Blogginlägg Volupe

Modellering av övergångar i Simcenter STAR-CCM+

I veckans blogginlägg är vi undersöka övergångsmodellering. Här vi har samla ined den information som finns tillgänglig på stöd CGå in på och i dokumentationen till ett enda dokument., tillsammans med några tips som förhoppningsvis kommer att hjälpa dig i ditt övergångsflöde simulations. 

Olika ttyper av Övergång 

Övergångsflöde är när flödet går från laminärt till turbulent. Det finns tre typer av övergångar: 

  • Naturlig övergång - När flödet gradvis övergår från laminärt till turbulent, med små fluktuationer i flödet på grund av att turbulens uppstår. 
  • Bypass-övergång - När yttre störningar orsakar en plötslig övergång från laminär till turbulent luftströmning. Fluktuationer (turbulens) i den fria strömmen utanför gränsskiktet räknas som externa i detta fall.
  • Övergång som orsakas av separation - När laminär separation sker och flödet återfästs i det turbulenta gränsskiktet, till exempel när en separationsbubbla uppstår på en flygplatta med laminärt flöde. 

turbulent övergångsgränsskikt

Modellering av övergången i Simcenter STAR-CCM+ 

Modellering av övergångar är viktigt när övergången ingår i den fysik som du vill simulera. För många tillämpningar är det inte värt att modellera övergången eftersom den inte är det drivande fenomenet i systemet. Men om du till exempel tittar på lift/drag kan övergångseffekter påverka flödesfältet i stor utsträckning. Det är därför viktigt att modellera övergången för att få rätt resultat. Om du till exempel har separationsinducerad övergång kan separationsbubblan inte fångas med enbart turbulensmodeller, utan det behövs en övergångsmodell. 

Det finns tre övergångsmodeller i Simcenter STAR-CCM+:

  • Gammaövergång - som är en modell med en ekvation och som är lättast att använda. Modellen behöver inte någon användarinmatning. Modellen löser endast för turbulensens intermittens (fluktuationer), så transportekvationen för övergångsmomentets tjocklek Reynoldsnummer undviks. Övergångsmomentets tjocklek Reynoldsnummer beräknas istället med hjälp av lokala variabler i strömningsfältet. 
  • Gamma-ReTheta - är en modell med två ekvationer som utökar gammaövergångsmodellen med en beräkning av övergångsmomentets tjocklek Reynoldsnummer baserat på användarinmatning. Reynoldstalet för övergångsmomentets tjocklek är i princip Reynoldstalet med gränsskiktets tjocklek som karakteristisk längd. Användarinmatningen kommer att definieras som en fältfunktion som kallas Free stream edge field function. Fältfunktionen ska definiera var gränsskiktet är beläget, med värdet 0 inom gränsskiktet och värdet 1 i den fria strömmen (observera att du definierar gränsskiktets insida med värdet 0). Det är inte lätt att veta exakt var gränsskiktet befinner sig, så en bra riktlinje är att definiera gränsskiktet med hjälp av approximationen av dubbla tjockleken på det turbulenta gränsskiktet enligt teorin för platta plattor, "WallDistance > 2*delta99 ? 1:0″, där "delta99 = 0,37*L/(ReL^(1/5))”som beskrivs i denna Artikel i Support Center. 
  • Undertryckande av turbulens - Denna modell behöver information om var övergången sker. Detta gör modellen mest användbar för att jämföra resultat med experiment. Modellen kallas en nollsekvationsmodell eftersom den inte modellerar övergången. 

Som ett resultat av en övergång simulering, du får du något som liknar bilden nedan. Här kan du se att du har högre skinfriktion där du har Övergång som sker på flygplansytan. Hudfriktionen definieras som τ_wall dividerat med 0,5 gånger ρ gånger U_∞, som har den fysikaliska betydelsen väggfriktion dividerat med dynamiskt tryck (halva densiteten gånger den fria strömningshastigheten).

Hudfriktionskoefficient övergång

Tips för den som vill övergångsmodell set upp i Simcenter STAR-CCM+ 

Eftersom övergångsmodellering handlar om ganska känslig fysik finns det flera saker att ta hänsyn till när man sätter upp simuleringen. 

  • Nät - Övergångsmodellering är känslig för nätupplösningen, särskilt om du använder Gamma-ReTheta-modellen. Den allmänna riktlinjen är att ha ett y+-värde under 1 för hela ytan, med hjälp av Volupes y+-kalkylator, kan se till att du uppfyller detta krav. En annan riktlinje är att aldrig sträcka dina prismalager mer än 20% (sträckfaktor 1,2) per lager. I artikel, från Support Center kan du läsa mer om de specifika kraven för nätet. 
  • Turbulenta randvillkor - Eftersom turbulens försvinner i en CFD-simulering kan det vara svårt att se till att du har rätt turbulensintensitet i flödesfältet. Med hjälp av de riktlinjer som beskrivs av Philippe R.Spalart et.al, Den turbulenta kinetiska energin (k) bör definieras som 1e-4*U*U och den specifika dissipationshastigheten (omega) som 5*U*L (där U är hastigheten och L är den karakteristiska längden) som gräns-/initialvillkor i din simulering, för att få en bra approximation av turbulensen [1]. 
  • Termer för tvärflöden - För Gamma-ReTheta-modellen kan du aktivera termer för tvärgående flöden för att ta hänsyn till instabiliteter i flödet. Som R.B Langtry et.al beskriver i sin rapport kan extra källtermer i transporten för övergångsmomentets tjocklek Reynoldsnummer göra förutsägelsen av övergången mer exakt [2]. Möjligheten att inkludera termer för tvärgående flöden finns även för Gamma-övergångsmodellen, men här implementeras tvärtermerna som modifieringar av övergångsutlösningsfunktionen som aktiverar produktionstermen för turbulensens intermittens. I bilden nedan ser du hur du aktiverar tvärflödestermerna i Simcenter STAR-CCM+. Om du vill ha mer information om termer för korsflöden kan du läsa följande Artikel i Support Center. 

term för tvärflöde turbulent övergång

För mer information om övergångsmodellering rekommenderar vi på Volupe att du tittar på följande Siemens TV-sändning om detta ämne innan du kör din simulations. 

Med detta sagt hoppas vi att den här informationen var till hjälp för din simulations inklusive övergång från laminärt till turbulent flöde. Om du har några frågor är du välkommen att kontakta oss på support@volupe.com. 

Referenser

[1] Effektiva inflödesvillkor för turbulensmodeller i aerodynamiska beräkningar, Philippe R. Spalart och Christopher L. Rumsey, oktober 2007.

[2] Extending the Gamma-ReTheta local correlation based transition model for crossflow effects, Langtry, R. B., Sengupta K., Yeh, D. T., and Dorgan, A. J., AIAA Fluid Dynamics Conference 2015, USA.

Författare

Christoffer Johansson, M.Sc.
support@volupe.com
+46764479945

Christoffer Volupe

Fler blogginlägg

sv_SESwedish