Top Banner
Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Aškerčeva 6 1000 Ljubljana, Slovenija telefon: 01 477 12 00 faks: 01 251 85 67 www.fs.uni-lj.si e-mail: [email protected]lj.si Katedra za energetsko strojništvo Laboratorij za termoenergetiko Prenosnik toplote v parnem kotlu Numerične simulacije tokovnih in temperaturnih razmer Avtor: Boštjan Drobnič Boštjan Jurjevčič Ljubljana, avgust 2010
18

Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Apr 11, 2019

Download

Documents

lebao
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za strojništvo

Aškerčeva 6

1000 Ljubljana, Slovenija

telefon: 01 477 12 00

faks: 01 251 85 67

www.fs.uni-lj.si

e-mail: [email protected]

Katedra za energetsko strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu

Numerične simulacije tokovnih

in temperaturnih razmer

Avtor: Boštjan Drobnič

Boštjan Jurjevčič

Ljubljana, avgust 2010

Page 2: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 2 od 18

Numerična simulacija tokovnih in temperaturnih

razmer v prenosniku toplote parnega kotla

0. Uvod

Analitični preračun prenosnikov toplote v parnem kotlu je v marsičem precej poenostavljen, poleg

tega je potrebno za določene veličine predpostaviti izkustvene vrednosti, da je izračun sploh

mogoče izpeljati. Pri tem pa še vedno pridemo le do določenih integralnih veličin, medtem ko

lokalnih tokovnih in temperaturnih razmer ne poznamo, čeprav lahko te bistveno vplivajo na

delovanje naprave. Za podrobnejšo analizo procesov znotraj prenosnika toplote pa lahko uporabimo

numerična orodja, npr. programski paket ANSYS-CFX. Pri tem gre postopek analize preko vseh pet

osnovnih korakov numerične analize:

1. risanje 3D geometrijskega modela računskega področja

2. izdelava računske mreže

3. določevanje robnih in začetnih pogojev

4. numerična simulacija

5. analiza rezultatov

Slika 1: Obravnavano računsko področje

Kot primer kombinirane analize pretočnih in temperaturnih razmer bomo obravnavali pregrevalnik

pare v parnem kotlu. Dejansko je to kvadrast prostor, preko katerega so prečno na smer toka dimnih

plinov nameščene cevi za vodo. Same cevi ovirajo tok dimnih plinov in tako bistveno vplivajo na

Page 3: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 3 od 18

pretočne razmere. Nizka temperatura cevi istočasno povzroča lokalne temperaturne gradiente v

dimnih plinih, hkrati pa tudi integralno znižanje temperature dimnih plinov. Tokovne in

temperaturne razmere so tudi v medsebojni odvisnosti, saj lokalna hitrost in tokovni režim vplivata

na prestop toplote z dimnih plinov na steno, temperatura pa vpliva na gostoto dimnih plinov in s

tem na hitrost in tokovni režim.

Obravnavani sistem je seveda tridimenzionalen, saj se v smeri toka spreminjajo parametri dimnih

plinov, prečno na tok pa temperatura vode v ceveh in s tem tudi temperatura cevi. Zaradi

enostavnosti in krajšega časa računanja pa bomo namesto tridimenzionalnega obravnavali

navidezno dvodimenzionalni primer, torej samo del preseka kanala vzdolž toka dimnih plinov

(slika 1). Pri tem bomo predpostavili, da se razmere,kakršne so v opazovanem področju, periodično

ponavljajo tudi izven področja v prečni smeri glede na tok dimnih plinov. Primer bo samo

navidezno dvodimenzionalen, ker CFD analiza vedno poteka v tridimenzionalnem prostoru, vendar

pa bo dimenzija v smeri cevi zanemarljivo majhna v primerjavi z drugimi.

