Randbedingungen
Die Randbedingungsparameter für das Modul
Flow gelten für Berandungen im Flow Analysis Baum. Die Optionen gelten auch für Schnittstellen, für die das Modul
Flow auf einer Seite der Schnittstelle leer gelassen wird, um eine
Berandung (Boundary) zu erzeugen
Die Randbedingungen werden in der Eigenschaftenkonsole angezeigt, wenn Sie eine Berandung im Flow Analysis Baum unter General Boundaries auswählen.
Wand
Die Randbedingung
Wand (Wall) für
Flow entspricht einer Volumenberandung. Wand für das Modul
Flow bedeutet, dass Scherung (Zug) und keine senkrechte Komponente der
Geschwindigkeit an der Berandung vorhanden sind (beispielsweise kein Durchfluss). Wenn das Modul
Turbulence aktiv ist, können Sie die Rauheit der Wand mit der Option
Wall Roughness Model berücksichtigen. Sie können Optionen verwenden, um eine Scherwandgeschwindigkeit zu Randbedingungen des Typs
Wand (Wall) zuzuweisen.
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Die Randbedingung Wand (Wall) ist die Standardbedingung für das Modul Flow.
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• Optionen (Options)
Um für Scherung an der Wand zu sorgen, wählen Sie
Optionen (Options) für die Randbedingung
Wand (Wall) im Modul
Flow aus.
◦ Stationary – Geht davon aus, dass die Wand stationär ist.
◦ Kartesisch (Cartesian) – Sorgt für Scherung an der Wand durch die Komponenten
X (X),
Y (Y) und
Z (Z) der Geschwindigkeit. Die
Geschwindigkeit für die Randbedingung
Wand (Wall) wird relativ zum stationären Laborbezugssystem eingegeben.
◦ Tangential (Tangential) – Sorgt für Scherung an der Wand durch die Normale zur Wand. Die tangentiale Geschwindigkeit für Wandrandbedingungen wird relativ durch Vector Normal to Wall Velocity und einen Wert eingegeben.
Die
Geschwindigkeit für die Randbedingung
Wand (Wall) sorgt für eine Scherung an der Wand. In dieser Variante werden nur tangentiale Geschwindigkeiten verwendet.
Numerisch fügt die Geschwindigkeit für die Randbedingung
Wand (Wall) eine Impulsquelle für den
Impuls hinzu. Die Geschwindigkeit für die Randbedingung
Wand (Wall) verschiebt die Berandung nicht, da sie die Form der Domäne nicht ändert.
• Wall Type
Geben Sie für Wall Type eine der folgenden Optionen an:
◦ Starr (Rigid) – Erzeugt eine sich nicht verformende Wand.
◦ Flexibel (Flexible) – Erzeugt eine sich verformende Wand, die das der Wand zugeordnete Raster nicht physisch verschiebt. Der Effekt der Wandbewegung ist eingeschlossen, indem das effektive Volumen der benachbarten Zelle geändert wird.
Die folgende Gleichung berechnet die Spannungen, virtuellen Verschiebungen und die Wandgeschwindigkeit:
Dabei gilt:
τ | Wand-Scherspannung |
r | Rohrradius |
r0 | Referenzradius |
p | Flüssigkeitsdruck (Pa) |
p0 | Referenzdruck |
h | Wanddicke |
E | Elastizitätsmodul |
σ | Querkontraktionszahl |
Für Deformation Model werden die flexiblen Modellwände auf zwei Arten erstellt:
◦ Modell Elastic Pipe – Erfordert Radius, Wanddicke, Elastizitätsmodul, Querkontraktionszahl und Referenzdruck als Eingaben, als Funktion von (x,y,z,t) und beliebige gültige Variablen. Dies wird mithilfe eines analytischen Ausdrucks erreicht oder mithilfe einer Tabelle angegeben.
◦ Benutzerdefiniert (User Defined) – Gibt die Verschiebung als Funktion des Drucks mit einem analytischen Ausdruck oder in Tabellenform an.
