Onlangs onderzochten we een alledaagse stroom die typisch is voor het koude winterweer, een kaars op een tafel. Hoewel de kaars makkelijk aan te steken is en een mooie sfeer in de kamer geeft, is de fysica achter een kaars complex, meer dan je in eerste instantie zou vermoeden.
Om elk onderdeel van een brandende kaars te beschrijven zou kennis nodig zijn van het smelten van was en het transport van die was door de lont, alvorens een complexe chemische reactie aan te gaan waarbij de was reageert met zuurstof, wat resulteert in een vlam, CO2 en H20 (en wat roet).
Deze simulatie toont de convectie van warmte van een kaars. De vlam is gemodelleerd als een volumetrische warmtebron, die voldoende energie levert om de maximumtemperatuur in de vlam op te voeren tot ongeveer 1400 graden. Hiervoor hebben we de vlam boven de pit gemodelleerd als een warmtebron die 11 miljoen Watt/m^3 afgeeft. Dit resulteerde in een maximumtemperatuur die in overeenstemming is met een echte kaars.
De warmte van de kaars zorgt ervoor dat de lucht opwarmt en stijgt, in een proces dat convectie wordt genoemd. Er zijn verschillende vormen van convectie, namelijk vrije en gedwongen convectie. In dit geval hebben we te maken met vrije convectie, met alleen het dichtheidsverschil veroorzaakt door de temperatuur als drijvende kracht.
Vrije convectie is altijd een interessant verschijnsel, omdat het afhankelijk is van het toeval. Dit is niet iets waar oplossers goed mee omgaan; ze krijgen dezelfde resultaten voor dezelfde invoer. Voor deze convectie betekende het dat we een veel stabielere vlam kregen dan we zouden zien bij het aansteken van een echte kaars. Om een instabiliteit te creëren wordt een tocht in het domein gebracht, één van de wanden is een snelheidsinlaat met een kleine sinusoïdale snelheid, slechts 0,1 meter/seconde. De andere wand is een drukuitlaat.
Corrected pressure function
Uncorrected pressure function
Met geforceerde convectie en het hoogteverschil waar wij naar kijken, neigt het effect van deze veldfunctie op de snelheden klein te zijn. Maar omdat we alleen vrije convectie hebben, zullen we toch al naar kleine snelheden kijken, dus deze zullen een aanzienlijk effect hebben.
Zonder de gecorrigeerde veldfunctie zal het drukverschil over de hoogte van het domein ervoor zorgen dat snelheden aan de rand van het domein de simulatie gaan domineren, zoals te zien is in een voorbeeld van de Siemens websites, dat de stroming toont zonder drukfunctie en met de drukfunctie.
Met het drukveld en de snelheid op hun plaats kan de simulatie worden gestart met Simcenter STAR-CCM+, met als resultaat een vlam die onstabiel brandt in een kamer.
We hopen dat u net zoveel plezier beleeft aan de animatie als wij aan het maken ervan.
Heeft u vragen of interesse in één van onze diensten? Neem dan vrijblijvend contact met ons op. Wij helpen u graag.
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.
Schrijf je nu in voor onze nieuwsbrief en ontvang maandelijks FEA kennis, nieuws en tips gratis in je inbox.
