Travail du MCIA MNF 2005/2006. Exploration du code Star-Cd

Transcription

1 Travail du MCIA MNF 2005/2006 Exploration du code Star-Cd Philippe Claudon, Masi Enrica

2 Exploration du code Star-CD Introduction Simulation d un cas physique simple Création d un domaine numérique représentatif du problème physique. Remarque: Star-Cd est un code qui travaille en 3D. Pour simuler un cas 2D on a créé une géométrie avec une dimension (la profondeur) nettement plus petite que les autres et équivalente à une cellule. Problème physique Simulation d un jet plan pleinement développé impactant sur une e plaque plane. Données du problème Vitesse de sortie du jet Ouverture du jet A = 1m Distance du jet de la plaque Fluide = Air V = 3 m s H = 5m Considérations Ce problème nous amène à l étude d un écoulement à haut nombre de Reynolds que l on soupçonne de se développer avec une turbulence fortement anisotropique.

3 Domaine numérique: la Géométrie Domaine rectangulaire Ajout d un zone supérieure d entrée Ajout de deux zones de sorties (évitent les recirculations) Le Maillage Maillage uniforme de cellules équivalentes à 1 cm de côté c (5300 cellules) en espérant que cette discrétisation capture le comportement fortement anisotropique de notre turbulence et qu elle simule assez correctement l écoulement dans son changement soudain de lignes de courant.

4 Modèles Les modèles comparés sont les suivants: Spalart-Allmaras K-E E Standard V2F Reynolds Stress Model Conditions initiales Initialisation des modèles de simulation de la turbulence On a fait les hypothèses suivantes: Vitesse de sortie du jet V = 3m / s Initialisation de l intensité de la turbulence. Calcul de l Energie Cinétique Turbulente K u ' = v' = w' = 10% V K = 3 u ' 2 2 Initialisation du taux de dissipation ε: ε Cµ 3/ 4 K 3/ 2 1 lm Estimation d une longueur de mélange: lm 0.09 δ 0.5 avec δ 5 = D 2 = 0. On a supposé la longueur de mélange d un jet plan libre comme déterminée de façon empirique dans le modèle algébrique. On a considéré un épaisseur δ équivalent à la moitié de l ouverture du jet K = 0.135m / s = 0.18m 2 / s ε

5 Conditions aux limites Boundary inlet : section d entrée du jet par le haut avec conditions initiales. Boundary outlet standard: sections de sortie latérales. Remarque: le code accepte un seul outlet donc il faut insérer les deux sections dans la même m me boundary. Boundary symmetrie: : surface frontale et dorsale. Boundary interior: : par défaut. Boundary wall: : no split. Méthode Comparaison des différents modèles pour K-ε puis pour le champ de vitesse

6 Données numériques Ci-contre sont reportés les graphiques relatifs aux valeurs de vitesse et énergie cinétique turbulente résultants des simulations effectuées avec les différents modèles. K-ε vectors velocity plot Spalart Allmaras vectors velocity plot RSM vectors velocity plot V2F vectors velocity plot

7 K-ε contour turbolence plot RSM contour turbolence plot Spalart Allmaras contour turbolence plot V2F contour turbolence plot

8 Résultats Champ de vitesse Résultats similaires pour les modèles K-ε, K Spalart-Allmaras Allmaras,, V2F Résultats non symétrique pour le modèle RSM Résultats non symétrique pour le modèle RSM K Forte valeur de K pour le modèle k-εk et le modèle RSM Pas de résultats r pour le modèle Spallart-Allmaras On répète toutes les simulations avec ε=10 sauf ceux relatifs au modèle V2F qui, contrairement aux autres, ne change pas considérablement à la variation de cette valeur. On abandonne donc, pour le moment, ce dernier modèle et aussi celui de Spallarat-Allmaras

9 K-ε vectors velocity plot RSM vector velocity plot K-ε contour turbolence plot RSM contour turbolence plot

10 ε=0.18, =0.18, ε=10 =10 évolution et comparaison des valeurs de dissipation K-ε plot conturn dissipation ε=0.18 RSM plot conturn dissipation ε=0.18 K-ε plot conturn dissipation ε=10 RSM plot conturn dissipation ε=10

11 Interprétations Les simulations effectuées avec un ε plus grand sont déjà plus acceptables. La surestimation de K dans la zone d impact n apparaît plus Le modèle RSM n arrive plus à converger les valeurs visionnées sont celles de l interruption de l itération ion à pas. Successivement a été lancé un autre essais du modèle RSM, interrompu à itérations. Ci-contre sont reportés les résultats de cette dernière (ont été ajoutés aussi les graphiques de la composante normale des tensions de Reynolds u u et de celle u v ). ). On rappelle que notre jugement purement qualitatif est basée sur notre expérience limitée.

