Logotyp för Volupe

Blogginlägg Volupe

Möjligheter till flerfasmodellering i Simcenter STAR-CCM+

I veckans blogginlägg tar vi en titt på möjligheterna till flerfasmodellering i Simcenter STAR-CCM+. Eftersom en av de övergripande styrkorna i Simcenter STAR-CCM+ är de omfattande möjligheterna till flerfysik och flerfasmodellering är det viktigt att användarna av programvaran är medvetna om dessa möjligheter. Inte bara det, utan det är också av stort intresse för oss på Volupe som leverantör och stödorgan för programvaran att våra nuvarande och framtida kunder vet vad som är möjligt att simulera.

Det är viktigt att förstå skillnaden mellan "flerfasig" och "flerkomponentig". De är diametralt motsatta när man talar om blandningsskala. Medan simulations med flera faser försöker simulera och lösa interaktionen mellan dina faser, är flerkomponentflödet redan blandat på molekylär nivå. Detta innebär att flerkomponentflödet ses som en fas eftersom blandningsskalan vanligtvis är för liten för att kunna lösas upp i en CFD-simulering. Du kan naturligtvis inkludera faser med flera komponenter i din flerstegssimulering.

Introduktion till flerstegsfas

Flerfasiga simulations är viktiga eftersom de finns i många olika tillämpningar, både inom industrin och i skolan. Detta ger ett behov av att kunna utnyttja denna typ av simulations i en CFD-kod med flera fysikaliska komponenter, t.ex. Simcenter. STAR-CCM+. I Simcenter STAR-CCM+ har du inte bara möjlighet att välja bland ett stort antal modeller, utan det finns också unika möjligheter att kombinera dessa modeller på flera olika sätt.

När man talar om flerfasig är det i allmänhet den termodynamiska fasen, t.ex. fast, flytande eller gas, som avses när den interagerar med en annan distinkt fas. Man brukar diskutera flerfasighet på två mycket olika sätt, den eulerska flerfasighetsmetoden och den lagrangska flerfasighetsmetoden. Skillnaden mellan dessa två tillvägagångssätt är det sätt på vilket fasen uppfattas. I den eulerska flerfasmetoden anser observatören att partiklarna, bubblorna eller dropparna är ett kontinuum som passerar genom en fast volym. I den lagrangska flerfasmetoden följer observatören paket av partiklar. (eller separata partiklar) när de rör sig i tid och rum. Var och en av dessa övergripande synsätt har i sin tur flera modeller för att lösa mer specificerade flerfasiga tillämpningar. Mer om detta senare.

En annan indelning av flerstegsflöden är att karakterisera dem genom att avgöra om de upptar oskiljaktiga områden i rummet eller inte. Detta innebär att om man betraktar ett flöde och kan hitta separata kluster av en fas som är väl åtskilda från andra kluster av samma fas. Detta är vanligtvis fallet när man talar om Spridda flöden.. Om flödet inte är utspritt är det istället kontinuerligt. Exempel på dispergerat flöde är bubbelflöde, droppar och partikelflöde. Typiskt för exempelvis bubblor är att de är mycket åtskilda från varandra i en annan fas.

Den andra delen av denna huvudgrupp är stratifierat flöde. Lite förenklat kan man säga att det är då flödet kan delas in i lager. Typiska exempel på detta är flöden på fria ytor eller ringformiga filmflöden i rör.

I Simcenter STAR-CCM+ finns sju olika modeller för att uppfylla kraven på att kunna definiera de flesta typer av både spridda och stratifierade flöden. Bilden nedan visar modellerna och vilket ramverk de tillhör (eulerskt eller lagrangeskt). Observera att det är viktigt att förstå skillnaderna mellan underindelningarna. Modelltyperna hör antingen till den eulerska eller lagrangska ramen, medan de olika flödestyperna antingen är spridda eller stratifierade och talar om flerstegsflöden. Även om en viss typ av flöde (droppar till exempel) typiskt sett görs med den lagrangska modellen LMP, betyder det INTE att du inte i stället kan använda den eulerska metoden för den simuleringen (du kan till exempel använda VOF-modellen för att lösa upp droppar).

