Wstęp
Czy wiesz, że starożytny wynalazek zwany „Śrubą Archimedesa” wcale nie został zaprojektowany przez słynnego greckiego filozofa i matematyka? Ten podnośnik zbudowany ze śruby umieszczonej wewnątrz rury ustawionej skośnie do poziomu służący np. do transportowania wody został właściwie wynaleziony przez inżynierów starożytnego Babilonu lub Egiptu.
W tym artykule wykorzystam zasadę działania tego urządzenia do prezentacji możliwości obliczeniowych w programie SOLIDWORKS Flow Simulation..
Ustawienia
Do modelowania powierzchni swobodnej wody użyta została metoda analizy przepływów dwufazowych płynów niemieszających się: „Volume-Of-Fluid” (VOF), natomiast do odwzorowania ruchu obrotowego śruby idealnie nadaje się funkcja „Rotating Regions” w wersji „Sliding Mesh”, służąca do analizy regionów obrotowych na bazie ruchomego obszaru siatki obliczeniowej.
Takie, równoczesne, połączenie obu powyższych technik modelowania CFD, jest nowością w SOLIDWORKS Flow Simulation dostępną od wersji 2021.
Jako uzupełnienie modelowanych zjawisk potrzebujemy, naturalnie, uwzględnić grawitację oraz niestacjonarny charakter przepływu zbierając, z odpowiednim krokiem, zrzuty danych z całego czasu trwania obliczeń.
Do optymalnie dokładnego śledzenia powierzchni swobodnej wody potrzebujemy również zadbać o odpowiednie zagęszczenie siatki obliczeniowej na granicy faz. Ułatwi nam to zestaw lokalnych warunków wielkości elementów oraz algorytm dynamicznego zagęszczania siatki w czasie trwania obliczeń.
Wyniki
Czy nasza śruba działa? Tak! Woda zostaje podniesiona dzięki obrotowemu ruchowi śruby i wypływa górnym otworem rury zewnętrznej. W ten sposób obieg się zamyka i widzimy ciągły przepływ cieczy.
Wyniki obliczeń możemy łatwo przedstawić za pomocą animacji przebiegu zjawiska na bazie wykresów masowego udziału cieczy na przekroju domeny z wizualizacją siatki obliczeniowej oraz animacji położenia powierzchni swobodnej w domenie 3D.
Dodatkowo, poza danymi wizualnymi możemy wyprowadzić dane inżynierskie potrzebne przy projektowaniu napędu takiego urządzenia oraz optymalizacji jego konstrukcji. Parametr mocy napędu śruby można wyznaczyć znając prędkość obrotową oraz moment obrotowy potrzebny do wprawienia płynu w ruch. W naszym przykładzie prędkość obrotów wynosi 2 rad/s, czyli 19,1 obrotów na minutę. Otrzymana za pomocą funkcji „Surface Goal” wartość momentu siły działająca na ślimak po rozruchu wynosi średnio 15,2 Nm. Zatem wymagana moc napędu ślimaka wynosi około 30,4 W.
Podsumowanie
Oprogramowanie SOLIDWORKS Flow Simulation nadal się rozwija i umożliwia symulacje coraz większej ilości zjawisk. Pełna liczba nowości w wersji 2021 jest zaprezentowana tutaj.
Użytkownicy potrzebujący jeszcze bardziej rozbudowanej funkcjonalności oraz dostępu do zaawansowanych ustawień solvera i siaki mogą sprawdzić także oferowane przez nas rozwiązanie: rolę 3DEXPERIENCE Fuid Dynamics Engineer, czyli Simulia CFD w chmurze – więcej tutaj.
