Курсовая

Курсовая Моделирование процесса кипения нанофлюидов

Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 25.11.2024


Министерство образования и науки Украины


Одесская государственная академия холода
Факультет информационных технологий

Компьютерное моделирование процессов кипения хладагентов с нано частицам.

Курсовая работа
по дисциплине «Разработка САПР»
Выполнил студент 358-А группы

                            А.Ю. Драхня


Руководитель                                        

                            С.Г Сиромля

              

Оценка:                                                       

Одесса 2007г.


Содержание

Введение...................................................................................3

1. Общие сведения

1.1 Цель и постановка задачи.............................................4

1.2 Основные понятия

1.2.1.Холодильный агент…… ……………………..9

1.2.2. Наночастицы…………… …………………… 18

1.3Краткие сведения о кипении хладагентов  .................20

1.4 Концептуальная модель системы................................23

2 Среда разработки  ANSYS Multiphisics

2.1 Программные модули ANSYS.……….........................25

         2.2Вычислительная гидродинамика.

     Программный комплекс ANSYS CFX®……….……….30

3.Список использованной литературы...................................37



Введение

Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины.

Нас интересует использование наночастиц в холодильной и криогенной технике.Добавки наночастиц в смазки (лубриканты), в основном используемые в комбинации с хладагентами в чиллерах, может значительно повысить энергетическую эффективность промышленных охлаждающих систем. Эксперименты с различными концентрациями добавок наночастиц показали реальную возможность существенного повышения энергетической эффективности больших промышленных чиллеров. Механизм увеличения трансфера тепла в смеси хладагент/лубрикант при добавке в эту смесь наноматериалов не до конца понятен. Как и любая технология, этот процесс имеет и свои недостатки. В частности, добавка недостаточного количества наночастиц или другого их типа приводят к существенному ухудшению эффекта. Очевидно, что наночастицы материалов с высокой теплопроводностью повышают скорость теплопередачи. Предварительные результаты также свидетельствуют о том, что при добавках наночастиц в достаточных количествах, параметры теплоотвода улучшаются за счет более энергичного «кипения» смеси. Маленькие частицы присадки стимулируют образование удвоенного количества пузырей, в частности, вторичных пузырей на поверхности уже существующих, первичных пузырей воздуха. Пузыри уносят тепло от поверхности, и факт того, что они образуются более эффективно и в большем количестве благодаря наночастицам присадки, означает, что тепло отводится быстрее.


1. Общие сведения


1.1          
 
Цель и постановка задачи


Цель – создание достоверной компьютерной модели процессов кипения хладагентов с наночастицами.

Основной упор делается на разработку точной математической модели.
Основные задачи:

·        Получение точной математической модели для процессов кипения хладагентов с наночастицами;

·        Получение компьютерной модели для проведение физического эксперимента;

·        Сохранение всех данных в электронном виде для последующего  использования в данной области;

·        Создание возможности использования результатов моделирования в других системах и/или базах данных.
Для более детального анализа проблемы нам необходимо проанализировать ее следуя следующим этапам:

1    Достигнуть соглашения об определении проблемы;

2        Выделить основные причины-проблемы, стоящие за проблемой;

3        Выявить заинтересованных лиц и пользователей ;

4        Определить системы решения;

5        Выявить ограничения, которые необходимо наложить на решение.
      Этап I заключается в достижении соглашения об определении проблемы, которую нам необходимо решить. Одним из самых распространенных способов является запись проблемы и выявление все ли согласны с такой постановкой. Полезно рассматривать преимущества предлагаемого решения описанного на языке клиент/пользователь.

      Составление таблицы позволяет более детально рассмотреть проблему и детализировать ее.



Элемент

Описание

1.     Проблема

Создание достоверной математической модели для компьютерного моделирования процессов кипения хладагентов с наночистицами

2.     Воздействует на

Ученых, программистов, пользователей

3.     Результатом чего является

Получение математической модели для физического эксперимента, получение опыта работы с новыми системами, получение прибыли от продаж данной модели заинтресованным лицам, продвижение экспериментов на следующий этап, получение компьютерной модели.

4.     Выигрыш от

Упрощение интерфейса для удобства работы, уменьшение объема работ, исключение ненужных элементов

5.     Может состоять в следующем

Изменение архитектуры программы, «облегчение» основных модулей.



Этап II




Этап III.

Заинтересованные лица – это все на кого реализация новой системы может оказать воздействие.

1.                                                                                                                                                                                                             Пользователи системы: фирма заказчик;

2.                                                                                                                                                                                                             Непрямые пользователи: Фирмы приобретающие данный продукт для своего внутреннего пользования;

3.                                                                                                                                                                                                             Фирма разработчик: программисты, субподрядчики;

4.                                                                                                                                                                                                             Исследователи, ученые.
Этап IV.    



         Наша система хотя и будет создаваться для конечного пользователя, по требованиям заказчика, но ее также смогут использовать:

1.     Программисты – для последующего изменения программы, улучшения алгоритмов работы.

2.     Ученые –результаты, полученные на основании вводимых данных, могут послужить дальнейшему исследованию в этой области.

3.     Конструкторы, технологи – для создания новых устройств, технологий с целью получения более продуктивных результатов.

