In dit artikel valideren we weer een nieuwe fundamentele simulatie in de computationele vloeistofdynamica (CFD). Dit keer kijken we naar twee mixende lagen in het 2D vlak welke we gebruiken om een aantal RANS turbulentiemodellen met elkaar te vergelijken.
Met behulp van de mengvlakgegevens uit de NACA database vergelijken we negen verschillende RANS-turbulentiemodellen in Siemens Simcenter STAR CCM+ 2020. Zeven van deze modellen worden vergeleken op basis van de turbulente kinetische energie, terwijl alle negen van deze modellen worden vergeleken op basis van de snelheid. Alle gebruikte modellen zijn samengevat in onderstaande tabel. Modellen met een * worden op basis van zowel de snelheid als de turbulente kinetische energie vergeleken.
De (2D) geometrie bestaat uit twee inlaten met twee snelheden (de bovenste inlaat heeft een snelheid van 41,54 m/s en de onderste een snelheid van 22,4 m/s). Het bovenste inlaatkanaal is langer dan het onderste inlaatkanaal. Een splitterplaat houdt het bovenste en onderste inlaatkanaal gescheiden tot x = 0. De splitterplaat heeft een dikte van 3 mm en loopt taps toe tot een dikte van 0,3 mm in de laatste 50 mm. Deze geometrie is hetzelfde als de geometrie gebruikt in de referentie, zie onderstaand figuur [1].
De referentietemperatuur, Tref, is 293K, de geluidssnelheid, aref, is 343 m/s en de referentiedruk, Pref, is 101325 Pa. Er wordt een laag turbulentieniveau in de vrije stroom van 0,3% gebruikt.
Omdat Femto meestal gebruik maakt van ongestructureerde meshes in CFD vraagstukken is in dit geval ook een ongestructureerde mesh gebruikt. De maximale celgrootte in het domein is 10mm en het zog van de splitterplaat is verfijnd met meshcellen met een groote van 1,25mm.
Prismalagen worden gebruikt om de y+ waarde op de wanden onder de 1 te krijgen.
Figuur 1 toont het snelheidsprofiel op 200 mm van de splitterplaat. De y-waarde is genormaliseerd met behulp van de vorticiteitsdikte δ_ω, welke is berekend met behulp van de onderstaande vergelijking.
δ_ω=(U_2-U_1)/(δU/δy)
De y-waarden worden gecorrigeerd met de vergelijking ygecorrigeerd=y-0.00688x. Tenslotte wordt ook de snelheid genormaliseerd met behulp van onderstaande vergelijking.
Unorm=(U-U_1)/ΔU
De resultaten van de CFD-berekeningen worden vergeleken met experimentele gegevens [2].
Alle turbulentiemodellen geven een redelijk goed resultaat vergeleken met de experimentele snelheid op x = 200mm. Het realistische k-ε model voorspelt de snelheidsverandering tussen -0.2>y/δ_ω >-0.6 het beste. De andere modellen die de snelheidsverandering ook met enige accuratie voorspellen zijn het hoge Reynolds getal SA-model, het SST k-ω-model, het standaard k-ε-model en het realistische k-ε tweelagenmodel. De andere modellen voorspellen geen plotselinge snelheidsverandering.
Geen van de negen turbulentiemodellen voorspelt het snelheidsprofiel bij x = 650 mm met enige nauwkeurigheid (figuur 2). De modellen die de experimentele gegevens het dichtst benaderen zijn het Standaard k-ω model en het kwadratische Reynolds stress model.
Figuur 1: Snelheidsprofiel bij x = 200mm
Figuur 2: Snelheidsprofiel bij x = 650mm
De turbulente kinetische energie wordt genormaliseerd met behulp van de vierkantswortel van het snelheidsverschil. Aangezien beide Spalart Allmaras (SA) modellen geen turbulente kinetische energie als output geven, zijn deze modellen niet vergeleken voor de turbulente kinetische energie.
In figuur 3 wordt de turbulente kinetische energie op x = 200 mm voor de zeven overgebleven turbulentiemodellen vergeleken met de experimentele gegevens. In dit figuur is zichtbaar dat geen van de modellen het punt waar de turbulente kinetische energie begint toe te nemen met enige nauwkeurigheid voorspelt. De standaard k-ω, SST k-ω, en het realistische k-ε tweelagenmodellen komen allemaal het dichtst bij de voorspelling van de maximale turbulente kinetische energie. De maximale kinetische energie die wordt voorspeld door het kwadratische Reynolds stress model is vergelijkbaar met de andere drie modellen, maar de positie in y is afwijkend. De andere drie modellen voorspellen een maximale turbulente kinetische energie die veel hoger is dan de experimenten.
In figuur 4 is de turbulente kinetische energie bij x = 650 mm weergegeven. In dit geval wordt het gedrag van de turbulente kinetische energie het best voorspeld door het standaard k- ε model en het realistische k- ε model, zowel in de breedte als in de hoogte. De andere modellen voorspellen een te lage maximumwaarde van de turbulente kinetische energie en/of een te lage y-waarde waar de turbulente kinetische energie begint toe te nemen.
Figuur 3: Turbulente kinetische energie bij x = 200mm
Figuur 4: Turbulente kinetische energie at x = 650mm
We hebben een team van professionals met uitgebreide kennis die je graag helpen. Als je vragen hebt, kun je het onderstaande formulier gebruiken om contact op te nemen.
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.
