Введение

Для повышения качества подготовки специалистов высшей квалификации в области авиастроения необходимо сочетать общетеоретические курсы по аэрогидродинамике с практическим освоением студентами основных явлений и процессов, с которыми им придется встретиться в различных научных и прикладных задачах. Наиболее подходящим для этого методом являются полномасштабные эксперименты на аэродинамической трубе.

Однако при организации массового учебного процесса широкое использование экспериментальных методов сопряжено с принципиальными ограничениями, связанными в первую очередь со сложностью, уникальностью и высокой стоимостью современных установок и собственно эксперимента по воспроизведению гидро- и аэродинамических процессов во всем их многообразии.

Возможной альтернативой, предлагаемой в настоящем пособии, является проведение вычислительного эксперимента с использованием современного программного комплекса Solid Works. Это позволяет обучающемуся в максимально наглядном виде и условиях, приближенных к лабораторному эксперименту, ознакомиться с изучаемым процессом и сопоставить его с соответствующими теоретическими положениями.

SolidWorks (далее SW) – программный комплекс САПР для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства. Обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения. Работает в среде Microsoft Windows. Разработан компанией SolidWorks Corporation, ныне являющейся независимым подразделением компании Dassault Systemes(Франция). Программа появилась в1993 годуи составила конкуренцию таким продуктам, какAutoCADиPro/ENGINEER.

SW является ядром интегрированного комплекса автоматизации предприятия, с помощью которого осуществляется поддержка жизненного цикла изделия в соответствии с концепцией CALS-технологий, включая двунаправленный обмен данными с другими Windows-приложениями и создание интерактивной документации. Это легкое в освоении средство позволяет инженерам-проектировщикам быстро отображать свои идеи в эскизе, экспериментировать с элементами и размерами, а также создавать модели и подробные чертежи. Комплексные решения SW базируются на передовых технологиях гибридного параметрического моделирования и широком спектре специализированных модулей.

В состав SW, начиная с 2012 года, входит модуль Flow Simulation, предназначенный для моделирования течения жидкостей и газов. Позволяет учесть широкий круг физических процессов: сжимаемость, турбулентность, массовые силы, теплообмен, многофазность и пр.

Модуль Flow Simulation идеально подходит для выполнения аэродинамических расчетов, поскольку с его помощью можно решать задачи внешнего обтекания различных тел потоком газа (воздуха). При этом визуализируется картина обтекания тела, которая может быть представлена в виде заливки, изолиний или векторного поля и, кроме этого, находится распределения давления и температуры по поверхности тела. Кроме этого, можно определить все силы и моменты, действующие на тело. Таким образом, в ходе численного моделирования решаются основные задачи, для которых и предназначен аэродинамический эксперимент.

Если не нужно детальное исследование аэродинамики конструкции и проектировщика интересует только картина обтекания, то проще вместо модуля Flow Simulation использовать приложение FloXpress, рассчитывающее траектории движения жидкости или газа. Это позволяет обнаруживать проблемные места в модели и устранить их еще до начала производства.

Самостоятельная работа №1

Исследование течения жидкости

Цель работы

Исследовать течение жидкости (воды) внутри канала шарового крана в системе SW. Выяснить, как поворот шара влияет на картину течения жидкости. Исследование выполнить с использованием двух инструментов – упрощенный анализ с помощью FloXpress и расширенный с помощью Flow Simulation.

Порядок выполнения работы

1. Анализ течения жидкости с помощью инструмента FloXpress:

   1. Запустить SW 2014

   2. В правой части экрана перейти на вкладку «Ресурсы SW», выбрать пункт «Учебные пособия»

3. В открывшемся диалоговом окне «Учебные пособия SW» перейти в раздел «Проектирование и оценка конструкции» и там выбрать пособие «SW FloXpress»

4. Откроется окно «Учебное пособие по SW FloXpress»

5. Копируем папку «Program Files\SolidWorks Corp\SolidWorks\samples\tutorial\flowxpress\ball valve» в любое место, можно на рабочий стол. И в этой папке открываем файл сборки «ball_valve.sldasm»

6. Выполняем урок. Для перелистывания страниц используются ссылки внизу окна.

7. Сохраняем полученные результаты, т.е рисунки в формате *.jpg и текстовый отчет в формате *.docx. Закрываем FloXpress, нажав .

8. Далее необходимо повернуть рукоятку крана в другое положение, однако, не перекрывая при этом канал для жидкости. Для этого в дереве конструирования раскрываем деталь Handle (Рукоятка) и снимаем ограничение на поворот этой рукоятки, т.е. выбираем «Погасить» у сопряжения Angle.

