Volupe logo

Blog berichten Volupe

S2S-straling in Simcenter STAR-CCM+

Deze week kijken we naar straling, met de nadruk op S2S (surface to surface) straling in Simcenter STAR-CCM+. We zullen kijken naar enkele zaken waarmee rekening moet worden gehouden bij het opnemen van straling, hoe het efficiënt te gebruiken en hoe het te begrijpen. We zullen ook de verschillende stralingsmodellen in Simcenter STAR-CCM+ doornemen om te begrijpen wanneer ze wel en wanneer ze niet gebruikt moeten worden. Maar eerst een kort theoriegedeelte over straling.

Straling

Alle voorwerpen absorberen en zenden elektromagnetische straling uit. Het vermogen van een voorwerp om straling uit te zenden wordt bepaald door zijn kleur. Zwarte voorwerpen zijn het meest efficiënt in het uitzenden van straling, terwijl witte voorwerpen het minst efficiënt zijn. De meeste voorwerpen hebben een verschillend vermogen om straling op verschillende golflengten uit te zenden en te absorberen. Dit afgezien van een Grijs lichaam, dat stralingseigenschappen heeft die onafhankelijk zijn van de golflengte. De straling van elk lichaam wordt bepaald door de wet van Stefan-Boltzmann van straling:

Waar σ=5.67 x 10-8 J/s * m2 * K is de constante van Stefan-Boltzmann. A de oppervlakte van het voorwerp is, en T is de absolute temperatuur in Kelvin. De e, in de vergelijking, is de emissiviteit van het lichaam. Stel dat we deze vergelijking in een voorbeeld willen gebruiken; laten we uitgaan van een persoon met een oppervlakte van 1,60 m2die in een donkere kamer staat, met een normale oppervlaktetemperatuur van de 33°C en de kamer is op 20°C. De emissiviteit van de huid is 0,97. We berekenen dan de netto warmteoverdracht door straling, die gegeven wordt door:

Het negatieve teken voor de waarde, geeft aan dat de straling het lichaam verlaat. De warmte straalt UIT de persoon.

Wat ook goed is bij het werken met straling in Simcenter STAR-CCM+ is om de volgende termen te onthouden:

Absorptievermogen - Een maat voor de hoeveelheid straling die door een lichaam wordt geabsorbeerd.

Emissiviteit - Het vermogen van een lichaam om straling uit te zenden.

Reflectievermogen - het vermogen van een oppervlak om straling te reflecteren.

Transmissiviteit - Het vermogen van een oppervlak om straling door te laten.

De theoretische relatie voor deze eigenschappen is:

Absorptiecoëfficiënt + Reflectiecoëfficiënt + Transmissiviteit = 1 (voor een gegeven golflengte)

Merk echter op dat in Simcenter STAR-CCM+ wordt aangenomen dat Absorptiviteit en Emissiviteit gelijk zijn, wat betekent dat alle straling die door een lichaam wordt geabsorbeerd, ook door dat lichaam wordt uitgezonden. Deze aanname wordt gedaan op grond van Kirchhoff's wet van thermische straling, die zegt: "Voor een willekeurig lichaam dat thermische straling uitzendt en absorbeert in thermodynamisch evenwicht, is de emissiviteit gelijk aan de absorptiecoëfficiënt". Dit betekent dat het absorptievermogen van straling niet iets is dat je specificeert (Absorbtivity=Emissivity), vandaar voor Simcenter STAR-CCM+:

Emissiviteit + Reflectiecoëfficiënt + Transmissiviteit = 1

Stralingsmodellen in Simcenter STAR-CCM+

Bij de simulatie van straling in Simcenter STAR-CCM+ is er een scheiding tussen Oppervlakte stralingsuitwisseling en Volume stralingsuitwisseling. In het latere voorbeeld (zie deel Ons voorbeeld) zal de nadruk liggen op oppervlaktestraling (S2S), maar het is eerst van belang de verschillen tussen deze twee methodologieën te beschrijven.

Uitwisseling van oppervlaktestraling

Uitstraling van oppervlakte tot oppervlakte (S2S) - Een deterministische methode die gebruik maakt van vooraf berekende aanzichtfactoren. Voegt verschillende lineaire vergelijkingen toe aan het einde van elke iteratie om de warmteoverdracht door straling op te lossen.

Surface Photon Monte Carlo (SPMC) - Een statistisch model dat straling oplost met behulp van ray tracing. Dit model is geavanceerder en rekentechnisch duurder dan S2S en kan rekening houden met refractie.

Volume stralingsuitwisseling

De media kunnen warmtestraling absorberen, uitstralen of verstrooien. U kunt deeltjes van een Lagrangiaanse fase opnemen of de roetemissiemodellen gebruiken.

Deelnemende mediastraling (DOM) - volgens de discrete ordinatenmethode, waarbij de hoekvertegenwoordiging van de ruimte rond een cel het belangrijkst is en verschillende ordes kan krijgen.

Deelnemende media (sferische harmonischen) - Hier worden harmonische functies gebruikt om de stralingsintensiteitsgradiënt in het medium te modelleren.

Ons voorbeeld

Na een kort theoretisch gedeelte en een korte beschrijving van welke modellen beschikbaar zijn in Simcenter STAR-CCM+ zullen we ons richten op S2S straling, en grijze thermische straling. Het voorbeeld dat we zullen bekijken is een glazen doos ondergedompeld in aluminium. De aluminium doos is volledig adiabatisch ten opzichte van de omgeving, geen warmte kan het systeem verlaten via de wanden van de doos. De enige warmteoverdracht die mogelijk is, is via het glazen oppervlak aan de bovenkant.

