Расчет естественной циркуляции

[AndreyV94]

Можно ли в пакете CFD смоделировать естественную циркуляцию теплоносителя? К примеру, есть объем, 0,75 его части занято водой, остальная полость заполнена каким-либо газом, можно ли решить вот такую задачу?
и еще маленький вопрос о том, можно ли как-то учитывать тепловое расширение жидкости вследствие ее нагрева?

Очень долго ищу статьи на эту тему, но пока безуспешно

[avasiliev]

Если не секрет, что подразумевается под естественной циркуляцией?

перемешивание холодных и теплых слоев в процессе нагрева?

Или речь идет о "свободной поверхности"? https://www.youtube.com/watch?v=jYxV9PXe9kQ

[AndreyV94]

Подразумевается движение объемов жидкости друг относительно друга, имеющих различные температуры. Например, если в объеме есть небольшой нагреватель, то горячая вода, изменив плотность, будет двигаться вверх, там остывать, не важно как (пусть будет теплообменник, который установлен в самом верху выделенного объёма), а после, остыв, опускаться вниз. И так далее. Без применения насосов или других устройств, которые заставят двигаться жидкость.
Думаю, что так

[avasiliev]

вопрос понятен. сходу ответить не могу. надо поиграться. 

чисто теоретически так можно сделать. ибо есть возможность учитывать гравитацию и  зависимость плотности от температуры, так что...

но точнее надо смотреть

[AndreyV94]

Буду весьма признателен, если окажете помощь в этом вопросе. Сам только начинаю работать с такого рода программами, а для диплома очень нужно
Забавно ещё то, что там предлагают использовать стар ссм + или ансис флюид, которые коммерческие и стоят очень много денежек, а это альтернатива. Но какие у неё мощности?

[avasiliev]

Ну вообще-то, Autodesk CFD - это тоже не бесплатный продукт. Он бесплатен для студентов и ВУЗов для использования в учебных целях.

Что касается задачи. В виду того что задавал параметры "с фонаря", не могу утверждать, что итог гарантирован, но вроде нечто похожее:

поле скоростей:

поле температур:

емкость с габаритами 500*300*300

материал - вода из библиотеки (там есть изменение плотности от температуры)

центральная горизонтальная поверхность и правая боковая скошенная - греются постоянным источником тепла Total Heat Flux в 1000 W. Задается на вкладке boundary conditions

доп опции решения:

включен теплообмен (Heat transfer)

и гравитация.

решение задачи в статике и динамике, опция AutoForced convection - на результат особо не повлияли.

Также пробовал не с источниками тепла, а с температурой на стенку.

Наверху сделан небольшой отрост, чтобы не усложнять задачу свободными поверхностями (они долго считаются) и там задавались граничные условия unknown или transparent.

Мне результаты не очень нравятся, но с учетом, что все бралось с полного фонаря, это может быть объяснением.

[AndreyV94]

Антон, спасибо. Это полезная информация, но опять же интересен тот вариант, когда вода в таком случае не касается верхней стенки бака, когда зеркало ее свободно и над ним есть полость воздуха или газ под давлением. Основная проблема как раз в том, чтобы реализовать эту границу, но я не понимаю, даже скорее не знаю как
А вот с источником тепла и просто постоянной температурой стенки-игрался, да, действительно нет особой разницы в поведении жидкости внутри выделенного объема
Единственное, что вот теперь для меня есть полезная опция-изменение плотности от температуры
Остается решить вопрос с границей вода-воздух/газ
Если строить поверхность, через Геометри Тулз, то можно отделить пустоты на вкладке Воид Фил, но опять же нужно выбирать границы, по которым будет производиться разделение, тогда что же мне надо делать составной бак, по уровню жидкости? Чтобы как раз и использовать эту границу для построения поверхности. Но тут есть снова проблема-после этой операции она не видит то, что находится внутри этого искуственно созданного объема, можно ли как-то разрезать сборку/деталь, указав на внтуренностях условия?
Спасибо большое за содействие

[avasiliev]

Если Ваша задача в исследовании параметров "бурления" при кипении - то тогда разделение на две фазы нужно. В противном случае это не добавит точности, но время счета увеличится как минимум в разы. И "самое смешное" в том что адекватность результатов может быть снижена, за счет использования более сложной физики, которая за счет сложности очень чувствительна к искажениям.

