Logotyp för Volupe

Blogginlägg Volupe

Specifikation av randvillkor för flerfasig simulations i Simcenter STAR-CCM+

Har du någonsin haft för avsikt att köra en flerfasig simulering i Simcenter STAR-CCM+ och upptäckt att när du trodde att allt var korrekt inställt, när alla initiala villkor och randvillkor var specificerade, så startade simuleringen aldrig eftersom någon summa av massa eller molfraktioner inte summerade till en enhet? Jag har upplevt detta, och trots att jag arbetar dagligen med Simcenter STAR-CCM+ händer det fortfarande. Min tanke med det här blogginlägget är att reda ut de olika inställningarna för de olika typerna av flerfasiga simulations.

Euleriska modeller

Svårigheterna beror i allmänhet på de olika inställningarna i förhållande till de eulerska modellerna. I Simcenter STAR-CCM+ har vi följande eulerska flerfasmodeller:

  • EMP - Eulerian multiphase model, moder till Eulerian simulations. Den mest mångsidiga modellen, men också den dyraste eulerska modellen.
  • MMP - Mixture Multiphase model, en förenkling av EMP-modellen som förutsätter viss homogenitet.
  • DMP - En verklig lättviktig eulersk modell som simulerar starkt utspädda dispergerade faser med liten inverkan på det kontinuerliga flödet. (företrädesvis mindre än 1% volymfraktion).
  • VOF - Volume of fluid, en modell för spårning av gränssnitt för simulering av icke-miskningsbara fluid:er.

Du kan läsa mer om flerfasmodellering i vårt tidigare blogginlägg via denna länk. länk. Dessa modeller behandlas något annorlunda när det gäller inställningar. När det gäller hur avancerade inställningarna är kommer jag att klassificera modellerna som familjemedlemmar. VOF- och MMP-modellerna är syskon (tonåringarna), medan EMP-modellen (mamman) ses som separat och DMP har särbehandling (det stökiga lilla barnet).

Det finns olika skäl till att ha särskilda inställningar på olika platser, vissa är inte nödvändigtvis intuitiva och vissa kan komma att ändras i framtiden. Under de senaste åren har hybridmodellering med flera faser fått stort fokus, och mycket arbete har lagts ned på att genomföra hybridmodellering med flera faser. Detta har lett till allt fler ingångar i en simulering, där skillnaderna mellan modellerna blir allt tydligare. Risken för att man tappar bort kontrollen över skillnaderna kan leda till frustration. Förhoppningsvis kan en del av denna förvirring redas ut med detta blogginlägg. Nedan kommer vi att undersöka ett exempel, som är uppställt med de olika modellerna, för att belysa var inställningarna ska anges.

Exempel

Det bästa sättet att visa skillnaderna i inställningarna är att skapa simulations för varje modell med så likartade inställningar som möjligt. Som jämförelse är detta inställningarna som är desamma för de olika modellerna:

  • Ett tvåfasigt system
  • En flerkomponents vätskefas med vatten (H2O) och metanol (CH4O).
  • En flerkomponentsgas med syre (O2) och koldioxid (CO2).
  • Initial- och randvillkor (inlopp/utlopp) är artmassafraktionen 0,99 för vatten och 0,01 för metanol, för den flytande fasen.
  • Initial- och randvillkor (inlopp/utlopp) är massfraktionerna 0,95 för syre och 0,05 för koldioxid i gasfasen.
  • Initial- och randvillkoren för volymandelarna är 0,5 för den flytande fasen och 0,5 för gasfasen.
  • Observera att värdena och inställningen är meningslös, särskilt eftersom VOF-fraktioner bör separeras av ett gränssnitt, antingen genom att ange fulla fraktioner till olika platser eller genom att börja med en fas och fylla på med en annan. (Tänk dig en hällande vätska.)
  • Observera också att DMP-modellen behandlas särskilt eftersom den inte tillåter en fas med flera komponenter. Den har specificerats som rent vatten i en flerkomponentsgas som kontinuerlig fas.
  • Ingen särskild hänsyn har tagits till att inkludera modeller för interaktion mellan flera faser, mer än för att visa var särskild uppmärksamhet behövs i en liknande situation.

Exemplet med VOF

Istället för att beskriva skillnaderna i text visas en bild av simuleringsträdet och inställningar i förhållande till modelltypen markeras. Volymfraktionernas inledande villkor för VOF-modellen finns under kontinua. Artmassafraktionen för varje komponent anges under varje separat eulerskt fas.

På vänster sida visas modellvalet för VOF-modellen som referens. Inloppsförhållandena för artmassafraktionerna anges under fasförhållanden medan volymfraktionerna anges som fysikaliska värden för inloppsgränsen. Observera också att momentum- och källalternativen anges som fasvillkor medan volymfraktionerna anges som fysikaliska villkor.

