Fluent и наша физика :)

[Mocus 0]

Добрый день :)

Скажите, люди... Кто-нибудь пытался верифицировать Fluent ? В плане, взять какую-нибудь простую задачу, смоделировать её и сравнить с теоретическими результатами.

Я пытался проверить решения Fluent 5.5. Задача была проста до безобразия. Труба диаметром 2 мм, длинной 200 мм. Вернее, не труба, а плоская щель, так как задача двухмерная.

В трубу подаётся вода, скорость - 0.271 m/c кажется, чтобы Re было равно 1000. Тоесть, ламинарный режим течения. Температура воды 273 К, температура стенок 323 К. Я сравнивал коэффициетн теплоотдачи стенки теоретический и после Fluent'а. Имеются расхождения ! Численно не помню, но существенные.

Потом изменял скорость на 7 м/с , и опять смотрел коэф. теплоотдачи. Опять расхождение с теорией. Причём сильнее. Модель менял с ламинарной на k-e.

Так же смотрел "числа Нусельта", которые выдаёт сам Fluent. Это вообще бред. Расчётный нусельт для плоской щели - 3.77 (кажется), а Fluent показывал чуть ли не 2000. Естественно, в конце канала.

Может, кто-нибудь вкурсе, почему так расходятся числа ? Буду признателен за любую информацию.

[Iatsouk 3]

Я думаю этот вопрос следовало закинуть в "Газодинамику и теплообмен".

О Fluent'e много говорят на <noindex>CadSolutions</noindex>.

Сам Fluent не дергал - так, что - увы !

[Mocus 0]

Я думаю этот вопрос следовало закинуть в "Газодинамику и теплообмен".

Эээ... А это где ? :)

О Fluent'e много говорят на CadSolutions.

Спасибо :) Туда тоже зашёл.

[Islander 2]

День добрый,

Проводил тестовые расчеты во FLUENTE (течение в трубе, обтекание пластины). Полученным результатом остался доволени. Вопрос такой, анализировали ли Вы величину теплового потока? Учитываете ли Вы при расчете "ручками", что для плоской щели гидравлический диамметр 2*d (то что смоделировано во FLUENTE)... Потом начальная температура для воды 273 К (О оС) --- а смысл? Какой алгоритм расчета задействоали? Рекомендую CUPLED...

[Mocus 0]

Элементарная 2-х мерная задача. Есть «плоская щель» 2х200 см.

Define – Models - Solver… - по умолчанию.

Define – Models - Energy – On

Define – Models - Viscous – Laminar

Define – Materials – water-liquid стандартный из Database

Define – Boundary Conditions :

– Fluid - water-liquid

– IN – velocity-inlet – по умолчанию кроме:

- Velocity Magnitude (m/c) – 0.278

- Temperature (k) – 273

- OUT – pressure outlet :

- - Gauge Pressure (pascal) - 0

- - Backflow Total Temperature (k) - 273

- WALL – wall :

- - Thermal Conditions - Temperature

- - Temperature (k) - 323

Сходимости итераций почему-то нет. Даже 500 итераций не даёт полной сходимости. Графики сходимости выравниваются и потом потихоньку дрожат. Почему – не знаю. Вероятно, я что-то делаю не так.

Что в итоге получилось: Plot – Wall Fluxes – Surface Heat Transfer Coef. – убывает с 17885.3 (W/m^2*k) в начале канала до 1300.45 на конце канала.

Если рассчитывать по теории, то получается, что Nu=3,77 при ламинарном течении жидкости в плоской щели и при t=const. Тогда коэф. теплоотдачи a = (Nu*Lam)/d = (3,77*0,6)/(2*0,002) = 565,5. Ничего общего с полученным после Fluent’а.

Если посмотреть Plot – Wall Fluxes – Surface Nusselt Number , то там вообще ахинея. В начале канала 29808.8 , в конце канала 2167.41 . Какое-то у Англичан странное представление о числе Нуссельта. Особенно если учесть, что Nu*Lam = 2167,41*0,6 = 1300,4 – как раз то, что он выдаёт за «коэф. теплоотдачи».

