Simcenter Amesim – Nhúng CFD | Thanh PLM

Phương pháp mô phỏng xoay quanh Nhúng CFD liên quan đến việc tạo ra một mô hình nhiều vùng. Điều này có thể dựa trên hình dạng nguyên thủy tạo ra bằng công cụ hoặc bằng cách nhập một “tệp mô phỏng hình học” Simcenter STAR-CCM+ (.sim) hoặc một lưới bề mặt MSC Nastran (.nas). Để nhập một hình dạng đã được xác định trước đó, có những yêu cầu cần thiết và nó không đơn giản như nhập trực tiếp hình dạng CAD, ví dụ: .step, igs, .x_t. Thay vào đó, một quy trình chứa việc trích xuất cơ thể chất lỏng, làm sạch CAD, in ấn, thiết lập khu vực, phải được thực hiện trước khi có thể nhập “tệp hình học (geometry)”. Điều này có thể yêu cầu ai đó có kiến thức trước về Simcenter STAR-CCM+ trong quá trình đó.

Một biểu diễn nhiều vùng của một khối lượng không khí bị đóng kín được đạt được bằng cách chia một khối lượng thành nhiều khối lượng nhỏ hơn có liên kết, nơi mỗi phần tử khối lượng được kết nối bằng bề mặt của nó với các phần tử khối lượng khác, ranh giới, hoặc bề mặt vật liệu (như tường hoặc cửa sổ). Phương pháp này đảm bảo rằng diện tích bề mặt chính xác của một phần tử khối lượng đối diện với phần tử khác được sử dụng. Ví dụ, khi một khối lượng một phần đối diện với một cửa sổ, phần cửa sổ đó được tính đến. Điều này trở nên quan trọng khi tính toán phần nào của tổng số nhiệt từ mặt trời qua cửa sổ được xem xét cho phần tử khối lượng cụ thể đó và cũng đúng khi xem xét các loại ranh giới khác.

Quy trình đã mô tả ở trên có thể được thực hiện sử dụng một phương pháp mô phỏng một chiều mà không cần tích hợp Simcenter STAR-CCM+, thực sự đây là cách phương pháp bắt nguồn. Tuy nhiên, khó khăn nằm ở việc thiếu thông tin về hệ số chuyển giao nhiệt địa phương. Tính toán sự chuyển động của một chất lỏng đi qua nhiều khối lượng hoặc gần ranh giới chỉ sử dụng một phương pháp mô phỏng một chiều thường không đủ để nắm bắt hoàn toàn hành vi. Xem xét dự đoán hành vi của một dòng không khí thoát ra khỏi một ống dẫn trong hệ thống khí hậu của xe. Vì những lý do này, một trình giải CFD 3D được gọi định kỳ để tính toán sự chuyển động của chất lỏng và xác định hệ số chuyển giao nhiệt địa phương gần ranh giới trong trạng thái ổn định.

Trong Nhúng CFD, Simcenter Amesim và Simcenter STAR-CCM+ không được kết hợp cùng nhau giống như trong co-simulation truyền thống. Không có mô hình vật lý co-simulation nào được chọn trong Simcenter STAR-CCM+ và không có thành phần co-simulation nào được đặt trên khu vực bản vẽ của Simcenter Amesim. Thay vào đó, người dùng xác định khi nào cần chạy một mô phỏng CFD 3D. Những sự kiện này được xác định bằng mạch logic hoặc sử dụng biểu đồ trạng thái bên trong Simcenter Amesim và có thể kích hoạt nếu ví dụ một thành phần lưu lượng khối lượng thay đổi hơn một giá trị nhất định, được đặt để kích hoạt tại sự kiện thời gian nhất định, hoặc với một tần số cố định. Trong hình dưới đây, một kịch bản làm mát đang được điều tra nơi nhiệt độ của các vùng khác nhau được giám sát. Hiển thị cùng với các nhiệt độ là các đường nét đứt chỉ ra khi nào một chạy CFD trạng thái ổn định đã được khởi động.

Simcenter Amesim cung cấp dữ liệu cập nhật cho các điều kiện biên được sử dụng trong Simcenter STAR-CCM+, như bức xạ mặt trời qua cửa sổ, nhiệt độ cho ghế và tường, lưu lượng vào, hoặc áp suất ra. Lần lượt, một mô phỏng trạng thái ổn định được chạy trong Simcenter STAR-CCM+ để lấy lưu lượng thông qua các giao diện giữa các vùng và hệ số chuyển giao nhiệt địa phương gần ranh giới tường, ví dụ như cửa sổ hoặc ghế. Bằng cách áp dụng phương pháp này, lưu lượng trong khối lượng không khí bị đóng kín được giải quyết ở một mức độ cao hơn và do đó cho phép dự đoán tốt hơn về hành vi gần tường, dẫn đến việc sử dụng hệ số chuyển giao nhiệt hợp lý hơn bên trong Simcenter Amesim. Hơn nữa, vì co-simulation không được thực hiện ở mỗi bước thời gian nên thời gian tiêu thụ cho việc tính toán mô phỏng CFD nặng là thấp và vì phương pháp nhiều vùng nên Simcenter Amesim có thể tiếp tục chạy mô phỏng của nó ngay cả giữa các sự kiện CFD.