12 RSM contour turbulence plot RSM contour dissipation plot RSM contour reynolds stress stress u v plot RSM RSM contour tension u u plot

13 Comparaison avec FLUENT Pour mieux comprendre le problème en question on aurait besoin d extraire des données et de tracer des développements. On n y arrive pas à le faire avec Star-Cd à cause de notre inexpérience dans l utilisation du code. En outre, il faudrait soigner un autre doute concernant l exactitude de notre hypothèse par rapport au comportement bidimensionnel de la simulation avec géométrie à une u celle de profondeur non maillée (probablement incorrecte). On a donc décidé de procéder à la réalisation de la simulation du même problème physique avec le code FLUENT en approchant le problème de deux façons: f 1) simulation 2D 2) simulation 3D que le code FLUENT permet de réaliser distinctement. Ci-contre sont reportés géométrie et maillage réalisés avec Gambit pour Fluent 2D e 3D.

14 Données numériques 2D K-ε vectors velocity plot ε=0.18 RSM vectors velocity plot ε=0.18 K-ε contour turbulence plot ε=0.18 RSM contour turbulence plot ε=0.18

15 K-ε vectors velocity plot ε=10 RSM vectors velocity plot ε=10 K-ε contour turbulence plot ε=10 RSM contour turbulence plot ε=10

16 K-ε turbulence plot on y ε=0.18 RSM turbulence plot on y ε=0.18 K-ε turbulence plot on y ε=10 RSM turbulence plot on y ε=10

17 K-ε k production plot s on y ε=0.18 RSM k production plot s on y ε=0.18 K-ε k production plot s on y ε=10 K-ε k production plot s on y ε=10

18 Considérations Les premières considérations qu on peut déduire en simulation 2D sont les suivantes: 1) les résultats de la simulation sous Fluent se montrent sensibles au variation de ε.. Ceci peut se vérifier à la fois en regardant les graphiques du contour turbulence autour de la zone d impact et en regardant les développement de celle-ci ci en fonction de l axe y (direction du jet). Une différence remarquable, par contre, est que en Fluent 2D le modèle RSM converge toujours (dans notre cas). 2) d après les développement de la production de K on peut vérifier ier qu avec un petit ε une telle production est nulle (Il est légitime de penser que la même chose soit vérifiée dans les simulations Star-Cd). 3) les valeurs de K sont légèrement supérieures à celle résultantes tes des simulations de Star-Cd et l écart entre les deux modèles dans ce cas est majeur. On décide alors de procéder avec la simulation 3D dont les valeurs sont reportées à la suite.

19 Données computationales en 3D K-ε plot vector velocity ε=0.18 RSM plot vector velocity ε=0.18 K-ε plot contour turbulence ε=0.18 RSM plot contour turbulence ε=0.18

20 Considérations D après une première lecture superficielle des données en 3D o n relève que: 1) il ne semble pas y être une grande différence entre les deux simulations 2D et 3D pour la valeur de ε=0.18 en entrée; 2) en simulation 3D, par contre, le modèle RSM pour ε=10 =10 ne converge pas et semble avoir un comportement similaire à celui en Star-Cd. Cette donnée nous confirme l hypothèse que la géométrie réalisée dans Star-Cd ne puisse pas être considérée comme bidimensionnelle.. Ci contre sont reportés deux histogrammes de distribution des valeurs de K pour le modèle RSM avec ε=0.18 =0.18 en 2D et 3D.

21 Constantes des modèles comparées entre les deux codes

22 Conclusion D après les valeurs calculées obtenues par l application des différents férents modèles, à la fois dans les codes Star-Cd et Fluent, on peut dire que: C est impossible, surtout pour la résolution d un problème physique tellement complexe, de choisir un modèle de simulation qui garantisse à priori la convergence des données numériques avec la réalité. Est éventuellement possible d exclure des modèles de fermeture que q l on sait être, à priori, pas adaptés à la représentation du problème physique (dans notre cas le modèle Spalart-Allmaras, par exemple). Le choix de la simulation bidimensionnelle ou tridimensionnelle amène à des interrogations Le choix de la géométrie est très important. Des erreurs relativement ement aux symétries du jet et du domaine pourraient avoir été commis. La définition du maillage est fondamentale. Le maillage uniforme de dimension mineur 1 cm pourrait ne pas être adapté à l étude du problème en question. Il faut penser à réaliser un maillage, par exemple, raffiné à la base de la plaque plane. Les conditions initiales du problème sont extrêmement importantes. Les deux codes placent des valeurs par défaut parfois inadapté. En particulier, par rapport à la turbulence K, Star-Cd place une valeur équivalente à 0 et Fluent équivalente à 1, les deux bien éloignées des valeurs que nous avons insérés. Il faut prêter une attention spéciale aux hypothèses faites. Pour l utilisation d un modèle quelconque il faut avoir développé é une sensibilité à ceux qui devraient être les données résultantes d une éventuelle application expérimentale (sensibilité ité qu on n a encore pas) pour pouvoir effectuer les bonnes considérations par rapport au choix et à la modélisation de la fermeture de laquelle dépend absolument la bonne réussite numérique. On espère pouvoir continuer dans l extraction des donnés et l études de ce cas afin de pouvoir comprendre sa dynamique et donc les modèles qui mieux le représentent.