Manual Fluent(Geometry+Mesh)

MANUAL DE CFD PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA GIOVANNI ANDRÉS SÁENZ

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

PROYECTO ESPECIAL DE CFD

Realizado por: Giovanni Andrés Sáenz

MANUAL DE CFD

Presentado a: JORGE ESCOBAR

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL 13 – FEBRERO - 2014

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CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN 2. C.F.D.

3. INTRODUCCIÓN A EL MANEJO DE FLUENT 4. EJEMPLO. 4.1. GEOMETRÍA 4.2. ENMALLADO 4.3. SETUP 4.4. SOLUTION 4.5. RESULTADOS 4.6. GEOMETRÍA EN 3D 5. BIBLIOGRAFÍA

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INTRODUCCIÓN Este es un manual muy sencillo, en el cual intentara dar una breve explicación de manejar el programa, con un ejemplo sencillo, en que se trataran todos los aspectos sencillos para observar el comportamiento de fluidos sobre una superficie ya sea como el agua en un tubo, el aire en un balón o en un vehículo. Con esta herramienta que nos permite obtener resultados a nivel teórico de un curso de mecánica de fluidos.

CFD La mecánica de fluidos computacional (CFD) es una de las ramas de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas sobre el flujo de fluidos en un determinado espacio. Se utilizan diversos programas en computadores para realizar miles de cálculos necesarios para simular el comportamiento de fluidos con superficies complejas usadas en la ingeniería. Mas sin embargo los resultados son aproximados. Hay diversos programas en los cuales se puede trabajar como lo son:

-Abaqus de Dassault Systèmes -fluent de ANSYS (será el programa que vamos a trabajar) - Flowlink - Star-CCM+ de adapco

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INTRODUCCIÓN A EL MANEJO DE FLUENT DE WORKBENCH Principalmente debemos saber que para trabajar fluent lo haremos en el programa Workbench, el cual tiene una serie de programas, sin embargo el programa que manejaremos será FLUID FLOW (fluent),

en fluent encontraremos una serie de procedimientos los cuales debemos cumplir, paso a paso, entre estos esta:

1. Geometry: la geometría del objeto que deseamos analizar

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2. Mesh: en esta opción haremos una serie de mallas con las que podremos analizar nuestro objeto en cada parte de este. 3. setup: aquí podremos observar y definir las condiciones en las cuales estar este objeto, como lo es el contorno, materiales, parámetros, tipo de flujo. 4. Solution: en esta opción no realizaremos nosotros como tal ningún procedimiento, ya que esto es un proceso en el cual el programa realiza una serie de iteraciones, para entregarnos una serie de datos y valores, que interactúan con el objeto a nivel teorico. 5. Results: es una representación gráfica de los valores obtenidos anteriormente, con lo cual podemos analizar con una serie de contornos, el comportamiento las líneas de flujo con respecto a el objeto. En un breve resumen, aquí encontraremos que para realizar este trabajo se realizara, en tres (3) pasos, los cuales en clase se definirán como PRE-PROCESO, PROCESO y POST-PROCESO. PRE-PROCESO: planos y esquema, geometría y enmallados del objeto PROCESO: cálculos y predicciones del modelo, a partir de un cojuntos de ecuaciones observadas en clase, entre ellas, ley de la conservación de la masa. POST-PROCESO: resultados y análisis de estos.

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EJEMPLO: COMPORTAMIENTO TUBERIA CON CODOS DE 90° EN UN FLUJO ESTACIONARIO

Para empezar empezaremos con el PRE-PROCESO.