1. Workbench

1. Poženi delovno okolje Workbench.

2. Iz okna Toolbox izberi element Fluid Flow (CFX) in ga odvleci v polje Project Schematic

3. Shrani projekt v mapo Vaje\GT2013 in ga imenuj s priimki avtorjev (npr. jurjevcic_drobnic.wbpj).

4. Ker je geometrija računskega področja že pripravljena, z desnim gumbom miške klikni na

Geometry in izberi Import Geometry – Browse.

5. V mapi Vaje\GT2013 izberi PrenosnikToplote.agdb, kjer je shranjena geometrija računskega

področja.

6. Z dvojnim klikom na Geometry odpri DesignModeler.

2. DesignModeler

Geometrija računskega področja je že pripravljena in parametrizirana, zato dodatno risanje ne bo

potrebno. Na sliki 2 pa je prikazana zgradba geometrije, pri čemer so uporabljeni trije osnovni

koraki:

1. določitev risalnih ravnin

2. risanje dvodimenzionalnih skic na ravninah

3. izdelava tridimenzionalnih gradnikov, ki sestavljajo geometrijo

Page 4: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 4 od 18

vnaprej definirane ploskve

skica na ploskvi

ploskev

telo

skica, s katero je definirano telo

Slika 1: Zgradba definicije geometrije računskega področja

Ravnine XYPlane, ZXPlane in YZPlane so določene že vnaprej. S klikom na druge ravnine pa se

pokažejo parametri, s katerimi je ravnina določena. Podobno se prikažejo tudi parametri skic in

gradnikov, ki so narejeni iz skic. Parametri posameznih elementov so odvisni od načina, kako so

definirani, v spodnjih tabelah so prikazani primeri iz obravnavane geometrije.

Parametri ravnine pl_kanal:

Details of pl_kanal

Plane pl_kanal ime ravnine

Sketches 1 število skic na ravnini

Type From Plane način definicije ravnine

Base Plane XY Plane referenčna ravnina

Transform 1 (RMB) None transformacija glede na ref. ravnino

Reverse Normal/Z-Axis? No sprememba normale

Flip XY-Axes? No zamenjava X in Y osi

Export Coordinate System? No

Page 5: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 5 od 18

Parametri skice sk_cevi:

Details of sk_cevi

Base Sketch sk_cevi ime skice

Sketch Visibility Show Sketch vidnost skice

Show Contraints? No prikaz omejitev, ki se nanašajo na skico

Dimensions: 4

D1 50 mm premer cevi

H13 100 mm razdalja med vrstami cevi v smeri toka

L2 100 mm razdalja med cevmi prečno na smer toka

V14 50 mm zamik sosednjih vrst cevi

Edges: 6

Full Circle Cr15

sestavni deli skice

Full Circle Cr17

Full Circle Cr24

Full Circle Cr46

Full Circle Cr47

Full Circle Cr48

Sketch Instances: 2

pl_cevi_kopija sk_cevi_1 kopiji skice

pl_cevi_kopija sk_cevi_1

Parametri gradnika kanal:

Details of kanal

Extrude kanal ime gradnika

Base Object sk_kanal skica, ki je osnova za izdelavo gradnika

Operation Add Material telo bo priključeno obstoječim gradnikom

Direction Vector None (Normal) smer višine gradnika

Direction Normal smer višine gradnika

Extent Type Fixed način definiranja višine gradnika

FD1, Depth (>0) 5 mm višina gradnika

As Thin/Surface? No

Merge Topology? Yes

Večina dimenzij obravnavane geometrije je parametriziranih, zato jih ni mogoče spreminjati v

samih seznamih parametrov posameznih elementov, ampak jih spremenimo v posebnem oknu

Parameter Manager. Odpri ga s klikom na gumb Parameters.

Page 6: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 6 od 18

Slika 2: Spreminjanje parametrov geometrije

V oknu Parameter Manager so na zavihku Design Parameters definirani osnovni parametri

geometrije in njihove vrednosti, na zavihku Parameter/Dimension Assignments pa so določene

povezave med osnovnimi parametri in parametri, s katerimi so določene ravnine, skice in gradniki.

