В работе рассмотрены вопросы графического отображения результатов исследований в задачах вычислительной гидродинамики Представлены результаты научных исследований, полученные в численной форме и представленные в виде графической информации.
Ключевые слова: графическое отображение, вычислительная гидродинамика, компьютерное моделирование
Введение
Методы компьютерного моделирования физических процессов, являются важным инструментом, предопределяющим новые возможности и востребованы во многих областях знания, науки и инженерных технологий. Их использование позволяет в значительной степени сократить и оптимизировать процесс исследования. А компьютерная графика позволяет представить результаты научных исследований, выраженные в численной форме, в виде визуальных образов. Графическое представление численных данных облегчает работу с информацией.
В последние годы наиболее широкое распространение в исследованиях механики жидкости получили методы компьютерного моделирования. В основном это связано с очень динамичным развитием аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения. Использование компьютерного моделирования на начальных этапах проектирования значительно снижает затраты и ускоряет внедрение нового решения, что приводит к снижению эксплуатационных расходов.
Примером применения на этапах проектирования компьютерного моделирования является автомобильная промышленность [1]. Моделирование и визуализация результатов применяются при проектировании аэродинамического обвеса автомобиля, исследуется движение жидкостей и газов в системах двигателя (турбулентный поток внутри камеры сгорания, течение газа в выхлопных коллекторах, система охлаждения, процессы впрыска и испарения топлива), вентиляции и кондиционирования воздуха салона, сцепление шин с дорожным покрытием в различных условиях.
Вычислительная гидродинамика (англ. computational fluid dynamics, CFD) — подраздел механики сплошных сред, включающий совокупность физических, математических и численных методов, предназначенных для вычисления характеристик потоковых процессов и визуализации этих процессов [2].
Программы CFD (вычислительная гидродинамика) позволяют проводить подробный анализ химических и физических процессов, при этом нет необходимость в больших затратах времени и дорогостоящих экспериментальных исследований во время цикла разработки и модернизации. Возможно получить необходимую информацию о потоке жидкости (распределение поля скоростей, поля давления), движение тепла (температурного поля) и массы, а также получить детальное изображение этих процессов. Это достигается путем численного решения уравнений, описывающих обмен импульсом, массы и энергетического баланса. А графическое представления результатов исследований существенно облегчает обеспечение контроля и лучшего понимания численных результатов
Повышение уровня знаний о сложных механизмах гидродинамика может быть достигнуто за счет правильной экспериментальной проверки моделей. Основные характеристики гидродинамического процесса могут быть исследованы с помощью оптических методов анализа потоков:
- цифровой метод измерения полей скорости с использованием индикаторных частиц, который основан на последовательной корреляции двух последовательных изображений потока;
- визуализация структур течения. Цифровая запись изображений и последующая их обработка позволяют определить следы частиц, взвешенных в потоке. Таким образом, создается образ структуры потока и облегчает интерпретацию основных характеристик поля скоростей.
Использование этой информации является основой для оценки адекватности графического отображения результатов компьютерного моделирования [7].
Моделирование процесса распыления топлива
Для моделирования процесса распыления топлива прежде всего необходимо создание геометрической модели.
CFD моделирование использует геометрию (геометрическое распределение элемента объема). Моделирование процесса распыления топлива проводилось в замкнутом объёме, форма которого - цилиндр высотой и диаметром 90мм, что соответствует форме камеры сгорания. Объём цилиндра разбит на равные кубические ячейки с длиной ребра 1 мм. Для адекватного отображения графической информации модель распыления топлива должна охватывать многофазовые явления и требуют одновременного решения уравнений для жидкой и газовой фазы. Модель процесса распыления топлива основана на подмоделях, которые в значительной степени влияют на качество моделирования процесса впрыска топлива. Используемая модель состоит из следующих подмоделей:
- турбулентной модели распада капель топлива,
- модель испарения топлива,
- модель распада капель.
