Condizioni al limite
I parametri delle condizioni al limite per il modulo Flusso (Flow) si applicano ai limiti nell'albero Flow Analysis. Le opzioni si applicano inoltre alle interfacce per le quali il modulo Flusso (Flow) è disattivato su un lato dell'interfaccia, creando così un Limite (Boundary).
Le condizioni al limite vengono visualizzate nel pannello Properties quando selezionate un limite nell'albero Flow Analysis in General Boundaries.
Parete
La condizione al limite Parete (Wall) per il modulo Flusso (Flow) corrisponde a un limite solido. La parete per il modulo Flusso (Flow) indica la presenza di taglio (trascinamento) e nessun componente normale di velocità in corrispondenza del limite, ad esempio nessun flusso continuo. Quando il modulo Turbolenza (Turbulence) è attivo, è possibile considerare la rugosità della parete utilizzando le opzioni Wall Roughness Model. È possibile utilizzare le opzioni per assegnare una velocità della parete di taglio alle condizioni al limite Parete (Wall).
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La condizione al limite Parete (Wall) è la condizione di default per il modulo Flusso (Flow).
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• Opzioni (Options)
Per introdurre il taglio nella parete, selezionate Opzioni (Options) per la condizione al limite Parete (Wall) nel modulo Flusso (Flow).
◦ Stazionario (Stationary) - Presuppone che la parete sia fissa.
◦ Cartesiano (Cartesian) - Introduce il taglio nella parete in termini di componenti X, Y e Z della velocità. La velocità nella condizione al limite Parete (Wall) è un input correlato al frame di laboratorio fisso.
◦ Tangente (Tangential) - Introduce il taglio nella parete in termini di normale alla parete. La velocità tangenziale nelle condizioni al limite di parete è un input relativo in termini di Vector Normal to Wall Velocity e un valore.
La velocità per una condizione al limite Parete (Wall) è pensata per introdurre un taglio nella parete. In questa variante, vengono utilizzate solo velocità tangenziali.
Dal punto di vista numerico, la velocità per una condizione al limite Parete (Wall) introduce un'origine di momento nel momento. La velocità per una condizione al limite Parete (Wall) in realtà non sposta il limite perché non cambia la forma del dominio.
• Wall Type
Per Tipo di parete (Wall Type), specificate una delle opzioni descritte di seguito.
◦ Rigido (Rigid) - Genera una parete che non si deforma.
◦ Flessibile (Flexible) - Genera una parete deformante che non sposta fisicamente la griglia associata alla parete. L'effetto del movimento della parete viene incluso cambiando il volume effettivo della cella adiacente.
L'equazione riportata di seguito calcola le tensioni, gli spostamenti virtuali e la velocità della parete.
dove
τ | tensione del taglio della parete |
r | raggio del tubo |
r0 | raggio di riferimento |
p | pressione del fluido (Pa) |
p0 | pressione di riferimento |
h | spessore della parete |
E | modulo di Young |
σ | coefficiente Poisson |
Per Modello deformazione (Deformation Model), le pareti flessibili del modello vengono completate in due modi.
◦ Modello Elastic Pipe - Richiede il raggio, lo spessore della parete, il modulo di Young, il coefficiente Poisson e la pressione di riferimento come input, sotto forma di funzione di (x,y,z,t), e tutte le variabili valide. Questa funzione viene ottenuta utilizzando un'espressione analitica o specificata utilizzando una tabella.
◦ Defin utente (User Defined) - Specifica lo spostamento come funzione di pressione che utilizza un'espressione analitica o in un formato tabellare.
• Taglio ordine superiore (High Order Shear)
L'opzione High Order Shear per la condizione al limite Parete (Wall) nel modulo Flusso (Flow) utilizza una funzione parabolica per il profilo della velocità accanto alla parete, invece di una funzione lineare. Potete utilizzare questa funzionalità nei modi indicati di seguito.
◦ Per il flusso laminare in prossimità della parete
◦ Se la cella della parete adiacente si trova all'interno del sottolivello laminare per i flussi turbolenti
◦ Per ridurre il numero di celle utilizzate per risolvere il flusso in spazi sottili che sono pesantemente dominati da forze di taglio viscose.
Velocità specificata
È possibile utilizzare la condizione al limite Specified Velocity per impostare la velocità (m/s) del fluido in corrispondenza di un'apertura nella creazione di un ingresso, un'uscita o una combinazione di entrambi. Velocità specificata (Specified Velocity) imposta la velocità sul limite. La portata della massa corrispondente viene conseguentemente determinata dalla densità e dalla velocità del fluido, in relazione all'orientamento e all'area del limite. È possibile impostare la direzione e la grandezza della velocità per la condizione al limite Specified Velocity utilizzando le opzioni descritte di seguito.
