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mesh.png

Hallo allerseits,

Ich hänge gerade an dem Versuch eine empirische Nusseltkorrealation aus dem VDI Wärmeatlas für eine Turbulente Rohrströmung mit OF (buoyantSimpleFoam) zu vergleichen und komme dabei auf recht hohe Abweichungen. Meine Ergebnisse des Tools "wallHeatFlux" sind bei kleinen Rohrlängen ungefähr 20 % zu gering. Der Fehler wächst dann bei Rohrlängen von 15xD_h auf bis zu 35% an.

Bisher hab ich bei meiner Suche nur herausgefunden, dass es anderen Usern so ähnlich erging bei solchen Vorhaben.

Zu meinen Randbedingungen:

Der Körper ist ein Ringspalt, der axial durchströmt mit Wasser bei 33°C   und an der Innenwand eine kostante Wandtemperatur (35°C) aufweißt. Die Aussenwand ist als adiabat zu betrachten.

Thermoproperties sind aufgrund des geringen Temperaturunterschiedes alle als konstante definiert.

thermoType
{
    type            heRhoThermo;
    mixture         pureMixture;
    transport       polynomial;
    thermo          hPolynomial;
    equationOfState icoPolynomial;
    specie          specie;
    energy          sensibleEnthalpy;
}

alphat
    innerwall
    {
        type            compressible::alphatJayatillekeWallFunction;
        Prt             0.85;
        value           uniform 0.611;
    }
k
    innerwall
    {
        type            compressible::kqRWallFunction;
        value           uniform 1e-07;
    }
mut
    innerwall
    {
        type           mutUSpaldingWallFunction;
value uniform 0;

    }
T
    innerwall
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform 308;
    }
    outerwalls
    {
        type            fixedGradient;
        gradient        uniform 0;
    }
p_rgh
    innerwall
    {
        type           fixedFluxPressure;
        value           $internalField;
    }
    outlet
    {
        type            fixedValue;
        value          uniform 1.013e5;
    }

Meine y+ Werte liegen im Einströmbereich bei 1,5 und gehen runter auf ca 0,2. Daher haben auch änderungen an der mutwallfunction zu calculated und kwallfunction zu fixed Value << 0.1 auf meine Ergebnisse "keinen" Einfluss.

Hat vllt jemand hier noch eine Idee wodran es liegen könnte. Sonst würde ich mir nochmal ein neues Netz erstellen, dass in dem Kernbereich weiter verfeinert wird und die Ergebisse miteinander vergleichen. Der Übergang der letzten Prismenzelle zu der ersten Tetrazelle ist nämlich recht "grob". (Mesh.png im Anhang)

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Gruß
Jens

[Diese Nachricht wurde von JensHa am 28. Feb. 2014 editiert.]

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Hallo Jens,

einige Anmerkungen:
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1. Wandfunktionen nur bei y+ > 15 (dieser Wert wird oft kontrovers diskutierte). In deinem Fall wäre also eine Wandfunktion falsch, da du die viskose Unterschicht bereits auflöst und mit einer Wandfunktion natürlich das verfälscht.

2. Du hast - sofern ich das sehe - temperaturabhängige Größen (Polynom). Kann aber auch sein das du nur den ersten Koeffizienten verwendest, dann wäre es nicht temperaturabhängig. Da würde ich aber dann doch andere Thermos verwenden.

3. Dein Netz ist natürlich nicht optimal. Wie du dich bereits geäußert hast, ist der Übergang zum Wandnahen  Bereich zum inneren Strömungsfeld "....". Du wirst im Forum mehrere Beiträge dazu lesen können und soweit ich mich entsinnen kann hat Thomas erwähnt, dass es sinnlos sei, die Wand extrem zu verfeinern und dann mit einer rießen Zelle in das wandferne Strömungsfeld zu gehen. Allgemein verwende ich immer einen Wert um 0,8 (Expansion). Der Übergang sollte eben Glatt sein und nicht so abrupt wie deiner.

4. Ich habe meine Abschlussarbeit (Bachelor) auch im Bereich der Wärmeübertragung geschrieben und habe die Nusselt-Korrelation in einem geschlossenen Behälter validiert bzw. bestätigt. Zudem einen Doppelrohrwärmetauscher meiner Hochschule. Die Ergebnisse waren sehr gut allerdings wird im VDI-Wärmeatlas auch erwähnt, dass diverse Korrelationen bis zu 40% Abweichungen haben können.

5. Du arbeitest mit Modellen und Schemen. Alles hat ein Einflussfaktor. Ich bswp. habe immer mit Hexaederzellen gearbeitet (numerische Gründe). Mit Tets habe ich in meinen 4 Jahren noch nicht wirklich viel gemacht.

