Программа моделирования одномерного движения турбулентного реагирующего газа, вызванного поршнем методическое пособие - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Методическое пособие по правилам дорожного движения для воспитателей», Н. 1 33.83kb.
Учебно-методическое пособие Ижевск 2012 резьбовые соединения учебно-методическое... 3 420.6kb.
Методическое пособие «От простого к сложному» 1 176.96kb.
Программа итоговой государственной аттестации выпускников по направлению... 1 367.65kb.
Методическое пособие по выполнению курсовых работ по курсу 1 153.17kb.
Методическое пособие для учителей и учащихся Методическое пособие... 1 202.95kb.
Учебно-методическое пособие по предмету «Математика» 1 143.54kb.
Методическое пособие (с элементами рабочей тетради) по междисциплинарному... 3 623.77kb.
Методическое пособие Санкт-Петербург 2013 ббк 74. 2 1 24.22kb.
Методическое пособие по курсовому проектированию «Ремонт автомобилей... 1 404.16kb.
Учебно-методическое пособие по неорганической химии Барнаул 1999 3 526.62kb.
Индуцированный оптический волновод в среде с тепловой нелинейностью 1 33.75kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Программа моделирования одномерного движения турбулентного реагирующего газа, вызванного - страница №1/1



Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

кафедра высокопроизводительных вычислений

Никитин В.Ф., Никольский И. М.

Программа моделирования одномерного движения турбулентного реагирующего газа, вызванного поршнем.
методическое пособие

Москва, 2010


0. Введение.

В данном методическом пособии описана работа с программой Piston, которая реализует математическую модель одномерного движения турбулентного реагирующего газа, вызванного движущимся поршнем.

Модель состоит из пяти уравнений (уравнение баланса массы компонент газовой смеси, уравнение импульса, уравнение энергии, уравнение динамики турбулентной энергии и уравнение динамики турбулентной диссипации). В системе учитываются химические превращения - необратимая реакция, в которой участвуют четыре компоненты: нейтральная, горючее, окислитель и продукты. Смесь заключена в закрытом цилиндре, в котором движется поршень. Его скорость можно сделать положительной (вдвигание поршня в цилиндр), отрицательной (выдвигание) и нулевой (поршень является торцом поршня). Поршень может подогреваться (поток тепла с поршня положительный) или охлаждаться (поток отрицательный). Меняя параметры модели, пользователь может наблюдать различные эффекты, такие как волны горения и детонации.
1.Подготовка вычислений.

Прежде всего, следует задать параметры расчета в управляющем файле config.txt. Это

обычный текстовый файл, который можно редактировать в любом текстовом редакторе (например, в Блокноте). Он состоит из набора строк вида:

значение параметра название параметра.


Имеются следующие параметры (всюду, где написано больше подразумевается строго больше; в колонке "Ограничения" даны буквенные обозначения параметров, используемые в дальнейшем):


