Blog berichten Volupe

Turbulentie voor meerfasig simulations in Simcenter STAR-CCM+

De blogpost van vorige week was eenover overgangsmodellering in Simcenter STAR-CCM+. Ik zat te denken dat deze week blijven we werken met turbulentie in Simcenter STAR-CCM+. Specifiek zal ik het hebben over meerfasige turbulentie en hoe die behandeld wordt, en nog specifieker, hoe turbulentie te simuleren in je Euleriaanse meerfasige simulatie (EMP). Al in versie 2021.1 werd mengturbulentie geïntroduceerd als een optionele benadering in plaats van EMP simulations. Wij zullen bekijken wat dat betekent, in termen van de details voor de transportvergelijkingen van turbulente grootheden. Ik zal de opties voor disperse fase turbulentie, responsmodellen en turbulentie-interactie bespreken. Dit kan eigenlijk een beetje verwarrend zijn, dus ik hoop dat deze blog post kan helpen bij het uitzoeken van enkele van de moeilijke gebieden. Voorbeelden van de verschillende methoden zullen worden gepresenteerd aan de hand van het k-epsilon turbulentiemodel of een generieke turbulente grootheid. Details voor andere turbulentiemodellen zijn te vinden in de Simcenter STAR-CCM+ documentatie.  

Mengsel turbulentie

Voor mengturbulentie wordt een enkel turbulentiemodel gebruikt om te berekenen de turbulentie van alle fasen door de turbulentiegrootheid op te lossen transportvergelijkingen met gebruikmaking van mengsel eigenschappen en mengselsnelheden. Door dit te doen in uw EMP-simulatie komt u in de buurt van het gebruik van het MMP-model, vooral wat betreft turbulentiemodellering. Andere eigendommenies gebruikt in fundamenteel vergelijkingen (massa, momentum, en continuïteit) worden nog steeds opgeteld over de afzonderlijke fasen in plaats van te worden behandeld als mengsel eigenschappen. De turbulentiemodellen die momenteel (in versie 2022.1) mengsel turbulentie ondersteunen zijn de k-epsilon, k-omega en Reynolds stress modellen. Zowel de dichtheid als de dynamische viscositeit van het mengsel wordt berekend door lineaire interpolatie van de hoeveelheden van alle andere fasen, gewogen met de volumefractie. Turbulente kinetische energie is de energie per massa van de snelheidsfluctuaties, zodat wordt aangenomen dat het mengsel k en de fase k gelijk zijn. Ook, de wordt aangenomen dat de dichtheid van de dissipatie gelijk is voor het mengsel en de fase. De berekening van de turbulente wervelviscositeit van het mengsel veronderstelt dat de kinematische viscositeit van de fasen gelijk is. 

turbulentievergelijkingen

De mogelijkheid van het gebruik van mengturbulentie verbetert de stabiliteit van de simulatie door het aantal vrijheidsgraden te verminderen van het op te lossen systeem terwijl ook het aantal transportvergelijkingen die opgelost moeten worden (in twee vergelijkingen turbulentiemodellen zal de vermindering twee vergelijkingen per fase zijn). De turbulentie van het mengsel is vooral gunstig voor toepassingen met borrelende stroming waar turbulentie hoofdzakelijk een functie is van de zware fase. Voor zo'n geval, presenteerts onnodige overhead om de gasfase (bellen) te berekenen turbulentie afzonderlijk. De bellen worden met de vloeistof meegevoerd en reageren op de zware fase turbulentie. De fasische turbulentie is nauwkeuriger wanneer de gedispergeerde fase de zware fase beschrijft, maar hieronder meer over fasische turbulentie. De conclusie is dat het toepassen van mengturbulentie in uw EMP simulatie, past turbulentie toe op een soortgelijke manier als bij Mixture Multifase (MMP).  

