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.
Конечно-объемная сетка, численное моделирование, openfoam, вихревая труба, турбулентность
Короткий адрес: https://sciup.org/143178534
IDR: 143178534 | УДК: 533.17:519.688
Investigation of сomputational meshes for modeling the air dynamics in a vortex tube channel by OpenFoam software
A vortex tube is a simple device with no moving parts that separates a swirling gas stream into two vortexes that differ in temperature, usually above and below the temperature of the inlet gas. This paper presents a mathematical model of a vortex tube which is based on gas dynamics laws and is supplemented by a k-ω turbulence model. A description of the technique for constructing a finite volume mesh with definition of the near-wall region based on the blockMesh utility is given when the conditions for the uniformity of the mesh elements are met while maintaining their orthogonalization. The numerical solution is carried out on a computational cluster using the sonicFoam solver of the OpenFOAM free software. Three series of numerical simulation experiments were carried out to determine the temperature distribution in the channel of a cold air diaphragm depending on the diaphragm diameter. One of the three computational mesh scales considered in this work is used. It is shown that mesh size reduction leads to convergence of simulation results. It is also demonstrated the qualitatively correct results can be obtained by generating a mesh in which the average linear size of a finite volume does not exceed 0.4 mm (0.025 in dimensionless representation). To improve the accuracy of quantitative data, an even greater computational mesh size reduction is required; in particular, a fine mesh with an average linear size of the finite volume less than 0.02 is considered in this work. The results obtained on a fine mesh are in a qualitative agreement with the results determined using a coarser mesh. However, the numerical values can differ significantly, which is shown by the calculations for the cold air diaphragm of large diameter. Thus, the computational time increases with decreasing mesh size, which implies that the construction of a computational mesh for vortex tube modeling requires finding a balance between the quality of results and the simulation time.
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
