СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Широкополосное тепловое излучение: Солнечный коллектор (Multiband Surface-to-Surface Radiation: Solar Collector) Данный тьюториал использует задачу из тьюториала «Тепловое излучение: Теплоизолятор» (Surface-to-Surface Radiation: Insulator). Тьюториал использует геометрию и начальные условия из тьюториала «Тепловое излучение: Теплоизолятор» (Surface-to-Surface Radiation: Insulator). Решается та же задача, но учитывается так же эффект солнечного излучения с помощью солнечной нагрузки и модели широкополосного излучения. Модель широкополосного излучения используется для моделирования поведения тонкого стекла, которое пропускает большую часть солнечного излучения при поглощении большей части инфракрасного излучения. В данном тьюториале для стекла будет задана высокая пропускная способность для длины волны в диапазоне от 0.1 до 3.0 микрон и более низкие значения в диапазоне от 3.0 микрон до 1.0 м. Хотя в данном случае используется модель широкополосного излучения для представления свойств излучения, которые зависят от длины волны, моделирование солнечного излучения не требует широкополосной модели. Солнечная нагрузка так же может быть применена с моделью излучения серого тела, если изменения свойств в зависимости от длины волны не установлены. Влияние дополнительного переноса тепла на общий теплоперенос к коллектору определяется с помощью сравнения двух наборов результатов. Анализ рассматривает следующие способы теплопереноса: Проводимость. Многополосное тепловое излучение. Солнечная нагрузка. Стоит отметить, что свойства излучения, используемые в данной задаче, приведены только для демонстративных целей. 1 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Методические указания (Prerequisites) Руководство тьюториала «Широкополосное тепловое излучение» (Multiband Surface-to-Surface Radiation) предполагает, что Вы уже знакомы с некоторыми методами работы в STAR-CCM+. Для выполнения тьюториала Вам следует ознакомиться со следующими методиками: Методики (Techniques) Рабочий процесс в STAR-CCM+ (The STAR-CCM+ workflow) Использование инструментов визуализации, сцен и графиков (Using visualization tools, scenes, and plots) Тьюториал (Tutorial) Введение в STAR-CCM+ (Introduction to STARCCM+) Введение в STAR-CCM+ (Introduction to STARCCM+) Загрузка существующего моделирования (Loading an Existing Simulation) Для данного тьюториала предоставляется файл моделирования с заранее заданными объектами. Загрузим исходную задачу. 1. Запустите STAR-CCM+ Обратите внимание: для начала данного тьюториала Вы можете открыть любой из двух файлов моделирования: файл, который Вы создали на месте (при его наличии), или файл с ранее решенной задачей, доступный онлайн. Инструкции ниже позволят Вам открыть файл моделирования, созданный на месте. 2. Выберете «Файл > Загрузить задачу…» (File > Load Simulation…). 3. В диалоговом окне «Загрузить задачу» (Load Simulation) нажмите на «Просмотреть…» (Browse…). 2 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 4. В диалоговом окне «Открыть» (Open) зайдите в папку, в которой находится thermalInsulator.sim файл, созданный в тьюториале «Теплоизолятор» (Thermal Insulator Tutorial). 5. Выберите thermalInsulator.sim и нажмите «Открыть» (Open) в файловом браузере. 6. Нажмите ОК в диалоговом окне «Загрузить задачу» (Load Simulation). 7. Сохраните задачу под именем solarCollector.sim. Изменение набора моделей (Modifying the Model Selection) Зададим модели солнечной нагрузки и широкополосного излучения для данной задачи. Большинство моделей, необходимых для данного случая, уже были выбраны (см. «Задание моделей» (Setting up the Models) в тьюториале «Теплоизолятор» (Thermal Insulator Tutorial)), и поэтому нет необходимости задавать их снова. Однако необходимо применить солнечную нагрузку и задать свойства многополосного излучения. Для физического континуума «Континуумы > Воздух» (Continua > Air) установите следующие модели излучения: 1. В группе «Доступные модели» (Enabled Models) отмените выбор модели «Излучения серого тела» (Gray Thermal Radiation). В левой части появится группа «Спектр излучения» (Radiation Spectrum). 2. Выберите следующие модели по порядку: Группа моделей (Group Box) Спектр излучения (Radiation Spectrum) Солнечное излучение (Solar Radiation) Модель (Model) Широкополосное тепловое излучение (Multiband Thermal Radiation) Солнечные нагрузки (Solar Loads) 3. Нажмите «Закрыть» (Close). 