Если взять скорость течения жидкости, допустим, 7 м/с , чтобы был турбулентный режим, переключить Define – Models - Viscous –k-epsilon , то тоже присутствуют расхождения. Коэф. теплоотдачи на конце канала становится 38122.2 по Fluent’у. А если его рассчитать по формуле Nu = 0,021*(Re^0,8)*(Pr.ж^0,43)*(Pr.ж/Pr.с)^0,25 = 264,4 => a = (Nu*Lam)/d = (13,88*0,6)/(2*0,002) = 39660,14

Вроде сходится :)

Определённо, я что-то делаю не так. Но что ?

[caepavel 0]

Добрый вечер,

Вопрос делитанта по CFD.

А сколько ячеек у Вас по высоте?

Я когда "баловался" со Star-CD,

также не получал сходимости. Хотя

задача была достаточно простая. Проблема

была в том, что ячейка была соизмерима

с локальным вихрем. После измельчения

соходимость улучшилась вместе с появлением

вихря.

Конечно, у Вас не тот случай, но если на

сечеии у Вас меньше 15-20, попробуйте сгустить.

Павел

[chupal 0]

Уважаемый Mocus. У вас, по-видимому, теоретическое значение Nu, подсчитанное по ширине канала, а не по удвоенной ширине, поэтому при расчете коэффициента теплоотдачи Nu=3.77 надо делить на d, а не на 2d (это надо уточнить). Проверьте пожалуйста имеющиеся у вас теоретические сведения. Кроме того, поскольку число Прандтля около 7, то длина температурного начального участка будет существенно превышать длину начального участка по скорости. В результате на длине 200мм вы получите коэффициент теплоотдачи, несколько превышающий теоретический. Обратитесь к книге Себиси и Бредшоу "Конвективный теплообмен".

По поводу расчета коэффициента теплоотдачи и Nu во FLUENT: Для расчета необходимо сначала настроить Reference Values (меню Report->Reference Values). То есть ввести среднемассовую температуру в интересующем Вас сечении, относительную длину, скорость, вязкость, а затем уже смотреть какие Nu выдаст программа.

[chupal 0]

В предыдущем моем сообщении под d я подразумевал ширину плоского канала т.е. d=0.002м в Вашем случае, а не гидравлический диаметр. Нуссельт при постоянной температуре стенки для плоского канала, подсчитанный по гидравлическому диаметру будет около 7.6 (желательно, конечно, уточнить)

[Islander 2]

некоторые соображения по Tref... Если память не изменяет то следует принимаь температуру невозмущенного. основного поока. С другой стороны, если сравнивать с критериальными уравнениями то брать в качестве Tref лучше температуру потока на входе, т.е. 273. Сказанное относится к рассматриваемому примеру.

Эх, нет под рукой Флуента... В Star-Cd, честно говоря, вытягивать альфа я намучился... хотя и там можно добиться совпадения... Но во Флуенте сделать это легче и доступнее

[Mocus 0]

==>caepavel

А сколько ячеек у Вас по высоте? Я когда "баловался" со Star-CD, также не получал сходимости. Хотя задача была достаточно простая. Проблема была в том, что ячейка была соизмерима с локальным вихрем. После измельчения

соходимость улучшилась вместе с появлением вихря.

Конечно, у Вас не тот случай, но если на сечеии у Вас меньше 15-20, попробуйте сгустить.

Количество ячеек достаточно велико :)

==>chupal

Уважаемый Mocus. У вас, по-видимому, теоретическое значение Nu, подсчитанное по ширине канала, а не по удвоенной ширине, поэтому при расчете коэффициента теплоотдачи Nu=3.77 надо делить на d, а не на 2d (это надо уточнить).

Для трубы Nu=3.66 , Для плоской щели Nu=3.77 . Я брал именно для плоской щели, 3.77 . Поэтому наверно и делать надо на 2d ?

Кроме того, поскольку число Прандтля около 7,...

