Перепад давления на участке прямой гидравлически гладкой трубы

[Guterfreund 75]

Добрый день, ребята!

 

Осваиваю гидравлические расчеты в ANSYS CFX. На этапе вхождения в тему я начал с простой задачи определения перепада давления на участке прямой гидравлически гладкой трубы. Результаты расчета я сравниваю с аналитическим решением по Идельчику.

 

Сетку тестирую разную, от грубой до мелкой. После решения проверяю критерии Y+. Моделирую турбулентный режим течения с моделью K-E. Модель SST в планах, но опасаюсь данной модели из-за требований по размеру сетки.

 

Граничные условия: на входе - массовый расход, на выходе - нулевое статическое давление.

 

Не могли бы Вы подсказать мне по некоторым вопросам:

 

1. После решения я проверяю массовый расход в нескольких сечениях по длине трубы. Расход равен величине, заданной в ГУ. Далее проверяю площади сечений, площади также соответствует внутреннему диаметру трубы. Далее проверяю скорости потока в нескольких сечениях и вот со скоростями уже все хуже. Во-первых, скорость в сечении не соответствует зависимости расход/площадь, во-вторых, в сечениях, удаленных от входного, скорость возрастает. Поясните, пожалуйста, это явление. Можно ли добиться полного соответствия решения ожидаемому результату: постоянству скорости вдоль длины трубы и соответствию скорости зависимости расход/площадь?

 

2. Какой минимальной величины отклонения (погрешности) от аналитического решения у Вас получалось достигать при решении подобных задач с моделью турбулентности K-E? Хочу иметь ориентир, по достижении которого стоит заканчивать с вылизыванием модели.

 

Заранее Большое Спасибо!!!

[karachun 2 038]

По первому вопросу - на вхоже скорость равномерная, а на некотором удалении устанавливается турбулентное распределение. У стенок скорость уменьшается и для сохранения массового расхода (жидкость несжимаемая) необходимо увеличить скорость в ядре потока.

В Идельчике можно найти рекомендации по тому - на каком расстоянии от начала трубы устанавливается турбулентное течение (вроде 10-20 диаметров). И тогда мерять перепад надо будет не от начала а на участке внутри трубы, подальше от входа и, наверное, от выхода тоже.

Можно задать установившийся профиль скорости на входе чтобы не моделировать длинный участок.

http://cccp3d.ru/topic/90934-ошибка-при-задании-скорости-на-входе/

http://cccp3d.ru/topic/90658-использование-expression-для-задания-скорости-на-входе/

Еще можно посчитать преграду - внезапное расширение/сужение потери больше - проще сравнивать.

По выступам есть много экспериментальных результатов.

http://cfd.mace.manchester.ac.uk/cgi-bin/cfddb/prpage.cgi?53&EXP&database/cases/case53/Case_data&database/cases/case53&cas53_head.html&cas53_desc.html&cas53_meth.html&cas53_data.html&cas53_refs.html&cas53_rsol.html&1&0&0&0&0

Изменено 22 ноября 2018 пользователем karachun

[soklakov 1 475]

@Guterfreund , я же говорил - главное отступить, чтобы поток успел сформироваться)

а чего CFX  в итоге?

[Guterfreund 75]

29 минут назад, soklakov сказал:

CFX  в итоге?

Открыл CFX, открыл Fluent. CFX больше понравился по интерфейсу :).

 

29 минут назад, soklakov сказал:

я же говорил - главное отступить

 

Да я отступил и снимаю давление на удаленных сечениях. Но решил покопаться в результатах и их анализ завел меня в тупик.

 

С K-E выхожу на данный момент на погрешность 6%. Ожидал, конечно, что-то типа 2-3%.

 

38 минут назад, karachun сказал:

на вхоже скорость равномерная

Окей, равномерная. Но почему она не равна величине расход/площадь?

 

И такой вопрос: я задаюсь в аналитике массовым расходом, т.е. имею определенную скорость в сечении трубы. Число Рейнольдса зависит от скорости, КГС от ее квадрата и мне хотелось бы в моих удаленных от краев сечениях получить данную аналитическую скорость с минимальной погрешностью. Как бы мне тогда поиграть с ГУ, чтобы получить нормальную скорость, есть мысли?

 

Спасибо!

Изменено 22 ноября 2018 пользователем Guterfreund

[soklakov 1 475]

24 минуты назад, Guterfreund сказал:

Окей, равномерная. Но почему она не равна величине расход/площадь?

 

1 час назад, Guterfreund сказал:

на входе - массовый расход

попробуйте скорость на входе

[karachun 2 038]

26 минут назад, Guterfreund сказал:

Окей, равномерная. Но почему она не равна величине расход/площадь?

Не понял, на входе это будет справедливо и больше нигде, дальше скорость не будет одинаковой по сечению трубы.

Справочники ссылаются на скорость в центре потока и она не равна расход/площадь.

[Guterfreund 75]

13 минуты назад, soklakov сказал:

попробуйте скорость на входе

Задавал, получаю на входе скорость, равную заданной, а далее по длине трубы уже другую...

 

12 минуты назад, karachun сказал:

Справочники ссылаются на скорость в центре потока и она не равна расход/площадь.

Ну вот, например, выкладка из Альтшуля (см. вложение). Там скорость рассчитывается через расход и площадь и от нее определяются прочие величины.

 

15 минут назад, karachun сказал:

дальше скорость не будет одинаковой по сечению трубы

Т.е. вы хотите сказать, что скорость будет меняться по длине трубы по какому-то закону. Я себе представляю скорость потока в данной задаче постоянной и хочу увидеть это по результатам расчета. Пусть краевые зоны будут иметь иную скорость, будем считать это влиянием ГУ. Но как мне получить требуемую скорость в центре длинной трубы, неужели только подбором расхода?

 

З.Ы. Все это время я говорю о длине трубы, а не о поперечном сечении :) Вдруг мы друг-друга не поняли...

[soklakov 1 475]

30 минут назад, Guterfreund сказал:

Задавал, получаю на входе скорость, равную заданной, а далее по длине трубы уже другую...

нормально ведь, правда?

потому что:

1 час назад, karachun сказал:

на некотором удалении устанавливается турбулентное распределение. У стенок скорость уменьшается и для сохранения массового расхода (жидкость несжимаемая) необходимо увеличить скорость в ядре потока.

.

но дальше должна быть постоянна

31 минуту назад, Guterfreund сказал:

скорость потока в данной задаче

по длине трубы.

 

[piden 2 874]

1 hour ago, Guterfreund said:

С K-E выхожу на данный момент на погрешность 6%. Ожидал, конечно, что-то типа 2-3%.

@Guterfreund ! Nicht schlissen!

Machen Sie правильное распределение скорости на входе. Или посчитай, какое там получается на выходе распределение, потом его на вход приложи. И так несколько раз, пока изменяться не будет. До сходимости до полной, за свободу!

И тогда уже сравнивай с аналитикой. А тож оно установится не успевает! У ковра спроси!

 

Всё прочесть не осилил, но про скорость - смотри распределение, а не среднюю по сечению / по расходу.

 

Ты мне просто больно сделал! После всех атомных твоих дел вдруг такое...

 

Изменено 22 ноября 2018 пользователем piden

[soklakov 1 475]

34 минуты назад, Guterfreund сказал:

Но как мне получить требуемую скорость в центре длинной трубы, неужели только подбором расхода?

расход это интеграл. при этом форма поля - параболоид, и вы знаете, что на стенке скорость равна нулю. тогда скорость в центре однозначно связана с расходом одной формулой. возможно даже, ее можно найти в учебнике. но проще подобрать, вдруг форма не парабола.

