Вопрос по моделям турбулентности k-omega и k-epsilon

[Maks001 1]

Здравствуйте!

В туториале по Fluent глава 10.9 Grid Considerations for Turbulent Flow Simulations сказано, что при Y+<30 нужно для k-epsilon моделей включать опцию "Enhanced Wall Treatment" (y+=1 или в крайнем случае y+< 4 , 5), а для k-omega моделей (k-omega и k-omega SST) включать опцию "Low-Re Corrections" (y+ =1).

Вопрос:

1) Можно ли при включенных этих опциях для данных моделей турбулентности считать в диапазоне значений y+>30, т.е. там где действуют Standard Wall Functions?

2) И если не трудно подскажите, почему при y+<0.16 ( 0, 0.02, 0.06, 0.1 ) сходимость по переменной omega становится просто ужасной и как с этим бороться, так как с остальными переменными таких проблем не возникает?

Привел пример проблемной сходимости. Картинки идут в порядке y+ = 0.01, 0.02, 0.03, 0.05, 0.06, 0.016 .

Значения же рассчитанные k-omega SST моделью в диапазоне y+ от 0.16 до 3 приблизительно совпадают (отличие на проценты).

Заранее спасибо за помощь.

С уважением,

Максим.

Изменено 6 апреля 2011 пользователем Maks001

[Yuri69 1]

Мнения специалистов разделились =))

<noindex>http://fsapr2000.ru/index.php?showtopic=40605</noindex>

[a_schelyaev 366]

Для переходных Y+ никто не знает что брать. Или сетку вылизывать под Y+ или ... одно из двух.

Умные люди утверждают, что и k-E (разные модификации) и k-w умеют и отрыв ловить и переход.

Но вот модель SST, которая является математическим подгоном, переход ловить перестала. И пришлось специально городить модель перехода.

Отрыв же завязан на точное определение градиентов давления. Мельчите сетку и да обрящите.

[Maks001 1]

]Здравствуйте!

Помогите пожалуйста решить следующую проблему:

Решаю задачу по обтеканию сборок твэлов при числах Re=10^3, 3*10^4, 10^5, 3*10^5, 10^6 - вообщем в широком диапазоне затрагивающем как низкорейнольдсовые модели ( k-epsilon с опцией "Enhanced Wall Treatment" - Re=10^3, 3*10^4, 10^5), так и высокорейнольдслвые модели ( k-epsilon Standard Wall Functions - Re=10^5, 3*10^5, 10^6).

Было проведено много расчетов в поисках сеточной сходимости и точного результата.

В качестве критериев качества расчета был выбран нулевой дисбаланс масс, т.е. число итераций варьировалось от 4000-10000 (в зависимости от размера эл-та сетки) и абсолютная точность по всем величинам = 10^-10 .

Сеточная сходимость проверялась простым измельчением сетки с размером элемента от 0,5 мм до 0,03 мм (мельче неструктурированную гексаэдральную сетку построить не получилось), далее для сетки с размером элемента 0,05 мм и 0,03 мм был добавлен погран слой с размером первого эл-та от 0,01 мм до 0,0005 мм.

В результате множества расчетов была составлена таблица результатов расчета перепада давления, параметра y+ и дисбаланса массы, а так же построены графики зависимости перепада давления от размера элемента (face sizing) и параметра y+.

В результате данных расчетов было замечено:

1) опция "Enhanced Wall Treatment" вносит коррекцию только до y+<30 (как и должна);

2) результаты при расчета при y+=30-60 (или около того) отличаются от y+<=1-5 ;

3) явную сеточную сходимость обнаружить не удалось - подскажите в чем ошибка и что не так?

чем мельче делаю сетку - тем меньше становится результат - изменения небольшие, но тот факт что результат меняется несколько озадачивает.

В приложении есть Exel файл с результатами всех расчетов, а также графики перепада давления от Y+ и размера эл-та привел.

<noindex>cycle8_8_3_ke.xlsx</noindex>

Номер deltaP 1, 2, 3, 4, 5 - зависит от числа Re - Re=10^3, 3*10^4, 10^5, 3*10^5, 10^6.