S spreminjanjem vrednosti parametrov na zavihku Design Parameters ugotovi, kako ti vplivajo na

geometrijo računskega področja, in izberi svoje dimenzije. Spremembe bodo upoštevane šele po

ukazu Generate.

Ko je geometrija v celoti določena in izrisana, zapri DesignModeler, s čimer se shranijo morebitne

spremembe in se vrni v Workbench. Sledi izdelava računske mreže s programom CFX-Mesh. Na

shemi računskega primera izberi naslednji korak: Mesh.

3. CFX-Mesh

Numerična simulacija poteka po posameznih volumskih elementih, zato je potrebno celotno

računsko področje najprej zapolniti s primerno mrežo takih elementov, čemur pravimo

diskretizacija geometrije. Mrežo izdela program CFX-Mesh avtomatsko, pred tem pa mu je potrebno

določiti nekatere lastnosti mreže. V program se avtomatsko naloži geometrija izdelana v programu

Page 7: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 7 od 18

DesignModeler, ki je prikazana v glavnem oknu. V zgornjem levem oknu pa je seznam nastavitev,

ki določajo lastnosti mreže.

Zaradi preglednosti najprej določimo imena nekaterim ploskvam kotla. Na površino, ki jo želimo

poimenovati kliknemo najprej z levo nato pa še z desno tipko miške in izberemo Create Named

Selection, nato napišemo ime in stisnemo ukaz OK. Če želimo poimenovati več površin z enim

imenom, stisnemo Ctrl in z levo tipko miške poklikamo željene površine, nato pa z desnim gumbom

kliknete na izbrane površine in nadaljujete s prej opisanim postopkom. Med izbiranjem lahko s

srednjim gumbom miške poljubno spreminjaš pogled na geometrijo. Poimenuj naslednje sklope

površin: cevi, vstop, simX1, simX2, simZ1, simZ2 in izstop.

Slika 3: Imenovane skupine ploskev

Naslednji korak je nastavljanje parametrov mreže za celotno geometrijo. Klikni na Mesh v drevesni

strukturi in v oknu za nastavitve (spodaj levo) ustvari naslednje nastavitve:

Defaults

Physics Preference CFD

Solver Preference CFX

Relevance 0

Sizing

Use Advanced Size Function On: Curvature

Page 8: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 8 od 18

Relevance Center Coarse

Initial Size Seed Active assembly

Smoothing Medium

Transition Slow

Span Angle Center Fine

Curvature Normal Angle 10,0°

Min Size 0,0086 m

Max Face Size 0,012 m

Max Size 0,012 m

Growth Rate Default (1,20)

Za zavihke Inflation, Patch Conforming Options, Advanced, Defeaturing in Statistics ne

spreminjamo nastavite in jih ohranimo takšne kot so privzete.

Te nastavitvi določajo gostoto računske mreže povsod v računskem področju, kjer ni drugače

določena. Dodatno lahko nastavimo drugačno mrežo v delu računskega področja, kjer bi to

zahtevale morebitne geometrijske posebnosti, ali pa za natančnejše računanje v področjih, kjer

prihaja do velikih gradientov določenih parametrov (npr. tlaka, temperature, gostote, hitrosti, ...).

Ker bomo v našem primeru posebej opazovali prestop toplote z dimnih plinov na cev, moramo v

mejni plasti ob steni mrežo dodatno zgostiti, da bo izračun v tem področju čim točnejši. To storimo

s t.i. 'inflation' plastjo prizmatičnih elementov mreže tik ob steni. Z desnim klikom na Mesh se nam

odpre meni, kjer izberemo Insert in nato Inflation.

