Soliworks Flow Simulation粒子研究與侵蝕作用篇

CAE工程師往往在進行Flow Simulation的模擬計算之後,會使用Results裡的Flow Trajectories流線軌跡功能,選擇Velocity當做參數佐以箭頭Arrow的樣式呈現,藉此展示流體的速度場,並且能以Animation動畫的方式模擬流場的運作,對於工程研發人員分析後處理而言,Flow Trajectories是個相當直觀且具有參考價值的顯示功能。

(圖一 速度場的流線軌跡圖)

根據Flow Trajectories可以藉由調整Velocity的刻度,找到出入口間所得到的最大與最小速度當成刻度的上下限(如圖一所示),亦可用整體系統中最大與最小速度當成刻度的上下限,再利用顏色變化表示其速度的高低。

若是流場中含有流體之外的粒子,例如:輸油管中含有鐵屑,故流體為油而鐵屑則視為粒子。我們可以在原本計算完的Results中,選擇Particle Study以建立一個新的Particle Study專案,藉由設定粒子的密度及體積、質量流率等的參數,探討粒子在流場中的運動表現,更可以深究其粒子對管路的破壞。

依照SolidWorks Flow Simulation中所採用的粒子運動模型,粒子軌跡是在計算完流體流動後的後處理中計算所得(針對穩態或時間相關的分析)。粒子質量和體積流率被假設為與整體流動相比為非常低的數值,因此粒子運動和溫度對流體流動參數的影響可以忽略不計,而且粒子滿足下列方程式:

 (式一)

 

式一中, 代表粒子質量, 代表時間, 和 分別代表粒子跟流體的速度, 代表流體密度, 代表粒子的阻力係數, 代表粒子的正面面積, 代表重力。

粒子被假定為特定(固定或流體)材料且質量不變的非旋轉球體,根據Hendersons的半經驗公式來計算對應的阻力係數。如果粒子相對於承載流體的速度很慢時(例如相對速度的馬赫數 =0時),這個公式可以表示為

 

(式二)

其中,雷諾數(Re )為

 

(式三)

式三中, 代表粒子直徑; 代表流體動力黏度。

因此欲使用粒子分析前,必須先將Flow Simulation的設定運算完畢,才可以藉由Particle Study再進行後續的計算。

進行粒子研究(Particle Study)的步驟如下:

1.在SolidWorks Flow Simulation分析樹中,右鍵單擊【Results】下的【Particle Study】,選擇【Wizard】,如圖二所示。

(圖二 利用Wizard建立新的Particle Study)

2.點擊【Wizard】之後,就會出現圖三的對話框,可以在Name的地方改變粒子研究的名稱,直接使用預設名稱Particle Study 1,點擊【→】下一步。

(圖三 粒子研究的命名)

3.設定粒子注入的位置,如圖四所示,選擇Inlet面;粒子屬性則是選擇【Solids】中的【Iron】當做注入的粒子材質,可以設定粒子尺寸及質量流率,完成後點擊【→】下一步。

(圖四 注入設定與粒子屬性)

4.物理設置(Physical Features);如圖五所示,可以設定重力的方向之外,可另外勾選【Erosion】侵蝕設定,模擬粒子撞擊壁面造成的破壞,完成後點擊【→】下一步。

(圖五 注入設定與粒子屬性)

5.壁面條件設定(Default Wall Condition);如圖六所示,因為粒子注入後會與壁面發生接觸,在此設置中可以選擇【Absorption】吸收、【Ideal Reflection】理想反射,或是【Reflection】反射。本次設定選擇【Ideal Reflection】,其他常數按照預設不變動,點擊【→】下一步。

(圖六 壁面條件設定)

6.計算設定(Calculation Settings),直接使用預設的【Trajectories and Statistic】軌跡和統計數據,點擊【→】下一步。

(圖七 計算設定)

7.算(Run),點擊【Run】即開始進行運算。

8.粒子研究的結果展示,如圖八所示;當粒子研究運算完畢後,會在【Particle Study 1】之下多出【Wall Conditions】與【Injections】。

(圖八 粒子研究運算後之分析樹)

9.對【Injections】下的【Injections 1】按右鍵可選擇【Show】或【Play】觀察粒子的流動,詳見圖九。

(圖九 粒子研究結果顯示)

10.可以利用表面繪圖的功能,選擇【Erosion Rate】當做顯示的參數,便能明顯找出壁面容易遭受粒子流動破壞之處,如圖十所示。

(圖十 Erosion Rate的表面繪圖)

綜合以上所述,粒子研究的應用可以更加廣泛,SolidWorks Flow Simulation可以輕鬆地解決油滴或灰塵等粒子的複雜流體CFD計算問題。透過後處理可以直觀獲得流體粒子、速度場和壓力場的運動狀況,以及管道類產品的壽命,如圖十一所示;SolidWorks Flow Simulation為優化產品結構設計提供了有力的參考,屆時搭配實驗進行驗證,可以知道CAE相關產品對研發工程師而言是事半功倍的選擇。

(圖十一 含粒子的油體之Erosion Rate表面繪圖)

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