На графиках где P зависит от размера эл-та - погран слоя нет, а где зависит от y+ - есть соответственно (из-за него y+ сильно меняется).

Уже и не знаю как быть, т.к. требуют точного результата, а сетку мельче уже сделать нельзя - сетку строил в ansys mesh (в Workbench).

Я просто не спец в этих расчетах и с такой проблемой сталкиваюсь впервые - поэтому и прошу помощи.

Заранее спасибо за помощь.

С уважением,

Максим.

Изменено 11 апреля 2011 пользователем Maks001

[Maks001 1]

Таблица с результатами расчета.

Графики перепада давления от размера эл-та.

графики перепада давления от Y+.

Правда надо отметить я использовал стационарный решатель Simple и для всех величин были выбрана стандартные параметры дискретизации (1 порядок upwind).

Относительно результатов можно правда сказать что при y+=1 и y+=30-60 приблизительно правильный результат.

Хотя еще можно заметить, что чем больше число Re (Re=10^5, 3*10^5, 10^6), тем лучше совпадение результатов полученных низкорейнольдсовой моделью ( k-epsilon с опцией "Enhanced Wall Treatment" ) и высокорейнольдслвой моделью ( k-epsilon Standard Wall Functions ). Особенно это заметно для Re= 3*10^5, 10^6.

Вывод: построенная сетка с размером эл-та 0,05 + для различных чисел Re разный размер 1-го эл-та пограничного слоя (чтоб y+ получался около 1).

Изменено 11 апреля 2011 пользователем Maks001

[Yuri69 1]

1) Считаете в стационарной формулировке? Не факт, что расчет потока возле группы плохообтекаемых тел на достаточно густой сетке может дать (квази)установившееся решение.

2) Как сгущали сетку:

- в следе?

- возле тел?

- и там и там?

- c сохранением полной толщины delta_h сеточного погранслоя (тот, что генерируется у стенки с коэффициентом роста, каким? одним и теме же?)? была ли delta_h<delta (толщины динамического ПС)?

- с сохранением максимального соотношения сторон элементов сетки (max aspect ratio=AR_max) или без? И кстати, чему AR_max равно в разных вариантах?

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Yuri69

[Maks001 1]

1) Считаете в стационарной формулировке? Не факт, что расчет потока возле группы плохообтекаемых тел на достаточно густой сетке можно дать (квази)установившееся решение.

Да, в стационарной.

2) Трудно судить заочно, без вида геометрии и расчетной сетки.

Скажем , непонятно как сгущали последнюю:

-в следе?

-или только возле тела?

Сетку сгущал только возле поверхности тела (погран слой).

Картинки геометрии добавил, если надо могу файлы выложить, только скажите в каком формате.

Картинки разных видов сетки добавил (без и с различными погран слоями).

-c сохранением полной толщины сеточного погранслоя (тот, что генерируется у стенки с коэффициентом роста, каким? одним и теме же?)?

Сетку, поначалу сгущал, до тех пор пока мельче построить не мог ( 0,03 размер элемента - предел). Далее для размера эл-та 0,05 сделал несколько различных погран слоев, отличающихся размером первого эл-та. Т.е. задавал размер первого эл-та, а дальше из него получался погран слой с aspect ratio у соседних эл-тов равным 1,2 (коэффициент роста) .

Коэффициент роста везде одинаковый, а размер 1-го эл-та разный.

-с сохранением максимального соотношения сторон элементов сетки (max aspect ratio=AR_max) на поверхности тела или без? И кстати чему AR_max равно в разных вариантах?

Картинку геометрии и сетки скоро выложу.

Если надо еще картинок выложу, скажите только каких.

А вообще порядок точности лучше 2-ой использовать (или 3-ий?) для получения точного результата, первого не достаточно?

Спасибо за помощь!

С уважением,

Максим.

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Maks001

[Yuri69 1]

Ну раз

"... Коэффициент роста везде одинаковый, а размер 1-го эл-та разный.",

то у вас каждый раз толщина сеточного ПС была разной, что не есть гуд, по-моему, ибо нет подобия сеток...

Причем при самом малом пристенном шаге h1 толщина delta_h могла быть слишком малой!

PS Геометрию и сетку нашел в одной из соседних веток.

