Blogginlägg Volupe

Roterande flöde del 2

Det finns olika metoder i Simcenter STAR-CCM+ för att simulera roterande rörelser, t.ex. vindkraftverk, pumpar eller propellrar, på ett förenklat sätt. Dessa är särskilt användbara för simulering när den exakta geometrin hos det roterande maskineriet antingen inte är känd eller inte är viktig för analysen. I förra veckans blogg berörde vi modeller för fläktmodellering. Den här veckan går vi vidare till Virtuell disk modeller i Simcenter STAR-CCM+, som bygger på idén om en drivskiva, men dessa metoder är mer flexibla och beroende av användningsområdet.

Modellering av virtuella diskar

Fysikmodellen Virtual Disk i Star-CCM+ minskar avsevärt kostnaden för dessa beräkningar genom att representera en propellers påverkan på en fluid som impulskällor. Återigen modellerar vi inte den faktiska geometrin, utan dess effekt på strömningsfältet genom att lägga till en källterm i impulsekvationerna som fördelas över den virtuella skivan. Virtuell disk är överlägsen Fan Modelling eftersom den är mer flexibel att placera och tar hänsyn till fler detaljer i den faktiska geometrin. Eftersom det inte finns någon geometri kan visualiseringen av den virtuella skivan uppnås genom att lägga till en "Threshold Derived Part" för fältfunktionen för den virtuella skivan. Indikator för virtuell disk, som visas i figuren nedan och som diskuteras här.

Kroppskrafter Propellermetoden

Body Force Propeller-metoden modellerar flödesfältets interaktion i en marin tillämpning, i synnerhet fartygsskrovet och propellern. Metoden är användbar om du inte behöver det detaljerade flödesfältet runt propellern och kan användas som en del av DFBI (Dynamic Fluid Body Interaction). Detta gör det framför allt möjligt att uppskatta den korrekta specifikationen för framdrivning genom att köra en simulering av självframdrivning. Naturligtvis ska propellerns prestanda specificeras i typiskt format för marina propellrar, som en funktion av det avancerade förhållandet J. Skjut- och vridmomentkoefficienter samt propellerns verkningsgrad anges med hjälp av ett polynom eller en filtabell. De faktiska värdena i driftspunkten beräknas med hjälp av linjär interpolation.

Installationen är enkel och kräver inget gränssnitt eller någon särskild region. Celler i din domän tilldelas för den virtuella skivan (för att införa kroppskrafterna) och - frivilligt - för inflödet (för att extrahera det inducerade inflödet). Det är viktigt att ta hänsyn till Rekommenderade dimensioner i enlighet med handboken. Valet av rätt skivtjocklek diskuteras i denna kunskapsartikel: https://support.sw.siemens.com/knowledge-base/KB000022217_EN_US

Ett relativt nytt alternativ i Body Force Propeller-metoden är korrigering för propellerinducerade effekter på inströmningshastigheten. Metoden ändrar det avancerade förhållandet och källtermerna för dragkraft och vridmoment enligt beskrivningen i https://www.marinepropulsors.com/proceedings/2015/TB2-2.pdf

Metod med bladelement

Blade Element Method i Virtual Disk-modellen har främst utformats för att modellera effekterna av en helikopterrotor på det omgivande flödesfältet och är idealisk för externa aerodynamiska tillämpningar. Liksom den tidigare metoden bestämmer vi celler i vårt volymenät där rotorns verkan. Geometrin är inte explicit upplöst utan beskrivs av bladets aerodynamiska beteende i form av lyft- och dragkoefficienter (erhållna för motsvarande tvådimensionella tvärsnitt av bladet). Som kan variera längs radien enligt figuren nedan.

Källtermen beräknas per rotorbladelement i ett interpolationsnät och överförs sedan till finita volymnätet. Varje element associeras därmed med ett antal celler i det finita volymenätet. Den valda maskstorleken har därför en viktig inverkan på simuleringens noggrannhet. En undersökning av nätets känslighet rekommenderas därför eftersom resultatet är fallberoende. Du kan hitta två kunskapsartiklar som behandlar detta ämne (https://support.sw.siemens.com/knowledge-base/KB000022105_EN_US, https://support.sw.siemens.com/knowledge-base/KB000020797_EN_US)

Till skillnad från Body Force Propeller-metoden är bladelementmetoden tidsmässigt exakt. Detta innebär att metoden följer bladens rörelse och lägger till källtermer endast i de volymceller som motsvarar bladens placering.

1D Momentum-metod

Den 1D Momentum-metoden är utformad för att modellera effekten av vindkraftverk som omvandlar vindenergin till mekanisk rotationsenergi. Den är särskilt begränsad till så kallade horisontella axelvindkraftverk (HAWT). Den underliggande metoden (egentligen 1D Momentum Theory) har sin grund i Rankine-Froude-teorin för marina propulser och omvandlar translationsenergin i fluid till rotationsenergi genom att minska hastigheten (på grund av dragkraften T). Eftersom massflödet är detsamma i alla nedströms liggande plan måste strömlinjerna expandera.

De prestandakurvor som krävs för att efterlikna effekten av ett vindkraftverk ges som dragkraftskoefficient och effekt som funktioner av vind hastighet. Ett inflödeshastighetsplan används för att beräkna det volymmedelvärde som liknar Body Force Propeller-metoden. Inflödeshastighetsplanet placeras uppströms vindkraftverket och samma dimensionsrekommendationer gäller. Denna uppströmshastighet används för att extrahera dragkraftskoefficienten och effektvärdena från prestandakurvorna och för att beräkna källtermen. Om den genomsnittliga inströmningshastigheten faller utanför den givna prestandakurvan, tas 1D-impulskälltermen bort från beräkningen av impulsekvationerna. Detta borttagande av källtermen efterliknar effekten av inskjutnings- och utskjutningshastigheten.

Jag hoppas att detta har gett dig en kort introduktion till möjligheterna att simulera roterande flöden inom Simcenter Star-CCM+. Mer information finns i dokumentationen. Om du har några frågor, tveka inte att kontakta oss på följande adress support@volupe.comVi vill gärna veta hur du använder denna metod!

Läs också:
Riktat nät i Simcenter STAR-CCM+
Roterande flöde del 1
Marin simulering med Simcenter STAR-CCM+
STARCCM+ version 2020.3 nyheter - del 3
Simcenter STAR-CCM+ version 2020.3 news part5

Fler blogginlägg

sv_SESwedish