Volupe logo

Blog berichten Volupe

Specificatie van randvoorwaarden voor meerfasige simulations in Simcenter STAR-CCM+

Wilde u ooit een meerfasensimulatie uitvoeren in Simcenter STAR-CCM+ en kwam u erachter dat toen u dacht dat alles goed was ingesteld, toen alle begin- en randvoorwaarden waren gespecificeerd, de simulatie nooit startte omdat een som van massa's of molfracties niet bij elkaar opgeteld gelijk was aan 1? Ik heb dit ook meegemaakt, en hoewel ik dagelijks met Simcenter STAR-CCM+ werk, overkomt me dit nog steeds. Mijn idee met deze blog post is om de verschillende instellingen voor de verschillende types van meerfasige simulations uit te zoeken.

Euleriaanse modellen

De moeilijkheid komt in het algemeen voort uit de verschillende instellingen met betrekking tot de Euleriaanse modellen. In Simcenter STAR-CCM+ hebben wij de volgende Euleriaanse meerfasenmodellen:

  • EMP - Euleriaans meerfasenmodel, de moeder van Euleriaans simulations. Het meest veelzijdige model, maar ook het duurste Euleriaanse model.
  • MMP - Mixture Multiphase model, een vereenvoudiging van het EMP-model waarbij wordt uitgegaan van enige homogeniteit.
  • DMP - Een echt lichtgewicht Euleriaans model dat sterk verdunde gedispergeerde fasen simuleert met geringe invloed op de continue stroom. (Bij voorkeur minder dan 1% volumefractie)
  • VOF - Volume van fluid, een interface-volgmodel voor de simulatie van niet-mengbare fluid's.

U kunt meer lezen over meerfasige modelleringsmogelijkheden in onze vorige blogpost via deze link. Deze modellen worden enigszins verschillend behandeld als het op instellingen aankomt. In termen van hoe geavanceerd de instellingen zijn, zal ik de modellen indelen als leden van een familie. VOF- en MMP-modellen zijn broers en zussen (de tieners), terwijl het EMP-model (de moeder) als apart wordt gezien en het DMP een speciale behandeling krijgt (het onhandelbare kleine kind).

Er zijn verschillende redenen om specifieke instellingen op verschillende plaatsen te hebben, sommige zijn niet noodzakelijk intuïtief, en sommige zouden in de toekomst kunnen gaan verschuiven. De laatste jaren is veel aandacht besteed aan hybride meerfasemodellering, en er wordt veel moeite gedaan om hybride meerfasemodellen te implementeren. Dit heeft geleid tot steeds meer inputs in een simulatie, waarbij de verschillen tussen de modellen duidelijker worden. En het risico dat men het overzicht over de verschillen verliest, kan tot enige frustratie leiden. Hopelijk kan met deze blog post wat van deze verwarring worden weggenomen. Hieronder zullen we een voorbeeld onderzoeken, opgezet met de verschillende modellen, om te laten zien waar de instellingen moeten worden opgegeven.

Het voorbeeld

De beste manier om de verschillen in de instellingen te tonen is om voor elk model simulations te maken met zo gelijk mogelijke instellingen. Dus, ter vergelijking, dit zijn de instellingen die hetzelfde zijn voor de verschillende modellen:

  • Een tweefasensysteem
  • Een uit meerdere componenten bestaande vloeibare fase met water (H2O) en methanol (CH4O)
  • Een uit meerdere componenten bestaand gas met zuurstof (O2) en kooldioxide (CO2)
  • Begin- en randvoorwaarden (inlaat/uitlaat) is massafractie 0,99 voor water en 0,01 voor methanol, voor de vloeistoffase.
  • De begin- en randvoorwaarden (inlaat/uitlaat) zijn een soortelijke massafractie van 0,95 voor zuurstof en 0,05 voor kooldioxide, voor de gasfase.
  • De begin- en randvoorwaarden voor de volumefracties zijn 0,5 voor de vloeistoffase en 0,5 voor de gasfase.
  • Merk op dat de waarden en de opstelling onzinnig zijn, vooral omdat VOF-fracties moeten worden gescheiden door een grensvlak, hetzij door volledige fracties op verschillende plaatsen op te geven, hetzij door te beginnen met één fase en deze te vullen met een andere. (Stel je een gietende vloeistof voor).
  • Merk ook op dat het DMP-model een speciale behandeling ondergaat omdat het geen meercomponentenfase toelaat. Het is gespecificeerd als zuiver water in een meer-componentengas als continue fase.
  • Er is geen specifieke aandacht besteed aan het opnemen van meerfasige interactiemodellen, meer dan om aan te tonen waar speciale aandacht nodig is in een soortgelijke opzet.

Het voorbeeld met VOF

In plaats van de verschillen in tekst te beschrijven, wordt een afbeelding van de simulatieboom getoond en worden de instellingen met betrekking tot het modeltype gemarkeerd. De volume fracties beginvoorwaarden voor het VOF-model bevinden zich onder de continua. De soortmassafractie voor elke component wordt gespecificeerd onder elke afzonderlijke Euleriaanse fase.

De linkerzijde toont de modelselectie voor het VOF-model ter referentie. De inlaatvoorwaarden voor de massafracties van de soorten zijn gespecificeerd onder fasevoorwaarden, terwijl de volumefracties zijn gespecificeerd als fysische waarden voor de inlaatgrens. Merk ook op dat momentum- en bronopties worden gespecificeerd als fasevoorwaarden terwijl volumefracties worden gespecificeerd als fysische voorwaarden.

Het voorbeeld met EMP

De opzet van het EMP-model is uniek als Euleriaans model in Simcenter STAR-CCM+, omdat het de enige is waar zowel de beginvoorwaarden als de inlaat-/uitlaatvoorwaarden voor zowel de soortmassafractie als de fasavolumefractie als fasespecifiek worden gespecificeerd. Dit blijkt duidelijk uit de twee onderstaande afbeeldingen.