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Yuri69

[Maks001 1]

Ну раз

"... Коэффициент роста везде одинаковый, а размер 1-го эл-та разный.",

то у вас каждый раз толщина сеточного ПС была разной, что не есть гуд, по-моему, ибо подобия сеток нету...

Т.е. надо было фиксировать толщину погран слоя и менять число эл-тов в погран слое.

Я правильно понял?

Но вопрос какого размера брать толщину погран слоя?

Просто по размеру первого эл-та легко оценить y+, поэтому я и выбрал этот метод или не стоило?

Ведь зная размер 1-го эл-та мы знаем y+, а зная толщину погран слоя и число эл-тов в погран слое нет. или я не прав?

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Maks001

[Yuri69 1]

1. Оцениваете максимальную толщину delta динамического ПС, который будет нарастать на передней части каждого цилиндра. Для этого можно использовать зависимость для плоской пластины с длиной, равной pi*d/4 (d-диаметр цилиндра, 1/4 из-за отрыва потока за миделевым сечением).

2. При уменьшении пристенного шага h1 (однозначно связанного с y+) стремитесь к тому, чтобы сеточный ПС вмещал в себя динамический, delta_h=h1*(k**n-1)/(k-1) >delta (k-коэффициент роста), причем число ячеек должно быть n>10-15.

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Yuri69

[Maks001 1]

PS Геометрию и сетку нашел в одной из соседних веток.

В соседней ветке другая задача. Хотя смысл тот же, но эта меньше. Так как с той сеточную сходимость получить моего компа не хватит.

Просто обтекание 5 твэлов (коридорного расположения, как в вершинах квадрата).

Тут пытался посчитать задачу k-epsilon моделью, в высоко и низко рейнольдсовом варианте, получить сеточную сходимость (чтоб при измельчении результат не менялся) и сравнить результаты.

Просто невезение какое-то, хотя все делаю, вроде правильно.

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Maks001

[Yuri69 1]

С другой стороны, цилиндры, расположенные во втором и последующих рядах в попадают вихревой вслед с сугубо нестационарными параметрами, а будет ли для них разрешение ПС критичным, не очевидно.

[Maks001 1]

1. Оцениваете максимальную толщину delta динамического ПС, который будет нарастать на передней части каждого цилиндра. Для этого можно использовать зависимость для плоской пластины с длиной, равной pi*d/4 (d-диаметр цилиндра, 1/4 из-за отрыва потока за миделевым сечением).

Т.е. как я понял из этого:

Нужно оценить толщину погран слоя и либо ее задать такой, либо большей, либо подобрать размер 1-го эл-та такой, чтоб ее обеспечивать.

delta=3,14 * 10* мм / 4 = 7,85 *мм - я б сказал, что это слишком много, может формула другая?

Размер геометрии: диаметр твэла (циллиндра)=10мм, сторона квадрата (или расстояние между твэлами) = 12,7 мм.

Могу картинки скорости выложить или кинетической эн-и турбулентности.

Я просто правильность результатов (сеточную сходимость) оценивал по перепаду давления.

Кстати сделал 2 расчета 2-ым порядком точности - результаты от первого отличаются:

163963,42 против 187567,59 (для Re=1,E+05);

1490008,3 против 1743495,1 (для Re=3,E+05);

Значения сравнивал при y+=1, на одинаковой сетке, просто досчитал задачу 2 порядком точности. И там и там наблюдалась сходимость.

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Maks001

[Maks001 1]

Посчитал коэф. гидравлического сопротивления - для ke standart модели он мягко говоря получился ужасным ( с ростом числа Re - растет). Для k-omega SST модели все хорошо даже на плохой сетке без погран слоя. Картинки привел.

Неужели данную задачу нельзя посчитать с помощью k-epsilon модели?

Подскажите пожалуйста в чем может быть ошибка.

С уважением,

Максим.

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Maks001

[Maks001 1]

Скажите пожалуйста как добавить такие граничные условия:

1) вода втекает с температурой T3=20 градусов (легко сделать);

2) снизу (между твэлами (циллиндрами)) есть вода с температурой T1=20 градусов (не понятно как сделатьсделать, одно дело стенка, а тут жидкость)?

