Сеточная сходимость (независимость) при движении газа в конструкции "труба в трубе" с вихревой структурой в межтрубном пространстве

[Another14 6]

Добрый вечер. Нужна помощь в создании сетки (как думаю я).

Проблема - при увеличении количества ячеек возрастает значение потери давления в устройстве. Сеточная сходимость не достигается. 

P.S. увеличивать сетку в большую сторону, толку по всей видимости не придаст, потому что значение потери давления в устройстве при физическом эксперименте ниже.

 

Имеется трехмерная модель (рисунок 1 и рисунок 2). Геометрия простая. Имеется вход по центру и выход из межтрубного пространства.

Принцип действия - газ входит через отверстие по центру, далее движется вниз и распределяется по прямоугольным щелям и попадает в межтрубное пространство, где образуется множество вихрей, которые движутся в верхнюю часть устройства к выходу.

Немного геометрии: высота устройства - 130 мм, диаметр внеш. и внутр. трубы - 50 и 80 мм соответственно, ширина и высота прямоугольных щелей - 6 и 39 мм соответственно, диаметр каждого вихря в межтрубном пространстве - около 13 мм (рисунок 3).

 

Создание сетки: скорее всего слабое место. Внимание не уделялось. Генерация сетки производилась через "element size". Путем изменения "element size" количество ячеек варьировалось от 50к до 7кк. Как правило, результаты показывали, что разница давлений между входом и выходом растет. Например, рисунок 4 или 5. При этом пробовали и стационарный и нестационарный режимы. Результаты в принципе одинаковые между стационаром и нестационарном, но суть одна - больше ячеек - больше дельта П. По сути, параметр потери давления может расти, если вихревая структура рушится и в межтрубном пространстве идет хаос, но по визуализации потока вихревая структура имеется почти всегда, т.е. гипотеза, что сетка совсем кривая и поток газа формируется кривой - отклоняется. Отмечу, что вихревая структура подтверждена экспериментом, была создана лабораторная установка и подавался дым, вихри фиксировались. Также, следует отметить, что расчет секциями производить нельзя, потому что в межтрубном пространстве вихревая структура не всегда упорядоченная, т.е. некоторые вихри иногда ломаются, это и приводит к отклонениям дельта П на графике 4. При стационарном расчете тоже такие же отклонения фиксируются, там только будет не по времени, а по итерациям. К примеру, рисунок 5 это осредненные значения по итерациям, когда расчет вышел на квазистационар. Ну и как вихри пляшут при нестационаре, прикладываю видео на гугл диск (https://drive.google.com/file/d/1Wo4G4kpnXvlAfVNR3D3EanfoWdstJLtg/view?usp=sharing). Расчет производили на разных моделях (ламинар, k-w, k-e, transtion sst и др.) результаты +- одинаковые.

 

Проводили оценочный дополнительный экспериментальный расчет. Данная модель была распечатана на 3Д принтере. Результаты прикладываю на рисунке 6. Следует отметить, что тут значения приблизительно точные, потому что скорость определяли через потери давления в трубе Вентури, чтобы потом поток выравнивать перед исследуемым модулем еще устанавливали прямую трубу. Поэтому, ориентироваться на значения можно, но они могут немного отличаться от реальных (рисунок 6).

 

Скорее всего дело в сетке, поэтому просьба помочь с ее настройкой или дать иной совет. Прикладывай модель (уже проточную область Volume) в формате .scdoc сюда 50х80.scdocи на гугл диск (https://drive.google.com/file/d/1WRwzX2nTCUSGrZxkl9N2LITv8UGRfLUh/view?usp=sharing). Если сможете настроить, то просьба прислать весь проект. Имеется интерес, как будете настраивать сетку в блоке Mesh. Inlet - по центру, Outlet - из межтрубного пространства.

 

P.S. также прикладываю рисунок 7 для демонстрации, например, на какой сетке производился расчет, тут 2кк.

 

[Another14 6]

2 минуты назад, MotorManiac сказал:

 

Да сетка так себе.

Флюент же вроде может периодичность считать , возможно задачку можно еще сократить.

В межтрубном пространстве вихри создаются не всегда устойчивые (https://drive.google.com/file/d/1Wo4G4kpnXvlAfVNR3D3EanfoWdstJLtg/view), поэтому периодичность в данном случае не совсем корректно задавать. Устойчивые вихри - это идеальный случай.

[MotorManiac 130]

6 минут назад, Another14 сказал:

периодичность в данном случае не совсем корректно задавать

А вы попробуйте. Возможно удастся смоделировать 2 вихря на 1 щель.

