ベストプラクティス...

Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流

ベストプラクティス

オイラー混相流


混相流とは

STAR－CCM+に実装されている混相流モデル

混相流モデル選択の指針

VOFモデル

– 特徴

– 設定方法

– ベストプラクティス

混相分離型

– 特徴

– 設定方法

– ベストプラクティス

沸騰モデル

– 沸騰モデル

– 事例紹介

目次


複数の相

互いに混ざらない

物理現象が複雑

– 相間の干渉

– 界面の変形

– 相変化

– 物性、流れ場が不連続

– ...

混相流とは

気体

液体

液体

固体

気液二相流固気二相流

固液二相流

三相流

液液二相流

http://ord.yahoo.co.jp/o/image/SIG=129vqe82c/EXP=1352775615;_ylc=X3IDMgRmc3QDMARpZHgDMARvaWQDQU5kOUdjUTFHTFNyR3dHLVVKZ0E1dDNGSUZHVE52cE9qanF5azJaUUJQMjBsWFlQZDR2NDlxbGoxRUluNkY0BHADNDRPZjQ0T3I0NEt2NDRLdjQ0T3A0NEttNDRPegRwb3MDMzQEc2VjA3NodwRzbGsDcmk-/*-http:/wallpaper.free-photograph.net/mid/yun_2312.jpg


オイラー法

相を連続流体として、N-S方程式を用いて計算

Volume of Fluid(VOF)法：界面追跡

混相分離型流：体積分率輸送（粒子群）

ラグランジェ法

相を粒子として、運動方程式を用いて計算

ラグランジェ：

DEM：

固体粒子、相互干渉

STAR－CCM+に実装されている混相流モデル


混相流モデル選択の指針

界面が重要？ VOF法

粒子間隔（大:衝突可能性小

小:衝突可能性あり

極めて小さい:衝突無視できない

ラグランジェ

混相分離型

ラグランジェ

DEM

混相分離型

グラニュラー

ストークス数 >>1:バルク流体に運ばれる

<<1:粒子独立運動


特徴

– 界面捕捉：

• 体積分率αの輸送方程式を解く

• α=0：気相、α=1：液相、

0<α<1: 気液混合（α=0.5：界面）

– 輸送方程式が1組、混合物性

– VOF対流項離散化スキーム

• High Resolution Interface Capturing

(HRIC)

• クーラン数によってHRICと風上法を切り替え

• 界面進行方向とセルフェース法線方向との角度を考慮

• 鮮明化係数

VOFモデル

Oil相 Air相

気-液界面（α=0.5等値面）

クーラン数：Cu=U*Δt/Δx


その他併用できる機能

– 熱移動

– 相内複数成分

– 表面張力

– 壁面との接触角

– 物質移動

• 融解・凝固、沸騰、蒸発、キャビテーション

– VOF波

– ラグランジェ

VOFモデル

壁面

液空気

接触角

壁面

液空気接触角


VOFモデルの設定

① 物理モデルの選択

解析空間

陰解法非定常解析

混相流




VOF法を選択




乱流、層流を選択

重力

波条件

熱

ラグランジェ混相




界面鮮明度調整

0.5<クーラン数<1: HRIC

それ以外：Upwind



② 相の設定

新規作成

相の物質を選択



② 相の設定

密度

オプション • 多孔性壁面条件

• ユーザー定義スカラー

• 液体の場合、溶解-固化選択できる



③ 相間作用の設定

表面張力

新規作成

沸騰、キャビテーション


VOFの設定


相を定義


VOFの設定

③ その他の設定

重力を定義

初期界面位置を定義


メッシュサイズ

– 形状に対して十分な解像度

– 流れ特性に対して十分な解像度

– 界面捕捉に十分な解像度


粗いメッシュ（Δx=0.0125）細かいメッシュ（Δx=0.000625）

Water:0.5m/s


メッシュサイズ

– 界面近傍のメッシュの細分化


通常VOF解析設定

フィールド関数：

VOFの勾配よりメッシュサイズ決め

解析実行

メッシュサイズテーブルを出力

メッシュ再作成


時間ステップ

定常状態の界面を注目する場合

CFL> 1が可能

計算初期の解は不安定のため、時間ステップを小さく設定

シャープな界面を得るには、 CFL_lとCFL_uを大きく設定（HRICスキーム使用）

界面の挙動を正確に追跡したい場合

時間ステップをCFL<0.5（界面近傍）以下設定すべき。

CFL>0.5の場合、2次精度時間離散化

を使用すると、計算が不安定になる場合がある。


0.45ｍ


時間ステップ


Δt=0.005s Δt=0.001s


時間ステップ


Dt = 0.01 s (100 time steps per period)



解析設定時間・空間

2次精度離散化

VOF

既定値

結果 Δt=0.04sの場合、HRICスキーム

は風上スキームとブレンドされているので、界面が不鮮明になり、波の振幅が減衰する。


時間離散化

波の伝播を正確に予測するために2次精度が必要。1次精度を用いる場合、振幅および周期が減衰される可能性があるので、同じ精度を得るには、はるかに小さい時間ステップが必要となる。