Число Pr при нуле градусов цельсия для воды равно 13 с копейками. Точное значение сейчас не помню.

Обратитесь к книге Себиси и Бредшоу "Конвективный теплообмен".

Надо будет поискать...

По поводу расчета коэффициента теплоотдачи и Nu во FLUENT: Для расчета необходимо сначала настроить Reference Values (меню Report->Reference Values). То есть ввести среднемассовую температуру в интересующем Вас сечении, относительную длину, скорость, вязкость, а затем уже смотреть какие Nu выдаст программа.

Зачем воодить среднемассовую температуру, если она и так является результатом расчётов ? Если у программы есть температурное поле, все коэф-ты для воды известны... По идее Fluent сразу должен выдавать число Nu ? Впрочем попробую сделать так, как вы сказали....

Нуссельт при постоянной температуре стенки для плоского канала, подсчитанный по гидравлическому диаметру будет около 7.6 (желательно, конечно, уточнить)

По моим данным 3.77 . Для плоской щели при ламинарном течении и постоянной температуре. Для трубы при тех же условиях 3.66.

==>asds

Ничего не понял :) Что такое Tref ?

[Islander 2]

Tref - сокращенно Т-температура, ref- Reference Values, смотри цитату выше: Для расчета необходимо сначала настроить Reference Values (меню Report->Reference Values). Затем загляни в справку по Fluent, в коей найди alfa=q/(Tw-Tref)

[chupal 0]

==>Mocus

Для трубы Nu=3.66 , Для плоской щели Nu=3.77 . Я брал именно для плоской щели, 3.77 . Поэтому наверно и делать надо на 2d ?

По моим данным для плоской щели при расчете по гидравлическому диаметру для ламинарного течения Nu равен 7.541 (Эти данные взяты из Себиси и Брэдшоу "Конвективный теплообмен", на стр. 169 приведена таблица для каналов прямоугольного сечения, данное значение соответствует случаю с постоянной температурой и отношению сторон b/a=0, т.е. плоской щели). Также указано, что Nu рассчитывается по гидравлическому диаметру de=4A/s, где A-площадь поперечного сечения канала, а s-его периметр. Для большей надежности, конечно, лучше еще уточнить по другим источникам, причем уделить особое внимание определению числа Nu. Ваше значение Nu меньше имеющегося у меня почти точно в 2 раза.

Зачем воодить среднемассовую температуру, если она и так является результатом расчётов ? Если у программы есть температурное поле, все коэф-ты для воды известны... По идее Fluent сразу должен выдавать число Nu ? Впрочем попробую сделать так, как вы сказали....

Fluent автоматически не считает, что вкачестве Tref надо брать среднемассовую температуру в рассчитываемом сечении.,

Вы можете в качестве Tref взять любое значение температуры, например температуру на входе в канал. Но теоретические данные даны именно для среднемассовой температуры, причем среднемассовая температура меняется от сечения к сечению, а Fluent в качестве Tref позволяет задавать только константу. Поэтому сначала Вам необходимо определить среднемассовую температуру (Report->Surface Integrals, в поле Compute надо выбрать Mass-Weighted Average, затем выбрать статическую температуру, поверхность, соответствующую поперечному сечению и т.д.). А затем полученное значение температуры ввести в качестве Tref. Причем для расчета Nu в других сечениях надо снова определять значения Tref.

Число Pr при нуле градусов цельсия для воды равно 13 с копейками. Точное значение сейчас не помню.

Я имел в виду Pr, который предполагается по умолчанию во Fluent, когда Вы загружаете water-liquid из базы данных, поскольку при этом параметры жидкости соответствуют, кажется, температуре 288 K, впрочем эти параметры можно скорректировать.

[Mocus 0]

==>chupal

...А затем полученное значение температуры ввести в качестве Tref. Причем для расчета Nu в других сечениях надо снова определять значения Tref.

Хорошо... Я нашёл среднемассовую температуру по сечению. Я ввёл её в Tref. Но что дальше ? Опять зайти в Plot->XY Plot и там вывести Wall Fluxes->Surface Nusselt Number или всё же это делается тоже в Report->Surface Integrals ?

