SOLIDWORKS Flow Simulation: моделируем неоднородный поток воздуха, проходящий через пористое тело

Во многих отраслях науки и техники нередко возникает необходимость комплексного моделирования процессов в пористых средах. 

Допустим, вам необходимо смоделировать поток через керамическую мембрану определенной пористости и посмотреть как в зависимости от пористости будет происходить изменение скорости текучей среды. Или от вас требуется смоделировать и изучить влияние потока воздуха, проходящего через пористое тело. 

Еще лет тридцать-сорок назад вам пришлось бы вооружиться калькулятором и парочкой учебников по физике и стопкой научных статей. С развитием технологий и появлением специализированного ПО, жизнь инженеров существенно упростилась.  

SolidWorks Flow Simulation позволяет еще на этапе проектирования определить степень воздействия газа или жидкости на создаваемую продукцию. Программа моделирует потоки с различной скоростью и интенсивностью, благодаря чему сразу становятся видны места, подверженные наибольшему давлению текучей среды. Все найденные недочеты можно спрогнозировать и устранить непосредственно в программе.

Подробнее о решении похожих задач при помощи SOLIDWORKS Flow Simulation вы можете узнать в видео по ссылке.

Здесь же, используя данные из Справочника по гидравлическому сопротивлению И. Э. Идельчика, мы рассматриваем плоский поток холодного воздуха, проходящий между двумя параллельными пластинами через пористое тело, установленное между ними (Рис. 1). 

Рисунок 1. Выравнивающее действие пористого тела на неоднородный поток: 1 - воздушный поток, 2 - пористое тело

На входе в канал профиль скорости воздушного потока ступенчатый (заданный). Пористое тело (экран) выравнивает этот профиль до более однородного. Этот эффект зависит от перетаскивания экрана.

Геометрическая модель, используемая для расчета двумерного (в плоскости XY) потока, показана на рисунке 2. Канал имеет высоту 0,15 м, входную (перед пористым телом) часть длиной 0,3 м, пористое тело толщиной 0,01 м и выходную (после пористого тела) часть длиной 0,35 м. Все стены имеют толщину 0,01 м.

Рисунок 2. Геометрическая модель, используемая для расчета двухмерного потока между двумя параллельными пластинами через пористое тело с помощью Flow Simulation

Согласно экспериментам, представленным в Справочнике по гидравлическому сопротивлению, ступенчатые профили скорости V (Y), представленные на рисунке 3, заданы на входе в модель. На выходе модели задано статическое давление 1 атм.

Рисунок 3. Профили скорости на входе

Теперь сравним три графика – первый, полученный в SOLIDWORKS Flow Simulation 2022, второй, по данным из Справочника и третий, полученный в более старой версии Flow Simulation. 

Рисунок 4. Профили динамического давления при ζ = 0, предсказанные Flow Simulation и сравненные с экспериментами.

Рисунок 5. Профили динамического давления при ζ = 0,95, предсказанные Flow Simulation и сравненные с экспериментами.

Рисунок 6. Профили динамического давления при ζ = 1,2, предсказанные Flow Simulation и сравненные с экспериментами.

Рисунок 7. Профили динамического давления при ζ = 2,8, предсказанные Flow Simulation и сравненные с экспериментами.

Рисунок 8. Профили динамического давления при ζ = 4,1, предсказанные Flow Simulation и сравненные с экспериментами.

Видно, что прогнозы Flow Simulation как качественно, так и количественно хорошо согласуются с экспериментальными данными как в отсутствие тела, так и для всех рассматриваемых пористых тел, демонстрируя выравнивающий эффект сетчатых экранов на ступеньках, сформированных входящим потоком. 

При этом, данные, полученные в 2022 версии SOLIDWORKS Flow Simulation, лучше коррелируются с экспериментальными данными, в отличии от значений, полученных в более старой версии SOLIDWORKS Flow Simulation. Это достигается за счет улучшенного построения сетки на границе твердых тел и текучей среды, и других более незначительных улучшений, которые появляются с каждым годом при улучшении программы.