Удобный расчёт аэродинамики жилого квартала в Autodesk CFD
Программа Autodesk CFD предназначена для моделирования движения жидкостей и газов, то есть для решения задач гидрогазодинамики. В этой статье рассматривается пример расчёта аэродинамики жилого квартала. С помощью программы пользователь сможет получить данные движения воздуха между зданиями и сооружениями.
Сначала необходимо создать исходную геометрию, например, с помощью Autodesk Inventor.
Перед тем как переходить к расчёту, необходимо подготовить исходную геометрию:
1. Каждая грань любого тела представляет собой единственную поверхность. При импорте геометрии может сложиться такая ситуация, при которой одна грань будет представлена несколькими поверхностями, – это может вызвать трудности при создании расчётной сетки конечных элементов.
2. Изначально геометрия представлена набором зданий и сооружений без модели основания и воздуха, соответственно, эти модели необходимо задать. Нижняя грань зелёного цвета – это поверхность основания, на котором расположены сооружения. Параллелепипед красного цвета – объём воздуха, который будет рассматриваться в процессе моделирования.
3. Подготовка геометрии завершена, дальше её необходимо экспортировать в Autodesk CFD. На вкладке Simulation запускается процесс экспорта модели из CAD-приложения.
Autodesk CFD не имеет инструментов для создания и редактирования геометрии, программа сфокусирована на решении задач гидрогазодинамики, то есть вся функциональность направлена на назначение свойств материалов, граничных условий, расчётной сетки, параметров решателя и т. д.
Расчёт:
1. Назначение свойств материалов
Свойства отдельных частей модели задаются с в диалоговом окне Materials, которое вызывается щелчком мыши, как показано на картинке ниже.
Для модели воздуха задаются соответствующие параметры, основания и сооружения моделируются как твёрдые тела со свойствами бетона.
2. Граничные условия
Граничные условия находятся на вкладке Boundary Conditions. В модели воздуха сначала задаётся скорость и направление ветра, а также плоскость, через которую поступает воздух.
При моделировании аэродинамики высотных сооружений скорость ветра по высоте может отличаться. Чтобы учесть эти изменения при вводе значения ветра, в диалоговом окне существует специальная настройка Linear Variation. Она показывает, что значение скорости частиц воздуха по высоте будет аппроксимироваться линейными отрезками. В таблице вводятся значения координат и соответствующее им значение скорости ветра.
В представленном примере движение воздуха направлено по нормали к плоскости XZ, но есть случаи, когда расчётная плоскость расположена под углом относительно направления движения вектора скорости ветра. В таких случаях значение вектора скорости вводится по компонентам – таким образом, пользователь может задать любое произвольное направление для движения воздуха.
Задана плоскость для входа потока воздуха, далее на противоположной плоскости указывается граничное условие, по которому воздух беспрепятственно выходит через эту поверхность. Этим условием является равенство давления нулю, значения используются относительно нормального давления.
На трёх оставшихся плоскостях модели воздуха задаётся граничное условие симметрии, при котором плоскость расчётной области является твёрдой границей с характерным граничным условием «прилипания». Частицы, прилегающие к таким поверхностям, будут иметь компонент скорости, направленный только по нормали к ним.
3. Расчётная сетка
Инструмент для создания расчётной сетки Mesh Sizing автоматизирован, и настройки, заданные по умолчанию, подходят для решения большинства задач. Точки на рёбрах модели ограничивают размер конечного элемента, на вкладке Automatic Sizing его можно изменить кнопкой Edit.
4. Настройки решателя
Настройки решателя задаются в соответствующем диалоговом окне Solve, которое вызывается одноимённой кнопкой на рабочей панели. В данном примере тип задачи стационарный, все производные по времени равны нулю, то есть в каждой точке пространства вектор скорости с течением времени не меняется. Задачи гидрогазодинамики решаются итерационным путём. Вычисления выполняются до тех пор, пока не будет достигнута сходимость, обычно для этого достаточно сто итераций.