4. Чтобы просмотреть выбранные модели, откройте «Воздух > Модели» (Air > Models). 3 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Поскольку теплоперенос для солнечного излучения должен задаваться как в стекле, так и в воздухе, модели широкополосного теплового излучения и солнечных нагрузок должны быть активированы в континууме твердого тела. Для физического континуума «Континуумы > Стекло» (Continua > Glass) выберите следующие модели излучения: 5. В группе «Доступные модели» (Enabled Models) отмените выбор модели «Излучения серого тела» (Gray Thermal Radiation). В левой части появится группа «Спектр излучения» (Radiation Spectrum). 6. Выберите следующие модели по порядку: Группа моделей (Group Box) Модель (Model) Спектр излучения (Radiation Широкополосное тепловое Spectrum) излучение (Multiband Thermal Radiation) Солнечное излучение (Solar Radiation) Солнечные нагрузки (Solar Loads) 7. Нажмите «Закрыть» (Close). 4 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 8. Для просмотра выбранных моделей откройте папку «Стекло > Модели» (Glass > Models). 9. Сохраните задачу. Задания свойств солнечных нагрузок (Setting Solar Loads Model Properties) Модель солнечных нагрузок (Solar Loads Model) требует задание направления солнечного потока в заданной координатной системе, потоков прямого и диффузного солнечных излучений. Вектор направления солнечного излучения (Sun Direction Vector) задается как имеющий горизонтальную компоненту в 90 градусов, и вертикальную, равную 0 градусам. 1. Выберите папку «Континуумы > Воздух > Модели > Солнечные нагрузки > Задать вручную» (Continua > Air > Models > Solar Loads > 5 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Manual Specification) и установите значение угла азимута (Azimuth) на 90 градусов. Свойства модели солнечной нагрузки для континуума стекла абсолютно такие же и могут быть скопированы из континуума воздуха. 2. Скопируйте свойства из папки «Континуумы > Воздух > Модели > Солнечные нагрузки» (Continua > Air > Models > Solar Loads) и вставьте их в «Континуумы > Стекло> Модели > Солнечные нагрузки» (Continua > Glass > Models > Solar Loads). По желанию можно проверить свойства папки «Солнечные нагрузки» (Solar Loads). 3. Сохраните задачу. Задание свойств широкополосного теплового излучения (Setting Multiband Thermal Radiation Properties) Для данного тьюториала будут созданы две полосы спектра. Первая – в диапазоне от 0.1 до 0.3 микрон, вторая - от 3.0 микрон до 1.0 м. 1. Откройте папку «Континуумы > Воздух > Модели > Широкополосное тепловое излучение» (Continua > Air > Models > Multiband Thermal Radiation). 2. Нажмите правой кнопкой мыши на папку «Спектральные полосы» (Spectral Bands) и создайте спектральную полосу. В папке «Спектральные полосы» (Spectral Bands) появится новая папка «Тепловое излучение 1» (Thermal 1). 3. Теперь создадим вторую полосу спектра. 4. Выберите папку «Континуумы > Воздух > Модели > Широкополосное тепловое излучение > Спектральные полосы» (Continua > Air > Models > Multiband Thermal Radiation > Spectral Bands) и заадйте следующие свойства: 6 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Папка (Node) Свойство (Property) Тепловое излучение 1 Верхняя длина волны (Upper Wavelength) (Thermal 1) Нижняя длина волны (Lower Wavelength) Тепловое излучение 2 Верхняя длина волны (Upper Wavelength) (Thermal 2) Нижняя длина волны (Lower Wavelength) Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Значение (Setting) 3.0Е-6 м 1.0 Е-7 м 1.0 м 3.0Е-6 м Это свойство было задано автоматически на основе верхнего предела «Теплового излучения 1» (Thermal 1) Соответствующие спектральные полосы так же должны быть заданы в континууме «Стекло» (Glass). Хотя возможно задать свойства, проделав предыдущую процедуру, намного проще воспользоваться операцией копирования – вставки. 5. Скопируйте свойства из папки «Континуумы > Воздух > Модели > Широкополосное тепловое излучение > Спектральные полосы» (Continua > Air > Models > Multiband Thermal Radiation > Spectral Bands) и вставьте в папку «Континуумы > Стекло > Модели > Широкополосное тепловое излучение > Спектральные полосы» (Continua > Glass > Models > Multiband Thermal Radiation > Spectral Bands). В результате в папке «Спектральные полосы» (Spectral bands) для стекла появятся две новые папки: «Тепловое излучение 1» (Thermal 1) и «Тепловое излучение 2» (Thermal 2). 