Blog berichten Volupe

Simuleren van deeltjesfilters in Simcenter STAR-CCM+

In de blogpost van deze week laten we een voorbeeld zien van hoe u een deeltjesfilter kunt simuleren en analyseren met behulp van het Lagrangian Multiphase (LMP) model met samengestelde fasevoorwaarden in Simcenter STAR-CCM+.

De opstelling van het deeltjesfilter

Het stromingsgeval in dit voorbeeld is een eenvoudige dummygeometrie bestaande uit een inlaatpijp, een cilindrisch radiaalfilter en een omringende cilinder. Een luchtstroom wordt van bovenaf ingevoerd en komt het radiale filtervolume binnen. Vervolgens gaat zij door het filteroppervlak naar de omringende cilinder en verlaat deze weer via het ringvormige bovenoppervlak.

Geometrie van het dummy deeltjesfilter

De basisaanpak voor het filterconcept is het opzetten van een poreuze baffle-interface op het filteroppervlak. De poreuze baffle-interface is een interfacetype dat beschikbaar is in de interface-eigenschappen.

Keuze van de poreuze schotteninterface

De opstelling bestaat nu uit twee gebieden; een voor- en een nafiltergebied, met daartussen een poreuze baffle-interface ("Filter [Interface 1]" in de onderstaande afbeelding).

Overzicht van regio's en grenzen

Lagrangiaanse meerfasenopstelling (LMP)

In dit voorbeeld kiezen we voor bolvormige vaste deeltjes (aluminium, d.w.z. standaard Simcenter STAR-CCM+ vast materiaal). We injecteren ze vanaf het inlaatoppervlak met een deelinjector met dezelfde snelheid als de achtergrondstroom en een deeltjesstroom van 10 deeltjes per seconde. We specificeren ook een spreiding tussen 5e-5 meter en 2e-4 meter in deeltjesdiameter met behulp van een Rosin-Rammler-verdeling.

In ons fysisch continuüm selecteren we de modellen die we willen gebruiken voor de Lagrangiaanse fase. In dit geval kiezen we ervoor om Boundary Sampling te activeren en stellen we de upstream filter interface (d.w.z. Pre: Filter [Interface 1]) in als sampling grens. Naast de standaard selecties voegen we ook de Particle Diameter toe aan de Scalars die we willen samplen.

Scalars en grenzen van belang toevoegen aan de Boundary Sampling

In de map Boundary Conditions voor de Lagrangian fase kunnen we zien dat de standaardmodus voor de poreuze baffle interface is ingesteld op "Transmit", wat betekent dat het vlak volledig doorlaatbaar is voor alle deeltjes, tenzij we anders aangeven. In dit geval willen we dat het poreuze schot werkt als een deeltjesfilter, d.w.z. dat deeltjes groter dan een bepaalde grootte niet worden doorgelaten. Hier kunnen we gebruik maken van samengestelde fasen.

Standaard grensinteractiemodus voor de poreuze schotten

Samengestelde fasevoorwaarden

Composite Phase Conditions is een manier om verschillende soorten grensinteractie modi binnen dezelfde grens- en Lagrangiaanse fase mogelijk te maken. Om dit te activeren gaan we naar de map Regions en vouwen we de map Boundaries uit voor de Pre-regio. Binnen het knooppunt Filter [Interface 1] gaan we naar de Lagrangian Specification en selecteren Specify for Boundary. Dit is om op deze specifieke grens af te kunnen wijken van de standaard fase.

Fasevoorwaarden op de filterinterface inschakelen om te kunnen afwijken van de standaardvoorwaarden

Zodra we dit hebben gedaan, verschijnt er een map met Fasevoorwaarden in de simulatieboom. We gaan naar deze nieuwe map en navigeren naar Physics Conditions -> Mode en selecteren Composite.

Selecteren van samengestelde fasen als grensinteractiemodus

Dit schakelt op zijn beurt de node Composite Default Mode en de Mode Probabilities in de map Physics Values in. We laten de Default Mode staan op Transmit en gaan naar de Mode Probabilities.