После чего можно свободно поворачивать рукоятку с помощью команды «Вращать компонент» на вкладке «Сборка».

Поворачиваем рукоятку в новое положение, следим при этом, чтобы канал для жидкости не перекрывался полностью. Далее запускаем опять инструмент FloXpress и повторяем расчет, сохраняя полученные результаты.

2. Анализ течения жидкости с помощью инструмента SW Flow Simulation:

Сначала подключаем инструмент SW Flow Simulation. Для этого запускаем «Инструменты → Добавления» и там ставим галочки в двух местах.

Нажимаем ОК.

Появляется новая вкладка Flow Simulation.

1. Задание общих параметров проекта:

Запускаем Мастер проекта и в первом окне указываем имя нового проекта и при необходимости комментарии к нему. Нажимаем «Далее >».

Указываем систему единиц SI (m-kg-s). Нажимаем «Далее >».

Указываем тип задачи «Внутренняя», т.е. будем рассматривать течение внутри замкнутого объема. Для экономии вычислительных ресурсов замкнутые полости не учитываем. С этой же целью исключаем из рассмотрения теплопроводность в твердых телах, радиационный теплообмен, гравитацию и вращение. Мы можем так сделать из-за простоты решаемой задачи простая. Нажимаем «Далее >».

Указываем тип текучей среды – Water (Вода). Характеристики течения оставляем заданными по умолчанию. Нажимаем «Далее >».

В окне «Условия на стенках по умолчанию» ничего не изменяем, оставляем адиабатическую (теплонепроницаемую) и абсолютно гладкую стенку. Нажимаем «Далее >».

В окне «Начальные условия» задаются начальные давление, температура, скорость жидкости. Чем ближе начальные значения к конечным, тем меньше времени занимает расчет. Поскольку мы не знаем, какие у нас ожидаются конечные параметры, то просто оставляем все как есть и нажимаем «Далее >».

Наконец, в окне «Уровень разрешения» указываем требуемую точность вычислений. Уровень разрешения оставляем 3, а шаг вычислений указываем в поле «Минимальный зазор» равным 0,093 м. Нажимаем «Завершить».

Слева появляется еще одна вкладка «Flow Simulation дерево анализа», где задаются входные данные для расчета и куда будут выводиться полученные результаты (поскольку пока мы ничего не рассчитывали, то и результаты не загружены). Также здесь задаются границы расчетной области, т.е. объема, в котором будут производиться вычисления.

2. Задание граничных условий:

Теперь необходимо задать граничные условия, т.е. значения таких параметров как давление, массовый, объемный расход или скорость на входе и выходе из расчетной области.

Начнем с входа. Для этого в дереве анализа щелкаем правой кнопкой на «Граничные условия» и выбираем «Добавить граничное условие» в появившемся контекстном меню.

Слева появляется окно задания граничного условия. Сначала указываем поверхность для граничного условия, это будет внутренняя грань крышки Lid1. Чтобы точно указать эту грань, наводим курсор на нее, нажимаем правую кнопку и щелкаем «Выбрать другой».

В появившемся окошке левой кнопкой щелкаем на нужной грани (она подсвечивается на модели).

В области «Тип» выбираем «Расход/скорость» и «Массовый расход на входе».

В поле «Массовый расход» указываем 0.5 kg/s и нажимаем ОК .

В дереве анализа появился новый элемент «Массовый расход на входе 1».

Теперь задаем граничные условия для выхода из граничной области. Для этого также создаем для внутренней грани крышки Lid2 граничное условие, тип для которого выбираем «Давление» и «Статическое давление».

В дереве анализа появился еще один элемент «Статическое давление 1», а на модели шарового крана теперь можно видеть места втекания и вытекания жидкости из расчетной области (для большей наглядности они показаны стрелками).

3. Задание целей расчета:

Следующий шаг – это задание целей расчета. Они нужны для уменьшения времени на численное решение задачи. Указывая какой-либо параметр как цель расчета, мы тем самым указываем программе, какие параметр нужно определить с высокой точностью, а какими можно и пренебречь. Цели могут быть заданы для всей расчетной области (глобальные цели), для определенной точки (локальные цели), для поверхности (поверхностные цели) или же для выбранного объема (объемные цели).

Мы ограничимся заданием поверхностных целей. Для этого щелкаем правой кнопкой на «Цели» и в контекстном меню выбираем «Добавить поверхностные цели».