Pod zavihkom Scope nastavimo Scoping Method na Geometry Selection, nato kliknemo na našo

geometrijo in v vrstici Geometry pod zavihkom Scope kliknemo Apply. V zavihku Definition pa

izberemo naslednje nastavitve:

Definition

Suppressed No

Boundary Scoping Method Named Selection

Boundary cevi

Inflation Option Total Thickness

Number of Layers 20

Growth Rate 1,2

Maximum Thicknes 0,01

Inflation Algorithm Pre

Ko so nastavitve končane, lahko preveriš mrežo v ''inflation plasti'', ali mrežo na površini

geometrije. To lahko storimo z desnim klikom miške na Mesh, izberemo Preview in nato Surface

Mesh ali Inflation. S tem korakom lahko preverimo kakšne nastavitve smo določili, saj ta korak

veliko hitreje pokaže rezultat kakor sama generacija mreže. Če smo z nastavitvami zadovoljni

Page 9: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 9 od 18

kliknemo z desnim gumbom miške na Mesh in izbereme Generate Mesh ali v orodni vrstici najdemo

gumb Generate Mesh.

Zapri CFX-Mesh, s čimer se v ustrezne datoteke shranijo tudi nastavitve mreže in izdelana mreža.

Če je mreža pravilno izdelana, se ob koraku Mesh v Workbench-u pojavi simbol , drugače pa ,

kar pomeni, da mreža ni ustrezno pripravljena ali pa ni posodobljena. Poskusi jo posodobiti z

desnim klikom na Mesh in iz menija izberi Update. Če še vedno v Workbench-u ni prikazane

kljikice pri zavihku vrstici Mesh, potem je bila storjena napaka v korakih do tukaj.

Ko je mreža narejena, je potrebno določiti robne in začetne pogoje za obravnavani primer ter

parametre numeričnega izračuna. Program CFX-Pre, v katerem nastavimo vse potrebne parametre,

poženi s klikom na Setup.

4. CFX-Pre

V programu CFX-Pre opravimo celotno predprocesiranje, torej nastavljanje vseh parametrov, s

katerimi kontroliramo potek simulacije:

− robni pogoji določajo, kaj se dogaja na mejnih ploskvah računskega področja

− stiki med podpodročji določajo pretok delovne tekočine med podpodročji in njihovo morebitno

gibanje

− snovi, v računskem področju so lahko različne snovi v različnih agregatnih stanjih, moramo pa

jim določiti ustrezne snovne in transportne lastnosti

− reakcije, med določenimi snovmi v računskem področju lahko pride do kemičnih reakcij, ki

morajo biti vnaprej opisane z ustreznimi matematičnimi modeli

− nastavitve računskega postopka, kamor sodijo turbulenčni modeli, diskretizacija, način

iteriranja, kriteriji za zaključek računanja (konvergenca),...

Prvi korak pri predpocesiranju je definiranje računskega področja (domain). V splošnem je teh

področij lahko več in vsako zavzema svoj del računske mreže (npr. statorski in rotorski del

turbinske stopnje; stena v prenosniku toplote in fluida na obeh straneh stene).

Page 10: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 10 od 18

Slika 4: Default Domain

V našem primeru bomo uporabili kar privzeto

računsko področje, ki ga odpremo v drevesni

strukturi z dvojnim klikom na Default Domain in

mu spremenili nastavitve. V zavihku Fluid and

Particle definition bomo zbrisali Fluid 1 s klikom

na in s klikom na ustvarili nov medij z

imenom DimniPlini za katere bomo pod option

izbrali Material Library in in za Material izbrali

Air Ideal Gas in za Morfology bomo izbrali

Continuous Fluid. Referenčni tlak bo 1 atm, v

domeni ne bomo upoštevali vzgona zaradi

toplotnih efektov, saj imamo zanemarljivo

tankoploščo v primerjavi z ostalimi

dimenzijami. Domena bi statična in ne bo

upoštevala deformacije mreže.

V zavihku Fluid Models bomo prenos toplote v

polju Heat Transfer nastavili na Thermal Energy,

turbulentni model pa na Shear Stress Transport.

S klikom OK potrdimo nastavljene parametre.