• Cartesiano (Cartesian) - Immettere la velocità per il limite in termini di componenti della velocità X, Y e Z in relazione al sistema di coordinate del modello.
• Normale limite (Boundary Normal) - Immettere la velocità per il limite normale al limite. La grandezza è controllata dall'opzione Componente velocità normale (Normal Velocity Component). La direzione di flusso viene impostata selezionando Entrata (Inflow), Uscita (Outflow) o Ambedue (Both).
◦ Entrata (Inflow) - Consente l'accesso del flusso nel dominio.
◦ Uscita (Outflow) - Consente l'uscita del flusso dal dominio.
◦ Ambedue (Both) - Consente al flusso di entrare e uscire dal dominio.
Per Entrata (Inflow) o Uscita (Outflow), un valore di Componente velocità normale (Normal Velocity Component) negativo viene reimpostato su un valore positivo, in modo che il segno del valore per la portata volumetrica non abbia alcuna influenza sulla direzione del flusso.
| | In Creo Flow Analysis, una portata di massa o una portata volumetrica positiva in un Limite (Boundary) corrisponde a un flusso in uscita. |
• Vortice (Swirl) - Introduce un flusso vorticoso in un Limite (Boundary). La grandezza del flusso in ingresso è controllata dall'opzione Componente velocità normale (Normal Velocity Component). La direzione di flusso viene impostata selezionando Entrata (Inflow), Uscita (Outflow) o Ambedue (Both). La velocità del vortice viene controllata dalle opzioni seguenti: Rotational Speed, Rotational Center e Rotational Axis Vector.
◦ La direzione di rotazione di un vortice viene specificata in relazione al frame di riferimento (lab) fisso, dalla prospettiva di un osservatore con il vettore dell'asse di rotazione diritto. La direzione di rotazione in senso orario o antiorario accetta solo un valore positivo della velocità di rotazione. Se si seleziona Ambedue (Both)·per la direzione di rotazione di un turbinio, è possibile specificare la direzione di vortice in base al segno della velocità di rotazione, in modo che un valore positivo produca una rotazione in senso orario e un valore negativo determini la rotazione in senso antiorario.
◦ La grandezza della velocità di rotazione di un limite viene specificata in relazione al frame di riferimento (lab) fisso.
Flusso volumetrico specificato
È possibile utilizzare la condizione al limite Specified Volumetric Flux per impostare la portata volumetrica (m3/s) del fluido nella creazione di un ingresso, un'uscita o una combinazione di entrambi. Portata volumetrica specificata (Specified Volumetric Flux) imposta la velocità sul limite. La portata della massa corrispondente viene conseguentemente determinata dalla densità ρ e dalla velocità v del fluido, in relazione all'orientamento e all'area del limite. L'opzione Portata volumetrica specificata (Specified Volumetric Flux) si riferisce all'integrale delle portate volumetriche sul limite. La velocità associata a una condizione Portata volumetrica specificata (Specified Volumetric Flux) può essere Uniforme (Uniform) o basata su Completamente sviluppato (Fully Developed). È possibile specificare la direzione e la grandezza della velocità utilizzando le opzioni descritte di seguito.
1. Direzione flusso (Flow Direction) - La direzione viene controllata selezionando Entrata (Inflow), Uscita (Outflow) o Ambedue (Both).
2. Profilo velocità (Velocity Profile) - Impostare il profilo della velocità per la condizione al limite Portata volumetrica specificata (Specified Volumetric Flux) su una delle opzioni descritte di seguito.
◦ Uniforme (Uniform) - Velocità costante in corrispondenza del limite in base all'area del limite (A) e l'orientamento: V = (portata volumetrica)/area.
◦ Fully Developed - Il profilo della velocità in corrispondenza del limite è simile (stessa forma) al profilo della velocità in corrispondenza dei centri delle celle immediatamente successive.
Pressione totale specificata
È possibile utilizzare la condizione al limite Specified Total Pressure per impostare la Total Pressure in corrispondenza di un'apertura tramite cui è previsto che un flusso entri o esca dal dominio. La velocità del flusso nel limite viene quindi calcolata come parte della soluzione. È possibile specificare la direzione e la pressione.
• Opzione direzionale (Directional Option) - La direzione del vettore di velocità al limite viene vincolata utilizzando le opzioni descritte di seguito.