[piden 2 874]

8 minutes ago, Another14 said:

поэтому периодичность в данном случае не совсем корректно задавать

У вас пока задача по давлению с экспериментом сойтись. Устойчивость/неустойчивость вихрей на этот параметр вообще минимальное влияние оказывает.

Так что выбирайте: каждый раз долго-нудно считать в полной постановке или прийти к быстрому ответу с секторной)

[Another14 6]

7 минут назад, piden сказал:

А как скорость потока замеряли в контрольном сечении? Или замеряли таки расход и пересчитывали?

Вообще, насыпьте больше подробностей про постановку эксперимента. 

 

 

1 минуту назад, MotorManiac сказал:

Да вот это интересно, т.к. автор мог измерять статическое давление, а в программе смотреть, например, полное.

Еще такой вопрос автору - как моделируется выход из кольцевого зазора ? модель не будет учитывать местное гидравлическое сопротивление на выходе, например, потому что там резко заканчивается расчетная зона :)

Примерная схема эксперимент. установки (1-вентилятор; 2-ресивер для сброса воздуха, чтобы снижать напор, во время экспериментов; 3-труба Вентури; 4-данный модуль; 5-первый диф. манометр для измерения разницы давлений на трубе Вентури; 6-второй диф.манометр для определения давления перед модулем; 7-ПК.

 

Скорость измерялась по средствам трубы Вентури через расход, т.е. по эксперименту фиксировалась разница давлений, по классической формуле пересчитывался объемный расход, через расход рассчитывалась средняя скорость по сечению, которая дальше задавалась в ГУ в ансисе, плотность газа принималась как константа при температуре 25 градусов (понятно, что плотность тоже будет прыгать, оценочно погрешность 2-5 % вносит). 

Скорость в контрольном сечении после трубы Вентури могла отличаться от 0,01-0,1 м/с 

 

Выход из кольцевого зазора пробовали моделировать двумя способами - 1) как скинул модель, т.е. резко заканчивается расчетная зона и 2) выход немного пробовали удлинять. У меня получалось примерно тоже самое, погрешность менее 1%, т.е. проблема не в этом вроде бы.

20 минут назад, piden сказал:

У меня при измельчении сетки перепад давления не меняется.

Судя по Рис. 5 из первого поста - у вас тоже. Просто вы мельчите весь объем, что не особо эффективно.

 

Вот таблица из рис. 5: я думал, что при скорости 5 м/с при кол-ве ячеек 1кк-2кк потери давления вышли на постоянную величину, но потом снова начали расти. А при 10 м/с вообще нигде не выходили на квазивеличину
 

W, м/c		n, шт	ΔPср, Па	W, м/c		n, шт	ΔPср, Па
5	1)	46051	140,1771393	10	1)	50189	546,5306
	2)	128294	154,136739		2)	109832	603,6911
	3)	204921	162,3266633		3)	204921	658,3201
	4)	390839	176,1320277		4)	407745	683,1088
	5)	601141	173,030917		5)	601141	692,7524
	6)	829533	178,0451428		6)	801859	712,626
	7)	1091115	188,6783129		7)	1011635	761,6319
	8)	1482340	188,4646262		8)	1512175	796,4955
	9)	2047794	188,5021946		9)	2154815	810,979
	10)	3100156	208,9258436		10)	3100156	853,0687

[MotorManiac 130]

Вроде все нормально выглядит, а у вас в эксперименте не получилось получить устойчивых вихрей ? или в симуляции?

[Another14 6]

8 минут назад, MotorManiac сказал:

Вроде все нормально выглядит, а у вас в эксперименте не получилось получить устойчивых вихрей ? или в симуляции?

Вот идеальная-устойчивая структура, моментами в SW или ANSYSe ловили такую, но, чтобы, на протяжении всей симуляции была такая, которая не ломается, еще не получали

При эксперименте получали визуализацию тоже, фото из видео прикладываю (тут круглые щели, не прямоугольные - но при прямоугольных такая же структура получается). При эксперименте вихри тоже зачастую ломаются, создать устойчивую структуру это следующий шаг. Сейчас нужно, чтобы сеточную зависимость поймать, чтобы можно было эксперимент и моделирование сопоставить:)

Изменено 5 ноября 2021 пользователем Another14

[piden 2 874]

8 minutes ago, Another14 said:

но, чтобы, на протяжении всей симуляции была такая, которая не ломается

А что значит "ломается"? У вас на видео абсолютно нормальный процесс показан. Все время будут флуктуации какие-то, но структура сохраняется.