6. Сохраните задачу. Задание граничных условий и величин (Setting Boundary Conditions and Values) Применение модели широкополосного излучения означает, что оптические свойства на границах и интерфейсах должны быть исправлены. Для каждой границы необходимо задать излучаемость, отражательную способность и пропускную способность для каждой спектральной полосы, 7 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 созданной для модели широкополосного теплового излучения. Свойства, заданные в тьюториале «Теплоизолятор» (Thermal Insulator Tutorial), будут использованы для спектральной полосы «Теплового излучения 2» (Thermal 2) и новые свойства будут заданы для спектральной полосы «Теплового излучения 1» (Thermal 1). Верхняя часть коллектора будет задана с отражательной способностью 0 и прозрачностью 0.98 для спектральной полосы «Теплового излучения 1» (Thermal 1) для того, чтобы практически вся энергия этой полосы проходила в куб. Нижняя часть будет задана с отражательной способностью 0 и пропускной способностью 0 для обоих спектров. Обратите внимание, что остальные тепловые условия будут оставлены без изменений. 1. Выберите папку «Области > Жидкость > Границы > коллектор > Физические величины > Излучаемость поверхности > Константа» (Regions > Fluid > Boundaries > collector > Physics Values > Surface Emissivity > Constant). Поскольку выбран широкополосный спектр излучения, свойства константы принимают форму набора величин, где первая величина соответствует спектру «Тепловое излучение 1» (Thermal 1) и вторая величина соответствует спектру «Тепловое излучение 2» (Thermal 2). Набор показан в сокращенной форме и может быть отображен в полном виде в окне редактора (custom editor). 2. Выберите свойство «Величина» (Value) для папки «Константа» (Constant). 3. В диалоговом окне «Константа – Величина» (Constant - Value) задайте значение излучаемости, равное 1.0, как для спектра «Тепловое излучение 1» (Thermal 1), так и для спектра «Тепловое излучение 2» (Thermal 2) (постоянная величина излучаемости) 4. Нажмите ОК. 5. Откройте папку «коллектор > Физические величины» (collector > Physics Values). 6. Задайте следующие параметры: 8 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Папка (Node) Отражательная способность поверхности (Surface Reflectivity) Пропускная способность поверхности (Surface Transmissivity) > Константа (Constant) Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Свойство (Property) Метод (Method) Значение (Setting) Значение (Value) [0.0, 0.0] Автоматический расчет (Auto Calculate) Далее зададим оптические свойства для границ side-1, side-2 и side-3. 7. Откройте папку «Области > Жидкость > Границы > side-1 > Физические величины» (Regions > Fluid > Boundaries > side-1 > Physics Values). 8. Задайте следующие значения: Папка (Node) Излучаемость поверхности (Surface Emissivity) > Константа (Constant) Пропускная способность поверхности (Surface Transmissivity) > Константа (Constant) Свойство (Property) Значение (Setting) Значение (Value) [0.95, 0.95] Значение (Value) [0.0, 0.0] Скопируем свойства папки side-1 для папок side-2 и side-3. 9. Скопируйте свойства из папки side-solid1 в side-2 и side-3. Теперь зададим оптические свойства для верхней границы (top). 10.Откройте папку «Области > Жидкость > Границы > top > Физические величины» (Regions > Fluid > Boundaries > side-1 > Physics Values). 11.Задайте следующие свойства: Папка (Node) Свойство (Property) Значение (Setting) > Излучаемость поверхности (Surface Emissivity) 9 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Значение (Value) > Константа (Constant) > Пропускная способность поверхности (Surface Transmissivity) Значение (Value) > Константа (Constant) Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 [0.02, 0.8] [0.98, 0.15] Как и в тьюториале «Теплоизолятор» (Thermal Insulator Tutorial), необходимо задать оптические свойства на обеих сторонах интерфейса твердое теложидкость. Сначала зададим свойства с жидкой стороны. 12.Откройте папку «Области > Жидкость > Границы» (Regions > Fluid > Boundaries). 13.