3) тоже самое только сверху (между твэлами (циллиндрами)) есть вода с температурой T1=25 градусов (не понятно как сделатьсделать, одно дело стенка, а тут жидкость)?

С уважением,

Максим.

[Yuri69 1]

Для оценки толщины пограничного слоя:

положим L=pi*d/4, тогда

при ReL=niu*L/V <200000

ПС ламинарный и его толщина в сечении s=L равна delta=5*L/Re**0.5,

при ReL>200000

ПС турбулентный и delta=0.37*L/ReL**0.2.

Здесь niu - кинематическая вязкость жидкости, V - скорость набегающего потока.

*****

Ну и для полноты - рекомендуемая руководством зависимость h1 от y+ (при турбулентном ПС на пластине):

h1/L=sqrt(74)*y+*ReL**(-13/14).

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Yuri69

[Maks001 1]

Для оценки толщины пограничного слоя:

пусть L=pi*d/4,

тогда

при ReL=niu*L/ <200000

ПС ламинарный и его толщина в сечении s=L равна delta=5*L/Re**0.5,

при ReL>200000

ПС турбулентный и delta=0.37*L/ReL**0.2.

Спасибо большое, теперь хоть толщину понял как считать.

А число слоев какое брать. Мне вообщем-то все равно главное, чтоб результат максимально точный был. Или под y+=1 или y+<1 подгонять?

А дальше брать k-epsilon Enchanced wall treatment или k-omega SST Low Re и считать. Или лучше вместо k-epsilon взять rek-epsilon?

С уважением,

Максим.

*****

Ну и для полноты - рекомендуемая руководством зависимость h1 от y+:

h1/L=sqrt(74)*y+*ReL**(-13/14).

0) Две звездочки это просто умножение (так на всякий случай) - ** ?

1) h1 - толщина погран слоя? или это толщина 1-го эл-та?

2) y - это y+?

3) L - это L=pi*d/4 ?

4) ReL - это число Рейнольдса или ReL=niu*L/V ( niu - кинематическая вязкость жидкости, V - скорость набегающего потока ).

Т.е. вычислить толщину погран слоя для числа y+=1 можно, а количество погран слоев какое брать?

А то так хотелось бы заранее вычислять толщину погран слоя и кол-во эл-тов в нем необходимых для данной задачи и y+=1 или <1. Если это можно сделать это просто прекрасно!

5) И вопрос по поводу толщины в центре расчетной сетки ( за пределами погран слоя), на сколько сильно там должен отличаться размер эл-та ( в 10, 20 раз? ).

Просто мельче чем 0.03 мм построить не могу - вот и спрашиваю. Да и считает на 0,03 мм гораздо дольше, чем на 0,05 .

К сожалению нас еще в институте учиться заставляют (на 5-ом курсе), вечером после 20:00 тут точно буду.

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Maks001

[Yuri69 1]

Что касается гидравлического сопротивления пучка труб, то желательно сравнение с эмпирическими данными (Идельчик, Кутателадзе и т.д.)...

Я бы начал с чего-нибудь такого

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Yuri69

[a_schelyaev 366]

Посчитал коэф. гидравлического сопротивления - для ke standart модели он мягко говоря получился ужасным ( с ростом числа Re - растет). Для k-omega SST модели все хорошо даже на плохой сетке без погран слоя.

На грубой сетке (см.документацию) в SST работает ветка k-E.

Почему получается расхождение - вопрос открытый.

[Yuri69 1]

0) ** - это возведение в степень

1) h1 - толщина первой ячейки сетки

2) y+ - это именно y+! (т.е. знака сложение нет)

3) предлагаю оценить длину участка с присоединенным ПС как L=pi*d/4

4) ReL=niu*L/V - это число Рейнольдса, построенное по размеру L

Не путайте, пограничный слой (ПС) физический один! Вы его "разрешаете" с помощью сеточного ПС с числом ячеек n. Рекомендации - см. выше.

Не мешало бы вам ознакомиться с курсом гидродинамики для технических вузов, где есть "на пальцах" про гидравлические сопротивления и ПС.

5) По личному опыту размер ячейки в следе - не более d/10.

Изменено 12 апреля 2011 пользователем Yuri69