Течение в трубе - CFX

[_padla_ 0]

Решал в CFX следующую задачу:

круглая труба с меняющимся во времени по синусоиде расходом. Задача пока изотермическая.

По результатам экспериментальных данных коэффициент гидравлического сопротивления кси (который из закона Дарси-Вейсбаха) должен ближе к середине процесса отличаться от расчитанного по формуле Блаузиуса (const/Re^0.25) примерно вдвое.

На деле же получаем следующий график для кси по времени (коэффициент, расчитанный по Блаузиусу обозначен через кси0:

Синия линия - это соотношение кси/кси0 при кси, расчитанном по градиенту давления.

Красная - кси считался по касательным напряжениям на стенке:

кси=8*TAUw/(ro*u^2)

Так вот, как видно из графика, красная линия колеблется около единицы.

Вопрос - почему?

Ведь по градиенту давления получается вполне нормальная кривая, согласующаяся с экспериментом, а напряжения на стенке и градиент давления связаны вполне однозначной зависимостью.

Данные о расчёте:

Сетка с Yplus<2 (около пристеночного слоя - 30 узлов)

Модель турбулентности - Shear Stress Transport.

Изменено 29 августа 2008 пользователем _padla_

[chupal 0]

... напряжения на стенке и градиент давления связаны вполне однозначной зависимостью.

Не забудьте про производную по времени: жидкость же ускоряется-замедляется, на это идет часть градиента давления, так что связь не такая уж и однозначная.

[_padla_ 0]

Не забудьте про производную по времени: жидкость же ускоряется-замедляется, на это идет часть градиента давления, так что связь не такая уж и однозначная.

Про производную по времени я помню. я её даже учёл при расчёте кси по градиенту давления.

но ведь формулы, где кси определяется через напряжения на стенке, по-моему, никто не отменял даже в случае ускорения потока. Ведь напряжения то тоже зависят от ускорения/замедления.

Опять же в экспериментах кси определялся именно через напряжения. Если бы кси определялся по градиенту, то я бы не стал особо беспокоиться.

А тут получается, что эффект скачка сопротивления на уровне, если так можно выразиться, "интегральных" параметров мы получаем, а на уровне турбулентной структуры всё идёт практически плавненько, с отклонением максимум в 10% от квазистационарных зависимостей.

Мне думается, то ли расчёт всё-таки плохой и я выставляю не те параметры, то ли хрен его знает...

[chupal 0]

Про производную по времени я помню. я её даже учёл при расчёте кси по градиенту давления.

но ведь формулы, где кси определяется через напряжения на стенке, по-моему, никто не отменял даже в случае ускорения потока. Ведь напряжения то тоже зависят от ускорения/замедления.

Опять же в экспериментах кси определялся именно через напряжения. Если бы кси определялся по градиенту, то я бы не стал особо беспокоиться.

А тут получается, что эффект скачка сопротивления на уровне, если так можно выразиться, "интегральных" параметров мы получаем, а на уровне турбулентной структуры всё идёт практически плавненько, с отклонением максимум в 10% от квазистационарных зависимостей.

Мне думается, то ли расчёт всё-таки плохой и я выставляю не те параметры, то ли хрен его знает...

А у Вас труба достаточно длинная, чтобы в ней успел сформироваться независящий от продольной координаты (но зависящий от времени) профиль скорости? Ведь дело в том, что закон сохранения импульса в интегральной форме должен выполняться. Если профиль скорости не будет зависеть от продольной координаты, то интегральный закон сохранения импульса будет содержать только три члена: один зависит от градиента давления, другой от производной расхода по времени, а третий от силы трения со стенкой. Зная градиент давления и производную расхода, можно найти силу трения. И она должна совпадать с силой трения, "измеренной" на стенке в Вашем расчете. Даже если сама сила трения не совпадает с экспериментом, оба пути, через градиент давления и производную, и через трение должны давать один и тот же результат. В противном случае, либо у Вас не успел сформироваться автомодельный по x профиль скорости, либо нет сходимости решения на каждой итерации по времени, либо Вы просто ошиблись при пересчете силы трения через производную и градиент.

[_padla_ 0]

А у Вас труба достаточно длинная, чтобы в ней успел сформироваться независящий от продольной координаты (но зависящий от времени) профиль скорости?

Я взял 50 калибров, на таком расстоянии по идее профиль скорости должен был сформироваться. (В классике по-моему около 20 калибров - длина начального участка для турбулентного течения).

либо нет сходимости решения на каждой итерации по времени

а как это понять? я выставлял максимально 20 итераций на каждый шаг (при стандартных десяти).

Первый временной шаг она у меня считает итераций по 15-17, последующие - вообще по 1-2.

Критерием сходимости выбрано RMS<1e-4

Но, насколько я понял, она этим критерием пользуется только для уравнений движения и неразрывности. Невязки же по уравнениям модели турбулентности на некоторых временных участках достигают порядка 1e-2, а в основном колеблются в районе 1e-3...5e-3 (это нормально вообще?)

