Выводим FlowSimalation на «чистую воду», или что я не понимаю в теории теплообмена…

[petruha256 0]

Здравствуйте!

В процессе освоения FlowSimulation столкнулся с некоторыми сложностями такого рода: «а что же оно считает?» или «как это может быть правильно, когда по правильному такого не может быть?….» и в результате решил поднять вопрос правильности постановки задачи и интерпретации результатов при моделировании. А также о типичных ошибках.

Рассчитываю на то, что обсуждение данной темы вызовет адекватный отклик участников и в процессе поможет многим разобраться в вопросах постановки задач и интерпретации результатов.

Задачу для рассмотрения взял достаточно простую и типовую – это расчет параметров теплопотерь через остекление. Тем более, что в ближайшем будущем придется решать схожую задачу для себя и необходимо понимания вопросов, связанных с её решением в FlowSimulation.

Итак, задача – потери тепла через остекление из обогреваемого помещения на улицу.

1. Обогреваемое помещение сделал следующим образом

– параллелепипед с толстыми стенами из материала с очень низкой теплопроводностью (0,005 вт/м/к) – теплопроводность не нулевая, дабы на какой-нибудь сбой в расчете не напороться и в тоже время не большая, чтобы влиянием теплопотерь через стены на общую картину можно было пренебречь.

- внутренние стенки помещения обозначил реальной стеной с нулевой шероховатостью и заданной температурой 293,2 К. и на этих стенах обозначил излучающие поверхности как абсолютно черное тело.

Данные граничные условия обеспечивают диапазон температур 2 градуса, поскольку температура на улице 247,2 К то при разнице 46 градусов – 2 градуса – не смертельно..

2. Остекление

- материал - стекло с соответствующей теплопроводностью

- поверхности по теплоотдаче не обозначал, температуры и коэффициенты теплоотдачи не назначал (ибо программа сама применяет свойство реальной стенки и назначает нулевую шероховатость. Так ли на самом деле?). В процессе расчета коэффициенты теплоотдачи программа должна вычислить для каждого элементарного участка поверхности самостоятельно.

- излучательную способность поверхностей стекол обозначил для трех стенок как «glass pyrex» из материалов в библиотеке солида, а для поверхности внутреннего стекла, обращенной на улицу – как у алюминиевого листа (для имитации селективного «энергосберегающего» покрытия).

- пространство между стеклами «заполнил» аргоном

Дополнительно сделал еще один вариант постановки задачи, в которой теплопередача идет из одного помещения в другое. Отличие только в том, что вместо улицы – аналогичное помещение, но температура стенок задана 247,2 К.

В результате расчета получил следующие значения параметров поверхностей остекления (которые для удобства свел в две таблицы):

В этих результатах есть то, что не позволяет им в нужной мере доверять:

1. первое, что бросается в глаза – это наличие «артефактов» по температуре стенки – с теплой стороны выше, чем существующая температура источника тепла и с холодной стороны – ниже, чем существующая температура поглотителя тепла. Понятно, что причины кроются в алгоритмах расчета, однако возникает вопрос – есть ли возможность избежать таких «косяков» какими-нибудь методами?

2. Также не вызывают доверия коэффициенты теплопередачи. Например:

2.1. среднее значение 38,46 вт/м2/к для холодного стекла со стороны холодного помещения (2-я атаблица). Что не устраивает в таком значении? Не устраивает следующее - скорость возле стекла не превышает 0,4 м/с, если пользоваться предельно упрощенной методикой расчета коэффициента, то получается никак не больше 7,2 вт/м2/к, что соответствует эквивалентной толщине пограничного слоя 3,6 мм…, деле - поверхностный тепловой поток 7,44 вт/м2 – значит эквивалентная разница температур dT=7,44/38,46=0,193К при этом график температуры показывает разницу температур не менее 4-х градусов.

2.2. между стеклами, даже если предположить полное гашение конвекции (чего нет на самом деле), - эффективная толщина эквивалентного пограничного слоя равна толщине промежутка между стеклами (20 мм), соответственно коэффициент теплоотдачи должен составлять порядка 0,9, однако на некоторых участках он существенно меньше (например 0,00236).

