A Flow Simulation a SOLIDWORKS portfólió azon csomagjai közé tartozik, mely nemcsak főverzióváltáskor, hanem az újabb javítócsomagok megjelenésekor is jelentős funkcióbeli fejlesztéseket szokott kapni. A címben említett feladatot korábban nem lehetett megoldani a szoftverrel, de egy „évközi” fejlesztésnek köszönhetően immár erre is lehetőség van...
A Flow Simulation a SOLIDWORKS portfólió azon csomagjai közé tartozik, mely nemcsak főverzióváltáskor, hanem az újabb javítócsomagok megjelenésekor is jelentős funkcióbeli fejlesztéseket szokott kapni.
A címben említett feladatot korábban nem lehetett megoldani a szoftverrel, de egy „évközi” fejlesztésnek köszönhetően immár erre is lehetőség van.
De lássuk pontosabban, mi is okozza a nehézséget!
A folyadékok viselkedése általában kevésbé megfogható az emberek számára, mint a szilárdtesteké, ezért utóbbiak felől közelítjük meg a kérdést.
A szilárdtestekben jelentkező terhelés jellemzően az alakváltozás mértékével függ össze: minél jobban alakítom a testet, annál nagyobb feszültség jelentkezik benne. A gépészeti gyakorlatban leggyakrabban használt anyagtípus, az acélok esetében az összefüggés (egy pontig) lineáris, az arányossági tényezőt pedig Young-modulusznak, vagy rugalmassági modulusznak hívják, a leíró összefüggést pedig Hooke-ról nevezték el. Mivel a kritikus pont, a folyáshatár elérése, a maradó alakváltozás megjelenése sok esetben tönkremeneteli kritérium, a tervezőmérnökök életük jelentős részét leélhetik úgy, hogy az általuk alkalmazott anyagokat csak ebben a tartományban használják.
Ha azonban megengedhető, hogy az anyagot tovább terheljük, és megfolyjon, vagy olyan anyagokat használunk, amik természetüknél fogva más viselkedésűek (pl. gumi), a fentebb felvázolt lineáris anyagmodell már nem megfelelő. Az ezekre alkalmazott nemlineáris anyagmodellekben a feszültség-alakváltozás görbe változatos formákat ölthet fel. A görbe jellegétől függően a nemlineáris anyagmodelleket is további csoportokra bonthatjuk. Erről, és az anyag viselkedésének egyéb paraméterektől való függéséről (pl. idő, hőmérséklet) most nem ejtünk szót.
A szilárdtesteket analógiaként használva nézzük a folyadékokat. Itt a jellemző alakváltozás a nyírás (folyadékrészek egymás melletti „elcsúszása”), viszont az ébredő feszültség nem ettől, hanem a nyírás sebességétől függ. Itt is az a legegyszerűbb eset, ha a nyírófeszültség lineárisan függ össze a nyírássebességgel. Az ilyen folyadékokat newtoni folyadékoknak nevezzük, a két mennyiség közötti kapcsolatot pedig a viszkozitás jelenti. Mint a szilárdtestek esetében, itt is elég sokáig el lehet jutni ezzel az anyagmodellel: a leggyakoribb közegek, mint a víz és a levegő jól leírhatók vele.
Azokat a folyadékokat, amik nem felelnek meg ennek a leírásnak, nemnewtoni közegeknek nevezzük. Ezek az anyagok egészen érdekes kísérletekre / játékokra adnak lehetőséget, egészen biztosan mindenki találkozott már több, erről szóló videóval is. A kísérletek legtöbbjében csupán kukoricakeményítő és víz keverékét használják, így nem is nehéz őket reprodukálni.
Newtoni, és nemnewtoni folyadékok nyírófeszültség – nyírássebesség grafikonjai Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/Non-Newtonian_fluid#/media/File:Rheology_of_time_independent_fluids.svg
A játékon felül azonban más tekintetben is nagy jelentőségük van: sok, nagyon is gyakori folyadék ilyen tulajdonságokat mutat. Csak hogy néhányat említsünk:
- élelmiszerek, mint a vaj, lekvár, ketchup, majonéz, joghurt, stb.,
- természetes anyagok, mint a magma, méz,
- biológiai folyadékok, mint a vér,
- kozmetikumok, szappanoldat, stb.
- 2D-s vizsgálatot végeztünk (egy „végtelenített” szeletet néztünk),
- a számításhoz bekapcsoltuk a gravitációt, valamint a szabad felszín követését, ebből fakadóan pedig a tranziens opciót is,
- elsődleges közegünk a gyártott folyadék, a másodlagos pedig levegő,
- a lejtő tetején előírt sebességgel lép be a folyadék a vizsgált térbe.
A kiáramló folyadék és a grafikonok lekérdezési vonala
Referenciaként lefuttattuk a számítást sima vízzel, majd pedig a beépített anyagtárban megtalálható almaszósszal. Figyeltük az áramlás alakulását, valamint a sebességteret is. Emellett a nyíllal jelölt vázlatvonalon XY-plot segítségével ábrázoltuk a sebességeket, és ezt is összehasonlítottuk a két anyagra.
A beépített almaszósz anyag viszkozitásának változása a nyírássebesség változásával
Az egységes sebességtér animációjából látszik, hogy a folyadékok viselkedése teljesen eltérő.
Videó: Az egységes sebességtér időbeli alakulása víz közeg esetén
Videó: Az egységes sebességtér időbeli alakulása almaszósz közeg esetén
Csak a folyadékok sebességeit állandósult állapotban vizsgálva szemmel is jól látható az áramképek közötti különbség.
A víz folyadéksebessége
Az almaszósz folyadéksebessége
A legpontosabb összehasonlítást az adja, ha a már említett görbe mentén vizsgáljuk a sebességeket. Mivel a két folyadékréteg vastagsága és a kialakult maximális sebességek eltérők, a direkt összevetés kissé nehézkes lehet. Ezért mindkét adatsort a rétegvastagsággal, valamint a maximális sebességgel normáltuk, így tisztán a kialakult profil formáját vethetjük össze. Mivel a plotok értékei közvetlenül Excelbe exportálhatók, ezt könnyedén megtehetjük.
A dimenziótlan sebességprofilok (kék: víz, narancs: almaszósz)
Teljesen egyértelmű, hogy a két folyadék viselkedése egy ilyen elemi példában is határozottan eltérő. Az is sejthető, hogy komplexebb alkalmazási példáknál elég durva elhanyagolást jelentene a nemnewtoni folyadékok ezen tulajdonságának elhanyagolása. A legfrissebb SOLIDWORKS Flow Simulation csomag immár ezen a területen is hasznos eszköze lehet az élelmiszeriparba, feldolgozóiparba beszállító cégeknek, mérnököknek.