Logotyp för Volupe

Blogginlägg Volupe

Några inställningar för VOF-lösaren i Simcenter STAR-CCM+

Den här veckan kommer vi att titta på VOF-lösaren och mer specifikt på hur du kan använda den för att snabba upp din simulering. Under den senaste versionen av Simcenter STAR-CCM+ har det funnits ett antal olika uppdateringar och nya modeller för VOF-lösaren. Vi har hört saker som enstegs, flerstegs, HRIC, MHRIC, implicit VOF, explicit VOF. Till och med slip-velocity, som vanligtvis är mer relaterad till blandningsmodellering, ska vara bra för vissa situationer med VOF-lösaren. Men vad betyder allt detta? När använder vi modellerna och vilka begränsningar innebär de för vår simulations? Låt oss se om vi kan förklara de relevanta begreppen i det här blogginlägget.

VOF-lösaren

VOF-metoden (Volume of Fluid) är en del av den eulerska metoden, vilket innebär att vi tittar på en cell och studerar alla inflöden och utflöden av materia, energi och momentum till den cellen. Detta står i motsats till den lagrangska metoden, där vi istället följer en partikel (eller ett paket) runt i rummet. VOF-metoden är en gränssnittsfångningsmetod som förutspår fördelning och rörelsen i gränssnittet för icke-miskelbara faser. Metoden kräver tillräcklig rumslig upplösning för att lösa upp positionen och formen på gränssnittet mellan faserna.

Fasernas fördelning och gränsytans läge beskrivs med hjälp av volymavsnittets fält (se kvadrant 1 i bilden nedan). Summan av alla faser måste summera till enhet (2) och beroende på förekomsten av olika faser eller fluid:er i en cell kan man skilja dem åt (3). Fördelningen av de separata faserna styrs av massbevarandeekvationen (4).

Om det finns två VOF-faser kommer Simcenter STAR-CCM+ endast att lösa volymfraktionstransporten för den första fasen. Värdet för den andra fasen är då helt enkelt 1 minus värdet för den första fasen. Om det finns tre eller fler faser löses volymfraktionstransporten för alla faser och värdet normaliseras baserat på summan av volymfraktionen för alla faser i varje cell.

HRIC och MHRIC

HRIC är en förkortning för High Resolution Interface Capturing (högupplöst gränssnittsinfångning) och är ett system som är utformat för att efterlikna den konvektiva transporten av icke blandbara fluid-komponenter, vilket gör det väl lämpat för att spåra skarpa gränsytor. Vi kommer inte att gå in i detalj på ekvationerna för schemat, detta kan studeras i detalj i Simcenters STAR-CCM+-dokumentation. Men vet att de båda är baserade på det "normaliserade variabeldiagrammet" (NVD) som behandlar konvektiv transport. HRIC har funnits länge medan MHRIC (Modified HRIC) är ett ganska nytt tillägg till programvaran.

Det som är nytt och relevant här är de tillägg som MHRIC har gjort. Många VOF simulations använder AMR (adaptive mesh refinement) och adaptive timestep för att få exakta resultat inom en relevant tidsram. När HRIC används kan detta leda till överupplösning för mycket små droppar och bubblor. I en stor del av de tekniska problemen är de minsta skalorna inte relevanta att lösa upp för att besvara den tekniska frågan, vilket gör att HRIC-systemet representerar onödig overhead. MHRIC-ordningen löser inte upp de minsta egenskaperna och leder följaktligen till en kortare tid till lösning. MHRIC förbättrade också robustheten och massbalansen jämfört med HRIC och minskade risken för artefakter på den fria ytan i samband med t.ex. nätet. MHRIC gav också ett tjockare gränssnitt, vanligtvis ~3 celler tjockt, utan att gränssnittet leder till numerisk blandning. Metoden ger ett pragmatiskt tillvägagångssätt för vissa tekniska problem, som exemplet nedan med en skvalpande tank, där varje separat droppe och bubbla kanske inte är av intresse.

Skärpning av gränssnittet genom tidsmässig subcykling (implicit/explicit, enstaka/flersteg).