Đáng chú ý rằng việc chia khối lượng chất lỏng thành các vùng được thực hiện nhằm đạt được một mô hình mô phỏng hệ thống chi tiết hơn, và không ảnh hưởng đến mô phỏng CFD 3D. Các vùng tương ứng bên trong Simcenter STAR-CCM+ được tạo ra với mục đích chuyển thông tin trở lại Simcenter Amesim và sẽ không ảnh hưởng đến việc tạo lưới. Để chuyển thông tin giữa các vùng trong Simcenter STAR-CCM+, các giao diện ở chỗ đặt được tạo ra cho mỗi ranh giới không được bao bọc bởi một bức tường thực sự.

Hãy cùng xem giao diện CFD Nhúng thực tế. Giống như hầu hết các ứng dụng bên trong Simcenter Amesim, công cụ này tuân theo quá trình từng bước quen thuộc. Đầu tiên, bạn có lựa chọn giữa việc tạo hình học riêng của mình sử dụng các hình dạng cơ bản hoặc nhập một hình vào. Trong bước hình học, một hình học sẽ được tạo ra, hoặc một hình ảnh hình học sẽ được tạo từ tệp đã nhập. Hình dưới đây cho thấy một hình học đã được nhập.

Ở bước vật lý, các mặt khác nhau của hình học được chọn làm ranh giới như đầu vào hoặc đầu ra, các bề mặt có nhiệt độ vật liệu được tính bởi Simcenter Amesim, bề mặt trong suốt hoặc mờ. Thêm vào đó, quyết định biến nào sẽ được xuất sang Simcenter STAR-CCM+ và điều kiện ban đầu về áp suất, nhiệt độ và vận tốc được đặt cùng với thông số lưới duy nhất có sẵn; kích thước lưới trung bình. Khi hài lòng, việc tạo lưới trong Simcenter STAR-CCM+ có thể được bắt đầu bằng cách nhấn nút tạo.

Trong hình bên trái, hình học như thấy trong Simcenter STAR-CCM+. Cửa sổ và hành khách là ví dụ về các bề mặt có thể được đặt điều kiện ranh giới cụ thể. Trong hình bên phải, lưới thể tích cuối cùng được hiển thị.

Với CFD Nhúng, mục tiêu là giữ kích thước lưới thấp để ưu tiên tốc độ tính toán. Trong mô hình cụ thể này, số ô tổng cộng chỉ dưới 200.000 ô, coi như là nhỏ khi so sánh với mô phỏng CFD thông thường.

Dưới tab có tên “From 3D model to 1D“, các biến để nhập từ Simcenter STAR-CCM+ được khai báo. Cũng có khả năng cảm nhận biến bên trong thành phần đa vùng do Simcenter Amesim tạo ra và bao gồm chúng tại cổng đầu tiên của thành phần đó để sử dụng sau này trong mô hình hệ thống tổng thể.

Trong tab 1D model generation, một tóm tắt về thông số chính của mô hình được cung cấp cũng như một nút tạo bản phác thảo. Khi nhấn, nút tạo tự động bắt đầu tổ chức các thành phần và kết nối để hình thành các vùng và bề mặt khác nhau. Dưới đây, bên trong một thành phần CFD Nhúng 3D buồng lái hoàn chỉnh được hiển thị.

Trong hình dưới, mô hình thành phần mới tạo ra sau đó thường được kết hợp vào một hệ thống lớn hơn chứa các thành phần khác được thiết kế để quản lý và kiểm soát hành vi bên trong thể tích.

Ở bước Run, mô phỏng kết hợp được bắt đầu và lựa chọn được thực hiện về cách chạy mô phỏng. Số quá trình CFD song song (số lõi chạy trên) có thể được đặt, ngoài ra là số lần lặp ban đầu trong lần chạy ổn định đầu tiên và cho mỗi lần chạy ổn định liên tiếp. Mô phỏng diễn ra như sau: một chạy biến thiên được khởi động từ Simcenter Amesim. Bất cứ khi nào điều kiện ranh giới từ Simcenter STAR-CCM+ cần cập nhật, mô phỏng sẽ bị dừng lại. Kết quả đã cập nhật được gửi đến Simcenter STAR-CCM+ và một mô phỏng ổn định được chạy. Khi hoàn thành, kết quả CFD cập nhật được gửi trở lại Simcenter Amesim và mô phỏng biến thiên trong Simcenter Amesim được khởi động lại.

Bước cuối cùng liên quan đến xử lý sau, nơi trình xem của Simcenter STAR-CCM+ được gọi để có thể xem kết quả cuối cùng với một số cảnh đã được định trước.

Cuối cùng, trong một dự án bằng thạc sĩ về kỹ thuật từ năm 2020 có tiêu đề “Mô hình 1D và Phân tích Hệ thống Điều kiện Nhiệt cho Xe Điện” được thực hiện bởi Carlo Ciacci, một mô hình hệ thống Simcenter Amesim của hệ thống HVAC của xe hơi hành khách đã được xây dựng cùng với một mô hình buồng đa vùng với mục tiêu phân tích các khái niệm quản lý nhiệt khác nhau cho một xe điện. Kết quả từ CFD Nhúng sau đó được so sánh với dữ liệu thực nghiệm thu thập từ việc kiểm tra xe sử dụng một đường gió khí hậu.