GEOMETRÍA: Como este manual es una introducción se trabajara con una geometría sencilla. Recomendaciones: obtener un plano del objeto que se analizara, el programa Workbench tiene un CAD, en este caso será el que se usara. Recuerden que en nuestro dibujo todas las líneas que usemos queden bien unidas, ya que el programa no reconocerá su geometría y será muy difícil, encontrar el problema. En el programa hay una opción de insertar dibujos, de AutoCAD, esta opción es solo recomendable en el caso que deseen trabajar en 3D, ya que este dibujo para poder ser insertado deben darle una profundidad (Extrud), en este caso trabajaremos con algo sencillo y al final del ejemplo se nombrara como realizar objetos en 3D desde workbench y se nombrara los pasos a seguir para exportar desde AutoCAD. Recordemos que en este punto debemos hacer una superficie de control y el dibujo de nuestro objeto. Un volumen de control es un espacio arbitrario que se instituye con el objeto de estudiarlo. Es un sistema termodinámico con la propiedad añadida que se admite la posibilidad de entradas y salida de masa. Por lo demás, el volumen de control intercambia calor con una fuente térmica y abajo con una o varias fuentes de trabajo. La superficie de control separa el volumen de control del exterior. Es una frontera imaginaria que puede tener límites reales o imaginarios. Paso 1. Plano del objeto que analizaremos Tenemos el siguiente plano o descripción del proyecto que deseamos trabajar. en este caso tomaremos como ejemplo el canal de agua que se encuentra en el laboratorio de hidráulica.

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Dimensiones tomadas en el laboratorio. (Vista en planta).

fig. 1. Esquema de tubo de PVC con codo de 90°. CARACTERES QUE DEBEMOS TENER EN CUENTA EN EL MOMENTO DE TRABAJAR NUESTRO PROGRAMA se a realizado con éxito y esta listo para ser trabajado. no se ah realizado el procedimiento anterior para poder ejecutar el programa. falta algo por realizar o por ejecutar, para que pueda ser usado. algo que se realizo esta incorrecto. El programa no entiende que es lo que desea hacer.

Paso 2. Realizaremos la geometría en el programa. Antes de empezar a trabajar se debemos colocar en la barra de propiedades de la geometría en analysis type 2D.

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Figura 2. Definición del tipo de análisis como 2D en la barra de propiedades de la geometría.

Como primer paso tenemos abrir el design modeler que hacer parte de los programas de ANSYS. Al abrirlo creamos cambiamos las propiedades de la geometría a 2D, y de esta forma damos doble click en geometría para empezar a dibujar.

FIg. 3 Esta es una figura de la pantalla completa donde se encuentra esta opción.

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IMPORTANTE: definir las unidades (es la primera opción que dará el programa al abrir la opción de geometría) con las cuales vamos a trabajar, procuren de trabajar tamaños no muy grandes, ya que a la hora de realizar las mallas y los cálculos se tardara mas si son modelos con tamaños muy grandes, por lo que es prudente realizar una escala dependiendo de el objeto a trabajar, ya que no es lo mismo trabajar con el tamaño de un balón de futbol a el tamaño de un cohete espacial.

Figura 4. Definición de las unidades en el design modeler.

si para ustedes es más cómodo realizar el dibujo teniendo una guía, o una cuadricula, para ello, podemos activar una opción que tiene el programa para tener una cuadricula. esta opción se realiza de la siguiente manera. se puede activar una cuadricula con las dimensiones y las divisiones que se antojen en la pestaña Settings >Grid >show in 2D. Major Grid Spacing es la longitud de las divisiones principales y Minor-steps per Major son el número de divisiones secundarias por cuadro. Ej.: Major: 5 (aquí no se le añaden los sufijos de unidades); Minor: 5 (por cada división secundaria se aumentara 1 cm. Teniendo las unidades definidas y preparadas la ayuda dada anteriormente observaremos una serie de lista en la parte izquierda de la pantalla.

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Fig. 5 Si observamos debajo de esta lista observaremos que hay dos botones los cuales serán SKETCHING (dibujando) y MODELING (modelando), observaremos que en la parte superior se activaran unos botones y a su vez se desactivaran otros como lo observamos en la siguiente imagen. Sketching

Modeling

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Estos botones los usaremos más adelante, pero así como esto se generara una serie de listas según la opción que tengamos, observemos que dependiento de el botón seleccionado tendremos, una serie de botones que se utilizan en cada uno de lo que eligamos, observemos que en SKETCHING encontraremos lo siguiente.

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Y la de modeling será la que observaremos, a continuación

.

lo primero que definiremos en el modelo será el plano en el que trabajaremos. Para poder entender este listado, debemos conocer que el programa maneja la opción de un esquema en 3D, para el caso de nosotros lo trabajaremos en 2D (alto y largo), para esto le daremos click en uno de los planos que más nos guste, en este caso será XY Plane, para ello iremos a la parte inferior derecha y le daremos click encima a la flecha de color azul o del eje Z, con ello, nos permitirá trabajar en el plano XY.

