4. Forrástagok és szakadási feltételek
Térfogati zónák paraméterezése
Egy térrész sajátosságait a „Cell Zone Conditions / zónanév / Edit” menüpontban adhatjuk meg, a 4.1.ábrán látható párbeszédablak segítségével.
4.1.ábra Zónális jellemzők paraméterezése ANSYS FLUENT rendszerben
Modellünk térfogati zónáit az alábbi tulajdonságokkal ruházhatjuk fel:
· Porous Zone: Áramlással szemben ellenállással rendelkező térrész, pl. szálas szűrő, homok, csőköteg, növényzet.
· Laminar Zone: Helyileg kiiktatjuk a turbulencia modellt. Pl: határréteg kezdeti lamináris szakasza.
· Source Terms: Felhasználói forrástagok előírása. Pl: tömegforás, tolóerő vagy hőforrás.
· Fixed Values: Mezőváltozó (pl. hőmérséklet vagy sebesség) értékét a térrészben adott értékre állítja be.
· Motion: Mozgó térrész. Moving Reference Frame: pl: egy szivattyú „befagyasztott járókerék” modellje; Moving Mesh: pl: egy szivattyú csúszó hálós modellje.
FLUENT rendszerben több (esetleg eltérő folyadékot tartalmazó) fluid zóna is lehet, továbbá szilárd zóna is. Szilárd testekben csak az energiaegyenletet oldja meg. Egy lehetséges alkalmazási példa: konjugált hőátadás szilárd falon keresztül egyik folyadékból egy másik folyadékba.
A porózus zónák paraméterezését a későbbiek során részletezzük.
A lamináris zónák kijelölése helyett egyes turbulencia modellek a tranzíció (lamináris-turbulens átcsapás) modellezésre is lehetőséget adnak, azonban az ilyen modellek alkalmazásához a fali határréteget finoman föl kell bontani.
Forrástagokkal rendkívül sokféle fizikai folyamat leírható. Tömegforrásokat alkalmazhatunk például fázisátalakulások modellezésére többfázisú áramlási modellekben, impulzusforrással leírható például a Coriolis-erő armoszférikus áramlás esetén, hőforrás alkalmazására egy jó példa a forró füst épületen belüli terjedésének szimulációja. Számos olyan jelenséget is forrástagokkal kezelünk, amely az áramlási tér finom szerkezete miatt részleteiben nem vizsgálható, pl. egy zuhanyrózsa sugarai által a levegőnek átadott impulzus. Ilyenkor az (1.6-1.10) transzportegyenletekben S-el jelölt térfogati források intenzitását írjuk elő. A tagok mértékegysége: a megmaradó jellemző mértéke köbméterrel és másodperccel elosztva. Például impulzus forrás esetében, az egységnyi térfogatban átadott tolóerő, melynek mértékegysége: N/m3.
Modellezési lehetőségeinket nagymértékben kibővíti, hogy felhasználói függvények segítségével az áramlási tér mezőváltozóitól függő forrástagokat is előírhatunk. Így működik például egy porózus térrész modellje is, mely a porozitás dinamikai hatását sebességtől függő ellenálláserő alkalmazásával veszi figyelembe.
Belső felületekre megadható szakadási feltételek
A „Boundary Conditions/” menüben a belső felületekre az alábbi szakadási feltételeket írhatjuk elő:
· Interior: Két folyadékcella vagy két szilárd cella közötti szokásos határfelület szakadási feltétel nélkül. Nem befolyásolja az áramlást és hőtranszportot.
· Porous Jump: Áramlási ellenállással rendelkező felület. Például egy szúnyogháló.
· Fan: Dp(v) jelleggörbével leírt nyomásnövekedést hoz létre, továbbá perdítheti is az áramlást. Pl. ventilátor; perdítőrács kazánégőknél.
· Radiator: Egyszerű hőcserélő modell. Ellenállás karakterisztika, fűtőközeg hőmérséklet és a keresztmetszetre vonatkoztatott hőátadási tényező adható meg. Ez a modell nem veszi figyelembe a fűtőközeg hőmérsékletének változását a felület mentén. (A hőcserélők modellezéséről további részletek találhatók az 5. fejezetben.)
· Wall: Belső fal. Hálózáskor egyetlen felület, FLUENT-ben két felületre válik szét. Például: wall1 és wall1-shadow.
Interior típusú belső felületeket névvel ellátni célszerű lehet, ha pl. utólag falat akarunk beiktatni az adott helyre (az interior zóna FLUENT-ben egyetlen kattintással wall zónává alakítható), így egyetlen hálóval több különböző geometriai változatot kezelhetünk. További előny lehet, hogy az eredmények kiértékelése során nagy pontosságú felületi integrálokat képezhetünk az adott felületen, mivel a csomópontok pontosan az Interior felületre esnek (a mezőváltozókat nem kell interpolálni).
Belső falfelületek előnye, hogy sok esetben jobban használható numerikus hálót eredményez. Elvileg azonos hatást elérhetünk egy véges vastagságú fal kivágásával, vagy szilárd zónává alakításával is, azonban a vékony (de véges vastagságú) falak élénél be kell hálóznunk egy igen keskeny felületet, ami a numerikus háló torzulását okozhatja. A belső fal további előnye, hogy a háló módosítása nélkül interior felületté alakítva kiiktatható, vagy porous-jump-á alakítva részben-áteresztővé változtatható.
Porózus réteg és porózus zóna paraméterezése
4.2.ábra Porózus felület (A) és porózus zóna (B).
(4.1)
Dp: nyomásesés [Pa]
Dm: vastagság [m]
a: permeábilitás [m2]
C2: inerciális ellenállás-tényező [m-1]
v: a merőleges sebességkomponens [m/s].
(4.2)
Fi: a térfogati erő i-edik komponense [N/m3]
Amint a fenti összefüggésekből látható, a porózus felület csak a porózus felület csak a felületre merőlegei irányú nyomásváltozást okoz porózus zóna esetében azonban az áteresztőképesség iránytól függően adható meg (például kőzetekben szivárgó folyadékok modellezésekor, mivel a kőzetek függőleges irányú ellenállása a vízszintes irányú ellenállásnál akár egy nagyságrenddel is nagyobb lehet). Az ellenállás-tényezőket a zóna saját koordináta-rendszerében adhatjuk meg.
Ha a felület vagy zóna ellenállása nem ismert, azonban ismerjük a geometria finomszerkezetét, akkor a porózus modellek paramétereit mikro-modellek alkalmazásával is meghatározhatjuk. Például: a 8.2.ábrán látható digitális kőzetmodell vizsgálatával megbecsülhető az áteresztőképesség bármely áramlásirányra, vagy akár egy csőköteg ellenállása is kiszámítható egyetlen cső körüli áramlás modellezésével, 2D periodikus tartományban.
Az ellenállást legtöbb esetben a sebességtől lineárisan és négyzetesen függő két tag kombinációjával szokásos megadni. Alacsony Reynolds-számmal jellemzett áramlások esetén a viszkozitás hatását kifejező lineáris tag meghatározó (Darcy-flow), nagy Reynolds-számú áramlás esetében pedig a sebesség négyzetével – azaz a tehetetlenségi erőkkel – arányos ellenálláserő dominál.