Демонстрируется функционал CADFlo, позволяющий решать традиционную задачу для теплогенераторов. Комплексно учитываются эффекты:
- течение газа;
- двухконтурность с одновременным рассмотрением течения газа и конвекции и (или) течения в жидкости;
- горение газовой смеси;
- теплообмен с учётом излучения в газе, в том числе сопровождающего горение;
- термоупругость и гравитационная нагрузка.
Это позволяет обходиться без условностей и упрощений, в той или иной степени применяемых в подобных задачах:
- разделение теплового и прочностного расчётов с «ручным» переносом температуры с непосредственным решением задачи термопрочности или же с предварительным решением задачи теплопроводности уже в прочностном анализе (по сути, интерполяцией температуры в объёме тел).
- тепловые эффекты, связанные с горением, рассматриваются изолированно с последующим назначением в тепловую модель генерируемой тепловой мощности;
- при расчёте горения не анализируется вклад излучения в горящем газе в тепловое состояние окружающих объектов;
- теплоотдача от источника тепла (трубок с горячим газом и камеры сгорания) в теплоноситель (в данном случае воду) рассчитывается с использованием коэффициентов теплоотдачи без решения задачи теплопередачи от одной текучей среды к другой через стенку.
Эти приёмы не только снижают точность расчётов, причём с высокой степенью непредсказуемости степени влияния каждого упрощения, но радикально увеличивают трудоёмкость, в том числе за счёт времени принятия решений на тему «оптимальности» упрощений и их реализации. Сравнение результатов, полученных различными исполнителями, затрудняется, а уверенность в качестве снижается. Даже при написании отчётов об исследованиях приходится тратить время на обоснование интерфейсных манипуляций, порождающих естественные вопросы у заказчиков.
В этой связи появление инструмента, позволяющего выполнить расчёт по единому алгоритму, является хорошей новостью. Пользователь, который должен был ранее контролировать как корректность расчётов на каждом этапе, так и перенос результатов между ними, может сосредоточиться на анализе достоверности результатов в пределах самих блоков и сущностей: горение, течение, теплопередача, механика.
Данная задача решается в предположении продольной симметрии, что обеспечивают соответствующие граничные условия для течения, излучения и теплопроводности.
Для сравнения приведём те же иллюстрации, но полученные в результате расчёта без учёта радиационного теплообмена в газе. Как видно, газ охлаждается менее интенсивно по ходу движения. Однако результирующее распределение температуры тела имеет меньше различий.
Прочностной расчёт выполняется методом конечных элементов, присутствующим в CADFlo в упругой постановке, на основе объёмных конечных элементов с автоматической передачей нагрузок от течения и температуры. В данном случае гравитационная нагрузка учитывается только порождённая весом конструкции. Гидростатическое давление от жидкости в холодном контуре не анализируется ввиду условности геометрии этого контура и неактуальности этой информации. Более того, функционал модуля позволяет иметь различные по составу деталей и тел модели: гидравлическую и прочностную.
Кинематические граничные условия имитируют подвижность системы, позволяющую избежать термических напряжений, связанных с закреплением конструкции «в целом».
Также учитывается симметрия относительно продольной вертикальной плоскости.
Сетка конечных элементов преимущественно гексаэдральная с модифицированной линейной аппроксимацией перемещений в элементах, что позволяет с достаточной точностью описывать деформации изгиба и сдвига. Как видно, сложная геометрия с большим числом элементов описана с достаточной точностью, необходимой степенью плотности сетки в зонах, определяющих поведение конструкции.
Пример показан для демонстрации работоспособности программы в ситуациях, требующих комплексного учёта нескольких эффектов. Определённой сложностью является необходимость построения такой геометрической модели, чтобы инструменты CADFlo использовались с максимальной эффективностью, взаимодействие модулей опиралось на корректную промежуточную информацию, а результаты соответствовали осознанным потребностям пользователя.