4.     Системные администраторы – будут осуществлять обслуживание и поддерживать работоспособность системы.

5.     Другие системы – могут использовать результаты полученные путем компьютерного моделирования для других систем или исследований.

Этап V.

         Ограничения накладываемы на наше решение следует определить до начала реализации продукта.

Экономические

1.     Строго ограниченный бюджет

2.     Выделение фонда на приобретение патентов на использование существующих систем или их элементов.

3.     Сформировать ценовую политику для создания конкурентно способной продукции.

Политические

1.     Решение юридических вопросов связанных с приобретение патентов

2.     Урегулирование проблем между подразделениями, если таковые существуют

Технические

1.     Создание системы в программной среде ANSYS Multiphisics.

2.     Определить необходимы ли другие программные  среды для реализации системы.

Системные

1.     Обеспечить совместимость с другими продуктами.

2.     Возможность сохранения результатов в распространенных форматах файлов




1.2 Основные понятия

1.2.1 Холодильный агент


Холодильный агент (хладагент) — рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении и в процессе изотермического расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде за счёт конденсации (воде, воздуху и т. П.), т.е. хладагенты обычно используют фазовый переход: кипение и конденсацию.

Хладагенты должны отвечать следующим основным требованиям:

1.     обладать химической стабильностью и инертностью к основным конструкционным материалам и смазочным маслам;

2.     иметь допустимые значения рабочих давлений, разности и отношения давлений нагнетания и всасывания;

3.     не оказывать отрицательных воздействий на окружающую среду и человека;

4.     быть негорючими и взрывобезопасными;

5.     иметь высокую степень термодинамического совершенства, большую объемную холодопроизводительность;

6.     обладать благоприятным сочетанием теплофизических свойств, влияющих на массу и габариты теплообменной аппаратуры;

7.     выпускаться промышленностью и иметь относительно низкую стоимость.

К теплофизическим свойствам холодильного агента относятся:

·       вязкость μ,

·       теплопроводность λ,

·       плотность ρ и др.

 Они, как и теплота парообразования r, оказывают влияние на коэффициент теплоотдачи при) кипении и конденсации. Бóльшим значениям λ, ρ, r и малой вязкости соответствуют большие значения коэффициентов тепло отдачи.

К физико-химическим свойствам относятся:

·       растворимость холодильных агентов в смазочных маслах и воде,

·       инертность к металлам,

·       взрывоопасность и воспламеняемость.

На гидравлическое сопротивление при циркуляции холодильного агента в системе влияют μ и ρ: чем они больше, тем больше сопротивление. Количество циркулирующего в системе холодильного агента уменьшается с ростом теплоты парообразования.

Как правило, в холодильных машинах применяют хладагенты, удовлетворяющие лишь наиболее важным требованиям. Кроме перечисленных, немаловажным требованием, которое предъявляется к холодильным агентам, является безопасность эксплуатации холодильного оборудования. В холодильных камерах определенную опасность представляют утечки хладагента и их вредное влияние на людей и хранящиеся в них продукты.

Каждое рабочее вещество может обеспечить эффективную работу ХМ в довольно узком температурном диапазоне. А поскольку работа холодильных машин на предприятиях торговли осуществляется довольно в широком диапазоне температур кипения хладагентов (от -5 до -40°С), то для каждой из этих температур существует наиболее подходящий холодильный агент, при использовании которого технико-экономические показатели работы холодильной установки оптимальны.

Различают естественные и искусственные холодильные агенты. К естественным хладагентам относятся: аммиак (R717), воздух (R729), вода (R718), углекислота (R744) и др., к искусственным — хладоны (смеси различных фреонов).

Фреоны — углеводороды (СН4, С2Н6, С3Н8 и С4Н10), в которых водород полностью или частично заменен фтором и хлором (в отдельных случаях бромом). Международным стандартом принято краткое обозначение всех холодильных агентов, состоящее из символа R (Refrigerant — хладагент) и определяющей цифры. Например, фреон-12 имеет обозначение R12. Поэтому на сегодня все фреоны принято обозначать в международной символике, отсюда и их название — хладоны.

По термодинамическим свойствам наилучшим природным холодильным агентом считается аммиак. Поэтому в настоящее время на крупных холодильных установках с умеренно низкими температурами (-15…-25°С) наиболее распространен аммиак. В малых и средних холодильных машинах и установках используют хладон-12 и хладон-22. Ограниченное применение находят такие хладагенты, как хладон-13, хладон-500, хладон-502.

Аммиак (NH3) — бесцветный газ, с резким удушливым запахом, в небольших концентрациях вреден для человека. Температура кипения аммиака при атмосферном давлении — -33,4°С, температура замерзания — -77,7°С, предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе — 0,02 мг/л. При больших концентрациях он вызывает сильные раздражения слизистой оболочки глаз и дыхательных путей. Сильное отравление вызывает головокружение, ослабление пульса, отек легких, судороги, потерю сознания, а пребывание человека в течение более 30 мин в помещении с концентрацией аммиака 0,5 — 1% может привести к смертельному исходу. При отравлении аммиаком активизируется туберкулез, возможны параличи и глухота. Жидкий аммиак вызывает тяжелые ожоги. Особенно опасно попадание в глаза даже одной капли аммиака. Помимо возможного прободения роговицы, хрусталика и стекловидного тела ожог глаз аммиаком зачастую приводит к полной слепоте.

Аммиак горит при содержании в воздухе около 11 — 14%, а при конденсации 16—28% смесь аммиака с воздухом становится взрывоопасной. В присутствии влаги аммиак разрушает медь, цинк, бронзу и другие сплавы меди, за исключением фосфористой бронзы. На черные металлы и алюминий он не действует. В воде аммиак хорошо растворяется, в масле — плохо.

Аммиак не оказывает отрицательного действия на пищевые продукты при кратковременном воздействии: они очень быстро абсорбируют его из воздуха, но в последующем при попадании продуктов в атмосферу чистого воздуха аммиак быстро улетучивается. Отрицательное влияние на качество продуктов аммиак оказывает при повышении концентрации в течение достаточно продолжительного времени — тогда происходит биологическая смерть таких продуктов, как плоды, овощи, яйца. На мясо и рыбу пары аммиака влияют также отрицательно, ухудшая их качество, что проявляется в изменении запаха, а после приготовления блюд из таких продуктов их консистенция значительно отличается от блюд, приготовленных из продуктов, не подвергшихся действию аммиака, а именно: мясо становится твердым, бульон имеет коричневый цвет и несвойственный ему запах. И все же необходимо подчеркнуть еще раз, что, несмотря на отмеченные недостатки, по термодинамическим свойствам аммиак является одним из лучших холодильных агентов, поскольку обладает высокой объемной холодопроизводительностью, высокой теплотой испарения.

Сильный запах аммиака позволяет обнаружить даже незначительную его концентрацию в воздухе, не превышающую допустимой нормы. Места утечек аммиака определяют с помощью индикаторной бумаги: при наличии аммиака в воздухе бумага должна покраснеть. Аммиак имеет низкую стоимость. Аммиачные баллоны окрашены в желтый цвет.

Хладон-12 (
R
12)
в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ со слабым запахом, который ощущается при концентрации в воздухе более 20%. Температура кипения при атмосферном давлении — -29,8°С, температура замерзания — -155°С. При концентрациях в воздухе этого хладагента более 30% наступает удушье из-за высокой плотности, которая препятствует поступлению свежего воздуха. Хладон-12 при соприкосновении с нагретыми поверхностями или при воздействии открытого пламени при температуре выше 330°С разлагается, образуя ядовитые вещества: фтористый и хлористый водород, оксид углерода и фосген. Продукты разложения не имеют запаха и цвета, что увеличивает опасность отравления.

С точки зрения надежности хладон-12 является идеальным холодильным агентом для среднетемпературных малых холодильных машин.

Хладон-12 хорошо растворяется в масле; в воде он не растворяется. Утечки R12 обнаруживают с помощью галоидной лампы, обмыливанием и электронным течеискателем.

Хладон-22 (
R
22)
в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, температура кипения — -40,8°С, температура конденсации — не выше 50°С. R22 не горит, не взрывоопасен, но более вреден для человека, чем R12. Применяется для более низких температур кипения по сравнению с R12. R22 хорошо растворяет масло.

Хладон-22 имеет более высокие значения коэффициентов теплоотдачи при кипении и конденсации, чем хладон-12, что позволяет интенсифицировать работу теплообменных аппаратов, несколько уменьшить их габаритные размеры и сократить массу. Объемная холодопроизводительность R22 на 60% выше, чем у R12. Хладон широко применяется в одноступенчатых холодильных установках в диапазоне -15…-40°С, в двухступенчатых холодильных установках до температуры -90°С.

Хладон- 13(
R
13)
используют в сверхнизкотемпературных системах, как правило, в нижней ветви каскадных машин, не горюч, не взрывоопасен, практически безвреден для человека. Температура кипения при атмосферном давлении — -81,5°С, температура конденсации — не выше -10°С. Имеет ограниченную растворимость в масле. Хладон-13 используют для получения температуры кипения -70…-10 °С.

Наряду с чистыми фреонами широко применяют и их смеси: азеотропные и неазеотропные.

Азеотропными называются смеси, состоящие из двух и более компонентов (хладонов), которые кипят и конденсируются при постоянной температуре как однородные вещества.

Неазеотропные смеси характеризуются разделением равновесных концентраций компонентов в жидкой и газовой фазах. Кипение и конденсация неазеотропных смесей происходит при переменных температурах. Неазеотропные смеси применяют для увеличения холодопроизводительности, снижения температур конца сжатия, расширения диапазона применения по температурам кипения и конденсации.

Хладон-500 (
R
500).
Хладон является смесью R152 (26,2%) и R12 (73,8%). Для компрессора с одним рабочим объемом цилиндров данная смесь обеспечивает на 20% больше холодопроизводительности, чем R12. Давление кипения хладо-на-500 — 0,137 Мпа при -15°С; давление конденсации — 0,779 Мпа при 30°С. Температура кипения при атмосферном давлении равна -33°С, а скрытая теплота парообразования — 189,87 кДж/кг при -15°С.

R500 используют в торговом и промышленном холодильном оборудовании и только в машинах с поршневыми компрессорами.

R500 довольно хорошо растворяется в масле и плохо — в воде. В связи с этим из этого агента рекомендуется удалять влагу с помощью осушителей.

Хладон-502 (
R
502) —
азеотропная смесь хладона-22 (48,8%) и хладона-115 (51,2%). Температура кипения при атмосферном давлении -45,6°С. По объемной холодопроизводительности и другим свойствам он близок к хладону-33. Его можно применять до температуры конденсации 60°С. Используется в средне- и низкотемпературных машинах, бытовых холодильниках, регенеративных циклах холодильных установок. Хладон-502 имеет следующие преимущества по сравнению с хладоном-22: более стабилен и менее токсичен; увеличивает холодопроизводительность в низкотемпературном герметичном компрессоре на 10—30%.

Неазеотропные смеси широко применяются в герметичных компрессорах, их использование позволяет повысить надежность работы холодильного агрегата и снизить энергопотребление. Примером неазеотропной смеси может служить смесь хладагентов R502 и R113 в соотношении соответственно 85 и 15%.

Особенностью хладонов является их малая токсичность, негорючесть, взрывобезопасность, достаточно высокая термостойкость и химическая нейтральность. Однако следует помнить, что в присутствии открытого пламени хладоны разлагаются с образованием ядовитых веществ. Поэтому курить и пользоваться открытым пламенем в холодильных камерах категорически запрещается. Следует также иметь в виду, что в системах с герметичными компрессорами при сгорании электродвигателя могут образовываться токсичные вещества, поэтому разгерметизацию такой системы надо проводить с определенными мерами предосторожности.

Озонобезопасные хладагенты. Защита окружающей среды от вредного воздействия различных машин и оборудования, в том числе и от работы холодильного оборудования, является весьма актуальной проблемой для всего человечества. Производимые в любой стране домашние холодильники неизбежно когда-то выходят из строя и это ведет к их разгерметизации и попаданию хладагента в окружающую среду. Как было установлено учеными, хладоны, попадая в окружающий воздух, вступают в химическую реакцию с озоновым слоем атмосферы и вызывают его разрушение. Это чревато для людей и всего живого на планете самыми серьезными последствиями. Поэтому в 1987 г. В Монреале представителями многих стран были приняты меры по ограничению производства веществ, разрушающих озоновый слой. Озоноразрушающая способность хладонов определяется наличием атомов хлора в молекуле и оценивается потенциалом разрушения озона ODP (Ozon Depletion Potential) и потенциалом «парникового эффекта» GWP (Global Warming Potential) относительно СО2. В своих исследованиях американские ученые показали механизм разрушения озонового слоя. Так как хладагенты значительно тяжелее воздуха, то, казалось бы, они не должны попадать в стратосферу. Однако хладон, попадая в атмосферу, взаимодействует с влагой и подвергается воздействию искровых разрядов (молний). Это приводит к гидролизу и пиролизу хладона с отщеплением атомов хлора. Атом хлора активно включается в процесс разрушения озона. Одна молекула хлора способна разрушить до ста тысяч молекул озона.

По степени озоноразрушающей активности хладагенты делят на две группы:

·       хладагенты с высокой озоноразрушающей активностью (ODP>=1,0);

·       хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью (ODP<0,1).

К первой группе относятся хладоны R11, R12, R13, R113, R114, R115, R500, R501 и др. Молекулярная формула каждого из хладонов не содержит атомов водорода (за исключением азеотропных смесей), поэтому их гидролиз и высокотемпературный пиролиз протекают с образованием свободных атомов хлора.

Ко второй группе относятся менее озонобезопасные хладоны R21, R22, R23, R30, R40, R123, R124, R140a, R160 и др. Молекулы каждого из названных хладонов содержат атом водорода и поэтому при гидролизе и пиролизе молекул хладонов в первую очередь образуется соляная кислота НС1, и в редких случаях при определенных условиях может выделиться несколько молекул свободного хлора. Этим и объясняется их низкая озонобезопасность.

Хладоны, не содержащие атомов хлора, являются полностью озонобезопасными. К ним относятся R116, R125, R143, R113а, R152a, R290, R600 и др.

В Украине к 2020 г. Все холодильное оборудование должно работать на озонобезопасных хладонах. В этих целях должны быть разработаны новые холодильные машины, налажена новая технология выпуска как самих хладонов, так и холодильных масел, адсорбентов, новых материалов, приборов автоматики и контроля.





1.2.2 Наночастицы

Прежде чем рассматривать понятие наночастицы, рассмотрим основные понятия предшествующие ему.

Нано-объект – это физический объект исследований (и разработок), размеры которого принято измерять в нанометрах.

Нанотехнология имеет дело как с отдельными нано-объектами, так и с материалами на их основе, а также процессами на нано-уровне. К наноматериалам  относятся такие материалы, основные физические характеристики которых определяются содержащимися в них нанообъектами.

