Blogginlägg Volupe

Turbulens för flerfasig simulations i Simcenter STAR-CCM+

Förra veckans blogginlägg var enom Modellering av övergångar. på Simcenter STAR-CCM+. Jag tänkte att den här veckan Vi fortsätter att arbeta med turbulens i Simcenter STAR-CCM+. Jag kommer särskilt att diskutera flerfasig turbulens och hur den behandlas, och ännu mer specifikt hur man simulerar turbulens i en eulersk flerfasig simulering (EMP). Redan i version 2021.1 infördes blandningsturbulens som en valfri metod i stället för att göra EMP simulations. Vi kommer att titta på vad detta innebär för detaljerna i transportekvationerna för turbulenta storheter.. Jag kommer att gå igenom alternativen för turbulens i spridd fas, responsmodeller och turbulensinteraktion. Detta kan faktiskt vara lite förvirrande, så jag hoppas att det här blogginlägget kan hjälpa till att reda ut några av de svåra områdena.. Exempel på de olika metoderna kommer att presenteras med hjälp av turbulensmodellen k-epsilon. eller en allmän turbulenskvantitet. Detaljer för andra turbulensmodeller finns i Simcenter STAR-CCM+ dokumentation.  

Turbulens i blandningen

För blandningsturbulens används en enda turbulensmodell för att beräkna turbulensen i alla faser genom att lösa turbulenskvantiteten transportekvationer med hjälp av blandningsegenskaper och blandningshastigheter. Genom att göra detta i din EMP-simulering närmar du dig MMP-modellen, särskilt när det gäller turbulensmodellering. Annan egendomsom används i grundläggande ekvationer (massa, fart, och kontinuitet) summeras fortfarande över de olika faserna i stället för att behandlas som blandningsegenskaper. De turbulensmodeller som för närvarande (i version 2022.1) stödjer blandningsturbulens är modellerna k-epsilon, k-omega och Reynolds stress. Både blandningens densitet och blandningens dynamiska viskositet beräknas genom linjär interpolation av kvantiteterna för alla andra faser viktade med volymfraktionen. Turbulent kinetisk energi är hastighetsfluktuationernas energi per massa, så det antas att blandningen k och fasen k är lika stora. Dessutom, the Förlusthastighetens täthet antas vara lika stor för blandningen och fasen. Beräkning av blandningens turbulenta virvelviskositet antar att fasernas kinematiska viskositet är lika stor. 

turbulensekvationer

Alternativet att använda Blandningsturbulens förbättrar stabiliteten i simuleringen genom att minska frihetsgraderna. av det system som ska lösas. samtidigt som man minskar antalet transportekvationer som kräver att man löser (i två ekvationer turbulensmodellerna kommer minskningen att vara två ekvationer per fas).. Turbulensen i blandningen är särskilt fördelaktigt för tillämpningar med bubbelflöden där turbulensen huvudsakligen är en funktion av av den tunga fasen. För ett sådant fall är det närvarandes onödiga omkostnader För att beräkna gasfasen (bubblor). Turbulens separat. Bubblorna kommer att transporteras med vätskan och reagera på turbulensen i den tunga fasen. Den fasiska turbulensen är mer korrekt när den dispergerade fasen beskriver den tunga fasen, men mer om fasisk turbulens nedan. Slutsatsen är följande som tillämpar blandningsturbulens i din EMP-simulering, tillämpar turbulens på samma sätt som för MMP (Mixture multiphase).  

Fasisk turbulens - Kontinuerlig fas.

När man diskuterar fasisk turbulens, Det är viktigt att nämna följande Turbulens i kontinuerlig fas., oberoende av om vi har en verklig spridd fas/kontinuerlig fas eller . flera flödesregimer. För den kontinuerliga fasen, Simcenter STAR-CCM+ löser två modifierade transportekvationer för turbulenskvantiteter. Dessa ändringartioner inkluderar volymfraktionen av varje fas och ytterligare källtermer som tar hänsyn till Effekten av den dispergerade fasen. på turbulensfältet i kontinuerlig fas.