Standaard grensinteractiemodus voor de samengestelde-fasevoorwaarde

Om de functionaliteit van een filter na te bootsen, willen we de kleefvoorwaarde toepassen op deeltjes die groter zijn dan een bepaalde grootte, terwijl we de kleinere doorlaten (d.w.z. doorlaten). Dit kan met een if-statement in een veldfunctie. Laten we aannemen dat we willen dat deeltjes groter dan 100 micron in het filter blijven hangen. We kunnen dan een veldfunctie definiëren (laten we het noemen filter_voorwaarde) met de volgende definitie:

(${ParticleDiameter} > 1.0e-4) ? 1 : 0

en wijs het toe aan de Stick probability mode. Deze veldfunctie zal 1 opleveren voor deeltjes groter dan 100 micron en 0 voor kleinere deeltjes.

Definitie van de filtervoorwaarde met een if-statement

Toepassing van de door de gebruiker gedefinieerde veldfunctie op de Stick Boundary Interaction Mode van de Composite Phase Conditions

In dit geval zijn de Escape en Rebound modes niet van toepassing, dus laten we de waarschijnlijkheid voor deze modes op 0 staan. Nu hebben we de filtervoorwaarden voor de Lagrangiaanse deeltjes opgesteld en zijn we klaar om de simulatie uit te voeren. In dit specifieke voorbeeld hebben we al een geconvergeerde steady-state achtergrondstroming in het domein. Het volgen van de deeltjes wordt uitgevoerd met een onstabiele aanpak met een tijdstapgrootte van 0,025 seconden. De afbeelding hieronder toont de deeltjesverdeling na 1 seconde gesimuleerde tijd.

Lagrangiaanse deeltjes binnen de filtergeometrie

Om alleen de deeltjes te visualiseren die zijn blijven hangen op het filterinterface kunnen we gebruik maken van een Threshold Derived Part. Klik met de rechter muisknop op Derived Parts in de simulatieboom en selecteer Threshold. Selecteer de Lagrangiaanse deeltjes als invoeronderdeel en selecteer Stuck Mark (die zich bevindt in de Parcel map) als Scalar Field. Dit is een variabele die 1 teruggeeft voor alle deeltjes die aan een grens plakken en nul voor alle andere.

Waar vindt u de Parcel: Stuck Mark veld functie

Dan kunnen we de Drempelwaarde-modus instellen op "Boven Max" en het bovenste bereik specificeren op bijvoorbeeld 0,99 (in principe zou alles boven 0 hier werken).

Invoer voor het van drempels afgeleide deel voor gefilterde deeltjes

Nu kunnen we deze Threshold gebruiken als input voor onze nabewerking, bv. in onze scalaire scène (zoals de afbeelding hieronder) of misschien een histogramplot om de diameterverdeling van de vastzittende deeltjes te analyseren.

Visualisatie van gefilterde (d.w.z. vastzittende) deeltjes

Als laatste opmerking is het belangrijk te weten dat deeltjes die aan de interface kleven geen invloed hebben op de drukval in gevallen waarin u een eenzijdige gekoppelde benadering gebruikt. Om rekening te houden met een eventueel blokkade-effect van deeltjes die aan het filter kleven, moet u het geval in twee richtingen koppelen. Merk ook op dat er in het LMP-model geen interactie is tussen deeltjes en deeltjes, wat betekent dat deeltjes zich niet op elkaar kunnen stapelen (wat de verstopping nog zou vergroten). Om ook hiermee rekening te houden zou u in plaats daarvan de Discrete Elementen Methode (DEM) moeten gebruiken.

Ik hoop dat deze blogpost nuttig was om te laten zien hoe u kunt werken met samengestelde fasevoorwaarden voor LMP in Simcenter STAR-CCM+. Zoals altijd kunt u vragen of opmerkingen sturen naar support@volupe.com.

Auteur

Johan Bernander

Johan Bernander, M.Sc.

support@volupe.com

+46 702 95 18 31

 

Meer blogberichten

nl_BEDutch