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spalt_cpl.zip

Hallo,

ich versuche mich an viskoelastischen Simulationen von HDPE-Schmelze in OpenFOAM und zur Einarbeitung beschäftige ich mich zuerst mit strukturviskosem Verhalten. Das Problem hierbei ist, dass die Viskosität von HDPE verdammt hoch, die Fließgeschwindigkeit sehr niedrig und die daraus resultierende Reynoldszahl äußerst klein ist. Prinzipiell kein Problem, würde die Numerik einem keinen Strich durch die Rechnung machen.

Bei derart niedriger Reynoldszahl kommt neben der Courantzahl ein weiteres Stabilitätskriterium in Abhängigkeit der Diffusion zum Tragen, denn Konvektion ist hier vernachlässigbar. Dieser Term ist d = Gamma*deltat/(rho*deltax^2) mit dem Diffusionskoeffizienten Gamma, d soll dabei kleiner sein als 0.5. Die einzige Literaturangabe dazu habe ich in Ferziger & Peric gefunden, Sektion 6.3.1 - welche sich aber auf das explizite Eulerverfahren bezieht. Ich verwende pimpleFoam, aber ich denke, dass es sich damit wie mit der Courantzahl verhält und die Zahl als Stabilitätskriterium etwas aufgeweicht wird, da es sich eben um ein implizites Verfahren handelt. Im Buch wird der kleinste stabile Zeitschritt wie folgt angegeben:

deltat < 1/(2*Gamma/(rho*deltax^2) + u/deltax)

Das Problem ist nun wie im Titel beschrieben - dadurch wird der kleinste stabile Zeitschritt bei meinem Modell unglaublich klein, alles über 2.0e-9s explodiert mir sofort - ich muss es für eine stationäre Lösung aber etwa 7.5 Sekunden lang laufen lassen. Das Modell ist ein Ausschnitt von 5 Grad aus der Düse eines Extrusionsblaskopfes (5mm hoher Einlass, 100mm lang), 50.000 Zellen ingesamt, 5 Zellen über die Dicke des Modells, 0.01 m/s Einlassgeschwindigkeit und unterschiedliche Viskositätsmodelle für strukturviskoses Verhalten (Powerlaw, Crosspowerlaw, Bird-Carreau-Yasuda). Das Modell ist im Anhang zu finden mitsamt 3 Zeitschritten, deren Brauchbarkeit ich als fragwürdig einstufen würde.

Das Problem ist nun wie oben beschrieben - wie kann ich es schaffen, dass ein verwertbarer Zeitschritt einzustellen ist? Gibt es einen Weg, dieses Kriterium elegant zu umschiffen? Acusolve hat mit dem Modell auch seine Mühe, schafft es aber dennoch in annehmbarer Zeit ein Ergebnis zu liefern. Ach ja, ich verwende OpenFOAM Extend 3.1. Natürlich werde ich größere Zellen versuchen, aber die aktuelle Diskretisierung würde ich schon fast als nicht ausreichend beurteilen. Kennt jemand vielleicht einen Weg, mein Problem zu lösen? Ich fand bisher sehr wenig über Stokesströmung und OpenFOAM bzw. zu dem Problem allgemein. Auf CFD-Online hatte jemand in einem älteren Beitrag vorgeschlagen, den Konvektionsteil aus der NS-Gleichung zu löschen, einen eigenen Solver zu kompilieren und nur die Stokesströmung zu berechnen, aber das würde mein Problem wahrscheinlich nicht lösen, da die Konvektion nicht die Ursache ist.

[Diese Nachricht wurde von Ingeniorator am 08. Mrz. 2017 editiert.]

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Sehr niedrige Reynolds-Zahlen machen oft Probleme. Ich würde zunächst an einer Modellgeometrie die prinzipielle Vorgehensweise prüfen. Nach meiner Erfahrung ist pimpleFoam für kleien Re-Zahlen schlecht geeignet, selbst wenn man die Wandfunktionen abschaltet. Ich erhalte an den Oberflächen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen, die unmöglich physikalisch reel sind.

icoFoam arbeitet besser, aber ich weiß nicht, ob es im vorliegenden Fall anwendbar ist.

[Diese Nachricht wurde von piu58 am 08. Mrz. 2017 editiert.]

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Hallo,

danke für deine Antwort, leider ist nonNewtonianIcoFoam genau so instabil wie pimpleFoam - soeben getestet und anscheinend kein Unterschied im größten stabilen Zeitschritt.

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Guten Morgen,

ich empfehle dennoch, die realen physikalischen Verhältnisse zuerst an einer Modellgeometrie zu untersuchen. Am besten eine, wo ein Ergebnis bekannt ist oder zumindest abgeschätzt werden kann. Hier kann man viel einfacher "rumspielen" und zum Beispiel den Einfluß der Vernetzung untersuchen: Schiefe Zellen, große neben kleinen Zellen, überhaupt ein ungutes Verhältnis von größter zu kleinster Zelle: All das beeinflusst die Stabilität des Verfahrens.

Außerdem geht es nicht nur um die Rechengeschwindigkeit, sondern auch um die Genauigkeit der Ergebnisse. Wie ich schon schrieb, kann man da Überraschungen erleben und es ist gut, wenn man wenigstens ein Gefühl dafür hat, was man dem jeweiligen Algorithmus so zutrauen kann. Auch hier hilft eine Modellgeometrie. ~ Uwe

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Uwe Pilz
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Sie ahnen nicht, wieviel Poesie in der Berechnung
einer Logarithmentafel enthalten ist (Carl Friedrich Gauß)

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Ja da hast du sicherlich recht, dann mache ich mich mal an die Arbeit. Falls ich etwas finde gebe ich Rückmeldung.

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Hallo nochmal,

ich bin endlich mal dazu gekommen, mir das Ganze etwas näher anzusehen. Was ich festgestellt habe ist, dass OpenFOAM 4 absolut kein Problem mit den verwendeten Modellen (quadratisches 2D-Modell, verschiedene Netzfeinheiten und Einlassgeschwindigkeiten) hat, OF Extend 3.1 dagegen weist das oben beschriebene Verhalten auf. Alle Einstellungen sind identisch. Ich werde bald mal OpenFOAM Extend 4.0 bzw. die neueste Version testen und wieder Rückmeldung geben.

So, neues Edit: Zu früh gefreut, auch Extend 4.0 in meinem originalen Case tritt immer noch das gleiche Verhalten auf.

Nochmal jetzt: Das gleiche Modell mit viskoelastischem Materialverhalten (Feta-PTT) läuft wie es soll. Es scheint dann nur am strukturviskosen Solver mit sehr kleiner Zellengröße zu hängen.

[Diese Nachricht wurde von Ingeniorator am 29. Jun. 2017 editiert.]

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