Exemplet med EMP

EMP-modellens uppställning är unik som en eulersk modell i Simcenter STAR-CCM+ eftersom den är den enda där både de initiala villkoren och villkoren för inlopp och utlopp för både artmassafraktion och fasvolymfraktion specificeras som fasspecifika. Detta framgår tydligt av de två bilderna nedan.

Observera också att alla alternativ för källor anges som fasvillkor.

Exemplet med MMP

Som nämnts ovan har MMP-modellen mycket liknande alternativ som VOF-uppställningen. Initiala villkor för artmassafraktioner och fasvolymfraktioner separeras på samma sätt. Inloppsgränsvillkoren för arter, volymandelar och alternativ för impulskällor är också separerade på samma sätt, vilket framgår av bilderna nedan.

När det gäller MMP-modellen finns det ytterligare en inställning som är värd att nämna. När det gäller en blandningssimulering är det troligt att man vill att faserna ska kunna röra sig med olika hastigheter och att man vill inkludera glidhastigheten. Glidhastigheten kan aktiveras som en fasinteraktion mellan faserna. Valet av glidmodellen inkluderar den dock inte automatiskt eftersom standardvärdet för interaktionsmodellen är "no-slip". Det krävs ett separat val, och det valet visas som ett val av fasinteraktion under fasförhållandena för regionen. Bilden nedan visar var valen görs.

Exemplet med DMP

Som nämnts ovan är DMP-modellen en lättviktig modell när det gäller eulerska flerfasmodeller. Metoden tillåter inte att den dispergerade fasen är multikomponent. I exemplet är den flytande fasen alltså den dispergerade fasen, som är inställd på rent vatten.

Massafraktionerna för gasfasen har här flyttats ner till kontinuumsinitialförhållanden och är inte placerade under någon typ av fas. I stället anger du fraktionerna för den kontinuerliga fasen som om simulations endast innehöll en fas. Tillsatsen av den dispergerade fasen specificeras sedan under DMP-noden i modellträdet. När du tittar på inloppsförhållandena för DMP-simuleringen anger du bara volymfraktionen för den dispergerade fasen. Det finns inget krav på enhet över en summering av volymandelar. Eftersom DMP-volymfraktionen innebär att den kontinuerliga fasen täcker resten. Källspecifikationen för den dispergerade fasen finns under fasförhållanden.

Hybridmodellering av flera faser

Ovanstående exempel visar modellerna i de former de har när de simuleras separat. Vid hybridmodellering av flerfasmodeller kombinerar vi en uppsättning flerfasmodeller för att utöka det fysikaliska område som vi vill täcka in. Även om hybridmodellering med flera faser har genomförts under de senaste åren är inställningarna för denna typ av kombinerade modeller inte nödvändigtvis enhetliga, vilket kan komma att tas upp senare. Föreställ dig en simulering där du vill inkludera två faser och för det använder vi VOF, en vätskefas och en gasfas. Vi använder samma exempel som ovan i vårt VOF-exempel. Med tillägg av en DMP-fas, som här representerar dispergerat vatten (i en riktig simulering skulle det dispergerade vattnet befinna sig i gasfasen, men för upplägget här finns det inget behov av att separera DMP-fasen från den flytande VOF-fasen). När vi tittar på de initiala förhållandena och inloppsförhållandena i bilden nedan kan vi se varför det är lätt att bli förvirrad.

De lägre initialvillkoren för VOF-fasen måste följa summeringen till enhet, medan den dispergerade fasens volymfraktion, som anges under initialvillkoren för de eulerska faserna (de för DMP-modellen) inte behöver följa summeringskonventionen. Det är samma sak med inloppsförhållandena, fraktioner för VOF-faserna specificeras direkt under inloppet medan DMP-fasen specificeras som ett fasvillkor.

Det finns fler exempel på när konventionen kan vara lite förvirrande. Ett exempel är när man har ett trefasigt system med luft, vatten och ånga och vill inkludera Spalding-förångning/kondensering i en MMP-simulering. Spalding-förångningsmodellen stöder inte en enda komponent, vilket innebär att man måste ha en flerkomponentfas av de faser som deltar i fasförändringen. Men du kan ha en flerkomponentfas med endast en specificerad komponent. Detta är något icke-intuitivt i sig självt. Men det blir riktigt förvirrande när standardfraktionen för en multikomponentfas är noll, oavsett antalet komponenter. Det innebär att standardinitialvillkoren för alla faser och randvillkor för inloppen är noll. Det är inte bara volymfraktionen som är noll, utan även massfraktionen i den fasen är noll när den väl är specificerad.

 

Jag hoppas att detta hjälper dig att reda ut skillnaderna och åtminstone ger dig en antydan om var du ska börja leta när du initierar din simulering och får en rapport om att någonstans summan av massafraktioner inte summerar till enhet. Som vanligt kan du nå ut till support@volupe.com om du har några frågor.

Författare

Robin Victor
support@volupe.com
+46731473121

Robin Viktor

Fler blogginlägg

sv_SESwedish