Particle Studies, czyli badanie rozkładu cząstek w SOLIDWORKS Flow Simulation - SOLIDEXPERT
Działamy od 2002 roku
Autoryzowany Dystrybutor SOLIDWORKS
NEWSLETTER: promocje, newsy

Particle Studies, czyli badanie rozkładu cząstek w SOLIDWORKS Flow Simulation

SOLIDWORKS Flow Simulation jest programem służącym do analiz komputerowej mechaniki płynów. Za jego pomocą mamy możliwość policzenia pola ciśnienia, prędkości czy temperatury. Istnieje jednak wiele zagadnień, dla których to pole jest dopiero początkiem analizy problemu. Takim problemem jest problem sedymentacji filtrów czy urządzeń transportowych. W tych zagadnieniach policzone pole jest „morzem” po których rozchodzą się transportowane drobiny. Do analizy takich zagadnień służy nam funkcja postprocesora Particle Studies.

Particle Studies może zostać stosowane dla szerokiej skali zjawisk, nie tylko tam gdzie występują zawiesiny ale pomaga też określić na przykład czas w którym płyn przebywa w komorze. Najczęstsze przykłady zastosowania to między innymi:

  • Filtry oraz sedymentacja zawiesin
  • Analiza rozproszonych kropli w płynie
  • Akumulacja drobin na przestrzeni
  • Erozja obiektów wywołana ruchem zawiesin

Czyli jest to narzędzie które może nam pomóc zmodyfikować obudowę wentylatora w celu zmniejszenia akumulacji drobin, określić czy nasze urządzenie jest je w stanie wyciągnąć zanieczyszczenia z przestrzeni czy określić, gdzie element może zacząć erodować.

Schemat działania jest stosunkowo prosty – do policzonego pola przepływu wprowadzamy cząstki o określonej średnicy, prędkości, temperaturze oraz określonym materiale. Następnie przeprowadzona jest analiza co się dzieje z cząsteczką oraz jaki wpływ na trajektorie cząstki mają generowane siły działająca na cząsteczkę.

Funkcja ta ma jednak kilka ograniczeń, między innymi:

  • Brak możliwości uderzeń drobin o siebie
  • Brak możliwości rozpadu drobin na mniejsze
  • Analiza statyczna ruchu drobin
  • Drobiny mogą być tylko i wyłącznie ciałami stałymi bądź cieczami.
  • Rozmiar cząsteczki nie może wpływać na policzone pole przepływu

 

Tworzenie badania Particle Studies

Aby utworzyć badanie ruchu drobin, należy wcześniej przygotować badanie Flow Simulation. Następnie przechodzimy do zakładki wyników i klikając na ikonę Particle Studies wybierając stworzenie badania poprzez kreator bądź nakładając ręcznie warunki.

W kreatorze możemy ustalić opcje jak i warunki brzegowe analizy drobin takie jak:

Ustawienia:

W ustawieniach mamy możliwość określić jakie aspekty fizyczne ma zawierać nasza symulacja, gdzie możęmy wybrać:

  • czy ma zostać uwzględniona działalność grawitacji na cząstki,
  • czy ma zostać uwzględniona erozja ścian,
  • czy chcemy określić akumulacje cząstek na ścianach.

Oprócz tego mamy możliwość określenia czy chcemy, aby wyniki analizy zostały przedstawione jako trajektorie czy może tylko i wyłącznie jako statystyka. Dodatkowo możemy oszacować przez jaki czas oraz długość chcemy śledzić cząstkę, co jest wyjątkowo istotne jeżeli chodzi o warunek idealnego odbicia, gdzie trajektoria cząstki może być wyjątkowo długa poprzez odbijanie się od ściany praktycznie w miejscu..

Źródło cząstek:

W źródle cząstek ustalamy ilość elementów, która ma obrazować rozkład cząstek, umiejscowienie źródła, materiał z którego są wykonane, ich średnice, strumień masowy oraz temperaturę czy prędkość, która może zostań zdefiniowana jako wartość względem policzonego pola przepływu lub wartość bezwzględna. Strumień masowy nie wpływu na trajektorie cząstki, używany jest do kalkulacji erozji oraz nagromadzenia. W przypadku w którym chcielibyśmy zasymulować szerszy zakres średnic cząstek należy dodać kolejne źródła.

Warunki ściany:

Jeżeli chodzi o warunki ściany należy tutaj rozdzielić warunek domyślny oraz warunek szczegółowy. Oczywiście, tak jak też inne domyśle warunki, występuje on na wszystkich ścianach do momentu, w którym nie wskażemy że w danym miejscu jest inaczej.

Dana ściana może być w pełni absorbująca cząstki, powodować idealne odbicie cząstek, bądź odbicie nie w pełni sprężyste z określonymi parametrami. W przypadku wybrania opcji erozji, możemy określić również parametry ściany, która ma zostać poddana erozji.