Naslednji korak je definiranje robnih pogojev. Vsem zunanjim ploskvam računskega področja je

potrebno predpisati določene lastnosti, drugače so avtomatsko definirane kot trdna, hidravlično

gladka, adiabatna stena. Možnih je več tipov robnih pogojev, od izbranega tipa pa so odvisni tudi

parametri, ki jih je potrebno nastaviti.

Inlet Vstopni robni pogoj, ki dopušča izključno vstopanje tekočine v računsko

področje. Nastavimo lahko masni tok ali hitrost vstopajoče tekočine, tlak,

temperaturo, intenzivnost turbulence,...

Outlet Izstopni robni pogoj, ki dopušča izključno izstopanje tekočine iz računskega

področja. Podobno kot pri vstopu lahko nastavimo masni tok ali hitrost

izstopajoče tekočine, lahko pa tudi statični ali totalni tlak na izstopni površini.

Opening Vstopno-izstopni robni pogoj omogoča vstopanje in izstopanje tekočine v ali iz

računskega področja. Nastavimo lahko tlak ali hitrost tekočine in za primer

vstopajoče tekočine še temperaturo, intenzivnost turbulence,...

Wall Stena predstavlja mejo računskega področja, skozi katero tekočina ne more

Page 11: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 11 od 18

prehajati, lahko pa prehaja toplotni tok. Lahko je hidravlično gladka, lahko pa

ji tudi določimo hrapavost. Če stena ni adiabatna lahko prenos toplote skoznjo

definiramo z gostoto toplotnega toka, temperaturo stene, ali s koeficientom

prestopa toplote.

Symmetry Simetrična stena prav tako ne dopušča prehajanja tekočine, pri izračunih pa je

upoštevano, da so na drugi strani ploskve razmere zrcalne tistim, ki veljajo za

obravnavano računsko področje.

Uporabi gumb Boundary in najprej definiraj vstopni robni pogoj, imenuj ga npr. vstop.

Slika 5: Določevanje robnih pogojev

Boundary Type določa vrsto robnega pogoja, v

tem primeru bo to vstopni robni pogoj Inlet.

Location določa ploskev, na kateri bo veljal

nastavljeni robni pogoj. Izberi že v programu

CFX-Mesh definirano ploskev vstop.

Slika 6: Določevanje robnega pogoja

Za robni pogoj vstop določi, da dimni plini

vstopajo s hitrostjo 15 m/s pravokotno na

vstopno ploskev (Normal Speed). Tok naj bo

močno turbulenten (Turbulence – High).

Temperatura vstopajočih dimnih plinov naj bo

konstantnih 800 °C (Static Temperature).

Na podoben način definiraj robne pogoje:

izstop Boundary Type – Outlet

Location – izstop

Mass and Momentum – Average Static Pressure 0 Pa

Page 12: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 12 od 18

cevi Boundary Type – Wall

Location – cevi

Heat Transfer – Temperature – nastavi temperaturo po izbiri med 400 °C in

500 °C

simetrijaX Boundary Type – Symmetry

Location – simX1, simX2

simetrijaZ Boundary Type – Symmetry

Location – simZ1, simZ2

Ko so robni pogoji definirani, je potrebno nastaviti še nekaj parametrov, ki določajo in kontrolirajo

potek računanja (konvergenco). Konvergenca je med samim računanjem predstavljena z diagrami,

katerih trend je ob primernih nastavitvah padajoč. Ko vse krivulje padejo pod določeno

(nastavljeno) mejo, pravimo, da je rešitev skonvergirala in so rezultati 'dovolj' točni. Odvisno od

zahtevnosti problema in določenih nastavitev, se lahko konvergenca (diagrami) hitreje ali počasneje

približuje postavljeni meji.

Gumb Define the Solver Control Criteria odpre okno, kjer je mogoče nastaviti vrsto parametrov, s

katerimi kontroliramo konvergenco.

