Blog berichten Volupe

Wat als VOF niet werkt? MMP-LSI

Meerfasige stroming is opgeheven in de nieuwe versie van Simcenter STAR-CCM+ naar een nieuw niveau van hybride modellering om de berekeningsefficiëntie te verbeteren. Zeven verschillende modellen voor meerfasenstroming zijn beschikbaar in STAR en kunnen worden gecombineerd om simulaties mogelijk te maken voor toepassingen zoals Mariene hydrodynamica en zeegang, Brandstofcellen, Neveldeklaag, Voertuig Water Management, Gefluïdiseerde bedden en nog veel meer. Mijn collega Robin beoordeelde en vatte de mogelijkheden voor meerfasige modellering in Simcenter STAR-CCM+.

In de blog van deze week zal ik me richten op het klotsen van tanks. Het wordt aanbevolen om het klotsen van tanks te modelleren met een VOF (Volume Of Fluid) meerfasenmodel met AMR (Adaptive Mesh Refinement). Een oplossing met AMR is, vergeleken met een statische mesh oplossing, tot 2,6x sneller met een betere resolutie van het vrije oppervlak en het geeft zeer vergelijkbare resultaten.

VOF

Het VOF Meerfasenmodel is geschikt voor de simulatie van stromingen van meerdere niet-mengbare fluids op numerieke roosters die in staat zijn het grensvlak tussen de fasen van het mengsel op te lossen. Door zijn numerieke efficiëntie is het model geschikt voor simulations stromingen waarbij elke fase een grote structuur vormt, met een relatief klein totaal contactoppervlak tussen de fasen (afbeelding hieronder, links). Een goed voorbeeld van dit type stroming is klotsende stroming in een watertank, waarbij het vrije oppervlak altijd glad blijft. Als de beweging van de tank uitgesproken wordt, resulteert dit in brekende golven, grote aantallen luchtbellen in het water, en waterdruppels in de lucht (afbeelding hieronder, rechts). De methode vereist dan een fijnmazig net (ten minste drie cellen over elke druppel/bel) om kleine modelleringsfouten te produceren. Dat maakt het onuitvoerbaar voor klotsen met uitgesproken beweging.

 

Meerfasig mengsel met grootschalig grensvlak

Gelukkig zijn er meer modellen beschikbaar voor elk scenario waarmee men kan worden geconfronteerd. In dit geval kan het Mixture Multiphase model (MMP) worden gebruikt samen met het Large Scale Interface (LSI) model. Het MMP-model is de volledige meerfasenmengselimplementatie. Dit model kan worden gebruikt voor een willekeurige combinatie van fasen waarbij de fase-interacties van elke aard kunnen zijn.

U kunt dus opgeloste vrije oppervlakken en onopgeloste mengsels modelleren, en zowel mengsels als stromingen met vrije oppervlakken in dezelfde simulatie opnemen. Om het grensvlak tussen fasen te modelleren, maakt MMP gebruik van het LSI-detectiemodel. Dit model bepaalt de groep cellen die een groot grensvlak bevatten.

MMP-LSI combineert in feite VOF en MMP. Deze twee modellen zijn van dezelfde oorsprong in die zin dat zij één fase plus volumefractie zijn, het verschil zit in de submodellering. VOF houdt rekening met vrije oppervlakken met het HRIC-schema, maar omvat geen modellering voor mengsels (die numeriek kunnen resulteren), terwijl MMP uitglijden tussen fasen modelleert om het mengsel correct te modelleren, maar geen ruimte laat voor vrije oppervlakken. MMP-LSI ondersteunt zowel vrije oppervlakken als mengsels.

Toepassing

Voor een tank sloshing heb ik de MMP-LSI getest op de tutorial voor Tank Sloshing with Adaptive Meshing (Tutorials > Multiphase Flow > VOF: Tank Sloshing with Adaptive Meshing). Deze tutorial maakt gebruik van zowel AMR als Adaptive Time-Stepping om de resolutie van de interface te verbeteren met een minimale rekeninspanning. Dit zou altijd de eerste keuze moeten zijn om de kwaliteit van de simulatie van het klotsen van tanks te verbeteren. Zoals hierboven beschreven, kan deze aanpak echter een beperkende factor worden in gevallen met een groot gemengd regime. Het is daarom een bevooroordeeld testscenario aangezien de beweging en het vrije oppervlak in het voordeel zijn van de VOF-toepassing.

Voor de algemene opzet van MMP en LSI modellen is er een goed artikel met een voorbeeldsimulatie beschikbaar op Siemens support center: Simuleren van een Damdoorbraakprobleem met behulp van het MMP-LSI model in STAR-CCM+. Wanneer we het MMP model gebruiken, zijn er logischerwijze geen VOF-golven beschikbaar, waardoor we de beginpositie en de randvoorwaarden handmatig moeten bepalen. En dat doet me denken aan het gemak waarmee we VOF simulations in STAR kunnen instellen. Een van de beperkingen van MMP is dat AMR niet kan worden toegepast. Maar een work around is de Op veldfunctie gebaseerde verfijning optie voor de automatische maasbewerking. U definieert eenvoudig een veldfunctie, zoals hieronder, om een 2-staps netverfijning te definiëren, afhankelijk van de volumefractie.

(${VolumeFractionAir}>=0.4 && ${VolumeFractionAir} <= 0.6 ) ? 0.001:

((${VolumeFractionAir} >= 0.1 && ${VolumeFractionAir} <= 0.9 ) ? 0.002 : 0.1)

Stel dan de Op veldfunctie gebaseerde verfijning in Mesher Properties naar die veldfunctie. De mesh veroudert en kan opnieuw worden gemeshed. Maar omdat het vrije oppervlak in de loop der tijd is veranderd, moeten we het bijwerken van de mesh vrij vaak herhalen.

Dit is een gemakkelijke taak met Simulatie Werking. We kunnen een lus maken om de stroming bij te werken en opnieuw te dimensioneren totdat aan het maximum fysische tijd stopcriterium is voldaan. Gedurende elke lus, wordt de simulatie alleen opgelost voor een Vaste Fysieke tijd (hier 0.01s) om de stroming net iets voor de mesh update voort te planten.

VOF

MMP-LSI

Het grootste voordeel ligt in de tijd die nodig is om de simulatie op te lossen, wat belangrijker wordt wanneer het klotsen leidt tot een meer verstrooide stroming. De simulatie met MMP-LSI was ongeveer 1,5 keer sneller, terwijl de krachten op het tankoppervlak goed werden weergegeven. Met het MMP-LSI-model is de interface echter uitgesmeerd.

 

 

De Auteur

Florian Vesting, PhD
Contact: support@volupe.com
+46 768 51 23 46

 

 

 

Meer blogberichten

nl_BEDutch