Turbulens i flera faser.

The produktion och förlust termerna varierar beroende på den valda turbulensmodellen. Det är källtermerna (1-3) här som är av särskilt intresse. Källtermernas existens i turbulensekvationerna bygger på några olika val, de separata termerna beskrivs nedan: 

  1. Detta är en användardefinierad källterm. 
  2. The Källterm på grund av partikelinducerad turbulens. representerar den turbulens som uppstår på grund av spridda partiklar. Den ingår endast i transportsekvationen för den kontinuerliga fasen. 
  3. A Källterm på grund av turbulensöverföring mellan faserna., effekten på turbulensen från drag. (Mer om detta i avsnittet om överföring av turbulens mellan faserna).

Observera att dessa transportekvationer är alltid löses för den kontinuerliga fasen. De kan också lösas för den dispergerade fasen om man inte använder en modell för turbulent respons.

Fasisk turbulens - dispergerad fas 

Som just nämnts kan turbulensen i den dispergerade fasen beräknas med samma ekvation som för turbulens i kontinuerlig fas, med undantag för källtermen för partikelinducerad turbulens (nummer 2 i bilden ovan i föregående avsnitt). Det andra alternativet är att använda en halvempirisk modell för att korrelera turbulensen från den dispergerade fasen till den kontinuerliga fasen (responsmodeller). Den fullständiga turbulensmodellen för den dispergerade fasen rekommenderas när man har blandade regimer (när den primära och sekundära fasen båda är den dispergerade fasen på olika rumsliga platser, t.ex. droppar i luft på vissa platser och bubblor i vatten på andra), eller när man har tunga partiklar där en stor del av den kinetiska energin innehas av den dispergerade fasen. 

Vi kan använda en responsmodell när vi har en tydligt definierad dispergerad fas, och responsmodellen kommer då att ge effekten av den dispergerade fasens effektiva turbulenta diffusivitet och standardväggfunktioner.  

Svarsmodeller 

Turbulensen svar modeller förutsäga hastighetsfluktuationer i den Spridda fas med hjälp av algebraisk korrelations till hastighetsfluktuationerna i den kontinuerliga fasen. The den turbulenta spänningen är Modellerad med hjälp av virvelviskositeten koncept. Bilden nedan förklarar, återigen i termer av k-epsilon-turbulensmodellen, hur den används för att beräkna den turbulensens kinetiska energi och den dispergerade fasens turbulenta virvelviskositet. Det är termen svarsfunktion (C_t) som kräver en stängningsmodell. 

svarsmodell turbulens

Simcenter STAR-CCM+ innehåller två sådana svarsmodeller som behövs här. Jag kommer inte att gå igenom dem i detalj (ekvationerna) för att göra det kortfattat, detaljerna finns i dokumentationen: 

  • The Svarsmodell från Issa definierar responskoefficienten (C_t) med en korrigering för volymfraktion. Den ger svarskoefficienten för bubbelflöde.  
  • The Tchen svarsmodell ger den turbulenta diffusiviteten i den dispergerade fasen för gasflöden med tunga partiklar.  

Partikelinducerad turbulens

De partikelinducerade turbulensmodellerna lägger till fler källtermer till turbulensens kinetiska energi och dissipationsekvationer för kontinuerlig fas. Modellerna representerar en modifiering av turbulensen på grund av närvaron av en dispergerad fas. Den olika modellen här fungerar lite annorlunda, återigen, för att göra det kortfattat kommer vi att gå in på detaljerna. Modellerna tar i allmänhet in den modifierade turbulenstransportsekvationen i den källterm som avser partikelinducerad turbulens (källterm 2 från en av bilderna ovan).   

