23 października 2021


Co mają ze sobą wspólnego: otwieranie zaworu bezpieczeństwa, praca turbiny wiatrowej i przepływ krwi przez tętnice człowieka?  Jest to oddziaływanie struktura-płyn, zagadnienie które do niedawna stanowiło „wyższą szkołę jazdy” w dziedzinie modelowania komputerowego.

Adam Piechna

Za sprawą wydania najnowszej czternastej wersji środowiska Workbench użytkownicy będą mogli przeprowadzać tego typu symulacje wykorzystując wygodny wbudowany interfejs. W niniejszym artykule przedstawię nowe możliwości środowiska ANSYS oraz wykorzystam okazję do przeprowadzenia przeglądu istniejących obecnie rodzajów podejścia i możliwości w tej dziedzinie.
Oddziaływanie płyn-struktura jednokierunkowe

plyn-struktura
Rys. 1. Symulacja zaworu otwieranego pod wpływem ciśnienia. Można uchwycić zjawisko takie jak oscylacje zaworu. Symulacja wykonana w programie Fluent z użyciem wbudowanego solvera 6-DOF liczącego dynamikę bryły sztywnej.

Najprostszym z rozważanych przypadków będzie zamodelowanie jednokierunkowego oddziaływania płynu na ciało stałe, tzw. słabego sprzężenia. Tego typu symulacja polega na odwzorowaniu rozkładu temperatury i/lub (rzadziej) pola ciśnień uzyskanych w solverze CFD, jako warunku brzegowego dla solvera mechanicznego. Sprzężenie jest jednostronne, tzn. obliczone odkształcenia struktury nie są przekazywane z powrotem do programu obliczającego przepływ. Podejście takie można stosować w przypadku, kiedy odkształcenia materiału są niewielkie i nie będą miały wpływu na przepływ płynu. W praktyce inżynierskiej najczęściej wykorzystuje się tę technikę w analizach termomechanicznych dotyczących wymienników ciepła, silników czy turbin. Symulacja taka jest prosta do przeprowadzenia. Nie następuje tutaj zmiana geometrii po stronie płynu, a więc nie ma konieczności modyfikacji siatki obliczeniowej. Również kryterium doboru kroku czasowego przy analizie w stanie nieustalonym opiera się tylko na fizyce zjawisk, którą chcemy uchwycić, a nie na szybkości deformacji elementów obliczeniowych.
Oddziaływanie płyn-struktura dwukierunkowe
Oddziaływanie płyn-bryła sztywna
Drugą grupą zagadnień stanowią sytuacje, w których płyn oddziałując na ciało stałe powoduje jego znaczny ruch, jednak bez zmiany jego kształtu (lub odwrotnie, ciało stałe wymusza przepływ swoim ruchem). W przemyśle mamy często do czynienia z takimi sytuacjami. Jako przykład można podać wspomnianą już pracę zaworu (rys. 1) lub pracę pompy. Z punktu widzenia inżyniera numeryka zagadnienie jest dość proste do zamodelowania. Zwykle wystarczy do tego tylko solver obliczający przepływ, posiadający możliwość modyfikacji siatki podczas obliczeń. W przypadku małych przesunięć siatka jest deformowana bez zmiany jej topologii. Kiedy mamy do czynienia z większymi odkształceniami konieczne jest zastosowanie remeshingu (ponowna, najczęściej lokalna, generacja siatki) lub wczytywanie wcześniej przygotowanych siatek i interpolacja danych między nimi (możliwe tylko w przypadku kiedy ruch ciała stałego jest predefiniowany).


cały artykuł dostępny jest w wydaniu 10 (49) Październik 2011