6. Deine Schemen haben starken Einfluss auf dein Ergebnis

7. Welches Turbulenzmodell verwendest du, oder bist du laminar?
  Nach deinen Angaben hast du k-Epsilon, k-Omega, oder k-Omega-SST

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Grüße Tobias Holzmann

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Hallo,

ich habe ein ähnliches Problem.
In der Literatur habe ich aber ein paar Arbeiten gefunden, bei denen eine Streuung von +- 20% zwischen Nusselt und Versuch auftrat.

Welche Referenzwerte hast du denn in den "transportProperties" eingestellt?

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Viele Grüße
Michael

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Hallo Micha,

wie ich bereits erwähnte, steht das auch im VDI Wärmeatlas (mit der Abweichung) 

Desweiteren hat er keine "transportProperties", da er nicht den boussinesq Ansatz verwendet.

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Grüße Tobias Holzmann

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Hallo Tobias,

wir haben da wohl zeitgleich geantwortet.

Ist denn die Berechnung des WallHeatFlux in OpenFOAM mal validiert wurden? Wie wird der HeatFlux genau berechnet?

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Viele Grüße
Michael

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Hallo Micha,

das kann sein  - ich habe mir nur gedacht, da bislang noch niemand geantwortet hat, wird es Zeit das ich mich mal zu Wort melde.

Bezüglich dem Tool.
Das wurde gänzlich Verändert. In Version 1.7.x gab es eine Reihe von Berechnungsverfahren. Dazu habe ich auf meinem Github einige gelistet.

Da gab es das normale wallHeatFlux, dass nur in turbulente Strömungen verwendet werden konnte. Dann gab es noch ein laminarWallHeatFlux und ein rhoWallHeatFlux (war für inkompressible Strömungen wie simpleFoam + Temperaturgleichung).

Die haben alle ähnlich gearbeitet aber es gab doch ein paar Unterschiede. Ich bin diesbezüglich nicht mehr ganz auf dem Laufenden, habe aber in der Version 2.2.x mal in das Tool reingeschaut und da wurde schon einiges geändert, sodass das Tool für turbulente und laminare Strömungen verwendet werden kann.

Wie die genaue Berechnung lautet, müsste ich im Code nachschauen.
Hab aber hier grad ganz schlechtes Internet, sodass es mir nicht möglich ist das auf der Homepage von OpenFOAM.com nachzusehen.

Ich werde das heut Abend nachschauen und eine Antwort geben (bzw. später).
Hab das aber irgendwo hier oder auf cfd-online schon mal gegenübergestellt.

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Grüße Tobias Holzmann

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Hallo Shorty,

Danke für die Antworte(n). Zu

1. Ja stimmt man findet viele unterschiedliche Meinungen zu der Grenze der y+ Werte. Am Anfang hatte ich auch bei meinem "k" einen fixen Wert von 1e-7 und beim "mut" auf calculated. Ich wollte nur den Einfluss von Wandfunktionen dort testen. Mit dem Ergebnis, dass es nahezu keinen Einfluss hatte.

2. Jap ich habe immer nur den ersten Koeffizienten definiert und betrachte daher alle Stoffwerte als konstant. Ich hatte vorher auch andere Thermos verwendet.

thermoType
{
    type            heRhoThermo;
    mixture        pureMixture;
    transport      const;
    thermo          hConst;
    equationOfState rhoConst;
    specie          specie;
    energy          sensibleEnthalpy;
}

Die Ergebnisse waren hier ebenfalls die gleichen.

3. Das leidige Netz 
Das Ziel war es das Netz einer realen 3D Geometrie hinsichtlich des Wärmeüberganges zu Überprüfen. Da es Aufgrund mangelnder Hardware mir nicht weiter möglich ist das reale Modell weiter zu verfeinern und bei Problemen mit Wärmeübertragung kleine y+ Werte zu bevorzugen sind hatte ich mich für diesen Kompromiss entschieden.

4. Mit meiner Abweichung von 20-35% war mein Betreuer für den ersten "Schuss" auch soweit einverstanden, hinsichtlich mangelnder Hardware komme ich eben an meine Grenzen der Netzfeinheit (beim richtigen Modell).
Ich könnte nur noch Interessehalber mit einem feineren Netz die erste Validierung mit einer zweiten Vergleichen.

6.
ich verwende gerade folgende Schemen:
ddtSchemes
{
    default steadyState;
}
gradSchemes
{
    default        cellLimited leastSquares 1;
}

divSchemes
{
    default                  Gauss linear;
    div(phi,U)              bounded Gauss linearUpwind grad(U);
    div(phi,omega)            bounded Gauss linearUpwind grad(omega);
    div(phi,k)                bounded Gauss linearUpwind grad(k);
    div(phi,h)              bounded Gauss linearUpwind grad(h);
}

laplacianSchemes
{
    default        Gauss linear limited 0.5;
}

interpolationSchemes
{
    default        linear;
    interpolate(U)  linear;
}

snGradSchemes
{
    default        limited 0.5;
}

fluxRequired
{
    default        no;
    p_rgh;
}

7. Ich verwende das kwSST Modell und befinde mich mit meinen RE Zahlen bei 9500.

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Gruß
Jens

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Anbei meine Auflistung:

Post

Tobias Holzmann

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Hallo Jens,

ich helfe gerne sofern ich die Zeit finde.