• High Order Shear
Die Option
High Order Shear für die Randbedingung
Wand (Wall) im Modul
Flow verwendet eine parabolische Funktion für das Geschwindigkeitsprofil neben der Wand statt einer linearen Funktion. Diese Funktion kann in den folgenden Fällen verwendet werden:
◦ Für laminaren Fluss neben der Wand
◦ Wenn die Zelle neben der Wand innerhalb der laminaren Unterschicht für turbulente Flüsse liegt
◦ Um die Anzahl der Zellen zu reduzieren, die verwendet werden, um den Fluss innerhalb dünner Spalten zu lösen, die stark durch viskose Scherkräfte dominiert werden.
Specified Velocity
Verwenden Sie die Randbedingung
Specified Velocity, um die
Geschwindigkeit (m/s) der Flüssigkeit beim Öffnen, Erzeugen eines Einlasses/Auslasses oder einer Kombination von beiden festzulegen.
Specified Velocity legt die Geschwindigkeit an der Berandung fest. Der entsprechende Massefluss wird entsprechend durch die Flüssigkeitsdichte und -geschwindigkeit bestimmt, relativ zu Berandungsbereich und -orientierung. Sie können die Richtung und Magnitude der Geschwindigkeit für die Randbedingung
Specified Velocity mit den nachfolgend beschriebenen Optionen festlegen:
• Kartesisch (Cartesian) – Geben Sie die Berandungsgeschwindigkeit durch die Geschwindigkeitskomponenten X (X), Y (Y) und Z (Z) relativ zum Modellkoordinatensystem ein.
• Boundary Normal – Geben Sie die Berandungsgeschwindigkeit senkrecht zur Berandung ein. Die Magnitude wird durch Normal Velocity Component gesteuert. Die Fließrichtung wird definiert, indem Sie Inflow, Outflow oder Both auswählen:
◦ Inflow – Ermöglicht den Fluss in die Domäne.
◦ Outflow – Ermöglicht den Fluss aus der Domäne.
◦ Both – Ermöglicht den Fluss in die Domäne oder aus der Domäne.
Für Inflow oder Outflow wird eine negative Normal Velocity Component auf einen positiven Wert zurückgesetzt, sodass das Vorzeichen des Wertes für den volumetrischen Fluss keinen Einfluss auf die Richtung des Flusses hat.
| In Creo Flow Analysis entspricht ein positiver Massefluss oder volumetrischer Fluss an einer Berandung (Boundary) einem Abfluss. |
• Swirl – Sorgt für einen Strudelfluss an einer Berandung (Boundary). Die Magnitude des Zuflusses wird durch Normal Velocity Component gesteuert. Die Fließrichtung wird definiert, indem Sie Inflow, Outflow oder Both auswählen. Die Strudelgeschwindigkeit wird gesteuert durch: Rotational Speed, Rotational Center und Rotational Axis Vector.
◦ Die Richtung der Rotation eines Strudels wird relativ zum stationären Referenzbezugssystem (Labor) angegeben, aus der Perspektive eines Beobachters mit geradem Rotationsachsenvektor. Die Rotationsrichtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn akzeptiert nur einen positiven Wert der Drehzahl. Wenn Sie beide für die Rotationsrichtung eines Strudels auswählen, können Sie die Rotationsrichtung auf Grundlage des Vorzeichens der Drehzahl angeben, sodass positiv eine Rotation im Uhrzeigersinn und negativ eine Rotation gegen den Uhrzeigersinn bedeutet.
◦ Die Magnitude der Drehzahl einer Berandung wird relativ zum stationären Referenzbezugssystem (Labor) angegeben.
Specified Volumetric Flux
Verwenden Sie die Randbedingung
Specified Volumetric Flux, um den volumetrischen Fluss (m
3/s) der Flüssigkeit beim Öffnen, Erzeugen eines Einlasses/Auslasses oder einer Kombination von beiden festzulegen.
Specified Velocity Flux legt die Geschwindigkeit an der Berandung fest. Der entsprechende Massefluss wird entsprechend durch die Flüssigkeitsdichte ρ und Flüssigkeitsgeschwindigkeit v bestimmt, relativ zu Berandungsbereich und -orientierung.