Interaktioner mellan flera faser

En av de relativa styrkorna hos Simcenter STAR-CCM+ när det gäller flerfasig simulations är det breda utbudet av flerfasiga interaktioner. Detta innebär att du kan kombinera olika flerfasmodeller i en simulering. Du kan välja en uppsättning modeller att använda och ange modeller på högsta nivå för att skapa interaktioner mellan de olika faserna. Som exempel kan Lagrangian-partiklar, eller paket, interagera med en fluid-film som är placerad vid vägggränsen. Denna interaktion kan beskrivas av flera olika modeller för impingement. Det motsatta är också möjligt, din fluid-filmmodell kan återföras till LMP-ramen. Observera att detta gör det möjligt att använda både eulerska och lagrangska rammodeller i samma simulering. Eftersom det finns många möjliga flerfasinteraktioner kommer de inte alla att behandlas i detalj här.

De olika modellerna

I det här avsnittet kommer vi att gå igenom de olika modellerna och några typiska tillämpningar för dessa modeller där de är fördelaktiga att använda, både när det gäller att fånga ett specifikt flödesfenomen och när det gäller att minska komplexiteten i ett specifikt problem. Som nämnts ovan är det möjligt att lösa droppar explicit på ett eulerskt sätt med hjälp av VOF-modellen, det är också möjligt att simulera droppar på ett eulerskt sätt, där droppar simuleras med en fördelningsfunktion och det resultat du får på din kontinuerliga fas är ett medelvärde (eftersom interfasen inte explicit simuleras). Metoden skulle då kunna vara EMP eller MMP. Vidare kan droppar med fördel simuleras som flytande partiklar med hjälp av LMP-metoden. Du måste alltid fråga dig vad du vill ha ut av din simulering för att avgöra hur du ska ställa in ditt multifysikaliska problem. Det hänger också ihop med upplösning och beräkningskraft. Du kommer att placera din simulering någonstans mellan för lite upplösning och för dyrt att beräkna.

LMP

Den Langrangska flerfasmodellen är en undergridmodell som modellerar dispergerade faser som rör sig genom en kontinuerlig fas. Rörelseekvationerna löses för representativa paket av den dispergerade fasen som passerar genom systemet. LMP är fördelaktigt att använda när huvudflödet definieras av en kontinuerlig fas och den dispergerade fasen har en relativt låg massafraktion (<10%-fraktion). Det finns flera olika interaktioner med andra modeller som kan användas med LMP. Filmen nedan visar hur droppar som injiceras mot en kontinuerlig fas interagerar med väggarna för att bilda fluid-film på väggarna. Tjockleken på fluid-filmen kan observeras, och kantstrippning sker där fluid-filmen överförs tillbaka till LMP-fasen. Vad som dessutom kan vara svårt att upptäcka är att partiklarna interagerar med den kontinuerliga fasen och också avdunstar.

Flytande film

fluid-filmmodellen ingår i den eulerska ramen och använder sig av approximationer av gränsskikt för att förutsäga det dynamiska karakteristiska beteendet hos väggfilmer. fluid-filmmodellen är inte en 2D-modell, utan simuleras på ett tunt skal av en fast vägg. Denna vägg kan mycket väl vara en 3D-struktur. I fluid-filmmodellen förutsätts dock en hastighets- och temperaturprofil längs filmens djup och den simuleras inte uttryckligen. fluid-filmmodellen är ofta en bra approximation av tunt bildade fluid:er på fasta strukturer som inte kräver full upplösning genom tunna fasstrukturer. Den kan med fördel kombineras med VOF för att möjliggöra en övergång mellan fluid-film och VOF vid en användardefinierad volymfraktion.

DEM

Discrete Element Model (DEM) är en utvidgning av Lagrangian multiphase model (LMP) som möjliggör en mer detaljerad simulering av enskilda partiklar. I stället för att simulera paket som representerar ett kluster av partiklar, kommer DEM-metoden att titta på interaktioner mellan partiklar och interaktioner mellan partiklar och andra gränser. Det finns flera partikelmodeller som kan vara simuleras i Simcenter STAR-CCM+.där fördefinierade formmodeller kan väljas. Du kan också definiera din egen godtyckliga form från 3D-CAD. Du kan inkludera bindningar mellan partiklar, som simuleras som att emulera grässtrån eller isskikt. Typiska tillämpningar är simuleringar där interaktion mellan partiklar är av intresse, t.ex. piller, kapslar eller livsmedelspartiklar. Observera att detta är ett dyrt sätt att utföra simulations eftersom varje kontakt modelleras i detalj och ofta med ett ökat antal partiklar följer en exponentiell ökning av kontakter och kollisioner.