De omgevingstemperatuur is 20°C. S2S straling is geactiveerd voor de glazen kubus en de optie Interne straling is aangevinkt voor de regio aangezien we te maken hebben met een vaste stof. Het grensvlak, tussen de onderkant van de kubus en het aluminium dat die plaats deelt, heeft een temperatuur van 100°C. Dit is de enige warmtebron in het domein.

De kwestie die we later zullen bekijken heeft te maken met de vraag hoe rekening moet worden gehouden met straling wanneer straling het domein verlaat, of het domein binnenkomt. Maar eerst enkele opmerkingen over de uitgevoerde View factors berekening.

Gezichtsfactoren en stralingspatronen

Het S2S-stralingsmodel maakt gebruik van een viewfactorberekening voordat de simulatie wordt uitgevoerd. Dit is een rekenintensief proces, maar het hoeft slechts eenmaal te worden uitgevoerd (aangezien het netwerk en het berekeningsdomein tijdens de simulatie gelijk blijven). Er zijn manieren om snelheid de zichtfactorberekeningen te versnellen. De standaardinstellingen voor stralingspatches zijn 100, wat betekent dat de patch/face verhouding 100 % is en dat elk vlak 100 % van een patch krijgt. Met deze instelling zullen alle vlakken in uw mesh afzonderlijke patches hebben. Als u in plaats daarvan een waarde instelt, bijvoorbeeld 20, is het doel om een gezicht 20% van een patch te geven, dan bestrijkt elke patch in plaats daarvan vijf gezichten. Dit is te zien in de afbeelding hieronder. In de bovenste figuur krijgt elk gezicht zijn eigen stralingspatch, terwijl in de onderste verschillende gezichten de patch id:s delen (let ook op het verschil in schaal voor de verschillende gevallen 21 vs 118 patches).

Dit verkort de tijd die nodig is om de view factoren te berekenen. Hieronder staan cijfers van een geval met een veel hogere resolutie dan het voorbeeld hierboven. In onderstaand voorbeeld is de face/patch verhouding weer teruggebracht van 100 naar 20. Het uitvoerscherm toont het aantal patches en de tijd die nodig is om de view factoren te berekenen. We verminderen de tijd die nodig is van ongeveer 20 s tot ongeveer 2,5 s. Merk echter op dat de resolutie van de patch/face proporties de nauwkeurigheid van de oplossing vermindert, net als bij mesh resolutie. Het niveau van reductie dat u kunt gebruiken zal geval-specifiek zijn, zowel in termen van resolutie als relevantie van de stralingsfysica.

Een ander ding om te verminderen is het aantal balken in de view factor calculator. Dit zal de nauwkeurigheid van de view factoren verminderen maar zal ook de berekening van de view factor versnellen. Gebruikmakend van de patch/face verhouding van 100 uit het voorbeeld hierboven, zullen we nu de helft van het aantal balken gebruiken om te zien dat we uitkomen op een berekening die een kwart van de tijd in beslag neemt.

Simulatieresultaat voor omgevingsrandvoorwaarde

Het laatste wat ik in deze post wil aansnijden is het feit dat er wat vragen kunnen rijzen in verband met de energiebalans wanneer je een omgevingsrandvoorwaarde gebruikt. Aan de hand van het vorige voorbeeld vergelijken we de resultaten van een simulatie met volledig doorlaatvermogen (1) en volledig reflectievermogen (doorlaatvermogen = 0). In een gesloten systeem moet de som van de energiebalans 0 zijn, wat betekent dat alle warmte die het domein binnenkomt ook weer het domein verlaat, we hebben geen accumulatie van energie (weer de wet van Kirchhoff). Voor het geval waarin het doorlaatvermogen voor het bovenoppervlak op nul is gesteld, is dit waar. De afbeelding hieronder toont de som van de warmteoverdracht op alle actieve grenzen en raakvlakken. De getoonde waarde is bijna nul (-0,02319 W) maar vertegenwoordigt op dit punt eerder de fout van de berekening dan de accumulatie van energie. Als we in plaats daarvan kijken naar het geval waarin het doorlaatvermogen op 1 is gesteld, vertoont de energiebalans een grote negatieve waarde (-369 W). Waarom is dit dan? Betekent dit dat we een oneindig verlies van energie in het systeem hebben bij transmissiviteit=1? Nee, dat is niet het geval, de omgevingsrandvoorwaarde wordt in Simcenter STAR-CCM+ gebruikt om de energievergelijking in evenwicht te brengen. Uit het plaatje en uit de schaalverdeling blijkt dat, aangezien de temperatuur in de doos hoger is dan erbuiten, alle binnengrenzen het domein uitstralen bij transmissiviteit=1. Dit zal leiden tot een negatieve waarde van de energiebalans. Zoals hierboven beschreven is dat echter niet het geval wanneer geen straling buiten het domein wordt toegelaten.

Dit is slechts een klein deel van wat men kan leren over straling en de Simcenter STAR-CCM+ modellen. U kunt meer informatie vinden in de documentatie en in het support center. Ik hoop dat dit een nuttig artikel is geweest. En zoals gewoonlijk aarzel niet om uw vraag te stellen aan support@volupe.com.

Lees ook:
Simcenter STAR-CCM+ versie 2020.3 nieuws - Deel 2
Hoe Display-weergaven te transformeren
Hoe voer ik een basissimulatie uit in Simcenter FloEFD
Geavanceerd renderen in Simcenter Star-CCM+
Gestuurde meshing in Simcenter STAR-CCM+

Meer blogberichten

nl_BEDutch