Т.е. ИМХО что-то здесь не чисто. Можно конечно вручную задавать коэффициент теплоотдачи, но тогда для чего нужен Flow Simulation? Ну как вариант можно рассмотреть итеративный подбор «вручную» коэффициента теплоотдачи до тех пор, пока его задаваемое значение не сравняется с рассчитанным. Как еще можно с этим бороться?

3. Тепловые потоки если для первого варианта суммы тепловых потоков плюс-минус полкило сходятся (равенство входящего и выходящего), то для второго варианта разница более, чем в полтора раза достаточно сильно напрягает. Кроме того если смотреть на тепловой поток в теле, то он не равен сумме потоков с поверхности.

Я этот феномен объясняю примерно так: лучистый поток рассчитывается по средней температуре поверхности вместо того, чтобы рассчитывать по среднему значению разностей четвертых степеней температур по элементарным участкам, отсюда и сумма не сходится.

Что касается потока тепла в теле, то он рассчитывается без знака (т.е. направление не учитывается), и в итоге реальные значения складываются по модулю (отрицательные значения заменяются положительными) особенно заметно на внешнем стекле 2-го варианта расчета.

Неужто для решения этой проблемы нужно самостоятельно выделять «условно изотермические» участки на поверхностях и вручную интегрировать?

Вот, в общем основные моменты, которые на данном этапе мне не понятны. Хочется понять как с подобными вещами бороться, или что я задаю не так, или что может, а что не может адекватно посчитать Flow Simulation.

Попрошу не отсылать к учебникам по теплотехнике и теории теплообмена, ибо такая возможность у меня есть и без рекомендаций со стороны.

Также прошу безосновательно не отсылать к другим САПРам, на основании того, что там считается правильнее.

Надеюсь, что обсуждение будет соответствовать цели создания темы (см. в начале поста)

Испытание_остекления.rar

[soklakov 1 482]

К вопросу Вы подошли основательно.

1. Есть ли у Вас уверенность в том, что сетка достаточная и что погранслой разрешен качественно?

2. Достигнута ли сходимость по тепловым потокам за заданное количество итераций? Как много мониторов использовали?

3. Что насчет модели турбулентности? Вы уверены, что она адекватно описывает Ваш случай?

[a_schelyaev 368]

И при тех рейнольдсах, к месту ли вообще турбулентность?

[soklakov 1 482]

Ноль - тоже число. Отсутствие модели - тоже модель. В любом случае должно приниматься решение - к месту или не к месту. Вопрос мой "а была ли такая прикидка?".

[petruha256 0]

Итак, потратил кучу времени на решение этой задачи и в результате имеем:

1. измельчение сетки в большинстве случаев позволяет избежать явных косяков расчета, от которых не помогает контроль сходимости.

2. артефактов на краях не избежать - с этим стоит смириться.

3. проверяя значения тепловых потоков по разницам температур и теплопроводности следует помнить, что разница средних температур не то же самое, что средняя разница температур (хоть они и близки)

4. проверяя значения лучистых потоков тепла следует помнить что разница четвертых степеней средних температур не есть интеграл разностей четвертых степеней температур элементарных участков.

5. неправильно вручную задавая коэффициенты теплоотдачи поверхностей следует иметь в виду, что программа запросто может насчитать температуру отдающей поверхности ниже температуры среды и температуру принимающей поверхности выше температуры среды.

6. средний heat flux практически никогда не равен сумме средних net radiant flux и surface heat flux если поле температур не однородно.

7. следует останавливать расчет сразу после построения сетки с сохранением результатов, дабы определить степень соответствия сетки и модели ибо зачастую нестыковки вполне заметные. Лучше, где возможно вручную задавать интервалы разбиения сетки, чем расчитывать на автоматическое разбиение ибо программа частенько мельчит сетку там где не надо, а где надо - делает слишком крупной, в результате количество элементов велико (не обсчитать) а рельное качество сетки низкое.

8. что касается модели турбулентности, то о чем идет речь в данном случае мне не понятно, поскольку не указывая коэффициенты для граничного условия "real wall" мы тем самым позволяем программе самостоятельно определить параметры течения в пограничном слое?