Fasische turbulentie - continue fase

Bij het bespreken van fasisch turbulentie, is het relevant te vermelden de continue fase turbulentie, ongeacht als we een werkelijke gedispergeerde fase hebben/continue fase of meerdere stromingsregimes. Voor de continue fase, Simcenter STAR-CCM+ lost twee aangepaste transportvergelijkingen voor turbulentiegrootheden op. Deze wijzigingende volumefractie van elke fase en aanvullende brontermen die rekening houden met de effect van de gedispergeerde fase op het continue fase turbulentieveld.

meerfasige turbulentie

De productie en dissipatie termen variëren naar gelang van het gekozen turbulentiemodel. Het zijn de brontermen (1-3) die hier van bijzonder belang zijn. Het bestaan van de brontermen in de turbulentievergelijkingen is gebaseerd op enkele verschillende selecties; de afzonderlijke termen worden hieronder beschreven: 

  1. Dit is een door de gebruiker gedefinieerde bronterm. 
  2. De bronterm als gevolg van door deeltjes veroorzaakte turbulentie vertegenwoordigt turbulentie die wordt veroorzaakt door verspreide deeltjes. Zij komt alleen voor in de continue fase transportvergelijking. 
  3. A bronterm als gevolg van turbulentie-overdracht tussen fasenhet effect van de weerstand op de turbulentie. (Meer hierover in het hoofdstuk over turbulentieoverdracht tussen de fasen).

Merk op dat deze transportvergelijkingen altijd opgelost voor de continue fase. Zij kunnen ook worden opgelost voor de gedispergeerde fase, indien u geen turbulent responsmodel gebruikt.

Fasische turbulentie - gedispergeerde fase 

Zoals zojuist vermeld, kan de disperse fase turbulentie worden berekend met dezelfde vergelijking als voor continue fase turbulentie, met uitzondering van de bronterm die betrekking heeft op door deeltjes geïnduceerde turbulentie (nummer 2 in het plaatje hierboven in het vorige punt). De andere mogelijkheid is een semi-empirisch model te gebruiken om de turbulentie van de gedispergeerde fase te correleren aan de continue fase (responsmodellen). Het volledige turbulentiemodel voor de gedispergeerde fase wordt aanbevolen wanneer er sprake is van gemengde regimes (wanneer de primaire en secundaire fase beide de gedispergeerde fase zijn op verschillende ruimtelijke locaties, b.v. druppels in lucht op sommige locaties en bellen in water op andere), of wanneer er sprake is van zware deeltjes waarbij een groot deel van de kinetische energie wordt vastgehouden door de gedispergeerde fase. 

We kunnen een responsmodel gebruiken wanneer we een duidelijk gedefinieerde disperse fase hebben, en het responsmodel zal dan het effect van de disperse fase effectieve turbulente diffusiviteit en standaard wand-functies geven.  

Responsmodellen 

De turbulentie antwoord modellen voorspellen snelheidsfluctuaties in de verspreid fase met behulp van algebraïsche correlaties aan de snelheidsfluctuaties in de continue fase. De turbulente spanning is gemodelleerd met behulp van de eddy-viscositeit concept. De onderstaande afbeelding verklaart, opnieuw in termen van het k-epsilon turbulentiemodel, hoe de responsfunctie wordt gebruikt om de turbulente kinetische energie en de turbulente wervelviscositeit van de gedispergeerde fase. Het is de term responsfunctie (C_t) dat een sluitingsmodel vereist. 

reactiemodel turbulentie

Simcenter STAR-CCM+ bevat twee van dergelijke responsmodellen die hier nodig zijn. Ik zal ze kortheidshalve niet in detail bespreken (de vergelijkingen), details zijn te vinden in de documentatie: 

  • De Issa antwoordmodel bepaalt de responscoëfficiënt (C_t) met een volumefractiecorrectie. Zij levert de responscoëfficiënt voor borrelstroming.  
  • De Tchen respons-model geeft de disperse fase turbulente diffusiviteit voor gasstroming beladen met zware deeltjes.  

Deeltjesgeïnduceerde turbulentie

De deeltjes geïnduceerde turbulentiemodellen voegen meer brontermen toe aan de continue fase turbulentie kinetische energie en dissipatie vergelijkingen. De modellen geven een verandering van turbulentie weer als gevolg van de aanwezigheid van een gedispergeerde fase. De verschillende modellen werken hier een beetje anders, maar ook hier gaan we kortheidshalve op de details in. De modellen voeren de gewijzigde turbulentietransportvergelijking in het algemeen in in de bronterm die betrekking heeft op door deeltjes veroorzaakte turbulentie (De bronterm 2 uit een van de plaatjes hierboven).   