По моим данным для плоской щели при расчете по гидравлическому диаметру для ламинарного течения Nu равен 7.541

Блин... Действительно. Наёшл в книге "С.С. Кутателадзе и В.М. Боришанский - Справочник по теплопередаче", что "Наименьшее значение числа Nu при "изотермическом" ламинарном течении в плоской щели = 7,60". Про 3,77 выходт я сильно погорячился :)

Считал сегодня ещё раз. Вот что получил:

При расчёте Fluent'ом, Define->Models->Solver->Segregated, 1000 итераций. Альфа = 1220,79

При расчёте Fluent'ом, Define->Models->Solver->Coupled, 1000 итераций uрафик Альфа просто невменяем :) При количестве итераций 10000 результат получается = 1213.07

Теоретически = 7,541*0,6/0,004 = 1131,15

Теоретически_2 = 7,6*0,6/0,004 = 1140

Погрешность около 7%. Многовато...

[Islander 2]

Ради интереса - какой получается Y+?

[chupal 0]

==>Mocus

Хорошо... Я нашёл среднемассовую температуру по сечению. Я ввёл её в Tref. Но что дальше ? Опять зайти в Plot->XY Plot и там вывести Wall Fluxes->Surface Nusselt Number или всё же это делается тоже в Report->Surface Integrals

После того, как Вы ввели Tref, Fluent будет вычислять все параметры, в определении которых присутствует Tref (коэффициент теплоотдачи, Нуссельт и т.д.), с использованием значения, введенного Вами. Кроме того, не забывайте вводить и другие Reference Values, если они присутствуют в определении параметра, нужного Вам. Это относится ко всем видам визуализации результатов (Plot->XY, Display, Report и т. д.)

Считал сегодня ещё раз. Вот что получил:

При расчёте Fluent'ом, Define->Models->Solver->Segregated, 1000 итераций. Альфа = 1220,79

При расчёте Fluent'ом, Define->Models->Solver->Coupled, 1000 итераций uрафик Альфа просто невменяем :) При количестве итераций 10000 результат получается = 1213.07

Теоретически = 7,541*0,6/0,004 = 1131,15

Теоретически_2 = 7,6*0,6/0,004 = 1140

Погрешность около 7%. Многовато...

Как я уже писал ранее, поскольку Pr>>1, то длина температурного начального участка будет существенно превышать длину начального участка по скорости. В результате на длине 200мм Вы получите коэффициент теплоотдачи, несколько превышающий теоретический. Дело в том, что значение Nu=7,6 соответствует полностью развитому температурному полю в канале, а на длине 200мм полного развития не происходит. При увеличении длины канала Nu будет стремиться к значению 7,6 асимптотически.

[AAksenov 0]

7% - это отличный результат. Хотя, зная результат, всегда можно подобрать параметры сетки и граничного условия, чтобы получить результат "почти точный".

Господа инженеры,

открывая Идельчика или Кутателадзе и смотря эмпирические зависимости, не думайте, что их точность 0%.

Смею смелость заявить, что точность этих экспериментов около 20%. Посмотрите оригинальные статьи таких экспериментаторов, как Никурадзе, Идельчик (не книги-справочники, а именно оригинальные статьи). И увидите огромный разброс данных.

Интересная байка. Рейнольдс (число Рейнольдса) открыл, что в трубе неустойчивость течения жидкости наступает при Re=5000 (за точность не ручаюсь, главное-смысл). Его установка (это университет Манчестера, где он профессорствовал) до сих пор жива и работает. Так вот, на ней СЕЙЧАС неустойчивость жидкости наступает при Rе = 3000. А вы говорите эксперимент...

[Mocus 0]

Нашёл во Fluent’е … то ли баг, то ли фичу… Не понимаю, что это и как это объяснить. Поэтому рассказываю по порядку.

