Verbeterd technisch ontwerp met ANSYS Discovery voor CFD-analyse

Samenvatting

Ingenieurs gebruiken Computational Fluid Dynamics (CFD)-analyse om de stroming van vloeistoffen en warmteoverdracht in verschillende toepassingen te bestuderen en te optimaliseren. ANSYS Discovery is een gebruiksvriendelijk softwareplatform waarmee ingenieurs eenvoudig CFD-modellen kunnen opzetten en oplossen en waarmee ze ontwerpwijzigingen kunnen doorvoeren.

In deze blogpost belichten we de voordelen van het gebruik van CFD-analyse in Ansys Discovery voor technisch ontwerp, waardoor u tijd kunt besparen tijdens de eerste fasen van productontwikkeling. We geven een gedetailleerde beschrijving van het proces voor het opzetten van het model voor vloeistof- en thermische analyse, samen met het uitvoeren van de CFD-simulatie met de modi Explore en Refine van ANSYS Discovery. We zullen ook het verfijningsproces van de meshing bespreken, met de nadruk op de overeenkomsten en verschillen tussen deze modi. Verder zullen we de mogelijkheden van ANSYS Discovery in de Refine modus vergelijken met die van ANSYS Fluent. Vervolgens zullen we onderzoeken hoe u parametrische studies in ANSYS Discovery kunt opzetten en gebruiken. Tot slot zullen we ons verdiepen in de geconjugeerde warmteoverdrachtsanalyse voor het vloeistofdomein en de vaste wanden eromheen. Elk hoofdstuk gaat vergezeld van video’s om duidelijke voorbeelden te geven en de besproken concepten te illustreren.

1. Een ANSYS Discovery CFD-model configureren

In dit hoofdstuk gaan we kijken hoe we een CFD-model kunnen configureren in de Model modus van ANSYS Discovery. Eerst kiezen we een kant-en-klaar voorbeeld en passen we de geometrie aan onze behoeften aan. Daarna inspecteren we de geometrie op fouten en defecten, voeren we de nodige reparaties uit met Discovery Design tools en extraheren we het volume uit het solid model om het vloeistofdomein te definiëren. Vervolgens specificeren we de randvoorwaarden, zoals in- en uitlaatsnelheden, temperaturen en druk, en stellen we de fysica van het probleem in door het materiaal van de vloeistof te kiezen, de eigenschappen van de vloeistof, de begintemperatuur, enz. te specificeren.

2. CFD-model oplossen in ANSYS Discovery: Onderzoekmodus

Er zijn twee modi beschikbaar in ANSYS Discovery voor het oplossen van CFD-modellen: Verkennen en Verfijnen. In de Explore-modus kunnen we snel een eerste oplossing verkrijgen, een algemeen begrip krijgen van het stromingsgedrag en mogelijke problemen of gebieden voor verbetering identificeren.

We zullen het CFD-model uitvoeren en u laten zien hoe u eenvoudige nabewerkingstaken kunt uitvoeren en de stromingspatronen, snelheidsverdelingen en temperatuurgradiënten in het domein kunt visualiseren door contourplots, vectoranimaties en stroomlijnen te genereren. Dit zal ons in staat stellen om inzicht te krijgen in het stromingsgedrag en om gebieden met veel menging, recirculatie of warmteoverdracht te identificeren.

3. Netverfijning in de modus Verkennen

Om de nauwkeurigheid van onze initiële oplossing in de Explore-modus te verbeteren, kunnen we de mesh die gebruikt wordt voor de geometrische discretisatie en het oplossen van CFD-vergelijkingen verfijnen. De mate van verfijning hangt af van de gewenste nauwkeurigheid en de beschikbare computermiddelen.

In dit model gebruiken we enkele meshfuncties, zoals Global Fidelity en Size Preview, om de meshkwaliteit over het hele domein te verbeteren. We hebben een mesh-onderzoek uitgevoerd om te begrijpen hoe mesh-dichtheid en elementgrootte de resultaten kunnen beïnvloeden, zoals het mengen van warm en koud water en het bepalen van de maximale snelheid en temperatuur in het domein.

4. Verbetering van het CFD-model: Verfijn modus

De Refine-modus van ANSYS Discovery kan worden gebruikt om de nauwkeurigheid en details van CFD-modellen te verbeteren en preciezere resultaten te verkrijgen dan met de Explore-modus.
Lokale mesh-verfijning kan worden bereikt door Local Fidelity te gebruiken, waardoor we ons kunnen richten op specifieke delen van het domein waarin we geïnteresseerd zijn en daar nauwkeuriger stromingsgedrag kunnen verkrijgen. We kunnen ook de maasschema’s van het domein regelen wat betreft kromming en nabijheid, wat de betrouwbaarheid van onze simulatie kan verhogen, vooral bij het voorspellen van waarden zoals drukval of warmteoverdracht. In tdeze modus is mesh-informatie toegankelijk voor mesh-elementen en -knooppunten, evenals mesh-kwaliteitsindicatoren zoals mesh-orthogonaliteit en aspectratio.

In de verfijnmodus hebben we meer controle over de oplossing door onder andere turbulente modellen te selecteren, convergentiecriteria in te stellen, de residuen te wijzigen en de tijdstap in de transiënte simulatie in te stellen. Bovendien is GPU-berekening beschikbaar in zowel de Explore- als de Refine-modus in de ANSYS Discovery 2023R2-versie. Daarnaast biedt ANSYS 2023R2 zowel tetrahedral als polyhedral meshing opties. De Refine modus in ANSYS Discovery kan zeer nauwkeurige CFD simulatieresultaten bieden die vergelijkbaar zijn met de resultaten van ANSYS Fluent en CFX. De ANSYS Discovery oplossing is echter veel sneller en eenvoudiger in te stellen in vergelijking met andere CFD solvers in ANSYS.
In het algemeen stelt de Refine-modus in ANSYS Discovery ons in staat om CFD-modellen te verfijnen, hogere nauwkeurigheidsniveaus te bereiken en meer vertrouwen te krijgen in de resultaten die we verkrijgen. Dit kan de ontwerp- en productontwikkelingsprocessen aanzienlijk versnellen.

5. Parametrisch onderzoek en ontwerpwijziging

Het gebruik van de Explore-modus van ANSYS Discovery kan een snelle en intuïtieve oplossing bieden om weloverwogen ontwerpbeslissingen te nemen over CFD-modellen. Daarnaast kunnen we de Explore-modus gebruiken om gevoeligheidsanalyses uit te voeren door invoerparameters te wijzigen en de gevolgen daarvan te inspecteren. Zo kunnen we het ontwerp optimaliseren en de belangrijkste parameters identificeren die het gedrag van de vloeistofstroming en warmteoverdracht beïnvloeden.

We kunnen een parametrische studie gebruiken om gebieden voor verbetering te identificeren en wijzigingen in het ontwerp aan te brengen om de prestaties van het CFD-model te optimaliseren. In onze parametrische studie passen we randvoorwaarden zoals stromingssnelheid en temperatuur aan, evenals geometrische kenmerken van het model, als belangrijkste parameters in ons CFD-model. We bouwen testcases met een reeks van deze parameters en controleren de verbetering van het mengproces in het CFD-model. Het is belangrijk om op te merken dat het wijzigen van de geometrie niet mogelijk is binnen ANSYS Fluent en CFX, dus we hebben een aparte CAD modelleertool nodig, zoals SpaceClaim, om de wijzigingen aan te brengen. Daarna kunnen we het model terugsturen naar de ANSYS CFD solver om de nieuwe modellen in te stellen en op te lossen. Met ANSYS Discovery kunnen we echter alle wijzigingen aan de geometrie en fysica van het probleem samen in het programma maken, wat een enorm voordeel is. We hoeven het programma niet af te sluiten en alles is geïntegreerd en ontwikkeld in Discovery.

Zodra we inzichten krijgen uit de analyse, kunnen we de geometrie aanpassen, de randvoorwaarden bijstellen of de systeemcomponenten optimaliseren om de gewenste prestatiedoelen te bereiken. Dit iteratieve proces stelt ons in staat om onze ontwerpen te verfijnen en optimale resultaten te behalen.

6. Conjugate warmteoverdrachtanalyse

In de laatste sectie onderzoeken we de warmteoverdracht in het vloeistofdomein en de omringende vaste lichamen door middel van geconjugeerde warmteoverdrachtsanalyse. We nemen thermische randvoorwaarden op voor de elleboogwanden, naast de vloeistof- en thermische voorwaarden die al aan het vloeistofdomein zijn toegewezen. We passen eerst de warmtestroomvoorwaarde toe op de vaste lichamen, leggen uit hoe de conjugaatwarmteoverdracht in Ansys Discovery wordt uitgevoerd, lossen het model op en tonen de resultaten in de Explore-modus. Vervolgens bestuderen we de invloed van de invoering van nieuw materiaal en nieuwe warmtecondities in de vaste stoffen, waarbij we de monitoren gebruiken die in de Discovery-analyse zijn ingebouwd om de effecten te analyseren; we veranderen het wandmateriaal in een koperlegering en voegen vervolgens isolatie toe, waarbij we observeren hoe deze wijzigingen de resultaten beïnvloeden. We sluiten dit deel af met een demonstratie van de opstelling en het oplossen van het model in de Refine-modus om een uitgebreide verkenning te geven van de analyse van geconjugeerde warmteoverdracht in Ansys Discovery.

Door de kracht van ANSYS Discovery te benutten, kunnen we het ontwerpproces transformeren en vloeistof- en thermische producten creëren die niet alleen efficiënt en betrouwbaar, maar ook echt innovatief zijn.