定常解のみ求められる場合、1次精度を使用可

HRICスキームの2次精度では、時間ステップが大きすぎると、解析は発散したり、質量保存されなかったりすることがある。壁面衝突解析のように、局所的にメッシュが非常に細かい場合、時間ステップも必要以上に小さく取る必要がある。そのような解析に対して、1次精度を使用すべきである。



時間離散化


解析例: 1次精度 Vs 2次精度

Flap 1次精度 (波長長い、振幅減衰)

2次精度


鮮明化係数

通常デフォルト値（0：鮮明化適用しない）

以下の状況で、界面のぼやけを防止するために、0.1から0.5までに増やす：

スロッシングのような解析で、シミュレーショ時間が長く、局所で発生した界面のぼやけが領域全体に広がる可能性がある。

液体噴流の跳ね返りを解析する場合、時間ステップが小さいため、ほとんどの領域においてクーラン数はCFL_lより小さい。その結果、HRICスキームは風上スキームとブレンドされ、界面がぼやける。


スロッシング解析

12.5周期計算

鮮明化係数：0 鮮明化係数：0.5

メッシュサイズ以下の液滴を確認できる。


緩和係数

速度、体積分率、スカラー変数：0.8~0.9前後

圧力：0.3~0.5前後

時間ステップ

時間ステップごとに残差が1〜2桁に落ちるべきである。それを達成するのに、必要となる反復回数が多い場合、時間ステップを小さくする必要がある。

内部反復回数

1時間ステップあたり5〜10回の反復回数になるように時間ステップを調整する。

時間ステップを大きくして、必要な反復回数が倍増する設定よりも、時間ステップを半分にして、必要な反復回数が半分にする設定のほうが良い。計算負荷が同じだが、時間ステップを小さくしたほうが解析精度が良い。



特徴

– 界面捕捉しない

– 相別に輸送方程式を解く

– 抵抗力、揚力、仮想質量力

– 粒子群

混相分離型モデル

運動量ソース

第1相第2相

運動量ソース

浮力

抗力

V1

V2

揚力


その他併用できる機能

– 熱移動（相間）

– 乱流（相別）

– グラニュラー流

– 相内複数成分

– S-Gammaポピュレーションバランスモデル

– 物質移動（沸騰、蒸発）

混相分離型モデル


混相分離型モデルの設定


混相分離型流れ




乱流、層流を選択

グラニュラー流

熱

重力



② 相の設定

新規作成

相の物質を選択



② 相の設定

乱流

密度

熱

オプション粒子サイズ

ユーザー定義スカラー

乱流応答モデル分散相の速度変動を連続相の速度変動の代数的な相間関係を用いて計算する。

S-γモデル分散相の粒子サイズ分布を輸送方程式で計算する。

粒子の分裂・合体による影響を考慮でする。




相変化（沸騰、一定相変化率）

粒子群の影響

相間熱交換

新規作成

粒子が受ける力




モデルを選択し、パラメータはプロパティで設定


AMGソルバー

圧力：Fサイクル

その他： Vサイクル

緩和係数

速度、スカラー変数：0.3程度

圧力、体積分率：0.1程度

対流項離散化スキーム

収束難しい場合、1次精度を試す



解析が収束しない場合

モデルの設定をチェック

単相流れのみで、メッシュ、境界条件をチェックする。

単純なモデルからスタートする。

微小粒子の抗力が大きいと、収束しない場合がある。解析設定をチェックするには、最初に大きい粒径を使用し、計算が流れることを確認した後、正しい粒子サイズに戻す。

入口速度境界の場合、低い速度からスタートし、徐々に速度を上げていく。

初期化

実験と同じ条件で初期化

０の状態からスタート



解析例：撹拌槽

Gas superficial velocity:

0.0184 m/s 0.0448 m/s 0.0835 m/s 0.1175 m/s 0.201 m/s

空気流量により混合への影響


解析例：撹拌槽

Gas superficial velocity: 空気流量によりガス停滞への影響

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Experimental

Star-CCM+

Superficial velocity [m/s]

Gas h

old

up

[%

]


沸騰モデル

– バルク沸騰：気-液界面で発生

– 壁面沸騰：壁面で発生

• Rohsenowモデル

• 遷移モデル

沸騰モデル

沸騰気泡離脱対流伝熱

遷移モデル（ΔT=Tw-Tsat）

核沸騰遷移沸騰1 遷移沸騰2

Rohsenowモデル

Water：Tl

Steam：Tg

Tsat

バルク沸騰


サブチャンネル内沸騰解析

解析例


ご静聴ありがとうございました！

本プレゼンレーションを聞いて、混相流モデルをご使用する際の

悩みをすこしでも解決できれば幸いです。

ベストプラクティス...

Documents

Transcript of ベストプラクティス...