[karachun 2 038]

Я имел в виду зависимость скорости по диаметру, про это уже сказали. Проще один раз посчитать для достаточно длинной трубы.

Это из Идельчика, стр.19. Lнач это длинна участка на котором течение устанавливается.

Изменено 22 ноября 2018 пользователем karachun

[Guterfreund 75]

40 минут назад, piden сказал:

Ты мне просто больно сделал! После всех атомных твоих дел вдруг такое...

Атомные дела, они уже на подкорке. А тут я сынок, все как в первый раз блин...

42 минуты назад, piden сказал:

Или посчитай, какое там получается на выходе распределение, потом его на вход приложи. И так несколько раз, пока изменяться не будет. До сходимости до полной, за свободу!

Что-то такое буду пытаться делать. Отпишусь!

 

Кстати, в атомке по началу все шло тем же путем, через ж...

[Guterfreund 75]

Ребята, позвольте я еще тупану :).

 

Применяю модель турбулентности K-E со скалируемой пристеночной функцией.

 

Ну, допустим, задался я начальным значением Y+ = 30. По формуле из хелпа (см. ниже) для трубы диаметром 80 мм и числа Рейнольдса порядка 40 000 я получаю размер первого у стенки элемента примерно 1.0 мм.

 

Далее читаю хелп, там стоит, что для скалируемой пристеночной функции требуется минимум 10 элементов в пристеночном слое. Таким образом, начинаем с 1.0 мм у стенки и заканчиваем десятым элементом с размером около 5.2 мм (при 20% росте).

 

В итоге, так называемый, пристеночный слой для моих условий получается по сетке десятки миллиметров. Это нормально? Разве пристеночный слой не ограничивается величиной в пару миллиметров? После решения я смотрю на распределение скоростей у стенки и мне кажется, что он не достаточно точно описывает характер распределения скорости у стенки. Такое ощущение, что сетка у стенки грубовата и нужно десятью элементами разрешать погранслой в 1-2 мм, а не в 10-20 мм.

 

Сетка также представлена ниже...

 

 

 

 

Изменено 3 декабря 2018 пользователем Guterfreund

[Foksmen 16]

В 22.11.2018 в 14:33, Guterfreund сказал:

Т.е. вы хотите сказать, что скорость будет меняться по длине трубы по какому-то закону. Я себе представляю скорость потока в данной задаче постоянной и хочу увидеть это по результатам расчета. Пусть краевые зоны будут иметь иную скорость, будем считать это влиянием ГУ. Но как мне получить требуемую скорость в центре длинной трубы, неужели только подбором расхода?

Профиль скорости будет меняться ) Посмотрите посмотрите книгу Г. Шлихтинга "Турбулентный пограничный слой".

 

 

 

Для турбулентных течений

 

 

Используя среднюю скорость можете определить скорость по оси

Изменено 4 декабря 2018 пользователем Foksmen

[karachun 2 038]

Но ведь это будет до установления потока, дальше профиль будет постоянным.

Изменено 4 декабря 2018 пользователем karachun

[soklakov 1 475]

В 03.12.2018 в 09:46, Guterfreund сказал:

Ну, допустим, задался я начальным значением Y+ = 30.

и какой получился в итоге? там же целое поле можно порассматривать после расчета.

В 03.12.2018 в 09:46, Guterfreund сказал:

Далее читаю хелп, там стоит, что для скалируемой пристеночной функции требуется минимум 10 элементов в пристеночном слое.

скриншот, пжалста)

[Foksmen 16]

16 часов назад, karachun сказал:

Но ведь это будет до установления потока, дальше профиль будет постоянным.