 

Повторюсь: оставьте свои вихри в покое. У вас ГУ в модели не отражают положение дел в эксперименте.

Вы свою трубу Вентури в cfd пробовали сравнить по расходу-давлению с тем, что вручную насчитали?

 

[Another14 6]

18 минут назад, piden сказал:

А что значит "ломается"? У вас на видео абсолютно нормальный процесс показан. Все время будут флуктуации какие-то, но структура сохраняется.

 

Повторюсь: оставьте свои вихри в покое. У вас ГУ в модели не отражают положение дел в эксперименте.

Вы свою трубу Вентури в cfd пробовали сравнить по расходу-давлению с тем, что вручную насчитали?

 

Ломаются - это, когда нескольких вихрей вообще нет, например, 2 вихря объединяются в 1. (фото прикладываю, но это еще не самый плохой случай)

 

Сравнивали разницу давлений в трубе Вентури и в cfd - результаты сходились. 

 

Тут даже дело больше не в чистоте эксперимента, потому что его можно перепоставить более точно. А дело в моделировании. Нужно же сравнивать две величины - эксперимент и результаты cfd. А вот при cfd получается, что при варьировании ячеек значение тоже меняется. Нужно же поймать, чтобы значение хотя бы оставалось постоянном в каком-то маленьком диапазоне, а получается, что чем больше ячеек, тем больше значение потери давления. При чем потери давления при увеличении ячеек растут без остановки.

Изменено 5 ноября 2021 пользователем Another14

[piden 2 874]

 

11 minutes ago, Another14 said:

При чем потери давления при увеличении ячеек растут без остановки.

А какой у вас критерий остановки расчета в стационаре? Ждете, когда перепад и невязки на полку выйдут? Или просто 100 итераций задаете?

 

Вручную сетку было лень каждый раз создавать. Делал адаптацию готовой:

 

Spoiler

V inlet = 10 [m/s].

Pseudo transient, coupled.

dt =~ 1.7e-3 [s]

 

Общий вид геометрии.

 

Беру сектор в 45 deg, отображаю сетку на срединной плоскости (которая под 22.5 deg)

Mesh 1. Размер гексы ~1 mm

 

Mesh 2, + адаптация по градиенту давления

 

Mesh 3, + адаптация во внешнем цилиндре

 

Residuals

 

Pressure drop

 

 

Делаю для себя вывод, что сеточная сходимость получена.

[MotorManiac 130]

Вообще странно, вроде получились вихри враждебные :)

[a_schelyaev 370]

05.11.2021 в 18:44, Another14 сказал:

Ломаются - это, когда нескольких вихрей вообще нет, например, 2 вихря объединяются в 1. (фото прикладываю, но это еще не самый плохой случай)

 

Сравнивали разницу давлений в трубе Вентури и в cfd - результаты сходились. 

 

Тут даже дело больше не в чистоте эксперимента, потому что его можно перепоставить более точно. А дело в моделировании. Нужно же сравнивать две величины - эксперимент и результаты cfd. А вот при cfd получается, что при варьировании ячеек значение тоже меняется. Нужно же поймать, чтобы значение хотя бы оставалось постоянном в каком-то маленьком диапазоне, а получается, что чем больше ячеек, тем больше значение потери давления. При чем потери давления при увеличении ячеек растут без остановки.

 

Разрушение вихрей может зависеть от типа расчета. Например, если используется стационарный решатель с большим шагом по времени. Нужно раза в два его понизить и посмотреть что получается.

Касаемо сетки, то значимо влияет разрешение вихревой структуры за щелями, которая подпирает поток.

Я сперва адаптировал сетку в щели, потом адаптировал по скорости, задавая в диапазоне от 18 м/с  до максимума.

Адаптировать в зазоре глубоко смысла, судя по всему, нет, т.к. это только влияет на зону отрыва за острой кромкой, что приводит к колебаниям амплитуды расхода и перепада давления.

ИЗ оставшегося, что может повлиять на сходимость с экспериментом, я бы подумал над погрешностью эксперимента, в первую очередь, а также над замером давления после щелей, т.к. уж больно сильно влияет разрешение сетки в зоне вихрей на перепад давления.

Прикладываю свой результат.

Осцилляция величины есть, но не такая сильная, как в Ансисе. Скачет из-за щели и, как мне думается, в меньшей мере из-за прецессии и нутации вихревой структуры.

