Volupe logo

Blog berichten Volupe

Fase-interactietopologie, dichtheid van interactiegebieden en lengteschaal

In de blogpost van deze week wil ik wat licht werpen op enkele van de meer abstracte concepten bij het spreken over meerfasig simulations, vooral in het Euleriaanse kader. Ik zal ingaan op het concept van fase-interactie topologieen hoe dat uw meerfasensimulatie beïnvloedt, afhankelijk van uw stromingsregimes en het type fysica dat u probeert op te lossen. Beschouw deze post als een diepe duik in enkele van de concepten geïntroduceerd in de post [Meerfasige modelleringsmogelijkheden in Simcenter STAR-CCM+ - VOLUPE Software].

Verder zal ik uitleggen Interactiegebied lengteschaal en Interactie gebied dichtheid, en waarom deze concepten van het grootste belang zijn voor uw Euleriaanse simulatie.

Al deze concepten zijn goed om te begrijpen. Begrip ervan kan je helpen als er iets in je simulatie niet klopt. Als je eenmaal hebt gesleuteld aan de waarden voor alle constanten in je sub-modellen en je simulatie nog steeds divergeert, kun je gaan overwegen of de interactie tussen je fasen zin heeft (of doe dat vanaf het begin). Hopelijk is dit duidelijk nadat je de volgende secties hebt gelezen.

De reden waarom deze concepten belangrijk zijn in een Euleriaanse simulatie is dat verschillende fasen niet expliciet worden gemodelleerd. Behalve bij simulations waar raakvlakken worden gevolgd of vastgelegd, zoals VOF of LSI-simulations, maar dat zijn speciale gevallen. Stel je voor dat bellen opstijgen in een kolom water (het voorbeeld van Hibiki's bellenkolom, een tutorial beschreven in het Simcenter STAR-CCM+ documentatie). Wat u heeft is een vrij eenvoudig geval met bellen van constante diameter die het domein binnenkomen (figuur van het voorbeeld, in het linker deel van de afbeelding hieronder). Met behulp van een populatiebalans om de interactie van de bellen met de continue stroom en elkaar te beschrijven, zult u typisch uw bellen evalueren zoals weergegeven in de rechter afbeelding hieronder. Dit betekent dat er geen echte bellen te vinden zijn, u kunt geen individuele bellen in uw domein selecteren, ook al heeft u volledige controle over hoeveel u er in de pijp stuurt. In plaats daarvan kijkt u naar de gemiddelde diameter van Sautern (de rechter afbeelding in de figuur hieronder). Uw modelselectie heeft een aantal sluitingsmodellen gebruikt, in dit geval b.v. voor botsingen, coalescentie, virtuele massa, luchtweerstand, liftkracht enz. En de sluitingsmodellen voor deze submodellen worden allemaal direct of indirect beïnvloed door de instellingen die u hebt voor de dichtheid van het interactiegebied.

In de afbeelding hieronder staan enkele van de relaties voor de veelgebruikte berekening van de luchtweerstand. Deze vergelijkingen worden gebruikt als u de sleepkracht meerekent bij het simuleren van bellen, druppels of deeltjes. De kracht die werkt op fase i gebaseerd op de weerstand van fase j wordt beschreven als de eerste vergelijking voor de continu-gespreide weerstandskracht. Een deel van de gelineariseerde uitdrukking voor de luchtweerstandscoëfficiënt (vergelijking rechtsboven) is de luchtweerstandscoëfficiënt (de onderste vergelijking), maar ook de waarde voor de dichtheid van het interfaciaal oppervlak. Een gebruikelijk model voor de weerstandscoëfficiënt is het model van Shiller en Neuman, dat in het voorbeeld wordt gebruikt. Maar hoe zit het met de waarde voor de dichtheid van het interfaciaal oppervlak? De dichtheid van het interfaciaal oppervlak geeft het interfaciaal oppervlak aan dat beschikbaar is voor de uitwisseling van momentum, warmte en massa tussen de fasen. Het maakt niet uit hoe correct uw afsluitingsmodellen zijn, de simulatie zal niet correct zijn, als zij worden gebruikt met de verkeerde waarden voor oppervlakte-interactie. Mijn punt is dat de concepten deel uitmaken van de meeste sluitingsmodellen en door de gebruiker worden gespecificeerd. Daarom kan het goed zijn om ze als zodanig te begrijpen, en dat is de reden voor deze blog post.

Fase Interactie topologie

Uw fase-interactie topologie is gebaseerd op het soort probleem dat u wilt oplossen. In Simcenter STAR-CCM+ selecteert u in eerste instantie geen fase-interactie topologie, maar uw modelselectie voor uw fysische verschijnselen bepaalt welke fase-interactie topologie beschikbaar zal zijn om op te nemen. Ik zal een voorbeeld geven:

De in het vorige hoofdstuk beschreven Hibiki-belkolom. De selectie van de deeltjesgrootteverdeling in de fysische continua maakt dit tot een Continu-Disperse Topologie simulatie. Die selectie levert de informatie op dat de lucht als een gedispergeerde fase in de simulatie binnenkomt, en dat is te zien aan de eigenschappen van het model in de fase-interactie.