Specified Volumetric Flux bezieht sich auf das Integral der volumetrischen Flüsse über der Berandung. Die Geschwindigkeit, die
Specified Volumetric Flux zugeordnet ist, kann
Uniform sein oder auf
Fully Developed basieren. Sie können die Richtung und Magnitude der
Geschwindigkeit mithilfe der folgenden Optionen festlegen:
1. Fließrichtung (Flow Direction) – Gesteuert durch Auswahl von Inflow, Outflow oder Both.
2. Velocity Profile – Legt das Geschwindigkeitsprofil für die Randbedingung Specified Volumetric Flux auf eine der folgenden Optionen fest:
◦ Uniform – Konstante Geschwindigkeit an der Berandung basierend auf Berandungsfläche (A) und Orientierung: V = (Volumetrischer Fluss)/Bereich.
◦ Fully Developed – Geschwindigkeitsprofil an der Berandung ähnelt (selbe Form) dem Geschwindigkeitsprofil an den Zellenmitten, die sich direkt abwärts befinden.
Specified Total Pressure
Verwenden Sie die Randbedingung Specified Total Pressure, um Total Pressure an einer Öffnung für den Zu- und Abfluss zur/aus der Domäne festzulegen. Die Geschwindigkeit des Flusses an der Berandung wird dann als Teil der Lösung berechnet. Sie können Richtung und Druck angeben.
• Directional Option – Die Richtung des Berandungsgeschwindigkeitsvektors wird durch die folgenden Optionen eingeschränkt:
◦ Kartesisch (Cartesian) – Schränkt die Berandungsgeschwindigkeit auf eine angegebene Richtung ein, relativ zum Modell-Koordinatensystem. Die Vektorkomponenten der Fließrichtung (Flow Direction) (X (X), Y (Y) und Z (Z)) werden zusammen mit der Option Kartesisch (Cartesian) verwendet, um die Berandungsgeschwindigkeit auf eine angegebene Richtung einzuschränken.
◦ Boundary Normal – Schränkt die Berandungsgeschwindigkeit senkrecht zur Berandung ein. Boundary Normal verwendet die lokale Normale jeder Zellenfläche in der ausgewählten Berandung.
• Total Pressure
• Velocity Profile – Legt das Geschwindigkeitsprofil für die Randbedingung Specified Volumetric Flux auf eine der folgenden Optionen fest:
◦ Uniform – Konstanter gesamter Druck an der Berandung basierend auf Fläche der Berandung (Boundary) (A) und Orientierung.
◦ Zero Gradient – Gesamter Druck an der Berandung basierend auf einer Extrapolation des inneren gesamten Drucks. Es gibt keine Änderung oder keinen Gradienten.
Rotating Wall
Rotating Wall simuliert den Schereffekt einer rotierenden Wand. Die folgenden Optionen können eingestellt werden:
• Wall Type – Geben Sie Starr (Rigid) oder Flexibel (Flexible) an.
• High Order Shear
• Rotational Direction – Bestimmt die Richtung der Rotation für eine rotierende Wand. Die Richtung der Berandungsrotation eines Strudels wird relativ zum stationären Referenzbezugssystem (Labor) angegeben, aus der Perspektive eines Beobachters mit geradem Rotationsachsenvektor. Wählen Sie Beide Richtungen (Both Directions) der Rotation einer Berandung aus, um die Richtung der Rotation anzugeben. Diese Richtung beruht auf dem Vorzeichen der Drehzahl, sodass positiv eine Rotation im Uhrzeigersinn und negativ eine Rotation gegen den Uhrzeigersinn bedeutet.
• Rotational Speed
• Rotational Axis Vector
• Rotational Center
• Axial Velocity
• Ausgabe
Symmetrie
Symmetrie für den Fluss bedeutet, dass keine Scherung (perfekter Schlupf) und keine senkrechte Komponente der Geschwindigkeit an der Berandung vorhanden sind (d.h. kein Durchfluss). Symmetrie für den Fluss bedeutet auch, dass kein normaler Gradient des Drucks an der Berandung vorhanden ist. Symmetrie für den Fluss unterscheidet sich von den Wandrandbedingungen insofern, dass für eine Wand Scherung vorhanden ist. Eine Randbedingung des Typs Symmetrie (Symmetry) für den Fluss entspricht in der Regel einer physischen Symmetrie im Modell. Dies muss jedoch nicht der Fall sein, wenn die Effekte dieser Randbedingung logisch sind. Beispielsweise können Sie dies verwenden, um eine freie Fläche nachzuahmen.