Slika 7: Določitev konvergenčnih parametrov

Osnovni parametri so:

Advection Scheme

High Resolution natančnejše računanje, vendar manjša stabilnost konvergence

Upwind manj natančno računanje, bolj stabilna konvergenca

Specified Blend Factor kombinacija zgornjih modelov s faktorjem med 0 (Upwind) in

1 (High Resolution)

Timescale Control

časovno skalo računanja lahko solver izbere samostojno, lahko

pa jo tudi predpišemo, vpliva pa na hitrost in stabilnost

konvergence

Max. Iterations

največje število iteracijskih korakov – v primeru, da ne

dosežemo dovolj točnega rezultata, se izračun ustavi po

določenem številu korakov

Length Scale Option

Conservative avtomatska nastavitev parametrov za nekoliko počasnejšo,

vendar bolj stabilno konvergenco

Aggressive avtomatska nastavitev parametrov za nekoliko hitrejšo, vendar

manj stabilno konvergenco

Specified Length Scale izbrana vrednost, ki določa hitrost in stabilnost konvergence

Page 13: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 13 od 18

Convergence Criteria

kriterij konvergence, meja, pod katero morajo pasti RMS

(povprečne) ali MAX (največje) razlike vrednosti parametrov

med zadnjo in predzadnjo iteracijo; izračun se ustavi, ko

dosežemo to mejo, ali pa majvečje število korakov

Obdržimo kar privzete vrednosti in nastavitve:

Slika 8: Nastavitve konvergenčnih parametrov

Ko so vsi parametri nastavljeni, zapri CFX-Pre, pri čemer program avtomatsko zapiše datoteko, v

kateri so vsi potrebni podatki za numerični izračun (računska mreža, robni pogoji, parametri

računanja, ...). Sledi zagon izračuna, kar naredimo v programu CFX-Solver Manager. Poženi ga s

klikom na Solution.

5. CFX-Solver Manager

Simulacijo poženemo in spremljamo njen potek v CFX-Solver Managerju. Poženi ga s klikom na

naslednji korak, Solution. Odpre se okno za zagon izračuna, kjer je že privzeto, da bo izračun

potekal za obravnavan primer.

Vsi dodatni parametri so nastavljeni na običajne vrednosti, zato lahko poženeš izračun s Start Run.

Odpre se okno razdeljeno na dva dela, kjer je prikazan potek izračuna. V desnem oknu je prikazana

vsebina datoteke s končnico .out, ki je razdeljena na več delov:

1. seznam vseh robnih pogojev in parametrov simulacije, ki so bili nastavljeni v CFX-Pre

2. rezultati preverjanja mreže, računskega področja in nastavitev računanja

Page 14: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 14 od 18

3. potek izračuna (konvergenca)

4. integralne bilance pomembnejših veličin in osnovne informacije o rezultatih izračuna

V levem oknu je potek konvergence prikazan grafično. Pri uspešni konvergenci je trend vseh

diagramov padajoč.

Slika 9: Podatki o poteku izračuna

Po koncu izračuna, ko je dosežen kriterij konvergence, ali največje število korakov računanja se

rezultati skupaj z vsemi nastavitvami računanja in informacijami o poteku računanja zapišejo v .res

datoteko. Rezultate računanja si lahko ogledamo v programu CFX-Post. Zapri Solver Manager in

poženi zadnji korak, Results.

Page 15: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 15 od 18

6. CFX-Post

Rezultat numerične simulacije so tridimenzionalna polja hitrosti, temperatur, tlakov, ..., zato je

ponavadi najprimernejši grafični način prikazovanja teh parametrov, kar omogoča CFX-Post.

Rezultate lahko prikazujemo z uporabo različnih objektov:

Vector

Contour

Streamline

Chart

Slika 10: Različne možnosti prikaza rezultatov numerične simulacije

Program omogoča tudi izračun integralnih veličin na določenih lokacijah v računskem področju.