◦ Cartesiano (Cartesian) - Vincola la velocità al limite a una direzione specificata, in relazione al sistema di coordinate del modello. I componenti vettoriali di Direzione flusso (Flow Direction) (X, Y e Z) vengono utilizzati insieme all'opzione Cartesiano (Cartesian) per vincolare la velocità al limite a una direzione specificata.
◦ Normale limite (Boundary Normal) - Vincola la velocità al limite in modo che sia normale al limite. L'opzione Normale limite (Boundary Normal) utilizza la normale locale di ogni faccia di cella nel limite selezionato.
• Pressione totale (Total Pressure)
• Velocity Profile - Imposta il profilo della velocità per la condizione al limite Specified Volumetric Flux su una delle opzioni descritte di seguito.
◦ Uniforme (Uniform) Pressione totale costante nel limite basata sull'area del Limite (Boundary) (A) e sull'orientamento.
◦ Gradiente zero (Zero Gradient) - Pressione totale nel limite basata su un'estrapolazione delle pressioni totali interne. Non vengono applicati gradienti o modifiche.
Rotating Wall
L'opzione Parete rotante (Rotating Wall) simula l'effetto di taglio di una parete rotante. Include le opzioni descritte di seguito.
• Tipo di parete (Wall Type) - Specificare Rigido (Rigid) o Flessibile (Flexible).
• Taglio ordine superiore (High Order Shear)
• Direzione di rotazione (Rotational Direction) - Determina la direzione di rotazione di una parete rotante. La direzione di rotazione di un limite viene specificata in relazione al frame di riferimento (lab) fisso, dalla prospettiva di un osservatore con il vettore dell'asse di rotazione diritto. Per specificare la direzione di rotazione, selezionate Ambedue le direzioni (Both Directions) della rotazione di un limite. Questa direzione si basa sul segno della velocità rotazionale. Pertanto un segno positivo produce una rotazione in senso orario e un segno negativo determina una rotazione in senso antiorario.
• Velocità di rotazione (Rotational Speed)
• Vettore asse di rotazione (Rotational Axis Vector)
• Centro di rotazione (Rotational Center)
• Velocità assiale (Axial Velocity)
• Output
Simmetria (Symmetry)
La simmetria per il flusso significa che non sono presenti tagli (lo slittamento è perfetto) e componenti normali di velocità in corrispondenza del limite (nessun flusso continuo). La simmetria per flusso significa anche che in corrispondenza del limite non sono presenti gradienti normali di pressione. La simmetria per flusso differisce dalle condizioni al limite di parete per il fatto che a una parete è applicabile il taglio. Una condizione al limite Simmetria (Symmetry) per flusso corrisponde in genere a una simmetria fisica nel modello. Non deve tuttavia corrispondervi obbligatoriamente se gli effetti di questa condizione al limite sono logiche. Ad esempio, è possibile utilizzare la simmetria per imitare una superficie libera.
Le quantità integrate disponibili come output dalla condizione al limite Simmetria (Symmetry) sono Area e Normale.
Pressione in uscita specificata
È possibile utilizzare la condizione al limite Uscita pressione specificata (Specified Pressure Outlet) per impostare la pressione statica in corrispondenza dell'apertura tramite cui si prevedere che il flusso esca dal dominio. In caso di riflusso, è possibile aggiungere anche un'origine di momento tramite l'opzione Back Flow Velocity (optional) associata e il relativo input (X, Y, Z). L'uscita della pressione specificata determina la portata di massa attraverso il limite come parte della soluzione.
La condizione al limite Uscita pressione specificata (Specified Pressure Outlet) include le opzioni descritte di seguito.
• Pressione (Pressure) - Determina la pressione statica all'uscita. Se le proprietà del fluido dipendono dalla pressione, quest'ultima deve essere assoluta. In caso contrario, può essere una pressione relativa, ad esempio la pressione manometrica.
• Velocity Profile - Imposta il profilo della velocità per la condizione al limite Specified Pressure Outlet su una delle opzioni descritte di seguito.
◦ Specificato dall'utente (User Specified) - Specifica la velocità di un riflusso. Utilizzare il parametro Back Flow Velocity (optional) associato a Specified Pressure Outlet per includere un'origine del momento per ogni riflusso in corrispondenza di questo limite. I valori vengono immessi in termini di componenti X, Y e Z della velocità. Il parametro Back Flow Velocity (optional) non influisce direttamente sulla portata di massa. Aggiunge o sottrae origini del momento a qualsiasi fluido che ritorna nel dominio. Il flusso può entrare o uscire dal dominio a un'uscita di pressione specificata. Se il flusso esce dal dominio a un'uscita di pressione specificata (prevista), il valore di Back Flow Velocity (optional) non ha alcun effetto. L'opzione Back Flow Velocity (optional) è importante se il fluido in ingresso ha una prevalenza dinamica relativamente elevata.
