Deksel Aangedreven Holtestroom - Femto Engineering - Femto Engineering

Deksel Aangedreven Holtestroom

In deze aflevering van het valideren van de Fundamenten zullen we kijken naar stromingen in een dekselgestuurde holte met behulp van het Simcenter Star-CCM+. Het doel is om de resultaten te valideren met de experimentele data. Uit deze gegevens is gebleken dat de dekselgestuurde holtestroming bestaat uit een 2D-vierkant van 1 meter bij 1 meter. De bovengrens krijgt een snelheid van 1 meter per seconde in de positieve x-richting. Om de resultaten van de dekselgestuurde holtestroming te valideren, wordt het artikel van Ghia et al. [1] als referentie gebruikt.

Geometrie en Mesh

Het domein bestaat uit een vierkant van 1m bij 1m, waarvan de bovenste “deksel” een tangentiële snelheid van 1m/s heeft in de x-richting. De simulatie wordt uitgevoerd voor verschillende Reynolds-getallen, variërend van 100 tot 10000. Omdat de Reynolds-getallen in de simulatie variëren van laminaire tot turbulente stroming, worden prismalagen toegevoegd om de y+ waarde onder 1 te houden voor alle simulaties. Het mesh wordt niet gewijzigd tussen de simulaties.

Er wordt gebruik gemaakt van een mesh-celgrootte van 1/256m. Dit resulteert in een totaal aantal cellen van 90.000 voor de simulaties.

Figuur 1: Mesh

Opstelling

Hier wordt een stabiele 2-dimensionale simulatie uitgevoerd. Een set simulaties wordt uitgevoerd met behulp van een laminaire instelling, terwijl twee andere simulaties worden uitgevoerd met respectievelijk het Spalart-Allmaras RANS-model en het realiseerbare k-ε-tweelaags RANS-model.

Er wordt een gas met een constante dichtheid van 1 kg/m³ gebruikt. Aangezien alle andere eigenschappen constant zijn, is de enige vrije parameter om het Reynolds-getal in te stellen de dynamische viscositeit, μ, die daarom wordt gedefinieerd als μ=1/Re.

Resultaten

Voor de vergelijking van de resultaten worden de simulaties vergeleken met de experimenten. In de experimenten zijn metingen van de snelheid genomen op de horizontale en verticale middenvlakken, en de wervelsterkte is gemeten op het bewegende bovenvlak.

Om de resultaten te vergelijken, zijn de r-kwadraatfit, Tabel 1, de maximale percentuele fout, Tabel 2, en de maximale absolute fout, Tabel 3, bepaald voor elk van de Reynolds-getallen en turbulentiemodellen. Bovendien tonen de figuren de vergelijking tussen de simulatie- en experimentele resultaten. Figuur 1 toont de u-snelheid, Figuur 2 toont de v-snelheid en Figuur 3 toont de wervelsterkte. Figuur 4 tot en met Figuur 9 tonen de wervellijnen binnen de holte voor zowel de metingen als de simulatie.

De resultaten laten een goede overeenkomst zien voor alle simulaties tot een Reynolds-getal van ten minste 1000. Boven dit getal maakt de stroming de overgang van een laminaire naar een turbulente regime, wat de overeenkomst vermindert vanwege 3D-effecten die niet worden meegenomen in een 2D-simulatie. Over het algemeen geldt: hoe hoger het Reynolds-getal, hoe groter het verschil tussen de experimentele resultaten en de simulatieresultaten.

Voor de u-snelheid langs de verticale middenlijn van de holte, de v-snelheid langs de horizontale middenlijn en de wervelsterkte blijkt het Spalart-Allmaras-turbulentiemodel een goede overeenkomst te hebben tot het hoogste Reynolds-getal, met een fout van respectievelijk 12,3%, 12,1% en 8,3% bij Re=10.000.

Over het algemeen presteert het k-ε-tweelaags model het slechtst, met een fout van 51,9%, 50,4% en 18,7% voor de u-snelheid, v-snelheid en wervelsterkte bij Re = 10.000.

Conclusie

Conclusie: Simcenter Star-CCM+ biedt een goede vergelijking tussen de experimentele resultaten van de dekselgestuurde holtestroming en de simulatieresultaten. Het Spalart-Allmaras-model geeft de beste resultaten in vergelijking met de experimentele resultaten, terwijl het realiseerbare k-ε-tweelaags model de slechtste resultaten laat zien.

 

Bibliografie

[1] U. Ghia, K. N. Ghia and C. T. Shin, “High-Re Solutions for Incompressible Flow Using the Navier-Stokes Equations and a Multigrid Method,” Journal of Computational Phyiscs, vol. 48, pp. 387-411, 1982.

 

Tabel 1: r-kwadraat fit tussen experimentele en simulatieresultaten

Tabel 2: maximale procentuele fout tussen de experimentele en simulatieresultaten

Tabel 3: maximaal verschil tussen de experimentele en simulatieresultaten

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur 1: u-snelheid over de verticale middellijn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur 2: v-snelheid over de horizontale middellijn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur 3: Vorticiteit over het bewegende deksel

Figuur 4: Vorticiteit in de holte bij Re = 100

Figuur 5: Vorticiteit in de holte bij Re = 400

Figuur 6: Vorticiteit in de holte bij Re = 1000

Figuur 7: Vorticiteit in de holte bij Re = 3200

Figuur 8: Vorticiteit in de holte bij Re = 3200

Figuur 9: Vorticiteit in de holte bij Re = 10000

maart 16, 2024
Hoe kunnen wij u helpen?

Heeft u vragen of interesse in één van onze diensten? Neem dan vrijblijvend contact met ons op. Wij helpen u graag.

over ons

Bij Femto Engineering helpen we bedrijven hun innovatieve ambities te bereiken met specialistische engineering consultancy, software en R&D.
Wij zijn Siemens DISW Expert Partner voor Simcenter Femap, Simcenter 3D, Simcenter Amesim, Simcenter STAR-CCM+ en SDC Verifier. Neem contact met ons op en laat FEM en CFD voor u werken.

Privacy policy

×

Loop voorop in FEA & CFD

Schrijf je nu in voor onze nieuwsbrief en ontvang maandelijks FEA kennis, nieuws en tips gratis in je inbox.