Из анализа литературы [8, 9] можно выделить следующие подмодели распыления топлива:
- турбулентная модель распада капель топлива - стохастическая модель,
- модель испарения топлива - модель Дуковича,
- модель распада капель – KHRT (модель поверхностных волн Кельвина-Гельмгольца (KH) и распределение Рэлея-Тейлора (RТ)).
Таким образом, визуальное отображение распыления топлива учитывает движение и распад капель топлива, влияние на этот процесс внешних сил. При использовании модели KHRT, предполагается, что инжектор образует коническую струю.
Приведенные выше модели были использованы для моделирования распыления топлива в бензиновом ДВС с непосредственным впрыском в камеру сгорания. Верификация компьютерной модели выполнена на основании оптических исследований [11].
Для наглядного представления и анализа результаты численного решения процесса распыления топлива представляются в графической форме в виде графиков, цветных полей распределения переменных или векторных полей, линий тока, числовых значений параметров в заданных областях, трехмерной модели процесса. Форма графического представления результатов компьютерного моделирования должна наилучшим образом отражать физическую сущность исследуемых процессов.
Некоторые результаты моделирования, связанные с физической картиной протекающих в камере сгорания процессов, показаны на рисунках 1-4.
Рисунке 1 показана трехмерная модель показывающая распределение капель распыленного топлива в камере сгорания. Для наглядности графического отображения процесса испарения топлива градиенты показывают распределение диаметра капель.
Модель позволяет наглядно продемонстрировать процесс распыления топлива при помощи трехмерной поверхности с постоянным коэффициентом избытка воздуха (рис. 2.).
На рисунке 3 показано векторное поле скоростей в камере сгорания в момент распыления топлива. Анализ этого поля позволяет определить степень взаимодействия топлива с воздухом. Завихрения на поверхности топливной струи влияют на скорость испарения капель и процессы перемешивания.
После завершения впрыска, распределение топлива в камере сгорания не равномерное, это показано на рис 4. Можно выделить области с различным λ - коэффициентом избытка воздуха топливно-воздушной смеси.
Выводы
Можно утверждать что:
В настоящее время графическое представление данных зачастую становится единственным инструментом способным прояснить суть моделируемого физического процесса.
Вычислительная гидродинамики (Computational fluid dynamics) позволяет моделировать химические и физические процессы.
Компьютерное моделирование и графическое отображение результатов используется, когда непосредственное наблюдение за поведением объекта не представляется возможным или сложным при проведении экспериментов.
Список литературы
- AVL FIRE ver. 2009, ICE Physics&Chemistry. AVL Graz 2009.
- Вычислительная гидродинамика https://tpolis.com/ansys/files/ansys_gidrodinamic.pdf.
- Schwarz Ch., Schünemann E., Durst B., Fischer J., Witt A.: Potentials of the Spray-Guided BMW DI Combustion System, SAE Technical Paper 2008-01-1265.
- Rawski F., Szpica D.: Symulacyjne metody badań układów dolotowych tłokowych silników spalinowych. PM 2005 zeszyt 2/2005.
- AVL FIRE – руководство пользователя, https://www.avl.com/-/avl-fire-1
- D. Maslennikov: Badawcza identyfikacja właściwości systemu spalania z bezpośrednim wtryskiem paliwa i zapłonem iskrowym. 149 s. : il. ; 30 cm + 2 recenzje. Rozprawa doktorska. Politechnika Poznańska, 2012 DrOIN 1457
Рисунки к докладу
Рис. 1
Трехмерная модель показывающая распределение капель распыленного топлива
Рис. 2
Процесс распыления топлива (трехмерноая поверхность с постоянным коэффициентом избытка воздуха)
Рис. 3
Векторное поле скоростей в камере сгорания
Рис. 4
Распределение топлива в камере сгорания
Вопросы и комментарии к выступлению:
Назад Go Back