И, насколько я знаю, в CFX условие сходимости на эти уравнения выставить нельзя. Или можно?

Или, может быть, у меня что-то не так с самой постановкой задачи?

Я выставляю на входе в трубу расход, как функцию от времени, а на выходе из трубы - атмосферное давление.

Модели турбулентности пробовал различнейшие (кроме LES и DES).

[chupal 0]

Я взял 50 калибров, на таком расстоянии по идее профиль скорости должен был сформироваться. (В классике по-моему около 20 калибров - длина начального участка для турбулентного течения).

Все-таки лучше проверить это на полученном решении. Профиль скорости и трение на стенке не должны зависеть от продольной координты.

а как это понять? я выставлял максимально 20 итераций на каждый шаг (при стандартных десяти).

Первый временной шаг она у меня считает итераций по 15-17, последующие - вообще по 1-2.

Критерием сходимости выбрано RMS<1e-4

Но, насколько я понял, она этим критерием пользуется только для уравнений движения и неразрывности. Невязки же по уравнениям модели турбулентности на некоторых временных участках достигают порядка 1e-2, а в основном колеблются в районе 1e-3...5e-3 (это нормально вообще?)

И, насколько я знаю, в CFX условие сходимости на эти уравнения выставить нельзя. Или можно?

К сожалению по настройкам CFX ничего подсказать не могу, поскольку не работал с этой программой.

Или, может быть, у меня что-то не так с самой постановкой задачи?

Я выставляю на входе в трубу расход, как функцию от времени, а на выходе из трубы - атмосферное давление.

Модели турбулентности пробовал различнейшие (кроме LES и DES).

С постановкой, на первый взгляд, вроде все нормально. Модель турбулентности используйте ke или SST, для начала неважно какую из них, поскольку необходимо убедится, что решение сходится и законы сохранения выполняются. После этого можно выбрать уже ту, которая дает лучшие в сравнении с экспериментом результаты расчета.

[_padla_ 0]

Все-таки лучше проверить это на полученном решении. Профиль скорости и трение на стенке не должны зависеть от продольной координты.

Спасибо! Действительно оказалось, что зона стабилизированного течения смещается со временем вниз по каналу. Уже что-то более или менее начинает становиться яснее. Хотя, закон сохранения импульса всё равно не сошёлся - даже с учётом новых включенных в выражение членов (может - я как-то неправильно их туда включил)...

И ещё вопросик, можно?

Подскажите пожалуйста, а насколько существенно может для осесимметричного течения влиять тот факт, что я беру не всю рассчётную область, а только маленький сектор в 10 градусов с условиями симметрии на секущих плоскостях (см ниже)??

Заранее спасибо.

[dmiantosha 11]

Если у Вас и впрямь осисимметричное течение, то никак не повлияет. Может быть только стоило взять не 3 слоя, а чуть больше, может 5.

[Lynx 1]

Если у Вас и впрямь осисимметричное течение, то никак не повлияет. Может быть только стоило взять не 3 слоя, а чуть больше, может 5.

Если течение и впрямь осесимметричное, то хватило бы и одного слоя

[dmiantosha 11]

При большом количестве слоев сходимость лучше.

[_padla_ 0]

Если у Вас и впрямь осисимметричное течение, то никак не повлияет. Может быть только стоило взять не 3 слоя, а чуть больше, может 5.

Спасибо за ответ.

Именно что со сходимостью на этой конкретной сетке как раз всё нормально получалось. Правда, результаты какие-то не совсем понятные (я ещё считал на сетке более грубой в радиальном направлении, которая представляла сектор в 90 градусов - там как-то оно пофизичнее получалось...). А если сделать не 2 слоя, а 5, то и узлов получится в 2.5 раза больше - т.е. уже почти под миллион ячеек...

И ещё вопрос, как раз насчёт сходимости - а это нормально, что при нормальной сходимости уравнений RANS (момента и неразрывности), уравнения модели турбулентности подчас имеют невязки порядка 1e-2?? И, может быть, как-то всё таки можно поставить в CFX какое-то условие на уравнения турбулентности по сходимости. А то при нестационарном расчёте ведь система добивается только сходимости основных уравнений, а у уравнений турбулентности могут быть любые невязки...

Изменено 1 сентября 2008 пользователем _padla_

[Dick 0]

При осесимметричных задачах надо задавать периодическое ГУ, а не симметрию. И вполне достаточно "поворота" на 1 слой ячеек.

[_padla_ 0]

При осесимметричных задачах надо задавать периодическое ГУ, а не симметрию. И вполне достаточно "поворота" на 1 слой ячеек.

Большое спасибо!

А я до этого и не знал, что там такое возможно... =(

Надо всё-таки внимательнее позаниматься по предложенным в хелпе туториалам...