Antes:

Despues:

Luego de esto tendremos que crear algo asi como una hoja en la cual podremos dibujar. En el programa se llama Sketch( dibujo) con este aparecerá un numero, indicando que tendremos. Esta opción se observa en la siguiente imagen. Esta opción es fundamental a la hora de añadir otro dibujo, sin embargo este SKETCH, el programa lo realiza automáticamente empezando a dibujar.

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Teniendo esto listo, tenemos que saber el numero de sketch tendremos que utilizar, ya que asi como se puede utilizar solamente uno, podemos utilizar tres o mas. Teniento listo esto, vamos a ir a la opcion SKETCHING, un listado de opciones como se observa:

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Draw: herramientas para dibujar, algo muy parecido a las opciones que tiene AutoCAD o el mismo paint. Modify: otras herramientas parecidad a las de AutoCAD, achurar un rectángulo, pegar, mover, copiar, etc. Dimensions: herramientas para darle dimensiones de longitud a una línea, radio de un circulo, etc.. Constraints: herramientas de condiciones de perpendicularidad con respecto a un circulo, y simetría, Estas son herramientas muy similares a las que tiene AutoCAD. Para poder dibujar tendremos que estar en la Opción de Draw,y con ello generar nuestro dibujo en el plano, un ejemplo de esto será un rectángulo.

Si observamos detenidamente, encontraremos dos letras, P y C, donde P se refiere a el punto inicial o final de una línea o el centro del plano, y C nos habla de estar encima o sobre un eje o una línea, esto es importante, ya que al dibujar encontraremos, que deseamos unir una línea con otra, con respecto a sus puntos finales, pero lo colocamos cuando observamos la letra C, esto generara, que tengamos que repetir nuestro dibujo, ya que a la hora de generar la superficie de control no la definirá por este inconveniente. Teniendo este rectángulo podemos colocar una serie de dimensiones para que sea las mismas a las de nuestro plano, observaremos la opción DIMENSIONS.

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Ahora podemos tomar una sección de nuestra figura (una línea) y desplazarla hacia un lado con el fin de darle la dimensión que necesitamos. Si realizamos esto observaremos que aparecerá una V o un H dependiendo de la ubicación, V para líneas verticales y H para las líneas horizontales.

Y nos aparecerá unas opciones en la parte izquierda de la pantalla en este nos aparecerá unas serie de listas donde solamente utilizaremos una., la cual se señalara en la siguiente figura.

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En este lugar colocaremos las dimensiones que necesitamos. Este automáticamente cambiara las dimensiones de nuestra figura. Luego de realizar esto definiremos nuestra superficie de de control la cual trabajaremos. Para esto tendremos que realizar lo siguiente, si observamos nuestra figura solo observaremos las líneas y el fondo azul para definir nuestro volumen de control haremos lo siguiente, iremos a modeling, luego seleccionaremos el sketch que hicimos y nos dirigiremos a concept, y le daremos la opción de Surface From Sketches.

le daremos click derecho a nuestro sketch1 en el cual trabajamos y le daremos la opción Generate.

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Automáticamente nos generara una superficie gris en la figura que teníamos. Y de esta forma quedara nuestro dibujo listo para realizar el enmallado, si seleccionamos el dibujo quedara de este color verde como se observa.

En este momento finalizaremos nuestro trabajo en nuestro DESING MODELER(nuestro programa para poder realizar nuestra geometría) para luego ir a nuestro enmallado MESH.

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ENMALLADO: Teniendo ya nuestra superficie creada, minimizaremos o cerraremos nuestra geometría y nos dirigiremos a la opción de enmallado “MESH”. Automáticamente nos aparecerá nuestro anterior dibujo en la pantalla.

Seleccionaremos el mismo plano en el que estábamos trabajando como lo realizamos en la geometría recordemos que para identificar que estamos en el programa de enmallado nos aparecerá en la parte superior izquierda este símbolo.