Наноматериалы делятся на компактные материалы и нанодисперсии; к первым относятся так называемые «наноструктурированные» материалы [2], т.е. изотропные по макросоставу материалы, повторяющимися элементами, структуры которых являются группировки (области), имеющие размеры нескольких нанометров, иногда десятки нанометров и более [3]; иными словами, наноструктурированные материалы состоят из непосредственно контактирующих между собой нанообъектов. В отличие от этого, нанодисперсии состоят из среды диспергирования (вакуум, газ, жидкость или твёрдое тело), в которой распределены изолированные друг от друга нано-объекты. Расстояние между нано-объектами в нанодисперсиях может меняться в достаточно широких пределах от десятков нанометров до долей нанометра; в последнем случае мы имеем дело с нанопорошками, где нано-объекты разделены тонкими (часто – моноатомными) слоями из лёгких атомов, препятствущих их агломерации.

Наночастица – это квази-нульмерный (0D) нанообъект, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины; как правило, наночастицы имеют сфероидальную форму; если в наночастице наблюдается ярко выраженное упорядоченное расположение атомов (или ионов), то такие наночастицы называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью системы уровней энергии часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами»; чаще всего они имеют состав типичных полупроводниковых материалов [4, 5].

Квази-одномерные нанообъекты (1D)–это наностержни, нанопроволоки (nanorods, nanowires); здесь один характерный размер объекта, по крайней мере, на порядок превышает два другие; физики их называют «квантовые провода» .






1.3 Краткие сведения о кипении хладагентов

     Кипение - процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева за счет поглощения теплоты. Кипение жидкости при низкой температуре является одним из основных процессов в парокомпрессионных  холодильных машинах. Кипящую жидкость называют холодильным агентом (сокращенно - гладагент), а аппарат, где он кипит, забирая теплоту от охлаждаемого вещества, - испарителем (название не совсем точно отражает суть происходящего в аппарате процесса). Количество теплоты Q, подводимое к кипящей жидкости,  определяют по формуле:  Q
=
Mr
, где M - масса жидкости, превратившейся в пар.

     Кипение однородного ("чистого")  вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления. С изменением давления меняется и температура кипения. Зависимость температуры кипения от давления кипения (давления фазового равновесия) изображают кривой, называемой кривой упругости насыщенного пара.

     Для наиболее распространенного в холодильной технике хладагента - аммиака - такая кривая приведена на рис.1. Атмосферному давлению, равному 0,1 МПа, соответствует температура кипения аммиака -33°С, давлению 1,2 МПа - температура 30°С.




Рисунок.1. Кривая упругости насыщенного пара аммиака.

     Значения скрытой (удельной) теплоты парообразования и давления кипения для некоторых хладагентов при температуре кипения -15°С приведены в таблице.

Хладагент

r,

КДж/кг

p0,

МПа

R717 (аммиак)

1313

0,236

R12

159

0,183

R22

216

0,296

R502

153

0,348

R13

106

1,315



     Из таблицы следует, что у аммиака по сравнению с другими хладагентами наибольшая скрытая теплота парообразования, дающая ему преимущество при выборе хладагента для той или иной конкретной холодильной машины.

     Хладагент R12, имея значительно меньшую скрытую теплоту парообразования, обеспечивает работу холодильной машины при более низких (по сравнению с работой на аммиаке) давлениях конденсации, что для конкретных условий может иметь решающее значение.




1.4 Концептуальная модель системы

Обобщенную концептуальную схему системы можно увидеть на следующем рисунке:



Рисунок 2. Обобщенная концептуальная схема системы

         Входными данными для системы можно использовать следующие элементы:

·       Возможность импортирования деталей для вычисления структурной сетки, с целью последующего моделирования физического процесса;

·       Возможность задания начальных параметров состояния системы, вещества, окружающей среды;

·       Импортирование результатов предыдущих симуляций для последующего сравнения.

Основные ограничения накладываются на нашу систему лишь математической моделью. Также , ограничения могут быть наложены самой системой при условии, что в структурной сетке имеются дефекты.

Ресурсы:

·       Компьютерные ресурсы – все необходимое для проведения вычислений с последующим сохранением результатов в базу данных.

·       База знаний – для получения значений переменных не указанных пользователем 

На выходе мы получаем необходимый нам результат в зависимости от того, какие данные мы подали для обработки



Рисунок 3. Расширенная схема




2  Среда разработки « ANSYS

Multiphisics
»


2.1 Программные модули ANSYS

Professional

Высокоэффективный комбинированный пакет, предназначен для расчета линейных статических задач прочности, модального анализа, стационарных и нестационарных задач теплофизики, включая теплопроводность, конвекцию и излучение. ANSYS Professional ориентирован на инженеров среднего звена.
Structural


Полный прочностной пакет (за исключением функций расчета гидрогазодинамики, тепла, электромагнетизма), включает функции прочностного анализа, расчеты линейной прочности, нелинейности (деформации, упругость, пластичность, текучесть, расчет элементов на растяжение-сжатие и др.). Контактные задачи. Частотная область динамического анализа (гармонический, спектральный, вибрации). Динамический анализ неустановившихся процессов; устойчивость конструкций; механика разрушений линейных и нелинейных задач для изделий из композиционных и армированных материалов, включая температурные воздействия. Совместный анализ, акустика.
Mechanical


Этот пакет прочностного анализа и тепла (за исключением функций расчета гидрогазодинамики и электромагнетизма) является наиболее универсальным модулем, позволяющим выполнять большинство линейных и нелинейных задач конечно-элементного анализа. Включает в себя все возможности, перечисленные в Structural, в сочетании с функциями расчета тепла (стационарный и нестационарный режимы, теплопроводность, радиация, конвекция).



