Logotyp för Volupe

Blogginlägg Volupe

Simulering av partikelfilter i Simcenter STAR-CCM+

I veckans blogginlägg visar vi ett exempel på hur du kan simulera och analysera ett partikelfilter med hjälp av LMP-modellen (Lagrangian Multiphase) med sammansatta fasförhållanden i Simcenter STAR-CCM+.

Uppställning av partikelfilterfallet

Flödesfallet i det här exemplet är en enkel dummygeometri som består av ett inloppsrör, ett cylindriskt radialfilter och en omgivande cylinder. Ett luftflöde leds in uppifrån och kommer in i det radiella filtret. Det passerar sedan genom filterytan in i den omgivande cylindern och kommer ut vid den ringformade övre ytan igen.

Geometri för ett falskt partikelfilter

Det grundläggande tillvägagångssättet för filtreringskonceptet är att skapa ett poröst baffelgränssnitt på filterytan. Gränssnittet för porösa bafflar är en gränssnittstyp som finns tillgänglig i gränssnittsegenskaperna.

Val av gränssnitt för porösa bafflar

Uppställningen består nu av två områden: ett förfilter och ett efterfilter, med ett poröst baffelgränssnitt emellan ("Filter [Interface 1]" i bilden nedan).

Översikt över regioner och gränser

Lagrangian Multiphase (LMP)-uppställning

I det här exemplet väljer vi att införa sfäriska fasta partiklar (aluminium, dvs. standard Simcenter STAR-CCM+ fast material). Vi injicerar dem från inloppsytan med hjälp av en delinjektor med samma hastighet som bakgrundsflödet och ett partikelflöde på 10 partiklar per sekund. Vi specificerar också en spridning mellan 5e-5 meter och 2e-4 meter i partikeldiameter med hjälp av en Rosin-Rammler-fördelning.

I vårt fysikkontinuum väljer vi de modeller som vi vill använda för den lagrangiska fasen. I det här fallet väljer vi att aktivera Boundary Sampling och ställer in filtergränssnittet uppströms (dvs. Pre: Filter [Interface 1]) som provtagningsgräns. Utöver standardvalen lägger vi också till partikeldiametern till de scalars som vi vill ta stickprov på.

Lägga till skalor och avgränsningar av intresse till gränsprovtagningen.

I mappen Boundary Conditions för den lagrangska fasen kan vi se att standardläget för det porösa baffelgränssnittet är inställt på "Transmit", vilket innebär att ytan är helt genomsläpplig för alla partiklar om vi inte anger något annat. I det här fallet vill vi att den porösa baffeln ska fungera som ett partikelfilter, dvs. att partiklar som är större än en viss storlek inte får passera. Det är här vi kan använda oss av kompositfasförhållanden.

Standardläge för gränssnittsinteraktion för porösa bafflar.

Villkor för sammansatt fas

Kompositfasvillkor är ett sätt att möjliggöra flera typer av gränsinteraktionssätt inom samma gräns- och lagrangefas. För att aktivera detta flyttar vi till mappen Regions och expanderar mappen Boundaries för Pre-regionen. I noden Filter [Interface 1] flyttar vi till Lagrangian Specification och väljer Specify for Boundary. Detta för att kunna avvika från fasens standardvärden vid denna specifika gräns.

Aktivera fasvillkor i filtergränssnittet för att kunna avvika från standardvillkor.

När vi har gjort detta öppnas en mapp med fasförhållanden i simuleringsträdet. Vi går in i denna nya mapp och navigerar ner till Physics Conditions -> Mode och väljer Composite.

Välja kompositfasvillkor som gränssnittsinteraktionsläge

Detta aktiverar i sin tur noden Composite Default Mode och Mode Probabilities i mappen Physics Values. Vi låter standardläget vara Transmit (sändning) och går över till Mode Probabilities (sannolikheter för läget).

Standardgränsinteraktionsläge för det sammansatta fastillståndet

För att efterlikna funktionen hos ett filter vill vi tillämpa stickvillkoret på partiklar som är större än en viss storlek, medan vi låter mindre partiklar passera (dvs. släpper igenom). Detta kan göras med hjälp av ett if-statement i en fältfunktion. Låt oss anta att vi vill att partiklar som är större än 100 mikrometer ska fastna i filtret. Vi kan då definiera en fältfunktion (låt oss kalla den filter_villkor) med följande definition:

(${ParticleDiameter} > 1.0e-4) ? 1 : 0

och tilldela den till läget Stick probability. Denna fältfunktion ger 1 för partiklar som är större än 100 mikrometer och 0 för mindre partiklar.

Definition av filtervillkor inklusive en if-sats

Tillämpning av den användardefinierade fältfunktionen på stick boundary interaktionsläget i de sammansatta fasförhållandena.

I det här fallet är flykten och återkomsten inte tillämpliga, så vi låter sannolikheten för dessa lägen vara 0. Nu har vi skapat en uppsättning filtervillkor för de lagrangska partiklarna och är redo att köra simuleringen. I detta specifika exempel har vi redan ett konvergerat stabilt bakgrundsflöde i domänen. Partikelspårningen utförs med hjälp av en instabil metod med en tidsstegsstorlek på 0,025 sekunder. Bilden nedan visar partikelfördelningen efter 1 sekunds simulering.

Lagrangianpartiklar inuti filtergeometrin

För att endast visualisera de partiklar som har fastnat på filtergränssnittet kan vi använda oss av en Threshold Derived Part. Högerklicka på Derived Parts i simuleringsträdet och välj Threshold. Välj Lagrangian-partiklarna som input part och välj Stuck Mark (som finns i mappen Parcel) som Scalar Field. Detta är en variabel som returnerar 1 för alla partiklar som fastnar vid en gräns och noll för alla andra.

Var hittar du paketet: Fältfunktion för fastnat märke

Sedan kan vi ställa in tröskelvärdet till "Above Max" och ange det övre intervallet till t.ex. 0,99 (i princip allt över 0 fungerar här).

Inmatning till den del av tröskelvärdet som härleds till filtrerade partiklar.

Nu kan vi använda detta tröskelvärde som en del av vår efterbehandling, t.ex. i vår skalära scen (som i bilden nedan) eller kanske en histogramdiagramplott för att analysera diameterfördelningen av de partiklar som fastnat.

Visualisering av filtrerade (dvs. fastnade) partiklar.

Som en sista kommentar är det viktigt att veta att partiklar som fastnar vid gränssnittet inte påverkar tryckfallet i de fall där man använder en enkelriktad koppling. För att ta hänsyn till eventuella blockeringseffekter från partiklar som fastnar på filtret måste man därför köra fallet som tvåvägskopplat. Observera också att det inte finns någon partikel-partikelinteraktion i LMP-modellen, vilket innebär att partiklar inte kan bygga upp på varandra (vilket skulle öka blockeringen ytterligare). För att ta hänsyn till detta måste man istället använda DEM-metoden (Discrete Element Method).

Jag hoppas att det här blogginlägget var till hjälp för att visa hur du kan arbeta med sammansatta fasförhållanden för LMP i Simcenter STAR-CCM+. Som alltid är du välkommen att skicka frågor eller kommentarer till support@volupe.com.

Författare

Johan Bernander

Johan Bernander, M.Sc.

support@volupe.com

+46 702 95 18 31

 

Fler blogginlägg

sv_SESwedish