Задайте следующие свойства: Папка (Node) bottom-solid1 [Interface 2] > Физические величины (Physics Values) > Излучаемость поверхности (Surface Emissivity) > Константа (Constant) bottom-solid2 [Interface 4] > Физические величины (Physics Values) > Излучаемость поверхности (Surface Emissivity) > Константа (Constant) top-solid1 [Interface 1] > Физические величины (Physics Values) > Излучаемость поверхности (Surface Emissivity) > Константа (Constant) top-solid2 [Interface 3] > Физические величины (Physics Values) > Излучаемость поверхности (Surface Свойство (Property) Значение (Setting) Значение (Value) [0.1, 0.775] Значение (Value) [0.2, 0.725] Значение (Value) [0.15, 0.8] 10 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Emissivity) > Константа (Constant) Значение (Value) Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 [0.175, 0.75] Такие же свойства должны быть заданы со стороны твердого тела. Это может быть выполнено с помощью копирования и вставки соответствующих папок. 14.Для каждой границы, перечисленной ниже, скопируйте свойства из папки «Области > Жидкость > Границы» (Regions > Fluid > Boundaries) и вставьте в папку границ с соответствующим именем в папке «Области > Твердое тело > Границы» (Regions > Solid > Boundaries): bottom-solid1 [Interface 2] bottom-solid2 [Interface 4] top-solid1 [Interface 1] top-solid2 [Interface 3] В завершении зададим боковые стенки области «Твердое тело» (Solid). 15. Откройте папку «Области > Твердое тело > Границы > side-solid1 > Физические величины» (Regions > Solid > Boundaries > side-solid1 > Physics Values). 16. Задайте следующие свойства: Папка (Node) Свойство (Property) Излучаемость поверхности (Surface Emissivity) Значение (Value) > Константа (Constant) Пропускная способность поверхности (Surface Transmissivity) Значение (Value) > Константа (Constant) Значение (Setting) [0.0, 0.0] [0.0, 0.0] Эти настройки означают, что величина «Отражательная способность поверхности» (Surface Reflectivity) будет равна 1.0 для обеих спектральных полос. Те же настройки должны быть скопированы для других границ твердого тела. 17. Скопируйте свойства из side-solid1 в side-solid2. 11 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Зададим пропускную способность поверхности на интерфейсах. 18. Откройте папку «Интерфейсы» (Interfaces). 19. В каждой папке интерфейса выберите «Физические величины > Пропускная способность поверхности > Константа» (Physics Values > Surface Transmissivity > Constant) и задайте «Величину» (Value) для каждого интерфейса следующим образом: Папка интерфейса (Interface Node) Интерфейс 1 (Interface 1) Интерфейс 2 (Interface 2) Интерфейс 3 (Interface 3) Интерфейс 4 (Interface 4) Значение пропускной способности поверхности (Surface Transmissivity Value) [0.8, 0.15] [0.8, 0.15] [0.75, 0.175] [0.75, 0.175] 20. Сохраните задачу. Задание параметров решателя (Setting Solver Parameters) Уменьшим коэффициент нижней релаксации для разделённой энергии для того, чтобы обеспечить сходимость решения. Выполните следующие шаги: 1. Выберете папку «Решатели > Разделенная энергия» (Solvers > Segregated Energy) и измените «Коэффициент нижней релаксации жидкости» (Fluid Under-Relaxation factor) на 0.5. 2. Сохраните задачу. Создание отчетов, мониторов и графиков (Reporting, Monitoring with Plots) Для отслеживания решения в тьюториале используются графики мониторов, созданные в тьюториале «Теплоизолятор» (Thermal Insulator). STAR-CCM+ может динамически отслеживать изменение различных величин в ходе решения. Процесс включает в себя задание отчета, который 12 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 определяет интересующую величину и части области, в которых она будет отслеживаться. Далее на основе этого отчета задается монитор, который контролирует частоту обновления и параметры нормализации. На основе монитора может быть создан графический рисунок. Для решения уже было создано несколько отчетов и мониторов. Графики мониторов, созданные в части «Создание отчетов, мониторов и графиков» (Reporting, Monitoring and Plotting) тьюториала «Теплоизолятор» (Thermal Insulator Tutorial) будут использоваться для отслеживания решения задачи. 1. Откройте папки «График монитора Излучение 1» (Irradiation1 Monitor Plot) и «График отчетов» (Reports Plot). Для отслеживания излучения коллектора для первой спектральной полосы создадим отчет. 2. Создайте отчет «Осредненный по поверхности» (Surface Average). 3. Переименуйте отчет на SpectralBand1Irradiation. 4. Выберите свойства: папку SpectralBand1Irradiation и задайте следующие Свойство (Property) Значение (Setting) Скалярная переменная (Scalar Field Излучение на границе Тепловое Function) излучение 1 (Boundary Irradiation of Thermal 1) Части (Parts) collector На этом настройка отчета завершена, и теперь на его основе создадим монитор и график. 