Выводил перепад давления и полного давления.

 

 

Изменено 6 ноября 2021 пользователем a_schelyaev

[Another14 6]

текст пропал, переотправлю

 

 

Изменено 6 ноября 2021 пользователем Another14

[Another14 6]

05.11.2021 в 20:05, piden сказал:

 

А какой у вас критерий остановки расчета в стационаре? Ждете, когда перепад и невязки на полку выйдут? Или просто 100 итераций задаете?

 

Критерий остановки в стационаре был выход на квазистационар перепада давления. До этого рассматривали сколько нужно итераций для выхода перепада давления на квазистационар при различной скорости, получилось вот так (см. рисунок), тут зависимость потери давления от количества итераций при различных скоростях (1,2,3 и др. - это различные скорости).

Однако, как отмечалось выше, потом обнаружилось, что с ростом количества ячеек увеличиваются потери давления. В частности, при 5 м/с при количестве ячеек 1-2кк потери давления равны 188 Па (выделил красным в таблице), вроде бы сеточная сходимость получена, но на 3кк снова произошел рост. При 10 м/с наблюдался постоянный рост потери давления (см. рисунок ниже).

У вас при 10 м/с сеточная сходимость при каком кол-ве ячеек вышла?

Сейчас попробую 1/8 модели замешить с различными сгущениями в сетке и прогнать при различном кол-ве ячеек. Возможно, грубая сетка в области щелей не позволяла этого добиться. 

 

Спасибо.

[piden 2 874]

12 minutes ago, Another14 said:

и прогнать при различном кол-ве ячеек.

Только просьба: погранслой сделайте.

 

12 minutes ago, Another14 said:

У вас при 10 м/с сеточная сходимость при каком кол-ве ячеек вышла?

Вопрос про количество элементов не имеет смысла. Ну, напишу я число - оно ведь никак не коррелирует с вашим подходом "замельчить весь доступный объем".

При адаптации линейный размер элемента каждый раз уменьшался в два раза, т.е. вместо одного элемента появлялось четыре. Было две адаптации. Но не во всем объеме, а там, где требовалось.

 

Завтра скину вам свою сетку.

Изменено 6 ноября 2021 пользователем piden

[an_rushin 128]

сделано с погранслоем. веселые картинки получились :)

 

https://www.mediafire.com/file/x2hr2r7x7zao4j8/geom_VOL.zip/file

 

 

 

 

 

Изменено 7 ноября 2021 пользователем an_rushin

[karachun 2 038]

@piden А вот интересно. Взял у себя в CFX посчитал без трения и подслоя (а то я уже подзабыл все CFDшные премудрости, сделал с подслоем и получил ресидуалс на уровне 1е-3). Значит посчитал три варианта тетрой и получил вот такие циферки.

Elements      dP, Па

1650953      298.09

5259305      306.31

17146544    313.56

Вроде близко но разница между результатами примерно одинакова, так что можно мельчить еще.

Это я считал одну четверть, надо еще выделить элементарную часть и посчитать подробно ее, уже с подслоем и трением.

Еще если кому интересно то эта же тема есть на соседнем форуме.

https://cae-club.ru/forum/setochnaya-shodimost-nezavisimost-pri-dvizhenii-gaza-v

[ak762 322]

On 11/7/2021 at 4:35 PM, karachun said:

Еще если кому интересно то эта же тема есть на соседнем форуме.

здесь интересней, там только поговорить, а здесь всё уже порешали в разных программах.

 

On 11/6/2021 at 9:28 AM, MotorManiac said:

вроде получились вихри враждебные :)

@MotorManiac у вас картинки на вид из СВ флоу, файлом не поделитесь чтобы с настройками исследования поучиться?

[MotorManiac 130]

@ak762  50х80.SLDPRT

[Another14 6]

Оплошность по эксперименту нашлась, в частности, метровую трубу после трубы Вентури ставили для стабилизации потока, а датчик для измерения давления не переставили, в итоге давление мерили практически сразу после трубы Вентури. В итоге, результаты были заниженные. 

Путем моделирования постарались оценочно посмотреть на какую величину dp занижена, в итоге +- с моделированием сошлось. 

В ближайшие дни выложу обновленные данные по эксперименту и по моделированию, что получилось при секторном расчете

[soklakov 1 485]

06.11.2021 в 23:20, a_schelyaev сказал:

Например, если используется стационарный решатель с большим шагом по времени.

а Вы точно продюсссер?

а он точно стационарный?