Конечно, первый рисунок с графиками для ламинарного течения как раз это и демонстрирует. На втором рисунке приведены профили скорости турбулентного течения для уже установившегося потока, т.е. за начальным участком. Зная Re (соответственно n в степенном уравнении) можно посчитать среднюю скорость и задать её на входе трубы, чтобы за начальным участком получить требуемую скорость на оси. Это же вроде требуется? Данные по длине начального участка у Шлихтинга совпадают с данными из Идельчика, возможно даже взяты из одних источников )

    

Изменено 5 декабря 2018 пользователем Foksmen

[Guterfreund 75]

18 часов назад, karachun сказал:

Но ведь это будет до установления потока, дальше профиль будет постоянным.

Вот именно! Т.е. каждое (далеко от ГУ) поперечное сечение будет иметь один и тот же профиль скорости и одно и то же среднее значение. В моем представлении, среднее значение скорости будет равно расходу, деленному на площадь. По результатам расчета средняя скорость в таких сечениях равна именно этой величине +/- пара процентов...

18 часов назад, soklakov сказал:

и какой получился в итоге? там же целое поле можно порассматривать после расчета.

Ну получается, в общем-то, довольно не плохо. Если участок без изменения сечения (другими словами скорости), то Y+ получается близким к заданной величине. Если скорость меняется, то и Y+ (зависящая от этого параметра) тоже меняется. Но как было написано, после просмотра распределения этого Y+ по пристеночной области можно его скорректировать, замельчив или загрубив сетку.

 

Буду разбираться, стоит ли возиться с сеткой из-за пары тройки ограниченных областей с Y+, например, менее 12. Если погрешность расчета мала, думаю забить на все это...

[Guterfreund 75]

19 часов назад, soklakov сказал:

скриншот, пжалста)

См. ниже...

 

 

3 часа назад, Foksmen сказал:

получить требуемую скорость на оси. Это же вроде требуется?

Скорость на оси будет равна средней скорости по сечению? Требуется получить в конкретном сечении значение именно средней скорости.

 

На данный момент я затачиваю расчеты под расчет коэффициента гидравлического сопротивления. Данный коэффициент определяется, в частности, средней скоростью по сечению...

В 03.12.2018 в 09:46, Guterfreund сказал:

В итоге, так называемый, пристеночный слой для моих условий получается по сетке десятки миллиметров. Это нормально? Разве пристеночный слой не ограничивается величиной в пару миллиметров?

Сам спросил, сам ответил :)

 

Используется модель турбулентности K-E с пристеночной функцией. Пристеночная функция - это способ отказаться от численного разрешения вязкого подслоя расчетной сеткой! Вот и все.

 

Остается тогда вопрос, зачем пристеночной функции минимальное число элементов 10. При низких скоростях течения в пределах турбулентного режима величина размера первого элемента для Y+ около 30 получается довольно большой и окончание зоны инфляции со своими десятью элементами происходит на расстоянии до половины радиуса от стенки. Явно этого много. Зачем требуют? Перестраховались или забыть указать, что это для чисел Рейнольдса от 10^6 :)?

Изменено 5 декабря 2018 пользователем Guterfreund

[karachun 2 038]

В 22.11.2018 в 12:15, karachun сказал:

Справочники ссылаются на скорость в центре потока и она не равна расход/площадь.

Вот тут я напутал, у Идельчика несколько раз упоминается что в качестве расчетной скорости принимается средняя скорость по сечению (расход/площадь). И все к-ты сопротивления даны для средней скорости. Извиняюсь.

19 минут назад, Guterfreund сказал:

Скорость на оси будет равна средней скорости по сечению?

Не будет равна, но это и не цель.

19 минут назад, Guterfreund сказал:

Остается тогда вопрос, зачем пристеночной функции минимальное число элементов 10.

Может это перестраховка чтобы делать плавный переход от первой ячейки к ядру потока. Чтобы не вышло так.

33 минуты назад, Guterfreund сказал:

и окончание зоны инфляции со своими десятью элементами происходит на расстоянии до половины радиуса от стенки

Но может в таком случае и пристеночный (не вязкий а вообще весь пограничный слой) потолще а ядро потока меньше?

В любом случае сетка должна быть плавной.