Multiphysics

Наиболее полный пакет, включающий в себя все возможные физические дисциплины (прочность и тепло), а также электромагнитный анализ (магнитостатика, электростатика, электропроводность, низкочастотный гармонический анализ, высокочастотный анализ) и гидрогазодинамику (стационарная и нестационарная, сжимаемые и несжимаемые, ламинарные и турбулентные потоки; естественная и вынужденная конвекция, сопряженный теплоперенос; вязкие и многокомпонентные течения; фильтрация).
Emag


Специальный модуль расчета электростатики и магнитостатики, низкочастотного и высокочастотного анализа, нестационарных задач.
LS-DYNAПрограмма высоконелинейных расчетов LS-DYNA, интегрированная в среду ANSYS, объединяет в одной программной оболочке традиционные методы решения с обращением матриц, специализированные контактные алгоритмы, множество уравнений состояния и метод интегрирования, что позволяет численно моделировать процессы формования материалов, анализа аварийных столкновений и ударов при конечных деформациях, при нелинейном поведении материала и контактном взаимодействии большого числа тел. С использованием LS-DYNA могут быть решены задачи динамического поведения предварительно напряженных конструкций и задачи исследования разгрузки конструкций, подвергнутых большим деформациям.
ICEM CFD


Комплексная система генерации любых типов расчетных сеток имеющая прямой интерфейс с CAD системами (Pro/E, Catia, Unigraphics,I-DEAS, SDRC, ICEM Surf). Экспорт сетки, более чем в 100 пакетов гидрогазодинамического и структурного анализа. Анализ и исправление геометрии, пре и пост-процессинг, адаптивная оптимизация сетки - это лишь основные ключевые моменты, позволяющие ускорить генерацию качественной сетки на основе любой геометрии.
CFX


Программный комплекс, сочетающий уникальные возможности анализа гидрогазодинамических процессов, многофазных потоков, химической кинетики, горения, радиационного теплообмена и многих других. CFX обеспечивает принципиально новый уровень решения задач вычислительной гидрогазодинамики за счет уникального сочетания технологий, начиная от прямого интерфейса к большинству CAD систем и заканчивая возможностью проводить сопряженный анализ течений и конструкций совместно с ANSYS Multiphysics. Широкий выбор моделей турбулентности в сочетании с линейным решателем и технологией "Algebraic Coupled Multigrid" позволяет добиться высокой точности результатов при решении различного класса задач.
Workbench


Новое поколение программных продуктов, в основе которых современный объектно-ориентированный подход к инженерному анализу, использующих возможности решателей ANSYS. Эта среда инженерного анализа предоставляет уникальные возможности по интеграции с CAD системами (в том числе двунаправленную ассоциативную связь). Можно сочетать процесс проектирования в CAD пакете с получением достоверных данных расчетов и проведением оптимизации конструкции. Workbench Products состоят из модулей: Design Simulation (использует лицензии DesignSpace, Professional, Structural, Mechanical), Design Modeler, DesignXplorer, FE Modeler.
ED (Educational)

Этот учебный пакет, который представляет собой ограниченный по количеству расчетных узлов и параллельным вычислениям модуль ANSYS Multiphysics. Пакет предназначен для вузов и других учебных учреждений с целью глубокого изучения проблем анализа и разработки специальных приложений с использованием технологии ANSYS, Inc.
PrepPost


Отдельный пре- и постпроцессор с полным набором возможностей по созданию, импорту и экспорту геометрических моделей, по построению, импорту и экспорту конечно-элементных сеток, по постановке задачи и обработке результатов (визуализация, листинг, операции над результатами и др.). Является полнофункциональной рабочей средой и обладает всеми ее функциями за исключением собственно решения задачи. Возможно использование нескольких рабочих мест ANSYS PrepPost в комбинации с любым расчетным продуктом. ANSYS LS-DYNA PrepPost - двусторонний интерфейс с программой LS-DYNA, позволяющий создавать, читать и редактировать средствами пре/постпроцессора конечно-элементные модели, считывать и обрабатывать результаты.
Геометрический моделировщик


Предназначен для создания геометрических моделей с помощью графических примитивов, операций с ними и их параметрического описания. Построение твердотельной модели в ANSYS возможно с помощью комбинации двух вариантов: при помощи булевых операций набора готовых примитивов или при помощи последовательного иерархического построения, начиная с опорных точек, затем - линий, сплайнов и далее - до твердого тела. Наличие этих вариантов построения дает гибкие возможности для быстрого создания сложных моделей. Посредством импорта моделей поддерживается двусторонний обмен данных с большинством CAD-систем, включая UG, Pro/E, а также чтение нейтральных геометрических форматов IGES, SAT, STEP и др.
Параллельные и многопроцессорные системы



Дополнительный модуль параллельных вычислений Parallel Performance for ANSYS позволяет решать большие задачи на кластерах вычислительных станций и на многопроцессорных станциях. На данный момент доступно четыре решателя для распределенных вычислений:

• DPCG предопределенных сопряженных градиентов
• DJCG - сопряженных градиентов Якоби
• DDS - Distributed Domain Solver
• AMG - алгебраический многосеточный
На данный момент параллелизация возможна как на 32, так и на 64 разрядной технике. Используя решатель DPCG с опцией MSAVE становится возможным решить крайне большие задачи.





