Файл: Учебное пособие для студентов высших учеб ных заведений, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов Нефтегазовое дело.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 380
Скачиваний: 11
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Interface_ground-pipе (внутренняя цилиндрическая поверхность тела грунта), соответствующие границам раздела тел.
Замечание: К примеру, чтобы «найти» боковую цилиндрическую поверхность тела нефти, нужно воспользоваться вспомогательными плоскостями, выделив сначала поверхность, соответствующую входу (или выходу) и выбрать нужную, одинаковую по цвету плоскость в левом нижнем углу (рисунок 4.19) – в итоге будет выделена боковая поверхность нефти. Оставшиеся четыре плоскости соответствуют внутренней и внешней цилиндрическим поверхностям тела трубы, внутренней цилиндрической поверхности тела грунта и внешней цилиндрической границе грунта.
Рисунок 4.19 – Выделение поверхности
Также можно воспользоваться функцией Hide (скрыть), которая позволяет исключить из графического окна тела, перекрывающие собой плоскости, которые необходимо выделить. Для того, чтобы временно удалить в графическом окне мешающие выделению необходимых плоскостей тела, в дереве построений (Outline) в разделе Geometry нужно щелкнуть правой кнопкой мыши по нужному телу и выбрать Hide body (скрыть тело) (рисунок 4.20).
Для того, чтобы вернуть в графическом окне спрятанное тело, необходимо вызвать щелчком правой кнопки мыши то же самое меню и выбрать команду Show body (показать тело).
3.3 Ввод параметров для автоматической генерации расчетной сетки в ANSYS Meshing.
(a) В дереве построений, выбираем опцию Mesh под Project/Model для того, чтобы появилась панель Details… (рисунок 4.21) ниже окна Outline.
Рисунок 4.20 – Выбор команды «Hide body»
Рисунок 4.21 – Параметры расчетной сетки
Замечание: ANSYS Meshing позволяет автоматически определить, что расчетная сетка будет создана для CFD анализа с использованием ANSYS FLUENT, поэтому в строке Physics Preference уже установлено CFD, и в Solver Preference – Fluent.
(b) В разделе Sizing панели активируем щелчком мыши графу Relevance Center и выбираем Fine (рисунок 4.22). Оставшиеся типы – Coarse (грубый) и Medium (средний) подходят больше для крупных и протяженных объектов с малыми градиентами рассчитываемых параметров.
Рисунок 4.22 – Выбор точности расчетной сетки
3.4 Выбор метода для генерации сетки
(a) В дереве построений нажимаем на компоненту Mesh правой кнопкой мыши для появления контекстного меню. Далее в появившемся меню выбираем Insert/Method (рисунок 4.23).
Рисунок 4.23 – Создание метода генерации расчетной сетки
(b) В панели Details of… активируем щелчком мыши графу Geometry и выбираем тело нефти в графическом окне. Нажимаем Apply.
(c) В панели Details of… активируем щелчком мыши графу Methods и выбираем Tetrahedrons (рисунок 4.24). Остальные параметры оставляем установленными по умолчанию.
Рисунок 4.24 – Параметры метода генерации расчетной сетки
3.5 Задаем сгущение сетки по потоку нефти.
(a) В дереве построений щелкаем на компоненту Mesh правой кнопкой мыши для появления контекстного меню. Выбираем Insert/Sizing (рисунок 4.25).
Рисунок 4.25 – Задание размеров элементов сетки
(b) В панели Details of… активируем щелчком мыши графу Geometry и в графическом окне выбираем тело нефти.
(c) В панели Details of… активируем щелчком мыши графу Element Size (рисунок 4.26) и вводим 0,07 (размер ячейки тела нефти в метрах; для больших/меньших диаметров трубы необходимо пропорционально задавать размер ячеек в большую/меньшую сторону).
Рисунок 4.26 – Параметры функции «Sizing»
3.6 Задаем сгущение сетки в пристеночной области для лучшего расчета течения в области больших градиентов скоростей и температур потока в пограничном слое.
(a) В дереве построений нажимаем на компоненту Mesh правой кнопкой мыши для появления контекстного меню (рисунок 4.27). В появившемся меню выбираем Insert/Inflation.
Рисунок 4.27 – Выбор команды «Inflation»
(b) В панели Details of... активируем щелчком мыши графу Geometry и выбираем тело нефти (рисунок 4.28).