Die integrierten Größen, die als Ausgabe aus der Randbedingung
Symmetrie (Symmetry) verfügbar sind, sind
Fläche und
Normale.
Specified Pressure Outlet
Verwenden Sie die Randbedingung Specified Pressure Outlet, um den statischen Druck an einer Öffnung für den Abfluss aus der Domäne festzulegen. Im Falle eines Rückflusses kann eine Impulsquelle durch die zugeordnete Back Flow Velocity(optional) und ihre Eingabe (X (X), Y (Y), Z (Z)) hinzugefügt werden. Der angegebene Ausgangsdruck bestimmt den Massefluss durch die Berandung als Teil der Lösung.
Die RandbedingungSpecified Pressure Outlet umfasst die folgenden Optionen:
• Druck (Pressure) – Bestimmt den
statischen Druck am Auslass. Wenn die Eigenschaften der Flüssigkeit vom Druck abhängen, dann sollte Druck der Absolutdruck sein. Andernfalls kann dies ein Relativdruck wie Manometer sein.
• Velocity Profile – Legt das Geschwindigkeitsprofil für die Randbedingung Specified Pressure Outlet auf eine der folgenden Optionen fest:
◦ Vom Benutzer festgelegt (User Specified) – Gibt die Rückflussgeschwindigkeit an. Verwenden Sie den Parameter Back Flow Velocity(optional), der Specified Pressure Outlet zugeordnet ist, um eine Impulsquelle für einen beliebigen Rückfluss an dieser Berandung einzuschließen. Die Werte werden durch die Komponenten X (X), Y (Y) und Z (Z) der Geschwindigkeit eingegeben. Der Parameter Back Flow Velocity(optional) wirkt sich nicht direkt auf den Massefluss aus. Er addiert oder subtrahiert Impulsquellen zu einer beliebigen Flüssigkeit, die in die Domäne zurückfließt. Der Zufluss/Abfluss für die Domäne erfolgt mit einem angegebenen Ausgangsdruck. Wenn der Fluss die Domäne mit einem angegebenen Ausgangsdruck verlässt (wie erwartet), hat der Wert Back Flow Velocity(optional) keine Auswirkung. Die optionale Back Flow Velocity(optional) ist wichtig, wenn die eingehende Flüssigkeit einen relativ hohen dynamischen Kopf hat.
◦ Uniform – Geschwindigkeit am Auslass ist gleichmäßig.
◦ Fully Developed – Geschwindigkeitsprofil an der Berandung ähnelt (selbe Form) dem Geschwindigkeitsprofil an den Zellenmitten, die sich direkt abwärts befinden.
• Ausgabe
Specified Pressure Inlet
Verwenden Sie die Randbedingung Specified Pressure Inlet, um den statischen Druck an einer Öffnung für den Zufluss aus der Domäne festzulegen. Sie können ebenfalls eine Impulsquelle an diesem Typ der Berandung mit der zugeordneten Geschwindigkeitseingabe hinzufügen. Specified Pressure Inlet bestimmt den Massefluss durch die Berandung als Teil der Lösung und enthält die folgenden Optionen:
• Druck (Pressure) – Steuert den
statischen Druck am Einlass. Sie können die Auswirkungen des dynamischen Drucks mithilfe der optionalen
Velocity(optional) einbeziehen. Wenn die eingehende Flüssigkeit einen relativ hohen dynamischen Kopf hat, verwenden Sie die Randbedingung
Specified Total Pressure statt des angegebenen Druckeinlasses.
• Velocity Profile – Kann als Vom Benutzer festgelegt (User Specified), Gleichmäßig (Uniform) oder Fully Developed angegeben werden.