В качестве поверхности цели указываем элемент «Массовый расход на входе 1», т.е. внутреннюю грань крышки Lid1. И в таблице «Параметры» ставим галочку в столбце «Ср» (Среднее значение) строки «Статическое давление».

Нажимаем ОК . В дереве анализа появился новый элемент «ПЦ Среднерасх Статическое давление 1».

4. Запуск расчета:

Нажмите запустить . Появится диалоговое окно, где можно выбрать количество используемых процессоров для расчета. По умолчанию стоит метка «Загрузить результаты», т.е. результаты автоматически загружаются сразу после всех вычислений. Нажимаем «Запустить».

Появляется окно Солвера (Решателя), где производится мониторинг хода вычислений при решении задачи.

Решаемая нами задача довольно простая, поэтому расчет займет буквально несколько секунд. Поэтому нажмите «Приостановить» .

Нажмите «Вставить график целей» . В появившемся диалоговом окне укажите «ПЦ Среднерасх Статическое давление 1» и нажмите ОК.

Появится окно «График цели», где можно видеть как изменяется целевой параметр во время вычисления. Видно, что на 40-й итерации решение сошлось.

Теперь нажмите «Добавить предварительный просмотр». Появится окно

В этом окне выбирается плоскость, в которой будет расположен график (Plane 2), также может быть указан вид графика – заливка, изолинии или векторный. Выбираем заливку и нажимаем ОК. Появится такой график давления в горизонтальной плоскости.

Предварительный просмотр позволяет следить за изменением какого-либо параметра непосредственно в ходе вычисления, что позволяет более объективно оценивать решение.

Возобновите вычисление, нажав «Приостановить» еще раз.

Когда расчет завершится, закройте Солвер.

5. Просмотр полученных результатов:

Перед тем, как просматривать полученные в ходе расчета результаты, сделаем модель крана прозрачной. Для этого выполним «Flow Simulation → Результаты → Показать → Прозрачность» и установим прозрачность модели 0.75.

Построение картин в сечении:

Картина в сечении показывает распределение какого-либо параметра в плоскости. Картина в сечении может быть в виде контурного графика, изолиний или векторного поля или комбинацией этих трех способов, например, контурный график с векторами.

Для построения картины в сечении:

• Щелкните правой кнопкой мыши по «Картины в сечении» и выберите «Добавить…»

• В плавающем Дереве конструирования выберите плоскость Plane 2

• Нажмите ОК

Получили картину распределения давления в горизонтальной плоскости вдоль канала.

По мере необходимости добавляются картины в других плоскостях, для дополнительных опций можно дважды кликнуть на цветной шкале в левом верхнем углу.

Построение картин на поверхности:

Перед их построением скроем картину на плоскости, для этого кликнем правой кнопкой на «Картина в сечении 1» и выберем «Скрыть».

Для построения картины на поверхности:

• Щелкните правой кнопкой мыши по «Картины на поверхности» и выберите «Добавить…»

• Выберите опцию «Использовать все поверхности»

• Нажмите ОК

Получили картину распределения давления на всех поверхностях, контактирующих с жидкостью.

Построение траекторий потока:

Очень наглядные картины движения жидкости можно построить с помощью траекторий потока. Они показывают, как движутся струйки жидкости внутри канала. При этом для каждой струйки можно показывать изменением цвета как меняется по ее длине определенный параметр, например, давление или скорость.

Для построения траекторий потока:

• Щелкните правой кнопкой мыши по «Траектории потока» и выберите «Добавить…»

• Укажите «Массовый расход на входе 1», чтобы указать внутреннюю грань крышки Lid1

• Укажите количество точек 20

• Нажмите ОК

Если указать внутреннюю грань крышки Lid2, т.е. «Статическое давление 1», то картина изменится. Мы получили траектории движения 20 струек, втекающих и вытекающих из выходного отверстия. Это говорит о том, что на выходе из крана образуются своеобразные завихрения и водовороты.

Кстати, именно по этой причине в Солвере появлялось предупреждение «Возникновение обратного течения на границе»

Определение поверхностных параметров:

Поверхностные параметры используются, чтобы определить значения определенных параметров потока (например, давления, сил, температуры и т.д.) для какой-либо поверхности. Причем значения этих параметров представлены в табличной форме, где для каждого параметра указывается его минимальное, максимальное и среднее значение для участка поверхности.