Рисунок 4.28 – Параметры команды «Inflation»
(c) В панели Details of… активируем щелчком мыши графу Boundary и выбираем внешнюю цилиндрическую поверхность тела нефти.
(d) В панели Details of… в графе Inflation Options выбираем First Layer Thickness (рисунок 4.29). В графе First Layer Height вводим линейный размер первой пристеночной ячейки – 0,005 м, в графе Maximum Layers вводим число ячеек поперек пограничного слоя – 3. Остальные параметры оставляем по умолчанию.
3.7 Генерация расчетной сетки
Нажимаем кнопку
на панели инструментов. Также можно щелкнуть на компоненту Mesh в дереве построений правой кнопки мыши для появления контекстного меню, где надо выбрать опцию Update (рисунок 4.30).
Рисунок 4.29 – Выбор размеров и числа ячеек
Рисунок 4.30 – Генерация расчетной сетки
Замечание: поскольку на некоторых ПК с низкой производительностью расчет модели с больших числом объемно-конечных элементов расчетной сетки может занять большое количество времени, постарайтесь убедиться в правильности принятых решений. Также, с учетом того, что версия ANSYS Teaching является некоммерческой, в ней ограничено количество элементов, доступных для построения расчетной сетки модели (максимальное их количество составляет 512000). Чтобы посмотреть количество созданных элементов необходимо, нажав на Mesh в дереве построений, в панели Details of… открыть вкладку Statistics. В рассматриваемом примере после генерации сетки количество элементов составило 137357, количество узлов сопряжений элементов – 73672 (количество узлов и элементов может отличаться).
Конечный результат вышеописанной работы в приложении ANSYS Meshing показан на рисунке 4.31.
Рисунок 4.31 – Расчетная сетка модели
3.8 При импорте геометрии в приложение ANSYS Meshing автоматически установились границы сопряжения тел. Их можно обнаружить во вкладке Connections дерева построений. Автоматически выделены три границы – нефть-труба, труба-грунт и нефть-грунт. Третья граница не имеет точек соприкосновения, поэтому для того, чтобы избежать проблем в дальнейшем, необходимо удалить её, щелкнув правой кнопкой на
Contact Region 3 и выбрав команду Delete (рисунок 4.32).
Теперь можно завершить работу с приложением ANSYS Meshing, закрыв его.
Рисунок 4.32 – Удаление контактной области
Шаг 4. Задание граничных условий, расчет виртуальной модели трубопровода.
После создания геометрии и вычислительной сетки трубы можно переходить непосредственно к CFD анализу с помощью ANSYS/FLUENT.
4.1 Первоначальная настройка ANSYS/FLUENT
4.1.1 Запуск ANSYS/FLUENT.
В ANSYS Workbench Project Schematic, двойным кликом выбираем Setup ячейку в созданном проекте. Также можно щелкнуть на ячейку Setup правой кнопкой мыши для появления контекстного меню, где можно выбрать опцию Edit….
После этого должна появиться панель FLUENT Launcher, позволяющая задать необходимые стартовые настройки для ANSYS/FLUENT.
ANSYS/FLUENT Launcher позволяет выбрать, какая конфигурация ANSYS/FLUENT будет использована (рисунок 4.33).
Рисунок 4.33 – Предварительные настройки FLUENT
4.1.2 Проверка дополнительных опций.
(a) Обратите внимание, что опция 3D в разделе Dimension (измерение) уже задана и неактивна.
(b) Выбираем Serial в Processing Options.
(c) Проверяем, что Display Mesh After Reading, Embed Graphics Windows и Workbench Color Scheme опции активированы.
Замечание: Опция активирована, когда в окошке рядом стоит галочка; опция дезактивирована, когда окошко рядом пустое. Для активации/дезактивации опции достаточно кликнуть на окошко рядом с текстом или на сам текст.
(d) Проверяем, что опция Double-Precision (двойная точность) дезактивирована.
Замечание: Для большинства инженерных расчетов вычислений с одинарной точностью (single-precision) бывает достаточно, но в некоторых случаях целесообразно использовать вычисления с двойной точностью (double-precision). Например, в случае очень малых масштабов задачи, а также в ряде других случаев (подробнее см. ANSYS FLUENT 12.1 User's Guide).
4.1.3 Просмотр дополнительных параметров.
(a) Нажимаем на кнопку Show More.
(b) Обратите внимание, что уже введен путь к рабочей папке в разделе Working Directory и эта опция не активна (рисунок 4.34).