◦ Uniforme (Uniform) - La velocità all'uscita è uniforme.
◦ Fully Developed - Il profilo della velocità in corrispondenza del limite è simile (stessa forma) al profilo della velocità in corrispondenza dei centri delle celle immediatamente successive.
• Output
Pressione in entrata specificata
È possibile utilizzare la condizione al limite Entrata pressione specificata (Specified Pressure Inlet) per impostare la pressione statica in corrispondenza dell'apertura da cui il flusso può entrare nel dominio. È inoltre possibile aggiungere un'origine del momento in corrispondenza di questo tipo di limite utilizzando l'input di velocità associato. L'opzione Specified Pressure Inlet determina la portata di massa attraverso il limite come parte della soluzione e include le opzioni descritte di seguito.
• Pressione (Pressure) - Controlla la pressione statica all'ingresso. È possibile includere gli effetti della pressione dinamica utilizzando l'opzione Velocity (optional). Se il flusso in ingresso dispone di una prevalenza dinamica relativamente elevata, utilizzare la condizione al limite Specified Total Pressure invece della pressione in entrata specificata.
• Profilo velocità (Velocity Profile) - Può essere specificata come Specificato dall'utente (User Specified), Uniforme (Uniform) o Completamente sviluppato (Fully Developed).
◦ Specificato dall'utente (User Specified) - Specifica la velocità di un riflusso. Utilizzare il parametro Velocity (optional) associato a Specified Pressure Inlet per includere un'origine del momento per ogni flusso che entra in corrispondenza di questo limite. I valori vengono immessi in termini di componenti X, Y e Z della velocità. Il parametro facoltativo Velocity (optional) non influisce direttamente sulla portata di massa. Aggiunge o sottrae semplicemente le origini del momento al fluido in ingresso. Il flusso può entrare o uscire dal dominio a una pressione in entrata specificata. Se il flusso esce dal dominio a una pressione in entrata specificata, i valore del parametro Velocity (optional) facoltativo non hanno alcun effetto. Il parametro facoltativoVelocity (optional) è importante se il fluido in ingresso ha una prevalenza dinamica relativamente elevata.
◦ Uniforme (Uniform) - La velocità all'ingresso è uniforme.
◦ Fully Developed - Il profilo della velocità in corrispondenza del limite è simile (stessa forma) al profilo della velocità in corrispondenza dei centri delle celle immediatamente successive.
| | Se il fluido in ingresso dispone di una prevalenza dinamica relativamente elevata, è anche possibile utilizzare la condizione al limite Pressione totale specificata (Specified Total Pressure) invece di Entrata pressione specificata (Specified Pressure Inlet). |
Condensatore di resistenza
Condensatore resistenza (Resistor Capacitor) consente di selezionare uno tra i vari modelli 1-D per determinare il rapporto flusso-pressione per un limite selezionato. La portata (kg/s) che lascia il dominio ha un valore positivo. Di seguito sono descritti i modelli che sono disponibili nell'opzione Modello (Model) in Condensatore resistenza (Resistor Capacitor):
• Curva DP-Q (DP-Q Curve) - Specifica la velocità del flusso come funzione di pressione.
dove
Q | portata volumetrica (m3 /s) |
Pambient | pressione ambientale (Pa) |
dP | (Pcell - Pambient) viene calcolato ed è disponibile come variabile dell'editor delle espressioni locale |
L'opzione DP-Q Curve richiede un'espressione o una tabella che definisca la velocità di flusso Q come funzione del Delta P (dP) per il campo di input Volumetric Flux. Altrimenti non vi è dipendenza della pressione delta (dP). dP come funzione della Environment Pressure e della pressione della cella del limite viene calcolato dal codice ed è disponibile come editor delle espressioni locale. L'unità di dP è Pascal.