Jeżeli mamy przygotowane badanie możemy je zatem uruchomić.

Wyniki badania Particle Studies

W związku z tym przeprowadzamy tak naprawdę „analizę w analizie”, czyli dostajemy również dodatkowe dane, które możemy zwizualizować. Dane te dotyczącą następujących wykresów:

 

Surface Plot

W przypadku wybrania opcji erozji bądź nagromadzania cząstek mamy możliwość zobrazowania głębokości erozji w ilości mm na rok (mm/year) jak i nagromadzenia cząstek również w ilości mm na rok jak prędkości tych zjawisk. Wartości te mogą uwzględniać wpływ konkretnego źródła na zjawisko.

Particle Trajectories

Oprócz standardowych wartości, płynu, które mogą zostać przedstawione poprzez Flow Trajectories możemy określić czas przebywania cząstki w domenie, gęstość cząstki jej temperaturę czy prędkości względne.

Surface Parameter

W tym przypadku możemy określić wartości średnie, minimalne oraz maksymalne parametrów występujących w Surface plot jak i ilość cząstek która ma ujście na konkretnej ścianie oraz strumienie masowe wychodzących cząstek.

XY Plot

W tym przypadku mamy możliwość pokazania wyników dostępnych poprzez Surface Plot na krzywej znajdującej się na ścianie.

Statistics

Gdy klikniemy prawym przyciskiem na badanie i wybierzemy opcje Statistics, pokaże nam się pełna statystyka badania. Uwzględnia ona stan końcowy cząstki, długość trajektorii jak i czas przebywania cząstki w przestrzeni. Po kliknięciu na cząstkę podświetli się oknie graficznym na zielono miejsce startu cząstki oraz na żółto jej stan końcowy.

 

Studium przypadku, gromadzenie się drobin kurzu w urządzeniu elektronicznych.

Znając już co możemy uzyskać za pomocą badania oraz w jaki sposób należy przeprowadzić badanie pochylimy się na rzeczywistym problemem, który możemy przenalizować za pomocą tego rodzaju badania. Skupimy się na akumulacji drobin kurzu w urządzeniu elektronicznym, które jest chłodzone poprzez wentylator.

  • Omówienie warunków brzegowych

W badaniu nałożono generacje ciepła na określone komponenty bądź stałe temperatury. Za chłodzenie odpowiada wentylator wdmuchujący powietrze o temperaturze równej 20 °C o prędkości równej 1 m/s. Wentylator ten wdmuchuje również drobiny znajdujące się w otoczeniu. Załóżmy, że drobiny te są wyrażone jako 3 źródła cząstek mających swoje źródła na ścianie wlotowej wentylatora. Mają one identyczny przepływ masowy na poziomie 1∙10-9 kg/s oraz średnice 0.1, 0.2,oraz 0.3 mm. Zostało wykonane badanie parametryczne mające na celu określenia co się będzie działo z drobinami jeżeli zmienimy prędkość wentylatora od 1 m/s do 5 m/s.

W związku z tym, że wyniki analizy drobin znajdują się w folderze wyników, to jeżeli zaznaczymy chociaż jeden wykres, który wymaga przeliczenia badania drobin, to zostanie ono wykonane dla każdego badania mającego miejsce w badaniu parametrycznym.

Wyniki analizy zostały przedstawione na obrazach pokazanych poniżej:

 

 

Wyniki analizy dla prędkości równej 1 m/s.

 

 

 

Wyniki analizy dla prędkości równej 2 m/s.

 

 

Wyniki analizy dla prędkości równej 3 m/s.

 

 

Wyniki analizy dla prędkości równej 4 m/s.

 

 

Wyniki analizy dla prędkości równej 5 m/s.

 

Zgodnie z logiką możemy zauważyć, że obszary osadzania kurzu dla wysokich prędkości są dużo mniejsze i skupiają się głównie przy narożach. bądź pod innymi obiektami. Po liczbie cząstek znajdujących się na wylocie możemy zauważyć, że zostaje mniej cząstek w układzie, które mogłyby się osadzić.

Podsumowanie

Za pomocą Particle Studies jesteśmy w stanie oszacować nie tylko rozkład cząstek. Możemy również obliczyć jak wpływają one na ściany i czy nie wywołują erozji materiału. Dowiemy się również, gdzie oraz w jakich ilościach mogą się one gromadzić. Należy jednak pamiętać że nie jest to analiza typu DEM i stawia pewne ograniczenia. Mimo to może zdecydowanie pomóc przy wielu zagadnieniach towarzyszących przepływowi.

Autor:

Karol SUCHOŃ

Inż. wsparcia technicznego CAD / SIM