4.1.4 Запускаем приложение ANSYS/FLUENT, нажав OK.
4.2 Работа с ANSYS/FLUENT.
4.2.1 Установка основных настроек для CFD анализа.
Выбираем General в панели навигации слева для установки основных настроек солвера (решателя) и сетки. Ставим галочку возле пункта
Gravity для задания величины гравитации. Появится поле задания значений гравитации для каждой из осей. Принимаем значения гравитации округленно 9,8 и записываем его в поле координаты Y с отрицательным знаком (рисунок 4.35).
Рисунок 4.34 – Настройка дополнительных параметров
Замечание: Это делается для удобства восприятия, т.к. если задать величину гравитации положительной и в направлении оси Х, результаты расчета не изменятся, но они будут выглядеть, по сравнению с предыдущим результатом, повернутыми относительно горизонтальной оси (Z) на 90 градусов.
Рисунок 4.35 – Задание значений гравитации
4.2.2 Задаем модель турбулентности, на основе которой будет производиться расчет созданной модели трубопровода.
(a) Выбираем Models/Viscous/Edit... в панели навигации.
(b) Выбираем k-epsilon (2 eqn) в списке доступных моделей. Все настройки модели оставляем по умолчанию (рисунок 4.36).
(c) Нажимаем OK для закрытия диалогового окна.
4.2.3 Включаем режим теплового расчета.
Для этого необходимо выбрать Models/Energy/Edit…, поставить галочку напротив Energy Equation (уравнение энергии) и нажать ОК (рисунок 4.37).
Рисунок 4.36 – Выбор модели турбулентности
Рисунок 4.37 – Активация уравнений теплообмена
4.2.4 Задаем свойства материалов.
(a) Выбираем Materials в панели навигации для задания свойств рабочей среды (рисунок 4.38).
Рисунок 4.38 – Выбор материалов
Создаем новый материал, используя Create/Edit… пункта Materials.
В поле Name вводим имя создаваемого вещества – oil (рисунок 4.39). Задаем свойства нефти – плотность (density) – 870 кг/м3, теплоемкость (Cp) 2000 Дж/кг-К, теплопроводность (thermal conductivity) 0,136 Вт/м-К, вязкость (viscosity) – 0,01 кг/м-с.
Рисунок 4.39 – Задание свойств нефти
Замечание: К примеру, чтобы «найти» боковую цилиндрическую поверхность тела нефти, нужно воспользоваться вспомогательными плоскостями, выделив сначала поверхность, соответствующую входу (или выходу) и выбрать нужную, одинаковую по цвету плоскость в левом нижнем углу (рисунок 4.19) – в итоге будет выделена боковая поверхность нефти. Оставшиеся четыре плоскости соответствуют внутренней и внешней цилиндрическим поверхностям тела трубы, внутренней цилиндрической поверхности тела грунта и внешней цилиндрической границе грунта.
Рисунок 4.19 – Выделение поверхности
Также можно воспользоваться функцией Hide (скрыть), которая позволяет исключить из графического окна тела, перекрывающие собой плоскости, которые необходимо выделить. Для того, чтобы временно удалить в графическом окне мешающие выделению необходимых плоскостей тела, в дереве построений (Outline) в разделе Geometry нужно щелкнуть правой кнопкой мыши по нужному телу и выбрать Hide body (скрыть тело) (рисунок 4.20).
Для того, чтобы вернуть в графическом окне спрятанное тело, необходимо вызвать щелчком правой кнопки мыши то же самое меню и выбрать команду Show body (показать тело).
3.3 Ввод параметров для автоматической генерации расчетной сетки в ANSYS Meshing.
(a) В дереве построений, выбираем опцию Mesh под Project/Model для того, чтобы появилась панель Details… (рисунок 4.21) ниже окна Outline.
Рисунок 4.20 – Выбор команды «Hide body»
Рисунок 4.21 – Параметры расчетной сетки
Замечание: ANSYS Meshing позволяет автоматически определить, что расчетная сетка будет создана для CFD анализа с использованием ANSYS FLUENT, поэтому в строке Physics Preference уже установлено CFD, и в Solver Preference – Fluent.
(b) В разделе Sizing панели активируем щелчком мыши графу Relevance Center и выбираем Fine (рисунок 4.22). Оставшиеся типы – Coarse (грубый) и Medium (средний) подходят больше для крупных и протяженных объектов с малыми градиентами рассчитываемых параметров.