1. Ich bezieh mich hier immer auf den Ferziger und dort wird das irgendwo mit 12,7 angegeben, da bis dort das logarithmische Gesetzt Gültigkeit besitzt. Bei y+ <= 1 ist mir bekannt, dass keine Wandfunktionen verwendet werden und k ggf. mit fixedValue und einem sehr kleinen Wert angenommen wird. Habe mich hierzu aber noch nicht wirklich auseinandergesetzt, da dies vor allem für wandnahe Effekte interessant ist (Wärme- und Stofftransport).

2. Wenn du diese Einstellung verwendest, dann ist die Dichte konstant, die thermodynamischen Eigenschaften werden aber von h abgeleitet. d.h. cp sollte sich ändern. In deinem Fall wirkt sich das aber dann wohl kaum aus.

3. Mehr als 2/3 der Arbeit steckt eigentlich im Netz! Ein numerisch schlechtes Netz ergibt natürlich schlechte Resultate. Wo liegen denn deine Limits bezüglich Rechnerkosten? (Arbeitsspeicher?) In deinem Fall würde ich 1/4 der Geometrie abdecken (sofern 3D) und dann mit SymmetryPlanes arbeiten. Das reduziert deine Zellenanzahl schon sehr extrem. An sonst sieht deine Grenzschicht extrem aus. D.h. sehr stark aufgelöst. Ich würde hier dann die ExpansionRatio erhöhen, sodass du gute Grenzschichten erhältst aber dennoch nicht zu extrem auflöst. Berechnungstool zu y+ findet man auch auf cfd-online.com.

4. Bedenke bitte immer, dass du mit RANS Gleichungen arbeitest. Zu fein aufgelöste Netze lösen die Turbulenz ggf. lokal auf und ergeben Fluktuationen und ungenaue Berechnungen (muss nicht, kann aber).

5. -

6. Deine Schemen sehen gut aus. Ich möchte aber darauf hinweisen, dass die Schemen auch unphysikalische Lösungen berechnen. Leider bin ich derzeit ziemlich im Verzug mit meiner neuen Gegenüberstellung der Schemen und kann dir daher meine Ergebnisse nicht aufzeigen. Wird aber demnächst upgedated: www.holzmann-cfd.de

7. Das Modell ist gut für wandnahe und wandferne Strömungen und koppelt kOmega und kEpsilon. Vllt wäre aber ein LowRe Modell in deinem Fall besser. Hast du eine OmegaWallFunction aktiv? Wandfunktionen nur bei y+ > 15 (oder 12) bei y+<1 keine Wandfunktionen.

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Grüße Tobias Holzmann

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Hallo,
nach langer Zeit melde ich mich hier mal wieder. Da mich meine Probleme nicht in Ruhe lassen mit der Konfiguration.

Erstmal meine Antworten zu deinen letzten Punkten Shorty.

1. Also ich habe ja mehere Fälle aufgesetzt. Einmal ein "realizableke" mit "epsilonlowReWallfunction", sowie "laundersharmake" mit "fixedValues", sowie "kwsst" mit "omegawallfunction". Die Randbedingungen für "k" waren jedenmal "fixedValue" .Die Ergebnisse waren ja jedesmal identisch.

2. cp dürfte sich doch eigentlich nicht ändern, da ich es in den thermopysicalproperties ja als konstante definiere.

3. Meine Limits liegen bei 16Gb RAM. Allerdings kommt ein neues Gitter für mich nicht mehr in Frage. Das Netzt nutzt bereits die symmetriemöglichkeiten aus.

4-5. -

6. Auch wenn ich upwind als schemen verwende, kommen nur unrelevant andere Ergebnisse heraus (upwind sollte ja keine unpysikalischen Lösungen produzieren)

7. LowRe Modell wurde durch das LaunderSharmake Modell angewendet.

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Ich habe mich ja nun schon ziemlich mit den Ergbnissen von "wallHeatFlux" abgefunden und den entstehenden Abweichungen. Was mir aber immer noch Kopfzerbrechen bereitet ist, dass die Ergebnisse von "patchAverage T outlet" nicht den erwarteten Werten entspricht.

T_inlet + (wallHeatflux/(massenstrom*cp)=T_outlet.

Das was mir "patchAverage T outlet" liefert ist durchweg immer zu groß.

Ich kann das Posttool doch zur mittelung der Temperatur verwenden, auch wenn ich ausgebildete Temp.Grenzschichten habe ? Hat jemand sonst eine Idee wodurch die Abweichungen zustande kommen könnten ?

Gruß

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Gruß
Jens

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