Powierzchnia swobodna w analizie CFD na przykładzie Simcenter FLOEFD
Obecnie standardową metodą, wykorzystującą nieruchomą siatkę do modelowania rozdziału faz jest tzw. metoda VOF (ang. Volume of Fluid). Metodę tę nazywamy również analizą z uwzględnieniem powierzchni swobodnej, pozwalającej na uwzględnienie w modelach numerycznych sił napięcia powierzchniowego. VOF (Volume of Fluid) pozwala na realizację wielu trudnych zagadnień obliczeniowych takich jak chlupotanie paliwa w zbiorniku, napełniania cieszą czy ruch statku na fali. W przypadku ruchomej powierzchni szczególną uwagę należy zwrócić na tworzenie siatki obliczeniowej (w miejscach rozdziału faz – na ogół cieczą i gazem) oraz definicję odpowiedniego kroku czasowego. Obydwa te parametry odgrywają kluczową rolę podczas właściwego analizowania zjawiska przy użyciu metody VOF. Tematem artykułu jest powierzchnia swobodna w analizie CFD na przykładzie napełniania cieczą kanistra oraz chlupotania paliwa w zbiorniku. Analizę wykonano w środowisku Simcenter FLOEFD. Przykłady analizowanych modeli zostały przedstawione na rys. 1.
Analizowany model kanistra posiada otwartą górę, wlot i środkową ścianę sięgającą do połowy wysokości z mniejszym otworem w ścianie.
Rys. 1. Geometrie analizowanego modelu (kanister oraz zbiornik paliwa)
Podczas modelowania tego zjawiska w środowisku Simcenter FLOEFD, dzięki jego prostocie i kreatorowi prowadzącemu nas krok po kroku przez cały proces symulacji, definiowano w oknie kreatora procesu parametry obliczeniowe zadania, w których skład wchodzi wybór dwóch typów faz (woda i powietrze), zastosowanie opcji free surface, definicja kierunku działania grawitacji oraz uwzględnienie analizy w czasie (czas końcowy symulacji oraz definicja kroku czasowego) rys.2
Rys. 2. Włączenie opcji powierzchni swobodnej w kreatorze środowiska Simcenter FLOEFD oraz wybór dwóch typów medium dla jednego z przypadków obliczeniowych (kanister)
Dodatkowo, w celu wykonania tego typu analizy pozostaje zdefiniowanie informacji dotyczących warunków początkowych (initial codition), rys. 3. Różnica pomiędzy analizowanymi modelami dotyczyła liczby procentowej początkowej frakcji (Concentrations) w analizowanym modelu. Definicja liczby procentowej typu frakcji i jej udziału procentowego dla modelu dotyczącego chlupotania paliwa zdefiniowana została w formie zapisu tabelarycznego (rys. 4).
Rys. 3. Definicja warunków początkowych (initial codition) dla modelu kanistra
Rys. 4. Definicja warunków początkowych (initial codition) w formie tabeli dla modelu zbiornika paliwa
Kolejnym krokiem było przygotowanie siatki obliczeniowej dla dwóch analizowanych przypadków, które przedstawiono na rys. 5.
Rys. 5 Przygotowana siatka obliczeniowa dla dwóch analizowanych przypadków
Ostatnim etapem procesu obliczeniowego jest przeprowadzenie obliczeń i wygenerowanie wyników analizy. Postprocessing wyników obliczeń przedstawiono w formie rozkładu graficznego udziału procentowego frakcji w analizowanej objętości dla modelu zbiornika paliwa (rys. 6). Dodatkowo poniżej przedstawiono pełną animację chlupotania paliwa oraz napełniania zbiornika przy użyciu metody VOF.
Rys. 6. Rozkład graficzny udziału procentowego frakcji wody oraz powietrza w objętości zbiornika paliwa dla czasu 0 i 20s
Środowisko Simcenter FLOEFD pozwala na analizowanie zjawisk wielofazowych z uwzględnieniem metody VOF i jest niewątpliwie idealną alternatywą dla innych drogich systemów dostępnych na rynku CFD.
Zastosowanie metody VOF na innych przykładach przedstawiono na poniższej animacji.
Opracował: Marek Rudy