• Orifizio (Orifice) - Calcola la portata volumetrica come se nel limite fosse presente un orifizio circolare. Di seguito sono descritti l'equazione e gli input.
dove
Q | portata volumetrica (m3 /s) |
Δp | (Psystem - pressione ambientale) (Pa) |
ρ | densità fluido cella a monte (kg/m3) |
D | diametro orifizio (m) |
Do | diametro della parete a monte che circonda l'orifizio (supposto che >> D, ad esempio (D/Do)4 possa essere ignorato). |
Riferimento: Frank M. White, Viscous Fluid Flow, 1974 ISBN 0-07-069710-8, p. 227 | |
• Resistenza (Resistor) - Calcola la portata volumetrica attraverso un limite in base alla caduta di pressione e su una resistenza effettiva. Di seguito sono descritti l'equazione e gli input.
dove
Q | portata volumetrica (m3 /s) |
Δp | Psystem - pressione ambientale (Pa) |
r | resistore r (Pa-s/m3) |
• Condensatore (Capacitor) - Calcola la portata volumetrica attraverso un limite in base alla caduta di pressione e una capacità.
• 2 elementi (2 Elements) - Determina il rapporto flusso-pressione per un Limite (Boundary) selezionato in base a un circuito costituito da un resistore e un condensatore. Di seguito viene descritta l'equazione per i 2 elementi resistore-condensatore.
dove
Q | portata volumetrica (m3 /s) |
ΔP | pressione di sistema - pressione ambientale (Pa) |
R | resistore R (Pa-s/m3) |
C | condensatore (m3/Pa) |
| | Questa condizione al limite si basa sul modello Windkessel a 2 elementi utilizzato per il modello del flusso cardiaco. Riferimenti: 1) Daniel R. Kerner, Ph.D. e 2) Broemser, Ph., et. al., "Uber die Messung des Schlagvolumens des Herzens auf unblutigem Weg'', Zeitung für Biologie 90 (1930) 467-507. |
• 3 elementi (3 Elements) - Specifica il rapporto flusso-pressione per un Limite (Boundary) selezionato in base a un circuito costituito da due resistori e un condensatore. Di seguito viene descritta l'equazione per i 3 elementi resistore-condensatore.
dove
I | portata volumetrica (m3 /s) |
ΔP | pressione di sistema - pressione ambientale |
r | resistore r (Pa-s/m3) |
R | resistore R (Pa-s/m3) |
C | condensatore (m3/Pa) |
La portata (kg/s) che lascia il dominio ha un valore positivo.
| | Questa condizione al limite si basa sul modello Windkessel a 3 elementi spesso utilizzato per il modello del flusso cardiaco. Riferimenti: 1) Daniel R. Kerner, Ph.D. e 2) Broemser, Ph., et. al., "Uber die Messung des Schlagvolumens des Herzens auf unblutigem Weg'', Zeitung für Biologie 90 (1930) 467-507. |
Condizione di interfaccia
La condizione di interfaccia per il modulo Flusso (Flow) è la stessa delle condizioni al limite, solo se un lato dell'interfaccia è Disattivato (Blanked) per il flusso. Se il modulo Flusso (Flow) è attivo su entrambi i lati di un'Interfaccia (Interface), può essere assegnato solo come Interfaccia di default (Default Interface).
Interfaccia di default (Default Interface) rappresenta l'opzione di default del modulo Flusso (Flow) per un'interfaccia che connette fluido a fluido. Nel modulo Flusso (Flow), l'Output disponibile con l'opzione Interfaccia di default (Default Interface) include area, normale, portata nell'unità di tempo, portata volumetrica, momento, forza della pressione, pressione totale media, pressione e pressione statica media.
È possibile specificare le seguenti condizioni di interfaccia e i parametri di flusso associati per un'Interfaccia (Interface) selezionata nel modulo Flusso (Flow) nel pannello Proprietà (Properties).
• Vent (Fan) - Specificando la Direzione flusso (Flow Direction), DP-Q Curve per il rapporto flusso-pressione e Swirl (specificato utilizzando Center, Tangential Velocity e Radial Velocity).
• Pressure Jump - Specificando la Direzione flusso (Flow Direction), DP-Q Curve per il rapporto flusso-pressione e Swirl (specificato utilizzando Center, Tangential Velocity e Radial Velocity).
• Superficie porosa (Porous Surface) - Consente di aggiungere una resistenza grazie a un'interfaccia permeabile che connette fluido a fluido. Le variabili associate al modello di superficie porosa sono le seguenti:Spessore (Thickness), Permeabilità (Permeability) e Coefficiente quadratico (Quadratic Coefficient). La distanza della caduta di pressione per unità nell'interfaccia viene calcolata applicando la legge di Darcy-Forchheimer.
La caduta di pressione nell'interfaccia viene calcolata moltiplicando F per lo spessore finito. La porosità viene impostata nel modulo Comune (Common).
Output
Le quantità integrate disponibili come output dal modulo Flow per i Boundaries vengono visualizzate nelle variabili di output.