◦ Vom Benutzer festgelegt (User Specified) – Gibt die Rückflussgeschwindigkeit an. Verwenden Sie den Parameter Back Flow Velocity(optional), der Specified Pressure Inlet zugeordnet ist, um eine Impulsquelle für eine beliebige einfließende Flüssigkeit an dieser Berandung einzuschließen. Die Werte werden durch die Komponenten X (X), Y (Y) und Z (Z) der Geschwindigkeit eingegeben. Der optionale Parameter Velocity(optional) wirkt sich nicht direkt auf den Massefluss aus und addiert oder subtrahiert Impulsquellen nur für die in eine Flüssigkeit fließende Flüssigkeit. Der Zufluss/Abfluss für die Domäne erfolgt mit einem angegebenen Eingangsdruck. Wenn der Fluss die Domäne mit einem angegebenen Eingangsdruck verlässt, haben die Werte der optionalen Back Flow Velocity(optional) keine Auswirkung. Die optionale Velocity(optional) ist wichtig, wenn die eingehende Flüssigkeit einen relativ hohen dynamischen Kopf hat.
◦ Uniform – Geschwindigkeit am Einlass ist gleichmäßig.
◦ Fully Developed – Geschwindigkeitsprofil an der Berandung ähnelt (selbe Form) dem Geschwindigkeitsprofil an den Zellenmitten, die sich direkt abwärts befinden.
| Wenn die eingehende Flüssigkeit einen relativ hohen dynamischen Kopf hat, können Sie auch die Randbedingung Specified Total Pressure statt Specified Pressure Inlet verwenden. |
Resistor Capacitor
Resistor Capacitor ermöglicht es Ihnen, aus einer Vielzahl von 1-D-Modellen auszuwählen, um die Fluss-Druck-Beziehung für eine ausgewählte Berandung festzulegen. Der Massefluss (kg/s), der die Domäne verlässt, hat einen positiven Wert. Die folgenden Modelle befinden sich unter der Option Modell (Model) unter Resistor Capacitor:
• DP-Q Curve – Gibt die Flussrate als Funktion des Drucks an.
Dabei gilt:
Q | Volumetrischer Strom (m3/s) |
Pambient | Umgebungsdruck (Pa) |
dP | (Pcell – Pambient) wird berechnet und ist als lokale Ausdrucks-Editor-Variable verfügbar. |
Die Option DP-Q Curve erfordert einen Ausdruck oder eine Tabelle, der/die die Flussrate Q als Funktion von Delta P (dP) für das Eingabefeld Volumetric Flux definiert. Andernfalls gibt es keine Abhängigkeit von delta Pressure (dP). dP als Funktion von Environment Pressure und der Berandungszellendruck werden durch den Code berechnet und sind als lokaler Ausdrucks-Editor verfügbar. Die Einheit von dP ist Pascal.
• Orifice – Berechnet den volumetrischen Fluss, als ob eine kreisförmige Öffnung in der Berandung vorhanden wäre. Die Gleichung und die Eingaben sind wie folgt:
Dabei gilt:
Q | Volumetrischer Strom (m3/s) |
Δp | (Psystem – Umgebungsdruck) (Pa) |
ρ | Zellenflüssigkeitsdichte aufwärts (kg/m3) |
D | Öffnungsdurchmesser (m) |
Do | Durchmesser der Wand (aufwärts), die die Öffnung umgibt (wenn >> D, sodass (D/Do)4 ignoriert werden kann). |
Ref: Frank M. White, Viscous Fluid Flow, 1974 ISBN 0-07-069710-8, S. 227 |
• Resistor – Berechnet den volumetrischen Fluss durch eine Berandung basierend auf dem Druckabfall und einem effektiven Widerstand. Die Gleichung und die Eingaben sind wie folgt:
Dabei gilt:
Q | Volumetrischer Strom (m3/s) |
Δp | Psystem – Umgebungsdruck (Pa) |
r | Widerstand-r (Pa-s/m3) |
• Capacitor – Berechnet den volumetrischen Fluss durch eine Berandung basierend auf dem Druckabfall und einer Kapazität.