2.2Вычислительная гидродинамика. Программный комплекс ANSYS CFX®

До недавнего времени изучение поведения жидкостей было ограничено экспериментальными методами, но в связи с быстрым ростом производительности компьютерных систем стало возможным анализировать и рассчитывать подобные процессы даже на персональных компьютерах. Вычислительная гидродинамика (Computational Fluid Dynamics) сегодня становится одной из составляющих процесса проектирования во множестве компаний, которые разрабатывают современное высокотехнологичное оборудование. Подобные расчеты позволяют получить характеристики устройства задолго до его изготовления и внедрения. Решения компании ANSYS, Inc. в данной области основаны на технологии ANSYS CFX, неоднократно доказавшей свое преимущество. Крупнейшие компании во всем мире более 20 лет успешно используют в проектировании комплекс программных продуктов CFX по вычислительной гидродинамике.

Вычислительная гидродинамика используется во многих отраслях промышленности, таких как, автомобильная, аэрокосмическая, энергетическая. Теплообменное оборудование, вентиляция и кондиционирование воздуха, биомедицинские приложения, нефтяная и газовая промышленность, судостроение — во всех этих отраслях применение CFD-технологий становится залогом создания конкурентоспособных изделий.

Широчайший диапазон проблем — от расчета системы вентиляции высотных зданий до нанотехнологий микронного масштаба — может быть рассчитан с помощью программного комплекса ANSYS CFX.

Специализированные модули для создания геометрии, расчетной сетки, пред и постпроцессинга для насосов, вентиляторов, турбин, компрессоров и других вращающихся машин, включенные во все элементы ANSYS CFX, делают его лидером в этой области проектирования. Модели для расчета горения, реагирующих потоков и радиационного теплообмена помогают рассчитать оборудование и проиходящие в нем процессы, способствуя уменьшению затрат и увеличению жизненного цикла изделия.

ANSYS CFX в среде ANSYS Workbench

На данный момент программный комплекс ANSYS CFX также работает и в интегрирующей среде ANSYS Workbench. Создание геометрии, задание физических моделей, решение и постпроцессинг — все это объединено в общий процесс разработки. Древовидная структура проекта облегчает работу и упрощает внедрение данной технологии.


Геометрия

Модуль ANSYS DesignModeler создан для геометрического препроцессинга модели. Используя прямые интерфейсы к CAD-системам, DesignModeler позволяет работать с параметрическими моделями, обеспечивая двустороннюю связь между расчетной и CAD-моделью. Возможность вносить изменения в геометрию позволяет привести исходную CAD-модель к требованиям расчетной системы, например удалить мелкие элементы и ликвидировать нестыковки поверхностей. В дальнейшем эта геометрия может быть использована для всех видов расчета в ANSYS, что упрощает постановку связанных задач.

Генерация расчетной сетки

Одним из условий получения корректных CFD-результатов является создание высококачественной расчетной сетки. ANSYS, Inc. предлагает два решения для CFD: модуль ANSYS CFX-Mesh и универсальный сеточный пакет ANSYS ICEM CFD. Все эти решения доступны под интегрирующей средой ANSYS Workbench.

CFD препроцессинг

Модуль CFX-Pre использует современный, интуитивно понятный интерфейс для задания всех граничных условий и физических моделей, необходимых для создания файла для решателя. Импорт расчетной сетки возможен из большинства сеточных генераторов, включая ANSYS CFX-Mesh, ANSYS ICEM CFD и ANSYS CFX TurboGrid.

CFD-решатель

Основой всей расчетной технологии ANSYS CFX является решатель Algebraic Coupled Multigrid. Используя неявную связанную схему решения линеаризованной системы уравнений, решатель обеспечивает быструю и устойчивую сходимость во всех типах задач. При этом время решения задачи находится в линейной зависимости от объема расчетной сетки. Преимущество ANSYS CFX особенно проявляется при решении больших моделей с многокомпонентными течениями и сложной структурой. Решатель ANSYS CFX мало чувствителен к отношениям размеров элементов, временным шагам и релаксационным факторам. Точность решения достигается как за счет высокой точности на узел, так и схемой дискретизации второго порядка устанавливаемой по умолчанию. Эти же свойства сохраняются при параллельных расчетах, обеспечивая отличные параметры ускорения на многопроцессорных системах и кластерах рабочих станций.

Дополнительные модули

Точность моделирования непосредственно связана с физическими моделями, используемыми в расчете. ANSYS CFX содержит большое количество физических моделей для обеспечения точных результатов в широком диапазоне промышленных задач. Все физические модели могут взаимодействовать друг с другом, на любой топологии сетки, с применением всех типов интерфейсов областей расчета, используя связанный многосеточный решатель, в том числе и при параллельном расчете.

Многофазные потоки.

