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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
VOFモデルの設定
① 物理モデルの選択
VOF法を選択
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
VOFモデルの設定
① 物理モデルの選択
乱流、層流を選択
重力
波条件
熱
ラグランジェ混相
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
VOFモデルの設定
① 物理モデルの選択
界面鮮明度調整
0.5<クーラン数<1: HRIC
それ以外:Upwind
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
VOFモデルの設定
② 相の設定
新規作成
相の物質を選択
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
VOFモデルの設定
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
VOFモデルの設定
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
VOFの設定
③ 相間作用の設定
相を定義
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
ベストプラクティス
粗いメッシュ(Δx=0.0125) 細かいメッシュ(Δx=0.000625)
Water:0.5m/s
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
メッシュサイズ
– 界面近傍のメッシュの細分化
ベストプラクティス
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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。
ベストプラクティス
0.45m
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
時間ステップ
ベストプラクティス
Δt=0.005s Δt=0.001s
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
時間ステップ
ベストプラクティス
Dt = 0.01 s (100 time steps per period)
Dt = 0.02 s (50 time steps per period)
Dt = 0.04 s (25 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。
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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。
ベストプラクティス
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
時間離散化
ベストプラクティス
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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。
ベストプラクティス
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。
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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。
ベストプラクティス
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
混相分離型モデルの設定
① 物理モデルの選択
混相分離型流れ
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
混相分離型モデルの設定
① 物理モデルの選択
乱流、層流を選択
グラニュラー流
熱
重力
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
混相分離型モデルの設定
② 相の設定
新規作成
相の物質を選択
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
混相分離型モデルの設定
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。
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
混相分離型モデルの設定
③ 相間作用の設定
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
混相分離型モデルの設定
③ 相間作用の設定
モデルを選択し、パラメータはプロパティで設定
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
ベストプラクティス
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
ベストプラクティス
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
[%
]
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
サブチャンネル内沸騰解析
解析例
Japanese Conference 2012 ベストプラクティス混相流
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。
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