Построение численных решений расчета поля цилиндрического волновода с шероховатой поверхностью

Известия ТРТУ

Тематический выпуск

Для отработки методики раннего обнаружения заболевания предлагается ультразвуковой денситометр, функциональные возможности которого могут изменяться в широких пределах.

Основным информационным признаком возникающего остеопороза является очаговое изменение плотности кости, что, при использовании ультразвука, приводит к изменению скорости звука, коэффициентов отражения, преломления и т.д. На результаты ультразвукового обследования кости оказывают влияние мягкие ткани, углы сканирования, температура и многие другие дестабилизирующие факторы. Прямые методы измерения не позволяют достичь требуемой точности измерений. Поэтому в предложенном приборе используются косвенные комплексные исследования.

Прибор содержит передатчик и приемник, работающие с набором датчиков, быстродействующий АЦП и микроконтроллер. Вся обработка информации осуществляется в ПЭВМ. С ПЭВМ производится управление режимами работы передатчиков и приемников. Для получения достоверной информации вначале определяются параметры восстанавливающего фильтра, позволяющего отсеять влияние дестабилизирующих факторов на точность измерений. Параметры фильтра вычисляются при изменении условий измерений, направления сканирования и т. д.

При компьютерном моделировании различных ситуаций, связанных с распространением ультразвука в системе ткань - кость - ткань, определены граничные значения для коэффициентов восстанавливающего фильтра.

УДК 534.222.2

ПОСТРОЕНИЕ ЧИСЛЕННЫХ РЕШЕНИЙ РАСЧЕТА ПОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ВОЛНОВОДА С ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

М.Ю. Георги, Н.П. Заграй

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Для выполнения подобной работы используется пакет ANSYS, включающий четыре функциональных модуля. Моделирование осуществляется в модуле препроцессора (Preprocessor - /Prep 7). Пакет имеет достаточно мощные средства моделирования объектов практически любой сложности. Кривизна поверхности создаваемой модели, правда, ограничена сплайном третьего порядка. Если возникает потребность в анализе моделей, исползующих внутри себя более сложные поверхзности (класс А - вплоть до 24 степени), создаваемые в специализированных пакетах моделирования типа CATIA, UNIGRAPHICS, Pro/Engineer, то взаимодействие с ними может осуществляться с помощью файлов универсального промышленного формата IGES, либо напрямую через форматы PRO/E, UG, Parasolid, SAT.

Первоначально создается скелет модели с помощью команд построения каркасных линий. Далее созданный каркас разбивается на элементы, которые являются основой для заполнения исследуемой модели представляемой сеткой. Грамотное построение сетки является одним ихз главных аспектов создания модели, отвечающей реальным условиям. Элементарная сетка должна отражать основные особенности рассматриваемого физического процесса как в аналитической форме его представления и описания, так и численного моделирования.

В нашем случае основной целью исследований является изучение влияния периодиечской поверхностной структуры акустического волновода (шероховатой

МИС-2000

Ультразвуковые и акустические приборы в медико-биологической практике

структуры) распространение звуковых волн внутри его и формирование результирующего поля в объеме волновода.

Исходя из целей исследования необходимо создать сгущеннние сетки в сторону неровностей. Градиент сгущения в данном случае составлет порядка 500, а это означает, что размер элемента, находящегося на оси распространения акустического поля в 500 раз больше элемента, прилегающего к шероховатым стенкам.

Акет ANSYS позволяеит описывать подавляющее количество используемых на сегодняшний день в промышленности материалов. В программе для этого существуеют элементы, описывающие физические свойства материала. На самом же деле зачастую необходимо описывать не только твердые тела, но и, например, кристаллическую структуру пьезоэлектрических элементов (PLANE13) и магнитострикционных материалов (SOLID97), акустические свойства воды (FLUID29), термические и турбулентные свойства воздуха (fluid141). Следовательно дальнейшим шагом является создание областей в рамках разрабатываемой модели, которым присваивается тот или иной индекс из библиотеки ANSYS, содержащий более 100 физических элементов.

Последней операцией, исполняемой в препроцессоре, является заполнение областей пространства сеткой, который завершает этап моделирования. Запоненное конечными элементами (КЭ) пространство (созданная сетка дискретного пространства) является приближенным аналогом непрерывного моделирования. Актуальным становится поиск компромиса между гшромоздкостью модели, а следовательно временем расчета, и достоверностью результатов. Последнее требует осуществлять загущение сетки в критичных к этому областях. Желательно, чтобы построенная сетка была регулярной, т.е. форма КЭ должна быть максимально приближенной к прямоугольной. К сожалению избажать этого удается далеко не всегда. Машер ANSYS позворляет разбивать область любым вышеперечисленным методом, а также произвольно сгущать отдельные участки.

Следующий шаг - это задание начальных и граничных условий. Этот этап осуществляется в модуле «Решатель (Soltution-/solul)». В «акустическом» элементе присутствует несоколько видов нагрузок: узловая скорость потока, колебательные смещения и давление в узлах либо на поверхности, прикладываемая к поверхности (узлу) сила, импеданс, коэффициент звукопоглощения. Также задаются свойства сред: скорость звука, плотность, модуль Юнга, коэффициент объемной упругости.

Обработка полученных результатов (Postprocessing) проводится в модуле Postprocessing (/postl) TimeHist Postprocessing (/post26). Работа осуществляется как с действительной и минимой частями, так и с амплитудно-фазовыми распределениями.

В силу особенностей аэро-гидродинамического модуля пакета FLOTRAN (элементы FLUID 140, 141) модель можно упростить, ограничившись осе-симметричным рассмотрением. Нижняя кромка рассматривается как граница «непротекания» Vx, Vy = 0. Первая кромка является входным отверстием (inlet) и на ее границе задается скорость входного потока Vx= 1 m/s. На оси симметрии Vy = 0. При расчете для жидкости принимаются следующие допущения: а) жидкость Ньютонова, б) однофазная, в) рассматриваемая область не меняется.

Выходными значениями (результатами вычислений) являются компоненты скорости потока V, суммарная скорость и давление в объеме движения жидкости в волноводе в шероховатыми границами.

Преложенный подход численного моделирования с использованием вышеназванных программных пакетов может быть успешно использован в прикладных задачах медицинской акустики.