Более чем 20-летний опыт в моделировании многофазных потоков позволил развить множество физических моделей, позволяющих рассчитывать потоки из нескольких фаз, их взаимодействие, свободные поверхности и учитывать эффект поверхностного натяжения. Модель движения твердых частиц (Lagrangian Particle Transport) позволяет учесть одну или несколько дискретных примесей в однородном потоке. Модель межфазного тепло- и массообмена позволяет рассчитывать кипение, испарение и кавитацию.

Вращающиеся машины.

ANSYS CFX является признанным лидером CFD- технологии моделирования для вращающихся машин. Несколько типов интерфейсов между расчетными областями облегчают моделирование взаимодействия ротор—статор. Пре- и постпроцессор содержит специальный режим работы для анализа турбомашин.

Турбулентность.

Большинство промышленных потоков являются турбулентными, и ANSYS CFX содержит более 16 моделей турбулентности, позволяющих учесть все нюансы течения. В качестве хорошо зарекомендовавших себя моделей используются модели k-e и SST с автоматической функцией стенки. Для более сложных течений, с большой степенью анизотропности турбулентности, применяются модели напряжений Рейнольдса (RSM). Среди зональных моделей турбулентности, помимо LES- и DES-формулировок, есть модель DES-SST, более корректно учитывающая пристенные эффекты. Уникальной опцией является переходная модель турбулентности на основе SST-модели турбулентности, созданная специально для турбомашиностроения и авиакосмической промышленности.

Теплообмен.

Оптимизация теплообмена между потоком и твердым телом является типичной задачей во многих отраслях промышленности. Возможности ANSYS CFX позволяют решать подобные задачи в 3-мерной постановке с учетом сопряженного теплообмена и теплопроводности твердого материала.

Радиационный теплообмен.

Широкий выбор моделей радиационного теплообмена позволяет учесть такие эффекты, как преломление, отражение, частичное отражение и поглощение. Эти эффекты крайне важны при анализе горения, теплообмена и вентиляции.

Горение. Взаимодействие всех компонентов химических реакций решается одновременно, что улучшает сходимость решения в сложных реакциях. Представлены модели горения как EDM-, так FCR- и Flamelet- типа, позволяющие рассчитывать горение как полностью, так и частично перемешанных смесей.

Жидкостно-структурное взаимодействие.

ANSYS, Inc. используя специализированные решения как в структурном анализе, так и в гидрогазодинамике позволяет моделировать связанные задачи аэроупругости, сопряженного теплообмена. Подобный подход дает возможность добиваться беспрецедентных результатов как в каждой отдельной области, так и в интерфейсе между ними.

Движущаяся сетка.

В тех случаях, когда геометрия расчетной области изменяется в процессе работы, например в винтовых компрессорах, шестеренчатых и мембранных насосах, поршневых компрессорах и двигателях, корректное моделирование возможно только с учетом данного эффекта. ANSYS CFX позволяет работать с подобными расчетными моделями, в том числе совместно с ANSYS Mechanical/Multiphysics.

CFD-постпроцессинг

В CFX-Post в интуитивно понятном интерфейсе содержатся мощные средства постпроцессинга, в том числе анализ качественных и количественных результатов. Мощные средства отображения графической информации дают возможность проанализировать структуру потока с помощью изоповерхностей, сечений, векторов, траекторий и многих других методов. Анализ количест­венных результатов с помощью встроенных функций позволяет получить более точное представление о характеристиках изделия. Специализированный модуль Turbo-Post дает возможность анализировать турбомашины с помощью типичных для них систем координат (m', theta, span).
Параллельные расчеты

Используя любую комбинацию имеющихся вычислительных ресурсов, ANSYS CFX позволяет уменьшить время расчета и выполнить большие по объему задачи. Все без исключения физические модели могут быть распараллелены. При этом достигается такая же сходимость, как и при обычном расчете.

Преимущество ANSYS CFX основано на совокупности проверенных и лидирующих в своей области технологий в каждом элементе программного комплекса. Именно это обстоятельство обеспечивает точность, надежность, скорость и гибкость и дает прекрасные результаты при применении.




Список использованной литературы

1        http://ru.wikipedia.org

2         P.Moriarty, Nanostructured Materials, in Rep.Prog.Phys, 64, 297 (2001)

3        А.И.Гусев, А.А.Рампель, Нанокристаллические материалы, Физматлит, Москва, 2001

4         R.Turton. The Quantum Dot, W.Y.Freeman Spectrum, Oxford, 2000

5         K.L.Wang, A.A.Balandin Quantum Dots: Physics and Applications in Optics of Nanostructured Materials, Ed. V.A.Markel and T.F.George, J.Wiley, New York, 2001, p.515

6         http://www.nanonewsnet.ru/



1. Сочинение на тему Миф и символ как семиотические категории
2. Реферат на тему Философия любви
3. Реферат на тему Анализ работы врача педиатра Нерюнгринской городской больницы
4. Реферат Линейное программирование постановка задач и графическое решение
5. Реферат Трансформация отношений собственности
6. Реферат Учет движения материальных ценностей
7. Реферат на тему The Controversy Over Euthanasia Essay Research Paper
8. Курсовая на тему Пути повышения эффективности использования основных фондов
9. Реферат Бандитизм, состав и виды этого преступления, отличие данного преступления от организации преступ
10. Курсовая Конфликты в коллективе 2