Рисунок 4.22 – Выбор точности расчетной сетки
3.4 Выбор метода для генерации сетки
(a) В дереве построений нажимаем на компоненту Mesh правой кнопкой мыши для появления контекстного меню. Далее в появившемся меню выбираем Insert/Method (рисунок 4.23).
Рисунок 4.23 – Создание метода генерации расчетной сетки
(b) В панели Details of… активируем щелчком мыши графу Geometry и выбираем тело нефти в графическом окне. Нажимаем Apply.
(c) В панели Details of… активируем щелчком мыши графу Methods и выбираем Tetrahedrons (рисунок 4.24). Остальные параметры оставляем установленными по умолчанию.
Рисунок 4.24 – Параметры метода генерации расчетной сетки
3.5 Задаем сгущение сетки по потоку нефти.
(a) В дереве построений щелкаем на компоненту Mesh правой кнопкой мыши для появления контекстного меню. Выбираем Insert/Sizing (рисунок 4.25).
Рисунок 4.25 – Задание размеров элементов сетки
(b) В панели Details of… активируем щелчком мыши графу Geometry и в графическом окне выбираем тело нефти.
(c) В панели Details of… активируем щелчком мыши графу Element Size (рисунок 4.26) и вводим 0,07 (размер ячейки тела нефти в метрах; для больших/меньших диаметров трубы необходимо пропорционально задавать размер ячеек в большую/меньшую сторону).
Рисунок 4.26 – Параметры функции «Sizing»
3.6 Задаем сгущение сетки в пристеночной области для лучшего расчета течения в области больших градиентов скоростей и температур потока в пограничном слое.
(a) В дереве построений нажимаем на компоненту Mesh правой кнопкой мыши для появления контекстного меню (рисунок 4.27). В появившемся меню выбираем Insert/Inflation.
Рисунок 4.27 – Выбор команды «Inflation»
(b) В панели Details of... активируем щелчком мыши графу Geometry и выбираем тело нефти (рисунок 4.28).
Рисунок 4.28 – Параметры команды «Inflation»
(c) В панели Details of… активируем щелчком мыши графу Boundary и выбираем внешнюю цилиндрическую поверхность тела нефти.
(d) В панели Details of… в графе Inflation Options выбираем First Layer Thickness (рисунок 4.29). В графе First Layer Height вводим линейный размер первой пристеночной ячейки – 0,005 м, в графе Maximum Layers вводим число ячеек поперек пограничного слоя – 3. Остальные параметры оставляем по умолчанию.
3.7 Генерация расчетной сетки
Нажимаем кнопку
на панели инструментов. Также можно щелкнуть на компоненту Mesh в дереве построений правой кнопки мыши для появления контекстного меню, где надо выбрать опцию Update (рисунок 4.30). Рисунок 4.29 – Выбор размеров и числа ячеек
Рисунок 4.30 – Генерация расчетной сетки
Замечание: поскольку на некоторых ПК с низкой производительностью расчет модели с больших числом объемно-конечных элементов расчетной сетки может занять большое количество времени, постарайтесь убедиться в правильности принятых решений. Также, с учетом того, что версия ANSYS Teaching является некоммерческой, в ней ограничено количество элементов, доступных для построения расчетной сетки модели (максимальное их количество составляет 512000). Чтобы посмотреть количество созданных элементов необходимо, нажав на Mesh в дереве построений, в панели Details of… открыть вкладку Statistics. В рассматриваемом примере после генерации сетки количество элементов составило 137357, количество узлов сопряжений элементов – 73672 (количество узлов и элементов может отличаться).
Конечный результат вышеописанной работы в приложении ANSYS Meshing показан на рисунке 4.31.
Рисунок 4.31 – Расчетная сетка модели
3.8 При импорте геометрии в приложение ANSYS Meshing автоматически установились границы сопряжения тел. Их можно обнаружить во вкладке Connections дерева построений. Автоматически выделены три границы – нефть-труба, труба-грунт и нефть-грунт. Третья граница не имеет точек соприкосновения, поэтому для того, чтобы избежать проблем в дальнейшем, необходимо удалить её, щелкнув правой кнопкой на
Contact Region 3 и выбрав команду Delete (рисунок 4.32).
Теперь можно завершить работу с приложением ANSYS Meshing, закрыв его.