Параметр в config.txt

Описание

Ограничения на параметр

Cells number

количество узлов сетки по пространству



Well initial length, cm

длина отрезка, на котором идет расчет



Piston velocity (1), m/s

скорость поршня на первом временном интервале



Piston velocity (2), m/s

скорость поршня на втором временном интервале



Piston velocity change moment, ms

момент изменения скорости



Piston temperature set up

нужно ли задавать температуру поршня

0 - температура не задается

1 - температура задается



Piston temperature, K

температура поршня



Heat flux from piston, W/cm2

поток тепла от поршня












Initial temperature, K

начальная температура



Initial pressure, bar

начальное давление



Initial oxidizer molar share

молярная доля окислителя в начальный момент времени



Initial fuel molar share

молярная доля топлива в начальный момент времени



Initial product molar share

начальная молярная доля продуктов реакции



Initial neutral molar share

начальная молярная доля нейтральной компоненты












Oxidizer molar mass, g/mol

молярная масса окислителя



Oxidizer capacity ratio

отношение теплоемкостей для окислителя



Fuel molar mass, g/mol

молярная масса топлива



Fuel capacity ratio

отношение теплоемкостей для горючей компоненты



Product molar mass, g/mol

молярная масса продукта реакции



Product capacity ratio

отношение теплоемкостей для продукта реакции



Neutral molar mass, g/mol

молярная масса нейтральной компоненты



Neutral capacity ratio

отношение теплоемкостей для нейтральной компоненты












Dynamical viscosity, Pa*s

динамическая вязкость



Prandtl number

число Прандтля



Schmidt number

число Шмидта












Reaction heat, kJ/mol

количество теплоты, выделяемое во время реакции



Oxidizer stoicheometry coefficient

стехиометрический коэффициент при окислителе



Pre-exponential factor

предэкспоненциальный множитель в законе Аррёниуса



Activation temperature, K

температура активации



Threshold temperature, K

пороговая температура












Initial turbulent energy, J/kg

начальная энергия турбулентности



Initial mixing length, cm

начальная длина турбулентного смешения












CFL criterion factor

коэффициент в критерии CFL (множитель Куранта)



Number of spatial outputs

количество промежуточных профилей, которые будут сохранены в [root]_s.sce



Calculation time, s

интервал времени, на котором ведется расчет












Output files root

root - изменяемая часть названия выходных файлов программы; результаты расчетов записываются в файлы [root]_s.sce и [root]_t.sce

Строчка "123456789" после списка параметров сигнализирует программе о конце конфигурационного файла, ее наличие в config.txt обязательно.


Всем параметрам присвоено некоторое значение по умолчанию. Их можно изменять как угодно, учитывая ограничения, указанные в таблице. С помощью утилиты setconf можно снова установить значения всех параметров равными значениям по умолчанию. Для этого нужно просто запустить setconf.exe.
После окончания редактирования не забудьте сохранить config.txt (комбинация клавиш Cntrl-S).
2. Выполнение расчета.

Запустите программу p.exe. Дождитесь окончания ее работы. Это займет несколько

минут. В случае аварийной остановки программы (например, если какие-либо параметры в конфигурационном файле находятся вне указанных выше пределов) вместо файлов с результатами в директории программы генерируется файл error.log,содержащий отчет об ошибках. Список сообщений об ошибках содержится в Приложении A.
3. Анализ результатов численного эксперимента.

Программа p.exe генерирует два файла - [root]_s.sce и [root]_t.sce. Здесь [root] - изменяемая часть файла, которую пользователь задает в файле config.txt.

Файл [root]_s.sce служит для хранения профилей основных параметров системы (давление, температура и т.д.), вычисленных в определенные моменты времени. Он состоит из N +1 записи, где N равно параметру Number of spatial outputs в config.txt . В нулевой записи хранятся начальные профили, в записях 1..N-1 - промежуточные, а в N-й - профили на момент конца расчета.

Запись с номером n содержит следующие данные:

tn - время,

Dn - координаты узлов динамически меняющейся сетки по пространству (в см.)

Pn - давление (в барах)

Tn - температура (в Кельвинах)

Vn - скорость движения смеси (в м/с)

Yn - процент горючей компоненты в смеси (по массе)

Kn - турбулентная энергия

En - турбулентная диссипация

Vin - эффективная кинематическая вязкость
В [root]_t.sce находится массив Temp - матрица размером . Каждая i-я строка содержит следующие параметры течения газа:

Temp[i, 0] текущее время (с),

Temp[i, 1] давление около поршня (бар)

Temp[i, 2] температура около поршня (К)

Temp[i, 3] скорость поршня (м/с)

Temp[i, 4] максимальное давление в рабочей области (бар)

Temp[i, 5] максимальная температура в рабочей области (К)

Temp[i, 6] максимальная скорость в рабочей области (м/с)

Temp[i, 7] координата поршня (см)

Temp[i, 8] координата волны давления (см)

Temp[i, 9] координата зоны пламени (см)
Рисовать графики различных величин следует с помощью пакета SciLab. Для этого необходимо:


  • Запустить SciLab

  • Сделать директорию с программой рабочей для SciLab. Для этого в меню главного окна SciLab надо выбрать Файл->Сменить текущий каталог, в появившемся окне обозревателя найти нужную папку, нажать Open. Если этого не сделать, SciLab не сможет найти файлы [root]_s.sce, [root]_t.sce.

  • Считать (импортировать) массивы из [root]_s.sce, [root]_t.sce в память SciLab. Для этого в командной строке SciLab надо набрать exec '[root]_s.sce ', нажать Enter, набрать exec '[root]_s.sce ', нажать Enter. ВНИМАНИЕ! Импорт массивов нужно производить после каждого расчета.

  • Запустить скрипт, отвечающий за рисования профилей интересующей величины. Это можно сделать так: в меню главного окна SciLab выбрать Файл->Выполнить, найти нужный скрипт в окне Проводника, нажать Enter.

К программе прилагается набор скриптов (файлы *.sce) для визуализации результатов расчета.

a. Построение в одной системе координат нескольких профилей следующих физических величин:


PlotP.sce

давление (бар)

PlotT.sce

температура (К)

PlotY.sce

массовая доля горючей компоненты (в процентах)

PlotV.sce

скорость(м/с)

PlotK.sce

удельной энергии турбулентности (Дж/кг)

PlotE.sce

удельной диссипации энергии турбулентности (Вт/кг)

PlotVi.sce

графики эффективной кинематической вязкости (м2/с)

PlotOm.sce

частота пульсаций

b. Зависимость от времени следующих величин



xtime.sce

положение поршня, самой сильной волны давления (расширения или сжатия) и волны горения

ptime.sce

давление на поршне и максимальное значения давления

ttime.sce

температуры на поршне и максимальное значение температуры

vtime.sce

скорость газа у поршня и максимальное значение скорости

Скрипты рисуют графики в отдельном окне, которое далее будем называть фигурой.


Иногда необходимо более подробно рассмотреть некоторую часть графика. Для этого можно использовать инструмент Увеличивающая лупа. На панели инструментов фигуры нужно нажать значок лупы с плюсом внутри. Затем, удерживая левую кнопку мыши нажатой, выделить интересующий участок и отпустить кнопку. На той же панели инструментов есть Уменьшающая лупа. Ее действие имеет обратный эффект - она как бы отодвигает график от зрителя. Чтобы ее задействовать, необходимо нажать значок лупы с минусом внутри, затем щелкать левой кнопкой мыши по графику, пока не будет получен нужный масштаб.
SciLab предоставляет возможность задать прямоугольную область системы координат, которая будет отображаться в окне фигуры. Это достигается путем некоторого изменения визуализационного скрипта. Для этого нужно найти строчку вида rect = [0, 0, 4, 300]. Квадратные скобки заключают четыре числа xmin, xmax, ymin, ymax. Здесь xmin, ymin - минимальные значения x и y, а xmax и ymax - максимальные значения x и y.

4. Сохранение графиков.

Чтобы сохранить построенный график в файл (например, *.jpg) нужно сделать

следующее. В верхнем меню фигуры выберите последовательно пункты Файл-Экспортировать.

В появившемся окне выберите папку для сохранения, имя файла и расширение. Расширение определяет формат хранения графика.

Сохраненные графики нужно будет потом вставить в отчет по практикуму.


5. Задания.

1) Движение поршня с различной скоростью.



А. Вдвигание с малой скоростью. Показать формирование ударной волны перед поршнем. Продемонстрировать, что при уменьшении коэффициента эффективной (молекулярной плюс турбулентной) вязкости уменьшается размывание волны, при увеличении – увеличивается.

Б. Выдвигание поршня. Показать формирование ударной волны разрежения

В. Вдвигание с большой скоростью. Показать формирование волны детонации.
Указания.
Вначале устанавливаем конфигурацию в состояние, заданное по умолчанию, запуском команды setconf. Дальнейшие действия ведутся в зависимости от подзадачи.

Задача 1А. Установить скорость поршня (1) в м/с и менять начальную турбулентную энергию смеси от 104 до 10-2 Дж/кг. Снижение приведет к снижению эффективной кинематической вязкости и к соответствующему уменьшению размывания ударной волны. Следует выдавать графики профилей давления, эффективной кинематической вязкости, температуры и скорости. Рекомендованные значения масштабов осей в скриптах следующие.

Параметр

Скрипт

min

max

Координата

все

-20

80

Давление

PlotP

0

2

Вязкость

PlotVi

0.001

10

Температура

PlotT

250

500

Скорость

PlotV

-30

170


Примечание. В строках таблицы, где в колонке "Параметр" стоит "Координата",

указаны пределы оси абсцисс. В других строках - пределы оси ординат. Это относится и ко всем следующим подобным таблицам.

Задача 1Б. Следует установить скорость поршня (1) в отрицательное значение. Это значение варьируется. Прочие параметры оставить по умолчанию. Получить графики профилей давления, температуры и скорости. Рекомендованные значения масштабов осей следующие:

Параметр

Скрипт

min

max

Координата

все

-100

50

Давление

PlotP

0

1.2

Температура

PlotT

0

350

Скорость

PlotV

-1000

100


Задача 1В. Меняем скорость вдвигания для испытуемой горючей смеси от 310 м/с до 370 м/с с шагом 20 м/с. Эффект перехода к детонации наступает на достаточно узком диапазоне значений. Необходимо получить графики профилей давления, температуры, скорости и концентрации. Рекомендованные значения масштабов осей следующие.

Параметр

Скрипт

min

max

Координата

все

-30

220

Давление

PlotP

0

30

Температура

PlotT

0

2000

Скорость

PlotV

-500

1300

Концентрация

PlotY

0

20

2)Задание температуры поршня.

А. Малое нагревание. Показать движение тепловой волны и обгоняющей ее ударной волны в газе.

Б. Охлаждение. Показать движение волны охлаждения и обгоняющей ее волны разрежения в газе.

В. Нагревание до высокой температуры. Исследовать процесс зажигания газа.
Указания
В обоих случаях, после приведения конфигурации в состояние по умолчанию командой setconf, ставим нулевую скорость поршня (1) . Параметр "Piston temperature set up" устанавливаем равным единице. Затем ставим температуру поршня - она должна быть выше температуры газа ("Initial temperature"), если требуется нагревание и ниже, если происходит охлаждение. Время расчета нужно сделать равным 2 мс (тепловая волна имеет лучшее разрешение на больших временах расчета). Необходимо получить графики давления, скорости , а также температуры - общий (по всей длине цилиндра) и для малых значений координаты .
Задача 2A. Поток тепла от поршня установить выше нуля, до 30 Вт/см2. Следует выдавать графики профилей давления, температуры и скорости. Рекомендованные значения масштабов осей для данной задачи следующие.

Параметр

Скрипт

min

max

Координата

PlotT

-1

5

Координата

PlotV, PlotP

-10

90

Давление

PlotP

0.99

1.01

Температура

PlotT

200

500

Скорость

PlotV

-5

5


Задача 2Б. Поток тепла от поршня установить ниже нуля. Вывести графики тех же физических величин, что и в 2Б при следующих масштабах осей

Параметр

Скрипт

min

max

Координата

PlotT

-1

5

Координата

PlotV, PlotP

-10

90

Давление

PlotP

0.95

1.01

Температура

PlotT

200

500

Скорость

PlotV

-10

2


Задача 2В. Провести исследования с температурой поршня в диапазоне от 600 до 1200 К с шагом 200 К. Те же самые условия, что и (и тот же алгоритм установки конфигурации), но поток тепла ставится выше (больше 30 Вт/см2). Получить графики тех же величин, что и в предыдущих задачах плюс график концентрации. Рекомендованные значения масштабов осей следующие :

Параметр

Скрипт

min

max

Координата

PlotT, PlotY

-2

10

Координата

PlotV, PlotP

-10

90

Давление

PlotP

0.8

1.5

Температура

PlotT

0

2000

Скорость

PlotV

-10

100

Концентрация

PlotY

0

20

3) Сочетание теплового и механического воздействия на газ.



3А. Вдвигание с кусочно-постоянной скоростью при повышенной температуре. Показать возникновение горения, а затем и детонации, когда вторая волна догоняет первую.

