Публикации
Расчёт газонокосилки-трактора методом DEM
«Корабельный двор» Бенетти, расположенный в Viareggio, принадлежавший семье Бенетт с момента своего основания в 1873 году, в 1955 году перешел к Азимуту.
Мощная вычислительная техника расширила возможности инженерного моделирования для автомобилестроительных компаний, оптимизируя решения в области внешней аэродинамики и разработке двигателей ...
Мощная вычислительная техника расширила возможности инженерного моделирования для автомобилестроительных компаний, оптимизируя решения в области внешней аэродинамики и разработке двигателей, позволяя виртуально совершенствовать практически каждый элемент автомобиля. Автомашины для хозяйственных нужд - традиционно отстающий вид транспортных средств - постепенно нагоняют в своём развитии внедорожные автомобили. К этой категории, помимо вездеходов, также относятся машины промышленного назначения, например, сельскохозяйственная и инженерно-строительная техника, техника домашнего обихода (газонокосилки, снегоочистители и т.д.). Недавние технологические достижения в мире инженерных вычислений сделали возможным моделирование таких машин с помощью метода дискретных элементов (Discrete Element Method – DEM), позволяющего качественно исследовать поведение мелких частиц в реальных условиях эксплуатации автомашины без каких-либо аппроксимаций.
На протяжении десятилетий движение жидкостного потока является центральным звеном автоматизированного проектирования (Computer Aided Engineering – CAE) и вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics – CFD), в то время как пользователи САЕ изыскивают способы расчёта движения отдельных частиц. Возможно, автомобильная промышленность - отрасль, наиболее сильно нуждающаяся в таких решениях для чёткого понимания и усовершенствования сложных процессов, происходящих внутри сельскохозяйственных, строительных и бытовых машин. Такие транспортные средства, как сельскохозяйственные трактора, газонокосилки и фронтальные погрузчики используются для подъёма и перемещения огромных масс из мельчайших частиц, на каждую из которых воздействует воздушный поток и моторный механизм, а также многие другие физические механизмы. С недавними достижениями в области моделирования дискретных частиц и увеличением вычислительной мощности инженеры, наконец, получили возможность использовать средства САЕ для усовершенствования и оптимизации таких сложных машин, моделируя каждую частицу в отдельности и получая гораздо более точные результаты.
Раньше загрязняющие частицы, вроде пыли и других твёрдых микрочастиц, моделировались различными методами в виде некой текучей среды. К этим частицам можно отнести травинки (для газонокосилок), гравий и грязь (для строительной техники) или зерно (для сельскохозяйственного оборудования). Моделирование таких частиц в виде текучей среды даёт неточные результаты вследствие их упрощенного представления.
ПРИМЕНЕНИЕ DEM
Метод дискретных элементов (Discrete Element Modeling – DEM) и многофазная модель Лагранжа (Lagrangian Multiphase) уже применяются во многих областях промышленности во всём мире, начиная с расчёта обледенения крыла самолёта и заканчивая моделированием процессов загрязнения. Сейчас эта мощная технология используется в секторе внедорожных транспортных средств. Области применения включают в себя:
-
Расчёт нагрузки для строительных машин, таких как самосвалы, экскаваторы и погрузчики.
-
Агротехника (тракторы, комбайны и т.д.).
-
Бытовое оборудование (газонокосилки, снегоочистители, вездеходы и т.д.).
-
Другие области наземного транспорта, моделирование дождя, снега, грязи.
Многие другие отрасли начали использовать метод DEM, например, для расчёта распыления частиц или струйного распыления - процесса, распространенного в пищевой промышленности, а также при окрашивании аэрозольными баллончиками, в автомобильной и аэрокосмической промышленности. Кроме того, DEM используется в медико-биологической промышленности для исследования процессов всасывания или распространения медикаментов в крови (таблетки) или лёгких (ингаляторы) пациента.