• 2 Elemente (2 Elements) – Bestimmt die Fluss-Druck-Beziehung für eine ausgewählte Berandung (Boundary) basierend auf einem Kreislauf aus Widerstand und Kondensator. Die Gleichung für den 2-Element-Widerstandskondensator ist wie folgt:
Dabei gilt:
Q | Volumetrische Fließgeschwindigkeit (m3/s) |
ΔP | Systemdruck – Umgebungsdruck (Pa) |
R | Widerstand-R (Pa-s/m3) |
C | Kondensator (m3/Pa) |
| Diese Randbedingung beruht auf dem 2-Element-Windkessel-Modell, das für die Herzflussmodellierung verwendet wird. Refs. 1) Daniel R. Kerner, Ph.D. und 2) Broemser, Ph., et. al., "Über die Messung des Schlagvolumens des Herzens auf unblutigem Weg", Zeitung für Biologie 90 (1930) 467-507. |
• 3 Elements – Gibt die Fluss-Druck-Beziehung für eine ausgewählte Berandung (Boundary) basierend auf einem Kreislauf aus zwei Widerständen und einem Kondensator an. Die Gleichung für den 3-Element-Widerstandskondensator ist wie folgt:
Dabei gilt:
I | Volumetrische Fließgeschwindigkeit (m3/s) |
ΔP | Systemdruck – Umgebungsdruck |
r | Widerstand-r (Pa-s/m3) |
R | Widerstand-R (Pa-s/m3) |
C | Kondensator (m3/Pa) |
Der Massefluss (kg/s), der die Domäne verlässt, hat einen positiven Wert.
| Diese Randbedingung beruht auf dem 3-Element-Windkessel-Modell, das oft für die Herzflussmodellierung verwendet wird. Refs. 1) Daniel R. Kerner, Ph.D. und 2) Broemser, Ph., et. al., "Über die Messung des Schlagvolumens des Herzens auf unblutigem Weg", Zeitung für Biologie 90 (1930) 467-507. |
Schnittstellenbedingung
Die Schnittstellenbedingung für das Modul
Flow ist nur die gleiche wie für die Randbedingungen, wenn eine Seite der Schnittstelle für Flow
Ausgeblendet (Blanked) ist. Wenn das Modul
Flow auf beiden Seiten einer
Schnittstelle (Interface) aktiv ist, kann sie nur als
Standard-Schnittstelle (Default Interface) zugewiesen werden.
Standard-Schnittstelle (Default Interface) ist die Standardoption für das Modul
Flow für eine Schnittstelle, die Flüssigkeiten verbindet. Die mit der
Standard-Schnittstelle (Default Interface) verfügbare
Ausgabe (Output) des Moduls
Flow umfasst Fläche, Normale, Massefließgeschwindigkeit, volumetrische Fließgeschwindigkeit, Impuls, Druckkraft, durchschnittlicher gesamter Druck, Druck und durchschnittlicher statischer Druck.
Sie können die folgenden Schnittstellenbedingungen und zugeordneten Parameter für
Flow für eine ausgewählte
Schnittstelle (Interface) unter dem Modul
Flow in der Eigenschaftenkonsole angeben.
• Fan – Durch Angabe von Flow Direction und DP-Q Curve für die Fluss-Druck-Beziehung und Swirl (angegeben mit Center, Tangential Velocity und Radial Velocity).
• Pressure Jump – Durch Angabe von Flow Direction und DP-Q Curve für die Fluss-Druck-Beziehung und Swirl (angegeben mit Center, Tangential Velocity und Radial Velocity).
• Porous Surface – Aktiviert einen Widerstand aufgrund einer durchlässigen Schnittstelle, die Flüssigkeiten verbindet. Die dem porösen Flächenmodell zugeordneten Variablen sind: Dicke (Thickness), Durchlässigkeit (Permeability) und Quadratischer Koeffizient (Quadratic Coefficient). Der Druckabfall pro Einheitsabstand für die Schnittstelle wird mit dem Darcy-Forchheimer-Gesetz berechnet:
Der Druckabfall für die Schnittstelle wird berechnet, indem F mit endlicher Dicke multipliziert wird. Die Porosität wird im Modul Common festgelegt.
Ausgabe
Die integrierten Größen, die als Ausgabe des Moduls
Flow für die
Berandungen (Boundaries) verfügbar sind, werden in
Ausgabevariablen angezeigt.