  • The Troshko Hassan modell beskriver bubbelinducerade turbulenseffekter.  
  • The Gosman-modellen använder Reynolds medelvärdesbildning av hastighetsfluktuationerna i den kontinuerliga fasen multiplicerat med dragkälluttrycket från den fluktuerande delen av rörelsemängdsekvationen för kontinuerlig fas för att skapa en källa till turbulensens kinetiska energi.  
  • The Tchen-modell fungerar som Gosman-modellen men innehåller ytterligare termer för att ta hänsyn till fler regimer.  
  • The Sato-modellen innehåller inga källtermer, utan tar istället hänsyn till den dispergerade fasens turbulenseffekter på den kontinuerliga fasen i form av en ökad effektiv viskositet. Det är den tidigaste och enklaste modellen för partikelinducerad blandning och utgör ett robust alternativ till de senare källbaserade metoderna. Den är tillämplig på utspädda bubbliga flöden.  

Överföring av turbulens mellan faserna

Som om det inte räckte med responsmodeller och partikelinducerad turbulens som tillägg till den turbulenta kan du också inkludera turbulensöverföring mellan faserna. Detta är en egenskap som valts i modellen för interaktion mellan flera faser i Simcenter STAR-CCM+. Det handlar om att redovisa bidragen till fluid och partiklar Turbulenta kinetiska energier på grund av drag.. Den är endast tillgänglig när den kontinuerliga fasen är en gas och den dispergerade fasen består av fasta partiklar. Dessutom, modellen är bäst lämpad förkan användas när the Partikel Storleken är mellan 20 och 100 mikrometer. och har en densitet som är lägre än 1,4 g/cm2. (a typisk tillämpning är Fluid Catalytisk krackning, FCC). Den är också endast tillgänglig när båda faserna använder k-epsilon-modellen. Termen som är modellerad och kräver avslut. är korrelationen mellan fluid och partikelns fluktuerande hastigheter utvärderade längs partikelbanan. För k-epsilon ser uttrycken ut som i nedanstående bild visar för source i termer av både turbulensens kinetiska energi och dissipation, för både den kontinuerliga och den dispergerade fasen. 

Överföring av interfasisk turbulens.
The beta_cd-termen är korskorrelationen mellan hastigheterna., som är inställd som standard på 0,7, men som kan anges med vilket konstant värde som helst, en fältfunktion, eller med Zaichik Metod (se dokumentationen för mer information). 

Turbulent-spridning

En partikel i turbulent flöde erfarenheter större spridning än i laminärt flöde. Modellen för turbulenta spridningskrafter innebär följande anser att den eeffekt på en partikel i dispergerad fas. från omgivande områden turbulenta virvlar. Sådana extra krafter ger ett tillägg till både drag och och virtuell masskraft.  

Sammanfattning

Svarsmodellerna beräknar hastighetsfluktuationer i den dispergerade fasen utifrån hastighetsfluktuationer i den kontinuerliga fasen. 

Partikelinducerad turbulens representerar modifiering av turbulensen på grund av förekomsten av en dispergerad fas..

Överföring av turbulens mellan faserna står för bidragen till fluid och partikelns turbulenta kinetiska energi på grund av luftmotstånd. Begränsad tillämplighet! 

Turbulenta dispersionskrafter står för interaktionen mellan den dispergerade fasen och de omgivande turbulenta virvlarna. 

Medan responsmodellerna väljs i stället för en annan turbulensmodell för en dispergerad fas, väljs under fasmodellerna den partikelinducerade turbulensen, turbulensöverföringen mellan faserna och den turbulenta dispersionskraften under noden för fasinteraktion i Simcenter STAR-CCM+. Av uppenbara skäl är det bara den turbulenta dispersionskraften som är tillgänglig om du kör blandningsturbulens. 

val av fasinteraktionsmodell Simcenter STAR-CCM+

Jag hoppas att detta har varit användbart när du funderar på hur turbulens fungerar när du kör en eulersk flerfasmodell. Som vanligt kan du nå ut till support@volupe.com om du har några frågor 

Författare

Robin Viktor

Robin Victor
+46731473121
support@volupe.com

Fler blogginlägg

sv_SESwedish