Merk ook op dat alle opties voor bronnen worden gespecificeerd als fasevoorwaarden.

Het voorbeeld met MMP

Zoals hierboven vermeld heeft het MMP-model opties die sterk lijken op die van de VOF-opstelling. De beginvoorwaarden voor de massafracties van de soorten en de volumefracties van de fasen zijn op dezelfde manier gescheiden. De inlaatrandvoorwaarden voor de soorten, volumefracties en impulsbronopties zijn ook op dezelfde manier gescheiden, zoals te zien is in de onderstaande afbeeldingen.

Bij het MMP-model is er nog een andere instelling die het vermelden waard is. Als het gaat om een mengselsimulatie, is het waarschijnlijk dat u wilt dat de fasen met verschillende snelheden kunnen bewegen, en dat u een slipsnelheid wilt opnemen. De slip snelheid kan worden geactiveerd als een fase interactie tussen fasen. De selectie van het slipmodel omvat dit echter niet automatisch, omdat de standaardwaarde voor het interactiemodel "no-slip" is. Er is een aparte selectie voor nodig, en die selectie verschijnt als een selectie van fase-interactie onder de fasevoorwaarden voor het gebied. De afbeelding hieronder toont waar de selecties worden gemaakt.

Het voorbeeld met DMP

Zoals hierboven vermeld is het DMP-model een lichtgewicht model als het gaat om Euleriaanse meerfasemodellering. De methode staat niet toe dat de gedispergeerde fase uit meerdere componenten bestaat. In het voorbeeld is de vloeistoffase dus de gedispergeerde fase, die is ingesteld op zuiver water.

De soortmassafracties voor de gasfase worden hier verplaatst naar continuüm beginvoorwaarden en bevinden zich niet onder een type fase. In plaats daarvan geeft u de fracties voor de continue fase op alsof de simulations slechts één fase bevat. De toevoeging van de gedispergeerde fase wordt dan gespecificeerd onder het DMP-knooppunt in de modelboom. Bij de inlaatvoorwaarden voor de DMP-simulatie geeft u alleen de volumefractie van de gedispergeerde fase op. Er is geen eis voor eenheid over een optelling van volumefracties. Omdat de DMP-volumefractie impliceert dat de continue fase de rest bedekt. De bronspecificatie voor de gedispergeerde fase bevindt zich onder fasevoorwaarden.

Hybride meerfasemodellering

De bovenstaande voorbeelden tonen de modellen in de vormen die zij hebben, wanneer zij afzonderlijk worden gesimuleerd. Bij hybride meerfasemodellering combineren we een reeks meerfasemodellen om het bereik van de fysica die we willen bestrijken uit te breiden. Toegegeven, hybride meerfasemodellering is in de laatste paar jaar geïmplementeerd, maar de instellingen voor dit soort combinatorische modellen zijn niet noodzakelijk uniform, en komen later aan de orde. Stelt u zich een simulatie voor waarin u twee fasen wilt opnemen en daarvoor gebruiken wij VOF, een vloeistoffase en een gasfase. We gebruiken hetzelfde voorbeeld als hierboven in ons VOF-voorbeeld. Met toevoeging van een DMP fase, die hier gedispergeerd water voorstelt (in een echte simulatie zou het gedispergeerde water zich in de gasfase bevinden, maar omwille van de opstelling hier is het niet nodig de DMP fase te scheiden van de vloeibare VOF fase). Als we dit opzetten en kijken naar de beginvoorwaarden en de inlaatvoorwaarden in de afbeelding hieronder, zien we waarom het gemakkelijk is om in de war te raken.

De lagere beginvoorwaarden voor de VOF-fase moeten zich houden aan de sommatie tot eenheid, terwijl de volumefractie van de gedispergeerde fase, gespecificeerd onder de beginvoorwaarden voor de Euleriaanse fasen (die voor het DMP-model) de sommatieconventie niet hoeft te volgen. Hetzelfde geldt voor de inlaatvoorwaarden, de fracties voor de VOF-fasen worden direct onder de inlaat gespecificeerd, terwijl de DMP-fase als een fasevoorwaarde wordt gespecificeerd.

Er zijn meer voorbeelden waarbij de conventie een beetje verwarrend kan zijn. Een voorbeeld is wanneer u een 3-fasensysteem van lucht, water en stoom heeft en Spalding verdamping/condensatie wilt opnemen in een MMP simulatie. Het Spalding verdampingsmodel ondersteunt geen enkelvoudige component, wat betekent dat je een multicomponent fase moet hebben van de fasen die deelnemen aan die faseverandering. Maar je kunt wel een meercomponentenfase hebben met slechts één gespecificeerde component. Dit is op zichzelf enigszins onintuïtief. Maar het wordt pas echt verwarrend als de standaardfractie van een meercomponentenfase nul is, ongeacht het aantal componenten. Dit betekent dat de standaard beginvoorwaarden voor alle fasen en de randvoorwaarden voor de inlaten nul zijn. Niet alleen is de volumefractie nul, maar eenmaal gespecificeerd is de massafractie in die fase ook nul.

 

Ik hoop dat dit u helpt de verschillen op te sporen en u in ieder geval een hint geeft waar u moet beginnen met zoeken wanneer u uw simulatie initialiseert en de melding krijgt dat ergens de som van de massafracties niet gelijk is aan eenheid. Zoals gebruikelijk, neem contact op met support@volupe.com met eventuele vragen.

Auteur

Robin Victor
support@volupe.com
+46731473121

Robin Viktor

Meer blogberichten

nl_BEDutch