  • De Troshko Hassan model beschrijft door bellen veroorzaakte turbulentie-effecten.  
  • De Gosman model maakt gebruik van Reynolds-gemiddelde van de continue-fase-snelheidsfluctuaties maal de weerstandsbronterm uit het fluctuerende deel van de continue-fase-momentumvergelijking om een bron voor turbulente kinetische energie te verschaffen.  
  • De Tchen model werkt als het Gosman-model, maar introduceert extra termen om rekening te houden met meer regimes.  
  • De Sato model voorziet niet in brontermen, maar beschouwt in plaats daarvan de turbulentie-effecten van de gedispergeerde fase op de continue fase in de vorm van een verhoogde effectieve viscositeit. Het is het vroegste en eenvoudigste model voor deeltjesgeïnduceerde menging en biedt een robuust alternatief voor de latere op bronnen gebaseerde methoden. Het is toepasbaar voor verdunde borrelstromen.  

Overdracht van turbulentie tussen de fasen

Alsof het nog niet genoeg was met reactiemodellen en deeltjesgeïnduceerde turbulentie toevoegingen aan de turbulente kwantiteitstransportvergelijking, kunt u ook interfase turbulentieoverdracht opnemen. Dit is een eigenschap die in het meerfasige interactiemodel in Simcenter STAR-CCM+. Wat het doet is het verantwoorden van de bijdragen aan de fluid en deeltje turbulente kinetische energieën ten gevolge van weerstand. Het is alleen beschikbaar wanneer de continue fase een gas en de gedispergeerde fase bestaat uit vaste deeltjes. Bovendien, het model is het best toepasbaaricable wanneer de deeltje grootte ligt tussen 20 en 100 micron en een dichtheid hebben die lager is dan 1,4 g/cm2 (a typische toepassing is Fluid Catalytisch kraken, FCC). Het is ook alleen beschikbaar wanneer beide fasen gebruik maken van de k-epsilon model. De term die gemodelleerd is en afsluiting vereist de correlatie tussen fluid en de fluctuatiesnelheden van de deeltjes, geëvalueerd langs de deeltjesbaan. Voor k-epsilon zien de uitdrukkingen eruit als in het onderstaande plaatje toont voor de source termen van zowel turbulente kinetische energie als dissipatie, voor zowel de continue als de gedispergeerde fasen respectievelijk. 

interfasische turbulentie overdracht
De beta_cd-term is de snelheid cross-correlatie, die standaard op 0,7 is ingesteld, maar met elke constante waarde kan worden gespecificeerd, een veldfunctie, of met Zaichik Methode (zie documentatie voor details). 

Turbulent-verspreiding

Een deeltje in turbulente stroming ervaringen een hoger niveau van dispersie dan in laminaire stroming. Het turbulente dispersiekrachtmodel dan overweegt deffect op een deeltje in een gedispergeerde fase van omringende turbulente wervelingen. Dergelijke extra krachten, zorgen voor toevoegingen aan zowel de weerstand en virtuele massa kracht.  

Samenvatting

De responsmodellen berekenen de snelheidsfluctuaties in de gedispergeerde fase op basis van de snelheidsfluctuaties in de continue fase. 

Deeltjesgeïnduceerde turbulentie verandering van turbulentie ten gevolge van de aanwezigheid van een gedispergeerde fase weergeven.

Interfaseturbulentie-overdracht voor de bijdragen aan de turbulente kinetische energieën van fluid en deeltjes ten gevolge van luchtweerstand. Beperkt toepasbaar! 

Turbulente dispersiekracht houdt rekening met de interactie tussen de gedispergeerde fase en de omringende turbulente wervelingen. 

Terwijl de reactiemodellen worden geselecteerd in plaats van een ander turbulentiemodel voor een gedispergeerde fase, worden in Simcenter STAR-CCM+ onder de fase-interactieknoop de door de deeltjes geïnduceerde turbulentie, de turbulentie-overdracht tussen de fasen en de turbulente dispersiekracht geselecteerd. En om voor de hand liggende redenen is van de hierboven genoemde methoden alleen de turbulente dispersiekracht beschikbaar als u de mengturbulentie uitvoert. 

fase-interactie model selectie Simcenter STAR-CCM+

Ik hoop dat dit nuttig is geweest bij het nadenken over hoe turbulentie werkt wanneer je een Euleriaans meerfasenmodel gebruikt. Zoals gewoonlijk, neem contact op met support@volupe.com als u vragen heeft 

Auteur

Robin Viktor

Robin Victor
+46731473121
support@volupe.com

Meer blogberichten

nl_BEDutch