[Dick 0]

Касательно "поворотов" еще могу добавить, что надо быть очень внимательным при построении сетки:

Если сетка делается в ICEM c помощью функции Edit Mesh -> Extrude Mesh, то обязательно надо ставить галку в поле Merge degenerated elements. Иначе по оси получатся сплющенные ячейки. Решатель их проглотит, но будет косячить. Затем надо будет сделать проверку Check Mesh -> Uncovered faces и проверить все ли элементы на плоскостях сектора присвоены своим Part`ам.

Если сетка в ICEM блочная и делается с помощью 2D to 3D - надо проверить получились ли вдоль домена оси призмы, а не сплющенные гексы и нормальный ли у них determinant (больше нуля).

ЗЫ. Бывают задачи, которые не любят такие домены-сектора и очень капризны к осевому слою ячеек.

[_padla_ 0]

Попробовал я вчера эти Rotational Periodics - ничего не получилось

Я выставлял секущие плоскости, как стороны этого интерфейса, выставлял ось X (ось симметрии) в качестве основной.

Если ставить 1:1, то CFX при записи def-файла, она пишет, что сетки на гранях не подходят друг другу.

Если поставить Automatic или GGI - то, во-первых, решатель запрашивает под себя на порядок больше памяти (но это не главное), а во-вторых, решатель очень долго думает, после чего вылетает со следующей ошибкой:

+--------------------------------------------------------------------+

| ERROR #001100279 has occurred in subroutine ErrAction.

| Message:

| Both sides of GGI rotationally periodic boundary condition "AxisS-

| ym" have the same axial or radial position. Possible solutions in-

| clude: (a) check that the condition is specified properly; (b) ch-

| eck that the rotation axis for the periodic condition is set prop-

| erly; © decrease the value of the expert parameter "ggi periodi-

| c axial radial tolerance" (default value is 0.01).

И причём, я пробовал это на нескольких сетках - всё равно одно и то же.

А если я выставляю Expert Parameter "ggi periodic axial radial tolerance", скажем, на 1e-3, то выдаётся следующая ошибка

ERROR #555000002 has occurred in subroutine CS_COMPUTE. |

| Message:

|

| GGI intersection error. The sliding interface surface intersection |

| list ran out of integer memory while intersecting domain interface:|

|

| AxisSym

|

| Please increase the integer memory allocated on the advanced solver|

| control tab in the Solver Manager.

Наверное, я что-то не так делаю =(

Касательно "поворотов" еще могу добавить, что надо быть очень внимательным при построении сетки:

Если сетка делается в ICEM c помощью функции Edit Mesh -> Extrude Mesh, то обязательно надо ставить галку в поле Merge degenerated elements. Иначе по оси получатся сплющенные ячейки. Решатель их проглотит, но будет косячить.

Вот насчёт этой галки не помню. Спасибо, учту.

Затем надо будет сделать проверку Check Mesh -> Uncovered faces и проверить все ли элементы на плоскостях сектора присвоены своим Part`ам.

Если сетка в ICEM блочная и делается с помощью 2D to 3D - надо проверить получились ли вдоль домена оси призмы, а не сплющенные гексы и нормальный ли у них determinant (больше нуля).

Детерминант у меня получался меньше нуля один раз, но я сказал исправить и всё стало нормально.

И опять таки проблема в том, что я пробовал это всё и на сетке, построенной не с помощью "поворота" из 2D в 3D, а сделанную сразу с помощью с последующим O-Grid'ом

Я подозревал, что это как раз всё из-за сетки. Но т.к. ошибки получились на двух разных сетках, то я в некотором замещательстве

[Dick 0]

Надо переделать сетку.

Сетку домена-сектора можно сделать еще одним способом (он менее глючный к осевым ячейкам):

Сделать обычный 3D блок и бить сетку как обычную плоскую задачу. А потом сделать Collapse Block со стороны осевой линии и переассоциировать узлы - по оси получатся гарантированые призмы, детерминанты будут нормальными.

[_padla_ 0]

Надо переделать сетку.

Сетку домена-сектора можно сделать еще одним способом (он менее глючный к осевым ячейкам):

Сделать обычный 3D блок и бить сетку как обычную плоскую задачу. А потом сделать Collapse Block со стороны осевой линии и переассоциировать узлы - по оси получатся гарантированые призмы, детерминанты будут нормальными.

спасибо. получилось.

я там кстати нашёл специальную кнопочку в ICEM CFD. В Global Mesh Parameters последняя вкладка как раз создана для приведения сетки в нормальное состояние для задания последующих периодических ГУ.

правда вот который раз я строю сетку "поворотом" и каждый раз сначала получается, что все блоки с отрицательным детерминантом в районе -0,99...-1

Когда говоришь "Исправить", все становится нормально, но появляются где-то 2% блоков качества 0,5...0,6

[Dick 0]

ИМХО если отрицательный детерминант, то лучше не исправлять, а переделывать заново.

В случае с "поворотом" надо не забывать ставить галку merge. Если блочный "поворот" косячит - можно сделать плоский блок (2D Planar), потом готовую плоскую сетку "повернуть" через Extrude Mesh