Решил посмотреть, что будет, если сделать канал 1х200 мм. Сделал, задал условия, начал гонять… И вдруг обнаружил не знаю что. В общем, при скорости жидкости w=0,653 м/с , температуре жидкости 0 С и температуре стенки ниже 15-ти градусов, начинается ПРОВАЛ коэффициента теплоотдачи. Он становится отрицательным по всей длине канала и ассимптотически снизу приближается к значению –139492.

Я обалдел. При t.стенки = 10 С теплоотдача = -2883,2. При t.стенки = 5 С, a = -731,88.

А если смотреть на «график температур» - всё вроде бы в норме. У стенки вода теплее, чем в середине. В общем, бред какой-то.

Пробовал менять скорость. Делал w = 0,5 и 0,7 – граница остаётся там же. Изменил температуру поступающей воды на +7 С. По прежнему при температуре стенки 15 C a = -74377,4. При t.стенки = 16 С a = 15938,5. Может это какое-то критическое значение модели ?

Чуть позже случился облом. Взял канал 2х200 мм с гораздо большим количеством точек. Никакого намёка на «критическую температуру» нет. Выходит это баг Fluent’а для конкретной сетки. Кому интересно – могу выслать сетку :)

Потом взял и перерисовал 1х200 мм и сделал кол-во точек много больше. Опять та же ахинея при переходе с 16 в 15 градусов у стенки. А потом я выяснил, что температура воды меняется только первые 20 см. А дальше она становится как температура стенки. А на сетке с меньшим количеством ячеек этого почему-то было не видно. Там вода имела разность температуры по всей длине. Отсюда вывод – если Fluent выдаёт какие-то странные результаты – возьмите сетку поменьше :)

Как я понял… Ячейка сетки должна иметь геометрию как можно ближе к квадрату. А у меня она была сильно вытянутым прямоугольником. Скорее всего отсюда и проблемы.

[AAksenov 0]

Выходит это баг Fluent’а для конкретной сетки. Кому интересно – могу выслать сетку :)

Во! Это то, о чем я говорю здесь в этом форуме постоянно.

Скорее всего, это не баг Fluent, а просто вы что-то там напутали.

Если бы у вас была поддержка, вы бы направили вопрос к ним и вам бы все разжевали либо сказали бы, это баг #123456, мы попробуем его снять в версии Fluent 8.1234 PR12

Не пользуйтесь, народ, кракнутыми версиями CFD кодов, это не MSWORD, пока вычислительная гидродинамика находится на таком уровне, когда вам просто необходима поддержка производителя!

Вот лет через 50 - да, можно.

[Iatsouk 3]

AAksenov По поводу дедушки Рейнольдса. Был репортаж по ТВ,

установка действительно жива, но проезжающий транспорт трясет здание

(установлено путем замеров вибрации).

Mocus Судя по Вашим словам, Fluent использует конечно-разностный

подход. Для к/р необходимость использования "квадратной" сетки -

классическая рекомендация. Другой совет - соседние ячейки должны мало

отличаться по объему.

Думаю, нечто подобное возникает и при конечно-элементном подходе.

[Mocus 0]

==>

Не пользуйтесь, народ, кракнутыми версиями CFD кодов, это не MSWORD, пока вычислительная гидродинамика находится на таком уровне, когда вам просто необходима поддержка производителя!

Ммм... :) У меня только взломанная лицензия. Код вроде цел.

Что касается "поддержки производителя"... То пока я просто "экспериментирую". Выясню, нужен ли нам этот пакет, могёт ли он решить наши задачи и т.д. Не хочется просто так выкладывать 5000$. Хотя деньги всё равно не мои :):):)

А вот если решат включать данные после этой программы в отчёты... Тот тут уже придётся покупать лицензию :)

==>

Mocus Судя по Вашим словам, Fluent использует конечно-разностный подход. Для к/р необходимость использования "квадратной" сетки - классическая рекомендация. Другой совет - соседние ячейки должны мало отличаться по объему. Думаю, нечто подобное возникает и при конечно-элементном подходе.

Во Fluent'е есть 2 совершенно разные решалки... Но теоретических данных по методам у меня нет :)