EMP

Den eulerska flerfasmodellen är den mest fullständiga och därför också den mest avancerade modellen när det gäller modellering av flera faser. Bevarandekvationer för massa, rörelsemängd och energi behandlas separat för varje fas, vilket ökar antalet ekvationer som måste lösas. Faserna interagerar baserat på kontaktytan mellan faserna, vilket gör att fasernas längdskalor är viktiga, oavsett om de representeras av dispergerade eller stratifierade flöden. Körning av ren EMP simulations är i teorin möjlig för alla typer av flerfasflöden (utom för dispergerade fasta ämnen), men det kan finnas modeller som är bättre lämpade för problemet, eftersom andra modeller kan fånga fysiken utan att vara alltför beräkningstunga.

MMP

Flerfasmodellen med blandning är ett exempel på en förenklad modelltyp som har sitt ursprung i EMP-modellen. Den kan användas för att modellera suspensionsliknande flerstegsflöden. Antagandet i denna modell är att suspensionen är ett homogent enfasigt system. Detta gäller när man kan använda viktade fysikaliska egenskaper för att representera en blandning av faser och lösa rörelsemängd, massa och energi för blandningen, men fasfraktionerna för de olika faserna löses separat. Du kan också modellera glidhastigheten mellan faserna.

DMP

Modellen för dispergerade flerfaser är en förenklad modell som fokuserar på en starkt dispergerad fas i ett kontinuerligt flöde (<1% massafraktion). Den dispergerade fasen kan befinna sig i vilket termodynamiskt tillstånd som helst, t.ex. gas, vätska eller fast ämne, och förväntas följa huvudflödet. Kopplingen mellan faserna är som standard enkelriktad, men en dubbelriktad koppling kan aktiveras. Modellen arbetar eulerskt men har aspekter av den langrangska ramen i sin modellering av den dispergerade fasen. Typiska tillämpningar är smuts i bilar och isbildning i flygindustrin. I videon nedan kombineras DMP-modellen med fluid-film för att simulera vattendroppar som den dispergerade fasen på en vindruta i en bil.

VOF

Volym av fluid är en modell som används för att simulera två eller flera icke blandbara fluid:er, med "icke blandbar" som det operativa ordet. Denna modell fungerar bäst när varje fas representeras av en stor struktur i systemet. Detta innebär att fasen kan separeras genom ett tydligt och skarpt gränssnitt, vanligtvis fritt ytflöde. Det som är av intresse i VOF simulations är vanligtvis rörelsen i gränssnittet mellan faserna, vilket gör den till ett bra alternativ inom marinindustrin, men även för slamning och vaddning simulations. VOF-metoden är i sin kärna en metod för spårning av gränsytor, där man håller reda på interfasen mellan olika faser.

Flerfasig kurs

På Volupe har vi utvecklat en kurs i flera faser. Kursen kan skräddarsys för att passa dina behov och fokusera på de flerfasmodeller som du finner relevanta för ditt dagliga arbete. Kursen kommer att gå igenom relevant teori för dina tillämpningar och följa upp med exempel och workshops. Tillsammans kan vi titta på vilka modeller som ska användas för att lösa ditt tekniska problem, och diskussion kommer att uppmuntras eftersom det är en stor del av lärandet.

Vi hoppas att det här blogginlägget har gett dig åtminstone en Kort inblick i möjligheterna till flerfasig användning i Simcenter STAR-CCM+.. Observera att det finns oändligt mycket mer att skriva, inte minst om de möjligheter till hybridmodellering som programvaran erbjuder. Om du har frågor om detta eller om flerfaskursen, tveka inte att kontakta oss på följande adress support@volupe.com.

Fler blogginlägg

sv_SESwedish