Primer paso para realizar el enmallado será seleccionar el siguiente botón, el cual lo utilizaremos para definir las condiciones de contorno del modelo como lo son (entradas, muros, y salidas de nuestro proyecto), esto nos permitirá luego decir por qué parte de nuestro dibujo entrara nuestro fluido y por cual saldrá, y que partes de nuestro dibujo se comportara como paredes o muro.

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Nos ubicaremos en el contorno de nuestra figura y definiremos lo anteriormente mencionado. La seleccionaremos parte por parte, colocando un nombre característico a cada sección. Recuerde que cuando le damos click izquierdo esta línea se colocara de color verde. Luego le daremos click derecho encima de la línea y seleccionaremos “Create Named Seccion”

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Aparecera un icono en el cual le colocaremos el nombre (recuerden colocar nombres que les sea fácil de relacionar.)

Esto lo haremos con cada sección, siguiendo el mismo paso para todas. Encontraremos que estas secciones nos aparecerán en la parte Izquierda de la pantalla, asi como se muestra en la figura.

Teniendo esto definido, lo siguiente será el enmallado que necesitaremos, por defecto el programa nos genera uno, el cual se realiza de la siguiente manera.

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Iremos a el icono donde dice MESH, le daremos click izquierdo y le damos la opción generate mesh, este nos generara el enmallado por defecto.

Obteniendo la siguiente malla por defecto:

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Para colocar un método de enmallado, haremos lo siguiente, iremos a el botón “Mesh Control” en el que seleccionaremos method, EN ALGUNA PARTE HACER UNA INTRODUCCION EN LA QUE S MENCIONE QUE LA MALLA SE DEBE MEJORAR, Y QUE PARA ESO SE EMPLEAN DIFERENTES MÉTODOS U OPCIONES DE ENMALLADO

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En el cual nos aparecerá una serie de opciones que veremos a continuación

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En la opción de geometry,, seleccionaremos nuestro dibujo y le daremos “APPLY”, Antes HACERLO MAS CLARO

Después de darle APPLY

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luego en la opción method, que esta en la opción de “Definition” seleccionaremos el tipo de enmallado que deseamos, el cual puede ser por triángulos, tetraedros, cuadriláteros o mixto.

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Y luego le raemos click en Update, en el cual nos generara el enmallado, en la opción de Qadrilateral Dominant, nos aparecerá la misma opción por defecto, en este caso haremos la opción de triángulos “TRIANGLES”

Para ver la malla le daremos click de nuevo en MESH. Si observamos la opción mesh, identificaremos un check de color verde el cual nos indicara que el enmallado se realizo con éxito. Para ello le daremos click en mes para poder observar la malla realizada.

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NOTA: las ecuaciones que realiza el programa, se realizan en los nodos de las figuras, al tener figuras como triángulos tendrá el enmallado mayor número de nodos que si utilizamos un enmallado con cuadrados.

Para realizar un refinamiento global (en toda nuestra figura), tendremos que ir a la opción SIZING y seleccionaremos fine en la sección Relevance Center como se muestra en la figura, y luego le daremos de nuevo Update y nos generara un enmallado más fino o con mayor número de triángulos. Si observamos en la parte inferior izquierda de la pantalla, observamos una lista, con los detalles de la malla, cada uno de estos detalles

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DEFAULTS: en esta se seleccionara el tipo de física que trabajar el programa, en nuestro caso es CFD, luego se define el tipo de ecuaciones con las cuales se trabajaran, en este caso sera las de fluent, para solucionar fluidos. Y luego la cantidad de ecuaciones a realizar para encontrar la solución, en este caso las dejaremos por defecto.

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SIZING:

Teniendo en nuestro plano el siguiente enmallado. Utilizaremos SIZING para tener un enmallado más fino o más grueso. Esta condición nos permitirá obtener mejores resultados en nuestro modelo, ya que al tener una malla más fina, se realizara más cálculos que en una de malla gruesa. STATISTIC En esta tabla encontraremos la cantidad de triángulos, la cantidad de nodos que tiene nuestro modelo para resolver con métodos lineales, esto es importante ya que en esta opción podemos saber si es necesario mejora o disminuir el número de nudos. Para reducir costos computacionales que no serán necesarios. Puesto que si trabajamos con un modelo muy complejo es posible que necesitemos un equipo de mejor calidad y con un procesador mayor, para que sea posible solucionar la gran cantidad de ecuaciones que trabaja el computador en nuestro modelo.