РИСУНОК 1 – Применение метода DEM: комбайны, строительная техника и газонокосилки
МНОГОФАЗНОСТЬ ЛАГРАНЖА
Модель Лагранжа-Эйлера основана на «статистическом описании дисперсной фазы в отношении стохастического (вероятностного) точечного процесса, связанного с Эйлеровым статистическим представлением фазы несущей текучей среды». Это означает, что основная фаза текучей среды решается в виде континуума с помощью уравнений Навье-Стокса, осреднённых по времени. Вторая, дискретизованная фаза или вторая текучая среда, рассеиваемая в относительно небольших пузырьках/каплях или небольших частицах твёрдого вещества, смешивается с жидкостью.
Модель многофазности Лагранжа рассчитывает каждую частицу DEM отдельно с учётом влияния жидкой области и столкновения с другими частицами, а также особенностей в пределах границ моделирования. Это наиболее точное представление частиц, которое возможно в рамках моделирования текучей среды, позволяющее исследовать первичные и вторичные модели распада, а также турбулентную дисперсию. Тем не менее, можно представить, как много для этого требуется процессорных ресурсов, особенно, когда число частиц превышает 105. Новая версия STAR-CCM+ имеет несколько новых возможностей, улучшающих производительность модели DEM до 2.5 раз.
УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ STAR-CCM+
Основной программный продукт CD-adapco STAR-CCM+ в 2010 году представил в своей версии 5.06 возможность расчёта DEM в многофазной модели Лагранжа. С тех пор метод постоянно улучшается и автоматизируется. В самом последнем релизе STAR-CCM+ появилось ещё одно усовершенствование: динамическая балансировка нагрузки, сокращающая время запуска как минимум в 2,5 раза. Кроме того, благодаря усовершенствованному алгоритму AMG снизилось время решения переходных задач на многопроцессорных вычислительных кластерах, где требуется запускать все DEM-расчёты, т.к. одна отдельная частица не может иметь устойчивое состояние под действием действующей на неё силы.
Модели DEM и многофазность Лагранжа являются проверенными моделями, безупречные результаты которых много раз сравнивались с экспериментальными данными и функциями из других физических моделей STAR-CCM+, таких как сила тяжести и различные режимы потока.
Один из наиболее важных инструментов, который STAR-CCM+ предлагает для моделирования DEM, по иронии судьбы, имеет весьма отдалённое отношение к самому DEM, но он необходим абсолютно для любого моделирования: очень качественное исправление поверхности и генерация сеток. Без исправленных, закрытых файлов CAD и точной объёмной геометрии пользователь CAE не получит приемлемых результатов. STAR-CCM+ предлагает множество инструментов для этой цели, включая инструмент замыкания поверхности, различные функции генерации объёмных сеток, а также инструмент построения сеток на основе частей.
Как правило, исправление моделей CAD, с которыми обычно работают пользователи CAE, занимает недели. Грани с отверстиями, свободные рёбра (выступающие края) и другие несовершенные поверхности могут привести к катастрофическим проблемам в физическом моделировании. STAR-CCM+ предлагает собственный инструмент восстановления целостности поверхности (замыкатель поверхности, враппер), который помещает модель в виртуальную замкнутую область, закрывающую все несовершенства в течение нескольких минут. Подавляющее большинство несовершенств моделей CAD исправляется автоматически при создании сетки и удаляется в считанные минуты, резко сокращая время, необходимое для подготовки сетки к моделированию.
Кроме того, STAR-CCM+ имеет несколько построителей объёмных сеток, таких как генератор усеченных и полигональных сеток, обеспечивая высокую скорость и управляемость расчёта в зависимости от целей пользователя. Построение сеток на основе частей позволяет связать сеточное определение с геометрическим объектом, обеспечивая в результате большую управляемость, автоматизацию и сокращение времени обработки.
