunków początkowych wraz z początkowym wypełnieniem objętości przez konkretny płyn.

Okno definiowania warunków początkowych, standardowo zamiast podania udziału masowego bądź objętościowego, definiujemy tylko rodzaj płynu.

W przypadku, gdy wiemy, że badaną objętość początkowo wypełnia inny płyn, należy ją wprowadzić poprzez warunki początkowe w analizowanym układzie. W badanym przypadku woda wypełnia obszar do kanałów wlewowych.

Nadanie warunku początkowego wypełnienia objętości daną substancją.

Ostatnim elementem definiowanego badania będzie nadanie warunków brzegowych. W modelu nadano warunek wlotu objętościowego wody z czterech krućców wnoszący 3l/s oraz warunek ciśnienia statycznego powietrza na górnej ściance i warunek ciśnienia statycznego wody na dolnej ścianie układu.

Model wraz nałożonymi warunkami brzegowymi.

Efekty symulacji możemy zaobserwować na poniższej animacji, gdzie na powierzchni swobodnej oddzielającej wodę od powietrza został nałożony wykres prędkości płynu.

 

 

Na wynikach symulacji można zaobserwować utworzenie wiru z prędkością uzależnioną od odległości od osi tego wiru.

Elementy i uwagi, na które należy zwrócić uwagę przy modelowaniu powierzchni swobodnej:

  • Zalecaną praktyką jest ustawienie ręcznie stosunkowo małego kroku czasowego. Krok czasowy automatyczny wyliczany poprzez program odnosi się właściwości płynu i prędkości przepływu, może być niewystarczający dla analizy powierzchni swobodnej.
  • Siatka obliczeniowa ze względu na opisany wcześniej sposób oddzielenia substancji, w miejscu gdzie będzie występowała powierzchnia swobodna, musi mieć niewielki rozmiar, aby dobrze odwzorować granice faz. Zbyt dużą objętość elementu siatki może powodować przerwanie obliczeń.
  • Obecnie model powierzchni swobodniej uniemożliwia badanie skraplania, kawitacji czy innego rodzaju przemian fazowych jak i badania wilgotności powietrza.
  • Analiza powierzchni swobodnej uniemożliwia zastosowania obszarów obrotowych oraz zastosowania warunku wentylatora w projekcie.

KOMENTARZE