Ugotovi, kolikšna je izstopna temperatura dimnih plinov. Na orodni vrstici izberi gumb Function

Calculator, ali pa v zgornjem levem oknu na zavihku Calculators izberi Function Calculator. Nato v

oknu, ki se odpre spodaj levo, nastavi vrednosti, kakršne so prikazane na sliki 11. Z gumbom

Calculate izračunaj želeno vrednost.

Na podoben način ugotovi, kolikšen je padec tlaka pri toku dimnih plinov preko cevi prenosnika

toplote. Izračunaj povprečni tlak na vstopu in izstopu, pri tem pa upoštevaj, da mora biti tlak

povprečen po površini (areaAve) in ne glede na masni tok (massFlowAve) kot velja za temperaturo.

Page 16: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 16 od 18

Slika 11: Izračun integralnih veličin v programu CFX-Post

Page 17: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 17 od 18

Navodila za pisanje poročila

1. Na kratko opišite posamezne korake, ki pripeljejo od začetnih podatkov do rezultatov simulacije.

2. V .out datoteki poiščite glavne nastavitve računskega primera:

LIBRARY:

MATERIAL: Air Ideal Gas

Material Description = Air Ideal Gas (constant Cp)

Material Group = Air Data, Calorically Perfect Ideal Gases

Option = Pure Substance

Thermodynamic State = Gas

PROPERTIES:

Option = General Material

ABSORPTION COEFFICIENT:

.

.

.

END

.

.

.

FLOW:

DOMAIN: kanal

Coord Frame = Coord 0

Domain Type = Fluid

Fluids List = Air Ideal Gas

Location = Assembly

BOUNDARY: vstop

Boundary Type = INLET

Location = vstop

BOUNDARY CONDITIONS:

FLOW REGIME:

Option = Subsonic

END

HEAT TRANSFER:

Option = Static Temperature

Static Temperature = 800 [C]

END

MASS AND MOMENTUM:

Normal Speed = 15 [m s^-1]

Option = Normal Speed

END

TURBULENCE:

Option = High Intensity and Eddy Viscosity Ratio

END

END

END

.

.

.

DOMAIN MODELS:

BUOYANCY MODEL:

Option = Non Buoyant

END

DOMAIN MOTION:

Option = Stationary

END

REFERENCE PRESSURE:

Reference Pressure = 1 [bar]

END

END

FLUID MODELS:

COMBUSTION MODEL:

Option = None

Delovna snov in njene

lastnosti.

Računsko področje, delovna

snov.

Robni pogoj 'vstop'

Računski modeli – turbulenca,

prenos toplote, ...

Page 18: Prenosnik toplote v parnem kotlu - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-prenosnik.pdf · No zamenjava X in Y osi Export Coordinate System? ... Merge Topology?

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Prenosnik toplote v parnem kotlu Stran: 18 od 18

END

HEAT TRANSFER MODEL:

Option = Thermal Energy

END

THERMAL RADIATION MODEL:

Option = None

END

TURBULENCE MODEL:

Option = SST

END

TURBULENT WALL FUNCTIONS:

Option = Automatic

END

END

END

.

.

.

SOLVER CONTROL:

ADVECTION SCHEME:

Option = High Resolution

END

CONVERGENCE CONTROL:

Length Scale Option = Conservative

Maximum Number of Iterations = 100

Timescale Control = Auto Timescale

END

CONVERGENCE CRITERIA:

Residual Target = 1.E-4

Residual Type = RMS

END

DYNAMIC MODEL CONTROL:

Global Dynamic Model Control = On

END

END

END

.

.

.

+--------------------------------------------------------------------+

| Total Number of Nodes, Elements, and Faces |

+--------------------------------------------------------------------+

Domain Name : kanal

Total Number of Nodes = 12983

Total Number of Elements = 21553

Total Number of Tetrahedrons = 13273

Total Number of Prisms = 8280

Total Number of Faces = 17114

.

.

.

Nastavitve računanja, kriterij

konvergence, ...

3. Predstavite rezultate izračuna z ustreznimi grafičnimi objekti in na kratko komentirajte rezultate

prikazane na slikah.