Het vorige voorbeeld maakt gebruik van de continu-gedispergeerde topologie. Het is dan voldoende om één interactie te gebruiken. Maar wat als mijn simulatie zich over meerdere stromingsregimes uitstrekt? En wat als ik een interactietopologie nodig heb die bijvoorbeeld zowel continu-verspreide als gelaagde stroming kan beschrijven, zoals in de afbeelding hieronder. Of zelfs stroming die varieert welke fase de gedispergeerde is en welke de continue.

In een simulatie die een systeem als dit beschrijft, hebben we zowel een gescheiden twee-fasen stroming nodig als een gedispergeerde fase in een van de twee (of beide) gelaagde fasen. Dit gebeurt automatisch in Simcenter STAR-CCM+ door gebruik te maken van een op volumefractie gebaseerd criterium om het stromingsregime te classificeren in gedispergeerde en gescheiden twee-fasen stroming. In plaats van de continu-verspreide topologie, stelt het meervoudige stromingsregime een primaire en secundaire fase in. Daaruit kunnen drie stromingsregimes worden gedefinieerd:

  1. De secundaire fase wordt gedispergeerd in de primaire fase
  2. Een interface-regime waar beide fasen gescheiden zijn (b.v. gelaagde stroming)
  3. De primaire fase wordt gedispergeerd in de secundaire fase.

Zoals in het voorbeeld met de bellenkolom van Hibiki is aangegeven, wordt geen van de regimes expliciet gemodelleerd (ook hier, tenzij er sprake is van interface-tracking zoals bij LSI), zodat een impliciete manier nodig is om deze regimes te beschrijven. Dit wordt gedaan met behulp van een gewichtsfunctie. Laten we hier niet te technisch worden en dat overlaten voor een aparte blog post. Laten we dit zeggen, er zijn verschillende gewichtsfuncties om de invloed te wegen die het stromingsregime heeft op de gelineariseerde weerstand en de warmteoverdrachtscoëfficiënt die de interactie beschrijft. Deze kunnen in detail worden bestudeerd in de documentatie.

Interactie lengte schaal

De interactielengte beschrijft de interactie tussen stromingsregimes. Zo eenvoudig is dat! Voor een typische continue gedispergeerde stroming, denk aan bellen in water. De interactielengteschaal is de grootte van de bellen, hun diameter, maar omdat we de bellen niet expliciet modelleren, zijn we gedwongen een gemiddelde diameter te gebruiken. De voorkeur gaat uit naar de gemiddelde diameter van Sautern, gedefinieerd als de diameter van een bol die dezelfde verhouding volume/oppervlakte heeft als het deeltje in kwestie.

Merk op dat voor de berekening van deeltjesgrootteverdelingen met het AMUSIG model je een aantal groepen specificeert, en dat deze groepen hun eigen afzonderlijke Sautern gemiddelde diameters hebben. U kunt hier meer over lezen in mijn vorige blog post, over populatiebalansen [Bevolkingsevenwicht in Simcenter STAR-CCM+ - VOLUPE Software].

In een simulatie met meerdere stromingsregimes moet u zowel de dichtheden van het interactiegebied als de lengteschalen van het eerste en tweede regime specificeren.

Interactiegebied dichtheid

De dichtheid van het interactieoppervlak geeft het interfaciale oppervlak aan dat beschikbaar is voor de overdracht van momentum, warmte en massa tussen elk paar fasen in een interactie. Zoals in het voorbeeld van de Hibiki-boubblekolom wordt getoond, wordt de dichtheid van het interactieoppervlak rechtstreeks gebruikt. Simcenter STAR-CCM+ biedt twee modellen voor de dichtheid van het interactieoppervlak:

Het model voor de dichtheid van het interactieoppervlak van sferische deeltjes is gebaseerd op het oppervlak van een sferisch deeltje en is niet bruikbaar voor hoge volumefracties. De symmetrische deeltjesoppervlaktedichtheid wordt gewijzigd door de beschikbaarheid van de continue fase en kan worden gebruikt voor een breed scala van volumefracties.

Ik hoop dat dit u een beter inzicht kan geven in hoe u uw Eulerian meerfasige simulations kunt instellen, en welke mogelijkheden er zijn wanneer u dat doet. Aarzel niet om uit te reiken op support@volupe.com als je vragen hebt.

Auteur

Robin Victor
support@volupe.com
+46731473121

Robin Viktor

Meer blogberichten

nl_BEDutch