Определим поверхностные параметры для входного отверстия нашего крана:

• Кликните правой кнопкой «Поверхностные параметры» и выберите «Добавить…»

• В дереве анализа Flow Simulation кликните «Массовый расход на входе 1», чтобы выбрать внутреннюю гранm крышки Lid1

• В области «Параметры» выберите «Все»

• Нажмите кнопку «Показать». Таблица с вычисленными значениями параметров появится внизу. Локальные параметры располагаются в левой части таблицы, а интегральные – в правой.

• Нажмите ОК

6. Исследование другого варианта конструкции:

С помощью SW Flow Simulation можно легко исследовать разные варианты конструкции и выбирать среди них наиболее оптимальный и перспективный. Можно менять конструкцию как угодно – размеры деталей, их форму, добавлять новые детали и т.д.! Каждый новый вариант конструкции сохраняется как конфигурация проекта Flow Simulation.

В нашем примере мы добавим скругления к отверстию в шаре и посмотрим, как это изменит величину падения давления в кране.

Создание новой конфигурации проекта Flow Simulation:

• В дереве ConfigurationManager кликните правой кнопкой «ball_valve Конфигурация(и)» и выберите «Добавить конфигурацию»

• Укажите имя конфигурации Project 2

• Кликните ОК

Создание новой конфигурации детали «Ball» (Шар):

• В дереве конструирования кликните на детали «Ball» (Шар) и выберите «Открыть деталь» . При этом откроется новое окно «Ball.sldprt»

• В этом окне в дереве конфигураций кликаем правой кнопкой на корневом элементе «Ball Configuration(s)» и выбираем «Добавить конфигурацию»

• Назовите новую конфигурацию 1.5_fillet Ball и нажмите ОК

• Создайте два скругления радиусом 1,5 мм в отверстии шара

• Переключитесь опять на окно сборки, соглашаетесь Да с предложением перестроить сборку

• Кликнете правой кнопкой на детали «Ball» и выбираете «Свойства компонента»

• Внизу окна «Свойства компонента» меняете стандартную конфигурацию на новую и нажимаете ОК

• В дереве конфигураций активируете конфигурацию Project 1, дважды щелкнув на ней

Клонирование проекта:

• Выберите «Flow Simulation → Проект → Клонировать проект…». В поле «Конфигурация» укажите выбрать и затем щелкните на Project 2 и затем ОК

• В появившемся окне выберите Да

Сейчас Project 2 – проект Flow Simulation, который мы выбрали, присоединен к проекту SolidWorks, содержащему измененную геометрию. Все входные данные также скопированы, так что нет необходимости снова задавать граничные условия и цели расчета. Все изменения в геометрии будут применяться к этому новому проекту Project 2, старый проект останется без изменений.

Для созданного проекта Project 2 также запускаем расчет Flow Simulation и сравниваем новые результаты со старыми.

7. Клонирование проектов в Flow Simulation

В предыдущем пункте мы решали задачу с измененной геометрией. Но иногда бывает нужно решить задачу с той же геометрией, но с другими параметрами потока жидкости.

Здесь мы проведем такое параметрическое исследование, изменив массовый расход жидкости:

• Активируйте конфигурацию Project 1 в дереве конфигураций

• Создайте копию проекта Project 1, выбрав Flow Simulation → Проект → Клонировать проект…»

• Создайте новую конфигурацию Project 3, нажмите ОК

Flow Simulation создаст новую конфигурацию с теми же исходными данными. Мы только изменяем массовый расход на входе на 0.75 кг/с и заново запускаем расчет.

Контрольные вопросы

1. В чем преимущества численного эксперимента перед натурным и в чем недостатки?

2. Какие задачи решаются с помощью приложений Flow Simulation и FloXpress?

3. Каков порядок решения задач в приложении Flow Simulation? А в приложении FloXpress?

4. Для чего нужен Мастер проекта?

5. Что такое задача внутреннего обтекания? А внешнего?

6. Что такое граничные условия и для чего они задаются?

7. Зачем мы закрыли кран крышками с обеих сторон?

8. Какие бывают цели расчета?

9. Какие возможности есть у Солвера?

10. Почему в ходе численного решения задачи Солвер выдал предупреждение «Возникновение обратного течения на границе»?

11. Какими инструментами мы пользовались для визуализации картины течения?

12. Как определить силы и моменты, действующие на поверхности модели?

13. Как можно выполнять исследование разных вариантов конструкции?

14. Как можно исследовать одну и ту же конструкцию, работающую в разных условиях?

Самостоятельная работа №2