Но чуть позже про свободную поверхность я отпишу

[AndreyV94]

В том то и дело, что я не рассматриваю процессы кипения. Задача в следующем: та вода, что находится в экспериментальном объеме,находится под давлением около 160 атм, а газовая подушка над зеркалом воды создана как раз для того, чтобы не допускать кипения, вот давление газа мне и надо подобрать. Температура воды должна быть 350-370 град Цельсия, при учете всех тепловых расширений воды за счет нагрева, газ должен компенсировать процесс закипания. Ну и соответственно я знаю мощность, которая дается на стенку нагреваемого аппарата
Но интереснее посмотреть, как будет двигаться вода внутри него, поэтому и нужно смоделировать такую ситуацию

[avasiliev]

Прошу простить, был в командировке.

Поправьте меня если я ошибаюсь. С изменением давления - меняется температура кипения. Чем больше давление, тем выше температура кипения. Повышая давление чтобы не допустить "бурления" вы не столько "придавливаете"  жидкость и препятствуете бурлению, сколько просто повышаете температуру кипения. При кипении "бурление" есть всегда. Подняв температуру кипения за счет давления до 400 (к примеру) при 350 вы получаете относительно спокойную поверхность воды, которая еще не закипела.

Закон изменения температуры кипения от дополнительного давления - вещь давно известная. Итого, чтобы не допустить кипение, которое Вы не рассматриваете - нет необходимости в ГГД, есть просто потребность в специализированном справочнике по проектированию и расчету подобных аппаратов.

Далее. При наличии "отсутствия" превращения зеркала в бурлящую и кипящую субстанцию, границей раздела можно пренебречь. И моделировать геометрию воды, само же избыточное давление задать как доп. условия окружения. 

На то чтобы сказать есть ли в CFD зависимость температуры кипения от давления - мне нужно время. Но даже если нет - можно создать копию материала, у которого характеристики "сдвинуты" до нужных (согласно справочникам) параметров.

Что важно отметить:

1. Autodesk CFD (вплоть до версии 2017) не умеет считать процесс фазового перехода. В ACFD есть понятие изменение фазы, но лишь для специальных материалов - хладагентов. И там не моделируется процесс фазового перехода, а просто используется для определения параметров теплоотдачи в теплотрубках. Не более.

2. При расчете свободных поверхностей, (Free Surface), то, что Вы хотели изначально, не поддерживается условие "Surface tension". Т.е. избыточное давление в резервуаре все равно будет игнорироваться. 

3. В ходе нагрева близкого к кипению кроме основных потоков, которые обусловлены движением нагретых масс, есть большая часть стохастических потоков (связанных с неравномерной плотностью, неравномерным нагревом, образованием пузырьков воздуха и пр.), которые оказывают существенное влияние на процессы. Их рассчитать, насколько я знаю также нет возможности.  

[AndreyV94]

Добрый вечер
Ну вот я за то и говорю, что мне надо увеличить давление так, чтобы не допустить кипения воды на конструктивах, но есть термическое расширение воды. Моя подушка должна компенсировать это расширение, ну или дать воде расшириться так, чтобы температура среды не вылезала за вилку 320-350 град Цельсия.

Поэтому тут не придется говорить о фазовых переходах. Как факт интересно посмотреть как будет двигаться среда внутри устройства, чтобы исключить какие-либо возможные и ненужные противотоки и прочие вещи, которые ухудшат теплообмен.

"Далее. При наличии "отсутствия" превращения зеркала в бурлящую и кипящую субстанцию, границей раздела можно пренебречь. И моделировать геометрию воды, само же избыточное давление задать как доп. условия окружения. 

На то чтобы сказать есть ли в CFD зависимость температуры кипения от давления - мне нужно время. Но даже если нет - можно создать копию материала, у которого характеристики "сдвинуты" до нужных (согласно справочникам) параметров."

Вот тут я думал о том, будет ли корректно задаваться в этом случае как раз то самое расширение воды?
И насчет зависимости температуры кипения от давления тоже думал, но вроде как придется сдвигать характеристики материала до нужных параметров

Вопрос все равно остается открытым. Как факт мне не хватает то ли знаний продукта, то ли еще чего-то, чтобы смоделировать Нагрев->Расширение->Установившуюся температуру->Движение объемов жидкости