REFINAMIENTO LOCAL Un refinamiento es una zona en la cual determinamos que es necesaria tener mayor número de nudos (TRIANGULOS) para obtendremos mejor calidad de datos, en otras palabras es la zona con mayor triángulos para q nuestro modelo a la hora del proceso no nos arroje resultados erróneos.

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Para realizar un refinamiento debimos posteriormente realizar un enmallado en nuestro dibujo, luego iremos de nuevo a “MESH CONTROL>REFINEMENT” como lo observamos en la siguiente figura.

Debemos saber que podemos hacer un refinamiento en todo el modelo, por líneas de contorno, por puntos, superficies. Nosotros en nuestro ejemplo la haremos en una determinada línea y a su vez en un punto, para ello debemos seleccionar un botón el cual está en la parte superior de la pantalla, allí definiremos que deseamos tomar, ya sea un punto una línea o que sea libre. Observemos.

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En este caso vamos a elegir una línea, le damos click en ella e iremos a refinement seleccionaremos una línea, en este caso observaremos que la línea que elijamos se colocara de color verde, luego iremos en apply

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En este caso nos generara un refinamiento cerca y sobre la línea que elegimos, para verla iremos de nuevo a la opción UPDATE y en MESH y de esta manera veremos el refinamiento.

Ahora haremos un enmallado en un punto definido Realizaremos los mismos pasos anteriores para realizar un refinado:

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En este caso vamos a elegir una línea, le damos click en ella e iremos a refinement seleccionaremos la opción de punto en los botones que se encuentran encerrados, en este caso observaremos que la línea que elijamos se colocara de color verde, luego iremos en apply

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En este caso nos generara un refinamiento sobre el punto que elegimos, para verla iremos de nuevo a la opción UPDATE y en MESH y de esta manera veremos el refinamiento.

Iremos a UPDATE y de nuevo en mesh para observar nuestro refinamiento, si desean que el refinamiento sea mayor. Iremos a refiment y luego aumentaremos el numero de 1 a 3, como se observa en la imagen.

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De nuevo le daremos UPDATE y observaremos que el enmallado es mallor en el punto, este procedimiento se puede realizar con el de una lina.

Recordemos que estas formas de enmallar nuestro proyecto no son las únicas que se pueden realizar, ustedes pueden explorar otros tipos de enmallado dependiendo del problema que deseen abordar. Para nuestro ejemplo realizamos los dos refinamientos, con respecto a un punto y a una línea en los lugares que deseamos tener mayor calidad en los datos obtendremos el siguiente enmallado. NOTA: para mayor facilidad se puede hacer varios refinamientos en uno solo, esta opción es eligiendo las líneas que desean refinar, utilizando el comando “CONTROL” mientras seleccionamos las líneas en este caso, y luego haremos el mismo procedimiento que se realizó anteriormente con cada sección que deseamos refinar.

En este proceso finalizaremos nuestro enmallado MESH para pasar a SETUP.

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SETUP

Iremos a la pagina principal de workbench y seleccionaremos SETUP este nos abrirá un nuevo programa.

En este caso seleccionaremos “DOUBLE PRECISION”, esto con el fin de obtener unos datos de mejor calidad, ya que este caso se realizara dos veces el calculo por cada ecuación

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resuelta, y luego daremos OK y automáticamente nos abrirá y observaremos lo siguiente en nuestra pantalla.

En este podemos observar nuestra geometia con nuestro enmallado. En la parte izquierda de nuestra pantalla observaremos el siguiente menú.

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GENERAL En este caso nuestra presión que trabajara el programa será la que definiremos, y la velocidad será absoluta, como estamos trabajando en un esquema 2D, lo dejaremos en planar. Para trabajar modelos estacionarios o transitorios. Lo seleccionaremos en la opción de TIME. En este ejemlo se manejara estacionario “STEADY”. MODELS

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En este le daremos click en VISCOSIDAD y seleccionaremos LAMINAR.

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