3Б. Варьирование значений скоростей (1) и (2). Показать, что

- при большом значении скорости (1) сразу возникает детонация перед поршнем;

- при меньшем значении скорости (1) возникает волна горения и ударная волна перед ней, а затем волна детонации возникает после взаимодействия двух ударных волн;

- при еще меньшем значении скорости (1) детонация возникает через некоторое время после взаимодействия первичной и вторичной ударных волн на контактной поверхности, образовавшейся в результате взаимодействия волн;



-при совсем малых значениях скоростей (1) и (2) и возникновения детонации не происходит, и распространяется волна горения и ударная волна перед ней.

3В. Выдвигание горячего поршня из трубы (скорость поршня отрицательна, его температура выше температуры газа). Получить волну горения, бегущую вправо от поршня и волну разрежения, бегущую перед ней. Показать, что скорость волны горения в лабораторной системе координат зависит от скорости вытягивания поршня и может быть даже отрицательной.

3Г. Вначале вдвигание горячего поршня (скорость поршня (1) положительна, его температура выше температуры газа), затем выдвигание поршня (скорость поршня (2) отрицательна). На первом временном отрезке перед поршнем должна образоваться волна детонации. Показать, что скорость волны детонации в лабораторной системе координат не зависит от скорости вытягивания поршня.

3Д. В условиях задачи 3Г показать, что после возникновения волны детонации увеличение скорости поршня (2) до некоторого предела не влияет на скорость волны. Найти предельное значение скорости поршня (2) при превышении которого скорость волны детонации начинает расти.
Указания.
Задача 3А. Для решения этой задачи после установки конфигурации по умолчанию сделать поток тепла от поршня Вт/см2. Скорость поршня (1) нужно поставить равной 80 м/с (чтобы не возникла детонация), а скорость поршня (2) – равной 110 м/с. Время переключения скоростей поршня ставим равным мс, а время расчета продлеваем до 2 мс. Рекомендованные значения масштабов осей для задачи 1.3А следующие.

Параметр

Скрипт

min

max

Координата

все

-20

220

Давление

PlotP

0

30

Температура

PlotT

0

2000

Скорость

PlotV

-500

1300

Концентрация

PlotY

0

20



Задача 3Б. Для того, чтобы выполнить эту задачу, устанавливаем config.txt в то же состояние, что и для задачи , но скорость поршня (1) будем менять от 140 м/с до нуля.

Задача 3В. Следует установить начальную конфигурацию по умолчанию командой setconf. Далее установить в файле config.txt момент переключения скоростей и время расчета равными 2 мс (т.е. изменения скорости поршня не происходит), а поток тепла от поршня Вт/см2. Скорость поршня следует варьировать в интервале от -10 до -100 м/с. Рекомендованные значения масштабов осей для данной задачи следующие.

Параметр

Скрипт

min

max

Координата

PlotT, PlotY

-20

20

Координата

PlotP, PlotV

-50

100

Давление

PlotP

0.5

1.5

Температура

PlotT

0

2000

Скорость

PlotV

-100

50

Концентрация

PlotY

0

20


Задача 3Г. Вначале необходимо установить начальную конфигурацию по умолчанию командой setconf. Далее в файле config.txt вносим следующие изменения: момент переключения скоростей мс, поток от поршня Вт/см2. Исследовать поведение системы при нескольких значениях скорости поршня (2) в диапазоне от -10 до -100 м/с.

Рекомендованные значения масштабов осей для данной задачи:



Параметр

Скрипт

min

max

Координата

все

-100

220

Давление

PlotP

0

30

Температура

PlotT

0

2000

Скорость

PlotV

-1100

1100

Концентрация

PlotY

0

20



Задача 3Д. Для решения этой задачи следует установить начальную конфигурацию командой setconf, а затем внести в файл config.txt поправки: момент переключения скоростей мс, поток тепла от поршня Вт/см2. Исследовать поведение системы при нескольких значениях скорости поршня (2) в диапазоне от 350 до 1200 м/с. Начиная с некоторого значения следует ожидать увеличения скорости распространения волны.

Рекомендованные значения масштабов осей:



Параметр

Скрипт

min

max

Координата

все

-20

220

Давление

PlotP

0

30

Температура

PlotT

0

2000

Скорость

PlotV

-500

1500

Концентрация

PlotY

0

20





Ирония — это оскорбление, переодетое комплиментом. Эдуард Уиппл
ещё >>