Genom att använda skärpning av gränssnittet genom tidsmässig subcykling kan vissa av ekvationerna, volymfraktionsekvationerna, lösas åt sidan, med en högre tidsmässig diskretisering, från alla andra transportekvationer. Om vi börjar från början och tittar på VOF enkelstegsDet innebär helt enkelt att man löser ekvationen för transport av volymfraktion samtidigt med andra flödestransportsekvationer. Tekniskt sett är detta inte tidsmässig subcykling eftersom det inte finns någon tidsmässig skillnad i när transportekvationerna löses. Detta innebär att kravet att CFL<1 (eller 0,5 för 2nd beställningstid), annars kommer den fria ytan att bli smutsig.

Å andra sidan har vi då den VOF Flerstegsbehandling som sedan gör den tidsmässiga diskretiseringen för transportsekvationen för volymfraktionen. Lösaren i flera steg delar sedan upp hela den fysiska tidsperioden i ännu mindre avsnitt (N). Detta gör det möjligt att välja den fysiska tidsperioden oberoende av CFL-begränsningar. Metoden är tänkt att alltid hålla gränssnittet skarpt. Den uppenbara nackdelen med detta är naturligtvis att det kan resultera i oönskade upplösningsnivåer och onödig overhead för vår simuleringstid igen.

Ange Implicit flerstegsmetod! Låt oss först förstå att Explicit Multi-Step är standardmetoden. För explicita multipelsteg bestäms antalet delsteg av de andra villkoren, i detta fall CFL-villkoret. Det implicita alternativet ger helt enkelt användaren möjlighet att välja antalet implicita delsteg för volymfraktionslösaren. Medan den explicita lösaren beslutar automatiskt baserat på villkoren, låter den implicita lösaren användaren bestämma. Med detta tillvägagångssätt kan användaren indirekt avfärda bubblor och droppar i mindre skala och på så sätt tillåta vissa nivåer av numerisk dissipation. Tabellen nedan beskriver skillnaden och sammanfattar kortfattat hur första ordningens tidsintegratorer fungerar.

Observera att den implicita metoden i sig inte fungerar med någon kombination av globalt tidsintervall och antal tidsmässiga delsteg, men lösningen för volymfraktionen kommer (om användaren inte är försiktig) att bli alltmer diffusiv. De två metoderna skiljer sig också något i hur de underrelaxeras, där den explicita metoden tillämpar underrelaxering efter det sista delsteget, inför den implicita metoden istället underrelaxering för varje separat delsteg.

Om du är intresserad av hur det automatiska fastställandet av delstegsstorlek i den explicita flerstegslösaren fungerar, hänvisas du till dokumentationen.

Skärpning av gränssnitt genom modellering av glidhastighet

Du kan lägga till glidhastighet till VOF-metoden, och med detta tillvägagångssätt får du ett mer fysiskt beteende i flerfas-scenariot när gränssnittet mellan faserna inte är löst. Om du använder denna metod kommer din VOF att bete sig mer som MMP (Vad händer om VOF inte fungerar? MMP-LSI - VOLUPE-programvara).

I allmänhet förutsätter VOF-modellen med flera faser att gränssnittet mellan faserna är löst. I Simcenter STAR-CCM+ finns det tre celler i närheten av ett gränssnitt; en där volymfraktionen av fas i är 1, en där volymandelen av fasen i är 0, och en cell där fraktionen av fas i I den cell där fraktionen är mellan 0 och 1 finns gränssnittet, och antagandet att båda faserna rör sig med samma hastighet gör att deras rörelse kan beskrivas med ett enda hastighetsfält.

Men i vissa scenarier, där kravet på VOF inte uppfylls, kan vi inkludera glidningen mellan faserna för att undvika att den underupplösta VOF uppträder som en homogen blandning med ett utspridd gränsyta. Detta leder till en förbättring av modelleringsantagandena, vilket leder till att ett skarpt gränssnitt återställs.

Jämförelse av fall

Innan nya funktioner släpps testas de förstås och jämförs med andra. Bilden nedan visar en 53 gånger snabbare lösning av ett industriellt fall för en slamrande tank. Experimentella data jämförs med användning av den implicita VOF-lösaren med flera steg, med varierande antal delsteg och med variation mellan ett statiskt nät och AMR.

 

Författare

Robin Viktor

Robin Victor
+46731473121
support@volupe.com

Fler blogginlägg

sv_SESwedish