Использование сечений для визуализации результатов в поперечных сечениях

В одной из предыдущих публикаций мой коллега Руд (Ruud) описывал несколько эффективных приемов работы с векторными графиками для отображения результатов моделирования в COMSOL Multiphysics. В новой статье из цикла про обработку результатов я расскажу про сечения, которые позволяют визуализировать физические процессы одновременно в нескольких областях исследуемой модели.

Сечения показывают распределение выбранной переменной в пределах поперечного сечения (или даже нескольких сечений) исследуемой модели.

В прошлой статье Руд показывал векторные графики на модели Flow in a Pipe Elbow (Течение в колене трубы). Давайте вернемся к этому примеру и узнаем, как с помощью сечений построить распределение скорости и давления в трубе.

На двух изображениях ниже показаны сечения, проходящие через всю трубу, которые могут показаться вам знакомыми, если вы читали статью Рудa:

Такие графики помогают ясно представить, что происходит с потоком в центре трубы. Для этого строится виртуальная поверхность, которая рассекает геометрическую модель посередине по вертикали.

Чтобы создать эти графики, мы добавляем узел 3D plot group (Группа 3D-графиков) к модели Flow in a Pipe Elbow (Течение в колене трубы). После этого мы можем добавить узел Slice (Сечение) на вкладке 3D Plot Group (Группа 3D-графиков) панели инструментов.

Примечание: В версии графика, показанного на рисунке, я добавил несколько контурных линий трубы и поверхность серого цвета, которые описывают форму трубы — другими словами, я изобразил стенки трубы. Кроме того, я использовал зеркальное отображение, чтобы график в центральном сечении проходил через геометрическую модель всей трубы целиком, тогда как в расчетах моделировалась только половина трубы. Так визуализация становится более наглядной.

Если нажать кнопку Slice (Сечение) на панели инструментов, то по умолчанию программа построит несколько секущих плоскостей для трубы.

Давайте посмотрим на параметры:

COMSOL Multiphysics автоматически строит график распределения скорости в пяти сечениях, лежащих в плоскости yz и разнесенных по оси x. Если мы изменим значение в поле Plane (Плоскость) на xy, а число плоскостей на 1, то увидим исходный график из статьи Руда, который показан выше.

Изучим эти настройки внимательнее.

Если мы вернемся к настройкам графика по умолчанию, когда строятся пять сечений в плоскости yz, то получим такое изображение:

На этом графике очень легко увидеть распределение скорости течения в трубе.

Секущие плоскости можно достаточно просто перемещать, чтобы проанализировать распределение скорости в разных областях. Если мы включим флажок Interactive (Интерактивный), то сможем с помощью ползунка перемещать секущие поверхности по оси, перпендикулярной к плоскости, в которой построены секущие. В нашем случае мы переместим поверхности вдоль оси x:

Как мы видим, этот прием очень удобен для создания нескольких секущих, которые не должны перекрывать друг друга.

Например, давайте визуализируем скорость в сечении внутри колена, перпендикулярном стенкам трубы. Для этого изменим тип плоскости на General (Общий) и выберем метод ввода Point and normal (Точка и нормаль). Так мы сможем задать диагональную плоскость в колене. Важно убедиться, что плоскость правильно ориентирована.

Чтобы выбрать правильные точку и вектор, сначала посмотрим на параметры. Они находятся в узле Global Definitions (Глобальные определения):

Длины входного и выходного патрубка, то есть расстояние от открытого конца трубы до колена, задается переменной L. Это значение почти полностью соответствует расстоянию по вертикали для нашей плоскости. В переменной Rc хранится радиус колена, который мы добавим к расстоянию. Зададим координату по оси x равной L+Rc.

Вектор нормали должен быть ориентирован по касательной к направлению потока в колене, то есть его направление в этой точке должно быть (1,1,0).

Вот как выглядит сечение:

Диагональное сечение показывает градиент скорости потока, меняющего свое направление в колене. Поток движется медленнее всего на внешнем участке колена и быстрее — на внутреннем участке.

Теперь мы можем добавить еще несколько сечений, лежащих в плоскостях yz и xz, которые покажут скорость в горизонтальном и вертикальном участках трубы.

Совет: Мы не создавали два новых графика, а дважды продублировали исходный график. Также мы выбрали Slice 1 (Сечение 1) во вкладке Inherit Style (Унаследовать стиль) в настройках обоих дубликатов, чтобы цвета и диапазоны данных во всех трех сечениях были одинаковыми.

Координаты точек, задающих эти сечения, — (L,0,0) и (L+2*Rc,Rc,0). Плоскости расположены по обеим сторонам колена у начала и конца изгиба. Соответствующие нормальные векторы — (1,0,0) и (0,1,0):

Что произойдет, если включить флажок Additional parallel planes (Дополнительные параллельные плоскости)? Программа создаст набор поверхностей, параллельных уже построенному сечению Slice 3 (Сечение 3):

График выглядит немного неопрятно, но сейчас мы это исправим. Помните интерактивный ползунок? Если мы хотим избавиться от вытянутой поверхности в вертикальном участке трубы, то можем сдвинуть все сечения. Если все поверхности сдвинуть на величину 0,035, плоскости не будут перекрываться:

Мы можем сделать то же самое для горизонтальных поверхностей с вектором нормали (1,0,0):

Теперь набор сечений показывает распределение скорости в поперечном сечении при движении вдоль трубы: поток становится более турбулентным после колена.

На этом мы закончим краткое знакомство с сечениями. Следите за следующими статьями о визуализации и обработке результатов — мы расскажем о контурных графиках и изоповерхностях.