Рисунок 4.32 – Удаление контактной области
Шаг 4. Задание граничных условий, расчет виртуальной модели трубопровода.
После создания геометрии и вычислительной сетки трубы можно переходить непосредственно к CFD анализу с помощью ANSYS/FLUENT.
4.1 Первоначальная настройка ANSYS/FLUENT
4.1.1 Запуск ANSYS/FLUENT.
В ANSYS Workbench Project Schematic, двойным кликом выбираем Setup ячейку в созданном проекте. Также можно щелкнуть на ячейку Setup правой кнопкой мыши для появления контекстного меню, где можно выбрать опцию Edit….
После этого должна появиться панель FLUENT Launcher, позволяющая задать необходимые стартовые настройки для ANSYS/FLUENT.
ANSYS/FLUENT Launcher позволяет выбрать, какая конфигурация ANSYS/FLUENT будет использована (рисунок 4.33).
Рисунок 4.33 – Предварительные настройки FLUENT
4.1.2 Проверка дополнительных опций.
(a) Обратите внимание, что опция 3D в разделе Dimension (измерение) уже задана и неактивна.
(b) Выбираем Serial в Processing Options.
(c) Проверяем, что Display Mesh After Reading, Embed Graphics Windows и Workbench Color Scheme опции активированы.
Замечание: Опция активирована, когда в окошке рядом стоит галочка; опция дезактивирована, когда окошко рядом пустое. Для активации/дезактивации опции достаточно кликнуть на окошко рядом с текстом или на сам текст.
(d) Проверяем, что опция Double-Precision (двойная точность) дезактивирована.
Замечание: Для большинства инженерных расчетов вычислений с одинарной точностью (single-precision) бывает достаточно, но в некоторых случаях целесообразно использовать вычисления с двойной точностью (double-precision). Например, в случае очень малых масштабов задачи, а также в ряде других случаев (подробнее см. ANSYS FLUENT 12.1 User's Guide).
4.1.3 Просмотр дополнительных параметров.
(a) Нажимаем на кнопку Show More.
(b) Обратите внимание, что уже введен путь к рабочей папке в разделе Working Directory и эта опция не активна (рисунок 4.34).
4.1.4 Запускаем приложение ANSYS/FLUENT, нажав OK.
4.2 Работа с ANSYS/FLUENT.
4.2.1 Установка основных настроек для CFD анализа.
Выбираем General в панели навигации слева для установки основных настроек солвера (решателя) и сетки. Ставим галочку возле пункта
Gravity для задания величины гравитации. Появится поле задания значений гравитации для каждой из осей. Принимаем значения гравитации округленно 9,8 и записываем его в поле координаты Y с отрицательным знаком (рисунок 4.35).
Рисунок 4.34 – Настройка дополнительных параметров
Замечание: Это делается для удобства восприятия, т.к. если задать величину гравитации положительной и в направлении оси Х, результаты расчета не изменятся, но они будут выглядеть, по сравнению с предыдущим результатом, повернутыми относительно горизонтальной оси (Z) на 90 градусов.
Рисунок 4.35 – Задание значений гравитации
4.2.2 Задаем модель турбулентности, на основе которой будет производиться расчет созданной модели трубопровода.
(a) Выбираем Models/Viscous/Edit... в панели навигации.
(b) Выбираем k-epsilon (2 eqn) в списке доступных моделей. Все настройки модели оставляем по умолчанию (рисунок 4.36).
(c) Нажимаем OK для закрытия диалогового окна.
4.2.3 Включаем режим теплового расчета.
Для этого необходимо выбрать Models/Energy/Edit…, поставить галочку напротив Energy Equation (уравнение энергии) и нажать ОК (рисунок 4.37).
Рисунок 4.36 – Выбор модели турбулентности
Рисунок 4.37 – Активация уравнений теплообмена
4.2.4 Задаем свойства материалов.
(a) Выбираем Materials в панели навигации для задания свойств рабочей среды (рисунок 4.38).
Рисунок 4.38 – Выбор материалов
Создаем новый материал, используя Create/Edit… пункта Materials.
В поле Name вводим имя создаваемого вещества – oil (рисунок 4.39). Задаем свойства нефти – плотность (density) – 870 кг/м3, теплоемкость (Cp) 2000 Дж/кг-К, теплопроводность (thermal conductivity) 0,136 Вт/м-К, вязкость (viscosity) – 0,01 кг/м-с.
Рисунок 4.39 – Задание свойств нефти