РИСУНКИ 2, 3 – Сетка трактора-газонокосилки
ДВУХЛОПАСТНОЙ ТРАКТОР-ГАЗОНОКОСИЛКА
На рисунках 2&3 представлен трактор-газонокосилки с лопастями, расположенными под водителем. Специальная перегородка защищает водителя от закидываемой в лопасти травы. Модель движения твёрдого тела (Rigid Body Motion – RBM) позволила задать для каждой лопасти свою собственную область с отдельной сеткой и смоделировать вращение всей области вокруг заданной оси. Из-за ограничений модели RBM СD-adapco рекомендует с каждым временным шагом вращения поворачивать вращающуюся область не более чем на1 градус, чтобы избежать смещения вращающихся ячеек с одной оси со стационарными ячейками. На рисунках выше показаны двухметровые лопасти, вращающиеся с 1500 оборотами в минуту, что переводится на временной шаг как 1.11х10-4с. Для сходимости расчёта было установлено 20 внутренних итераций на шаг-по-времени. Область ввода частиц состояла из 15х15 прямоугольной сетки инжекторов, и каждый инжектор вводил 100 частиц в секунду. Расчёт длился чуть более 0.5с, что означает, что было введено почти 13,000 частиц.
В расчёте использовались некоторые допущения и аппроксимации (приближения). Наиболее важным из них было то, что в пределах данного расчёта трактор-газонокосилка фактически не перемещался. Вращение и перемещение колес, а также создание реального поля с травой для перемещения по ней газонокосилки выходило за рамки моделирования. Таким образом, было смоделировано только движение частиц травы, постоянно вводимых в расчётную область. Поскольку расчёт выполнялся не для всей конструкции трактора, его не нужно было измельчать сеткой полностью. Мелкая сетка была создана лишь для лопастей, защитной перегородки и объёма воздуха в расчётной области.
Ещё одним важным допущением было физическое отсутствие травы снаружи от перегородки, препятствующей движению частиц. Таким образом, вокруг периметра от перегородки к земле был установлен невидимый барьер, предотвращающий утечку частиц в областях, за исключением области эжектора. Этот барьер представлял собой пористую область, которая поддерживала свободное движение текучей среды (воздуха), но препятствовала пересечению барьера частицами.
РИСУНОК 4 - Поток воздуха внутри газонокосилки
РИСУНКИ 5, 6 – Движение частиц травы
Третья важная аппроксимация – форма частиц травы. Каждая частица травы представляла собой неразбиваемый композит сферических частиц, помещённый в коническую форму длиной 1 см. Для простоты и экономии вычислительных ресурсов использовалась только одна модель частиц. Кроме того, частицы вводились в область, уже отделённую от земли; лопасти газонокосилки не участвовали в их отделении от инжектора и только обеспечивали движение воздуха. Из-за малого временного шага (вызванного 1-градусным вращением, упомянутым выше) была создана подробная картина движения частиц, позволяющая визуализировать области, в которых происходило слипание частиц, а также области, которые пострадали от внутренних вихрей.
Каждая частица выводилась только через эжектор (на всех рисунках эжектор размещён с левой стороны). Сопротивление и плотность частиц имели значения, при которых на каждую частицу влияло, прежде всего, движение, вызванное вращающимися лопастями. Частицы были окрашены в соответствии с величиной их скорости.
Проведённое исследование продемонстрировало возможность STAR-CCM+ комплексного моделирования газонокосилки с возможностью увидеть движение каждой отдельной лопасти для травы. Полученные результаты позволят изменить конструкцию с учётом всех тонкостей, которые невозможно увидеть невооружённым глазом, и создать более эффективные модификации с минимальным расходом топлива и временем скоса травы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Модель DEM STAR-CCM+ привносит новые захватывающие возможности в мир CAE. Моделирование каждой отдельно перемещающейся частицы может использоваться при решении широкого круга задач в индустрии наземного транспорта, особенно для внедорожных транспортных средств.
Проведённое исследование наглядно демонстрирует применение метода DEM в инженерном моделировании, даёт краткое описание использования STAR-CCM+ для расчёта движения частиц, а также помогает быстро вникнуть в суть моделирования методом DEM.