5. Создайте монитор и график для отчета. 6. Откройте окно отображения графиков. В графическом окне (Graphics) SpectralBand1Irradiation Monitor. появится новый график 13 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Это окно будет автоматически обновляться данными солнечного излучения на границе при выполнении расчета. На этом подготовка задачи к запуску завершена. 7. Сохраните задачу. Запуск расчета (Running the Simulation) Решение тьюториала «Теплоизолятор» (Thermal Insulator Tutorial) можно проверить с помощью отображения начальной температуры. Проверим результаты предыдущего решения. 1. Откройте папку «Скалярная сцена 1» (Scalar Scene 1). Профиль температуры из предыдущего решения отобразится в графическом окне (Graphics). 14 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Перед запуском расчета необходимо удалить предыдущее решение. 2. Выберите пункт меню «Решение > Очистить решение» (Solution > Clear Solution). 3. Нажмите ОК в диалоговом окне «Очистить решение» (Clear Solution). Создадим новое решение. 4. Запустите расчет. На первой итерации пересчитываются факторы формы (view factors). Отчет об этом процессе отобразится в окне вывода (Output) перед появлением информации об итерациях. 5. Для просмотра обновления решения по мере расчета используйте сцены отображения скаляров, векторов и графиков. 6. Сохраните задачу после окончания расчета. 15 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Визуализация результатов (Visualizing the Results) Проверим графики и сцены. 1. По завершению расчета для просмотра изменения излучения на интерфейсе твердое тело-жидкость активируйте окно отображения «График монитора Излучение 1» (Irradiation1 Monitor Plot). Излучение на границе выше, чем в тьюториале «Теплоизолятор» (Thermal Insulator Tutorial), благодаря дополнительному солнечному излучению. 2. Активируйте окно отображения SpectralBand1Irradiation Monitor Plot для просмотра солнечного излучения на коллекторе в процессе развития решения. 16 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 3. Откройте окно отображения «Скалярная сцена 1» (Scalar scene 1) для отображения результатов расчета температуры для сошедшегося решения. 17 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Максимальное значение температуры увеличилось примерно на 80 К по сравнению с предыдущим решением. 4. Откройте «График отчетов» (Reports Plot) для просмотра графиков максимальных температур в области жидкости и твердого тела. 5. Для приближения нужной части графика откройте папку «Графики > График отчетов > Оси» (Plots > Reports Plot > Axes) и задайте следующие свойства: Папка (Node) Ось X (X Axis) > Основные надписи (Major Labels) Ось Y (Y Axis) > Основные надписи (Major Labels) Свойство (Property) Минимум (Minimum) Максимум (Maximum) Интервал между метками (Spacing) Минимум (Minimum) Максимум (Maximum) Интервал между метками (Spacing) Значение (Setting) 50 450 50 550 650 10 18 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 Появится график, показанный на рисунке ниже. Сравните его с «Графиком отчетов» (Reports Plot) из предыдущего решения. Обратите внимание, что максимальная температура жидкости увеличилась с ~540 до ~620 в результате эффекта солнечного излучения. Максимальная температура твердого тела увеличилась с ~490 до ~580. Запустим отчет «Поток Тепла 1» (Heat Flux 1) 6. Запустите отчет «Поток Тепла 1» (HeatFlux 1) для определения количества тепла, покидающего систему на верхней границе top. 7. В окне вывода (Output) отобразится количество тепла, покидающего систему. 19 СИНЦ Перевод документации STAR-CCM+ Тьюториалы по теплопереносу и излучению. Солнечный коллектор Версия 10.04 Дата: 04.09.2015 8. Сохраните задачу. Заключение (Summary) В данном тьюториале широкополосного теплового излучения с использованием исходной геометрии и начального решения из тьюторила «Теплоизолятор» (Thermal Insulator) были продемонстрированы следующие возможности STAR-CCM+: Запуск программы и загрузка существующего моделирования. Включение солнечных нагрузок излучения в условия задачи. и широкополосного теплового Задание граничных условий для широкополосного излучения. Создание отчетов и графиков монитора. Запуск решателя, пока невязки не станут достаточно маленькими. Анализ результатов с использованием средств визуализации, отчетов и графиков монитора. 20