Volupe logo

Blog berichten Volupe

Rigid Body Motion (RBM) en Moving Reference Frame (MRF) simulations instellen in Simcenter STAR-CCM+

In de blogpost van deze week laten we twee verschillende benaderingen zien voor het modelleren van een rotatiestroom in Simcenter STAR-CCM+. We gaan door hoe de Rigid Body Motion (RBM) benadering en de Moving Reference Frame (MRF) benadering te implementeren. Het voorbeeldgeval in deze blogpost is een eenvoudige door een ventilator aangedreven stroming in een cilindrisch kanaal. Het domein is gemodelleerd met een stagnatie-inlaat en een druk-uitlaat en de ventilator draait met 120 omwentelingen per minuut.

Beide benaderingen vereisen het gebruik van fluid/fluid raakvlakken, die het roterende gebied scheiden van het stationaire gebied (althans om voortdurend remeshing voor de RBM-benadering te vermijden). In dit voorbeeld hebben wij een raakvlak juist stroomopwaarts van de geometrie van de ventilator geplaatst en een ander raakvlak juist stroomafwaarts. Dit betekent dat we twee fluid regio's hebben, een stationaire en een roterende, die volledig van elkaar gescheiden zijn door deze interfaces.

Stijf lichaam beweging (RBM)

De starre-lichaamsbeweging is misschien de eenvoudigste om te begrijpen, omdat hierbij de werkelijke rotatie van de ventilatorgeometrie betrokken is. Als zodanig is het ook de meest fysisch correcte vertegenwoordiging voor het oplossen van een roterende stroming. Als gevolg van de fysieke beweging is het echter ook inherent vergankelijk en aantoonbaar de meest numeriek gecompliceerde en computationeel dure benadering voor roterende stromingen.

Opzetten van de fysieke beweging

Om de fysieke beweging in te stellen die we gaan gebruiken in de RBM benadering, navigeren we naar de "Tools" map in de simulatie boom, rechts-klik "Motions" en creëer een nieuwe rotatie beweging.

Vervolgens specificeren wij de rotatie-as eigenschappen voor de beweging en ook de rotatiesnelheid.

De roterende beweging die we zojuist hebben gemaakt kan nu worden gebruikt in onze regio-instellingen om een starre lichaamsbeweging op te leggen aan ons roterende domein. Om dit te doen navigeren we naar de "Fluid Rotational" regio en gaan naar de "Physics Values" map. Onder "Motion Specification" veranderen we de Motion input van "Stationary" naar "Rotation". Merk op dat om de roterende beweging als een alternatief te laten verschijnen, het fysisch continuüm transiënt (d.w.z. ongestaag) moet zijn.

We hebben nu een draaiende beweging gespecificeerd voor het gehele "Fluid Rotational" gebied. Dit betekent dat de omringende kanaalwand die de ventilator in dit gebied omsluit ook zal draaien, tenzij we anders aangeven. In dit geval willen we dat de kanaalwand van het roterende gebied stil blijft staan terwijl de ventilator draait. Om dit te bereiken gaan we naar de "Boundaries" map en de "Physics Conditions" voor de "Fluid Rotational.Wall" begrenzing. Hier kunnen we de "Referentie Kader Specificatie" van de rand veranderen van Regio Referentie Kader in Lab Kader. Door dit te doen zal Simcenter STAR-CCM+ zal de grens behandelen alsof hij stationair is ten opzichte van de rest van het gebied. Nu hebben we de rotatievoorwaarden opgesteld voor onze RBM-benadering van deze ventilator aangedreven stroming.

Bewegend referentiekader (MRF) benadering

Voor gevallen met een constante starre beweging biedt de benadering met het bewegende referentiekader de mogelijkheid een roterende stroming in stationaire toestand op te lossen, waardoor een oplossing wordt verkregen die het gemiddelde gedrag van de stroming in de tijd weergeeft. In veel gevallen kan dit een goed compromis zijn tussen nauwkeurigheid en rekeninspanning. In tegenstelling tot de RBM-benadering worden de "bewegende" delen in de MRF-benadering stationair gehouden en worden de rotatie-effecten numeriek opgelegd via brontermen, waarmee het effect van een rotatiebeweging wordt nagebootst. De relatieve eenvoud en simulatie snelheid van de MRF-benadering kan vaak nuttig zijn om een goed vertrekpunt te produceren voor voorbijgaande RBM simulations.

Opzetten van het rotatie referentiekader

Om het referentiekader voor de MRF benadering in te stellen gaan we opnieuw naar de map "Tools" en klikken met de rechtermuisknop op "Reference Frames". In dit geval kiezen we ervoor om een nieuw roterend referentiekader te maken.

Net als voor het RBM specificeren wij vervolgens de eigenschappen van de rotatieas en ook de rotatiesnelheid.

Net als bij het RBM is het roterende referentiekader nu klaar om gebruikt te worden in ons roterende gebied. Om het te gebruiken navigeren we opnieuw naar het "Fluid Rotational" gebied en gaan naar de "Physics Values" map. Onder "Motion Specification" veranderen we het referentiekader in "Rotating".

Net als voor de RBM benadering willen we dat de kanaalwand in het rotatiegebied zich gedraagt als een stationaire wand ten opzichte van de ventilator. Om dit te bereiken doen we precies wat we deden voor de starre-lichaamsbeweging en gaan we naar de map Boundaries waar we het referentiekader voor de "Fluid Rotational.Wall" grens veranderen van Region Reference Frame in Lab Frame. Nu hebben we de rotatie-eigenschappen voor de MRF benadering ingesteld.

Resultaten

Hieronder is een animatie van de RBM-simulatie te zien, die het verloop van het snelheidsveld in het kanaal toont, samen met een monitorplot die de door de ventilator opgewekte massastroom toont. Het stromingsveld bereikt een oscillerende toestand, maar de massastroom vlakt vrij snel af bij ongeveer 0,0261 kg/s. Van inlaat tot uitlaat stabiliseert de totale drukopbouw zich rond 7,12 Pa.

 

Als we naar de resultaten voor de MRF-benadering kijken, komt de massastroom uit op 0,0263 kg/s; een verschil van ongeveer 0,8 % met de RBM-oplossing. De totale drukopbouw bedraagt 7,14 Pa, of een verschil van 0,3 %. Concluderend kan worden gesteld dat, wat de massastroom en de druk betreft, de meer vereenvoudigde en minder rekenintensieve MRF-benadering voor dit specifieke geval resultaten oplevert binnen een afwijking van minder dan 1 % ten opzichte van de meer fysische, maar dure, voorstelling van het RBM.

Hoe zit het met het stromingsveld? Ten eerste is de RBM-benadering (zoals eerder gezegd) inherent transiënt, wat betekent dat het stromingsveld voortdurend verandert met de rotatie van de ventilator. Dit is natuurlijk niet het geval voor de steady-state MRF benadering. Het feit dat de ventilator in de MRF niet fysiek in beweging is, betekent derhalve dat de geometrie van de ventilator statische artefacten in de stroomafwaartse stroming zal achterlaten als gevolg van de belemmering die de geometrie vormt voor de stroming. Met andere woorden, er zullen statische lagedrukzones zijn stroomafwaarts van de ventilatorbladen die altijd in dezelfde positie blijven, terwijl in het RBM deze lagedrukzones voortdurend zullen bewegen naarmate de ventilatorbladen bewegen. Uiteraard is dit niet noodzakelijk een probleem wanneer het gaat om het voorspellen van massastroom of drukverschil, maar het is belangrijk om te begrijpen voor gevallen waar het van belang is om de stroomafwaartse effecten op te lossen, b.v. geforceerde convectiekoeling waar het belangrijk kan zijn om de koelstromen op de juiste manier te voorspellen.

 

RBM (boven) versus MRF (onder).

 

Dit alles gezegd zijnde, kunnen we het stabiele MRF-stroomveld (rechter plaatje hieronder) vergelijken met een momentopname van het RBM-stroomveld (linker plaatje hieronder) waarbij de ventilatorposities identiek zijn. In dit specifieke geval kunnen we zien dat de MRF het gemiddelde stromingsveld vrij goed lijkt te voorspellen.

Momentaan RBM-snelheidsveldSteady-state MRF snelheidsveld

Wanneer gebruik je wat?

Dus welke aanpak moet u kiezen voor uw rotatiestromingsprobleem? Kort gezegd hangt het antwoord af van het doel van de simulatie, het tijdsbestek van het project en de beschikbare (reken)middelen. Er zijn echter enkele algemene aanbevelingen wat betreft de fysica en het type toepassing. Zo presteert de MRF-aanpak doorgaans een stuk beter voor axiale waaiers dan voor radiale waaiers. Voor meer informatie hierover heeft Siemens hier een korte samenvatting van het onderwerp gegeven Moet ik bewegende referentiekaders of starre lichaamsbeweging gebruiken voor mijn simulatie? (siemens.com).

Wij bij Volupe hopen dat deze blog post nuttig was om te laten zien hoe u rotatiestromingen kunt modelleren in Simcenter STAR-CCM+. Als u vragen of opmerkingen heeft, kunt u deze altijd sturen naar support@volupe.com.

 

Auteur

Johan Bernander, M.Sc.

support@volupe.com

+46 702 95 18 31

Meer blogberichten

nl_BEDutch