Исследование вычислительных сеток для моделирования динамики воздуха в канале вихревой трубы средствами пакета OpenFoam

Исследование вычислительных сеток для моделирования динамики воздуха в канале вихревой трубы средствами пакета OpenFoam

Автор: Михайленко Константин Иванович

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 1 т.15, 2022 года.

Бесплатный доступ

Вихревая труба представляет собой простое устройство без движущихся частей, осуществляющее разделение закрученного потока газа на два отдельных вихря, отличающихся температурами: у одного из них она обычно выше температуры подаваемого газа, у другого - ниже. Рассматривается математическая модель вихревой трубы, основанная на законах газовой динамики и дополненная k-ω моделью турбулентности. Дается описание методики построения средствами утилиты blockMesh конечно-объемной сетки с выделением пристеночной области при выполнении условия равномерности элементов сетки с сохранением их ортогонализированности. Численное решение реализуется на кластере решателем sonicFoam открытого пакета OpenFOAM. Осуществлено три серии вычислительных экспериментов, в каждой из которых оценивается распределение температуры в канале диафрагмы холодного воздуха в зависимости от диаметра диафрагмы. В каждой серии используется сетка одного из трех заданных в исследовании масштабов: грубая, нормальная или тонкая. Показано, что измельчение сетки улучшает сходимость численного решения. Также продемонстрировано, что для получения качественно правильных результатов в данной задаче следует создавать сетку, средний линейный размер конечных объемов в которой не превышает 0,4 мм (0,025 в безразмерном представлении). Для повышения точности численного моделирования необходимо дальнейшее измельчение сетки: в частности, рассмотрена тонкая сетка со средним линейным размером конечного объема менее 0,02. Значения на тонкой сетке качественно соответствуют данным на грубой сетке, но количественно они могут значительно различаться. Именно это наблюдается в расчетах при большом диаметре диафрагмы холодного воздуха. Однако при измельчении сетки значительно увеличивается потребность в вычислительных ресурсах. Таким образом, при создании сетки для модели вихревой трубы требуется соблюдение баланса между необходимой точностью моделирования и временем, затрачиваемым на его реализацию.

Еще

Конечно-объемная сетка, численное моделирование, openfoam, вихревая труба, турбулентность

Короткий адрес: https://sciup.org/143178534

IDR: 143178534

Список литературы Исследование вычислительных сеток для моделирования динамики воздуха в канале вихревой трубы средствами пакета OpenFoam

  • Ranque G.J. Experiments on expansion a vortex with simultaneous exhaust of hot air and cold air // Journal de Physique et Le Radium. 1933. Vol. 4. P. 112-114.
  • Hilsch R. The use of the expansion of gases in a centrifugal field as cooling process // RSI. 1947. Vol. 18. P. 108-113. https://doi.org/10.1063/1.1740893
  • Westley R. A bibliography and survey of the vortex tube. College of Aeronautics, Cranfield, UK, 1954. 38 p.
  • Bruno T.J. Laboratory applications of the vortex tube // J. Chem. Educ. 1987. Vol. 64. P. 987-988. https://doi.org/10.1021/ed064p987
  • Baz A., Gilheany J., Kalvitas A. Feasibility of vortex tube assisted environmental control of an underwater research habitat // Ocean Eng. 1988. Vol. 15. P. 33-54. https://doi.org/10.1016/0029-8018(88)90018-2
  • Zhang B., Guo X. Prospective applications of Ranque–Hilsch vortex tubes to sustainable energy utilization and energy efficiency improvement with energy and mass separation // Renew. Sustain. Energ. Rev. 2018. Vol. 89. P. 135-150. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.02.026
  • Martin R.W., Zilm K.W. Variable temperature system using vortex tube cooling and fiber optic temperature measurement for low temperature magic angle spinning NMR // J. Magn. Reson. 2004. Vol. 168. P. 202-209. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2004.03.002
  • Kumar A., Vivekanand, Subudhi S. Cooling and dehumidification using vortex tube // Appl. Therm. Eng. 2017. Vol. 122. P. 181-193. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.05.015
  • Balmer R.T. Pressure-driven Ranque-Hilsch temperature separation in liquids // J. Fluid. Eng. 1988. Vol. 110. P. 161-164. https://doi.org/10.1115/1.3243529
  • Akhmetov D.G., Akhmetov T.D. Flow structure and mechanism of heat transfer in a Ranque–Hilsch vortex tube // Exp. Therm. Fluid. Sci. 2020. Vol. 113. 110024. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2019.110024
  • Eiamsa-ard S., Promvonge P. Review of Ranque–Hilsch effects in vortex tubes // Renew. Sustain. Energ. Rev. 2008. Vol. 12. P. 1822-1842. https://doi.org/10.1016/j.rser.2007.03.006
  • Subudhi S., Sen M. Review of Ranque–Hilsch vortex tube experiments using air // Renew. Sustain. Energ. Rev. 2015. Vol. 52. P. 172-178. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.103
  • Guo X., Zhang B., Liu B., Xu X. A critical review on the flow structure studies of Ranque–Hilsch vortex tubes // International Journal of Refrigeration. 2019. Vol. 104. P. 51-64. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.04.030
  • Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Т. 1. Физическое явление, эксперимент, теоретическое моделирование. М.: Научтехлитиздат, 2013. 343 с.
  • Михайленко К.И. К моделированию вихревой трубы: подготовка гексагональной сетки для вычислительных экспериментов в среде OpenFOAM // Труды Института механики им. Р.Р. Мавлютова УНЦ РАН. 2016. Т. 11, № 1. С. 112-118. https://doi.org/10.21662/uim2016.1.017
  • Mikhaylenko C.I. Building a fínite-difference mesh and selecting a turbulence model for numerical simulations of a vortex tube in OpenFOAM software // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. Vol. 1677. 012021. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1677/1/012021
  • Bianco V., Khait A., Noskov A., Alekhin V. A comparison of the application of RSM and LES turbulence models in the numerical simulation of thermal and flow patterns in a double-circuit Ranque-Hilsch vortex tube // Appl. Therm. Eng. 2016. Vol. 106. P. 1244-1256. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.06.095
  • Dutta T., Sinhamahapatra K.P., Bandyopdhyay S.S. Comparison of different turbulence models in predicting the temperature separation in a Ranque–Hilsch vortex tube // International Journal of Refrigeration. 2010. Vol. 33. P. 783-792. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2009.12.014
  • Марьин Д.Ф., Михайленко К.И., Хазиев Л.Х. Прямое численное моделирование эффекта Ранка // Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ'2011): тр. междунар. науч. конф., Москва, 28 марта–01 апреля 2011 г. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. С. 539-547.
  • Минибаев М.Р., Михайленко К.И. Исследование влияния граничных условий при численном решении модели вихревой трубы // Многофазные системы. 2019. Т. 14, № 2. С. 89-100. https://doi.org/10.21662/mfs2019.2.013
  • Газизов Р.К., Лукащук С.Ю., Михайленко К.И. Разработка параллельных алгоритмов решения задач механики сплошной среды на основе принципа пространственной декомпозиции // Вестник УГАТУ. 2003. Т. 4, № 1. С. 100-107.
  • Суперкомпьютер УГАТУ. https://www.ugatu.su/supercomputer/ (дата обращения: 01.03.2022)
  • The OpenFOAM Foundation. https://openfoam.org/ (дата обращения: 01.03.2022)
  • Mikhaylenko C.I. Vortex tube modelling: outlet parameter dependencies of cold air production // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. Vol. 1158. 032032. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1158/3/032032
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp