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.

. Geometrie analizowanego modelu (kanister oraz zbiornik paliwa)

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

Włączenie opcji powierzchni swobodnej w kreatorze środowiska Simcenter FLOEFD oraz wybór dwóch typów medium dla jednego z przypadków obliczeniowych (kanister)

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).

Definicja warunków początkowych (initial codition) dla modelu kanistra

Rys. 3. Definicja warunków początkowych (initial codition) dla modelu kanistra

Definicja warunków początkowych (initial codition) w formie tabeli dla modelu zbiornika paliwa.

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.

Przygotowana siatka obliczeniowa dla dwóch analizowanych przypadków

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.

 

Rozkład graficzny udziału procentowego frakcji wody oraz powietrza w objętości zbiornika paliwa dla czasu 0 i 20s.

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

 

Skontaktuj się z nami

Udostępnij: