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Autor Thema:   Turbulenz Modelle und deren Wandfunktionen (133 mal gelesen)
Duke711
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erstellt am: 09. Nov. 2018 02:04    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Eine Frage die ich mir noch nicht beantworten konnte:

Wenn man den Wärmeübergangskoeffizienten auswertet bekommt teilweise sehr abenteuerliche Werte:

Laminar; kein Turbulenzmodell

Rohr 12x1x200; Fluid Wasser; dT 2k zur Außenwand, Strömung ~ 0,2 m/s; Re 1980

Nach VDI Wärmeatlas ~ 950, was mir recht plausibel erscheint


y+ 0,5

300000

y+ 31

9500

Mit zunehmenden y+ nehmen die Werte ab.
k-e enhanced wandfunktion, mit der die viskose Unterschicht aufgelöst werden kann:

Die selben Werte wie beim laminaren Modell. Selbst wenn man die Strömung auf 0,5 m/s erhöht, Re ~ 4000 und sich somit in der Transitionsphase befindet, das gleiche Phänomen wie beim laminaren Modell. Das gleiche gillt auch für das k-w std und k-w sst Modell, immer da wo die viskose Unterschicht aufgelöst wird. Erst mit k-e und einer Standard Wandfunktion bzw. scalable Wandfunktion wo die viskose Unterschicht nicht aufgelöst wird erhält man ziemlich unabhängig vom y+ folgende Werte:

Max. 1300 und Min. 950. Da in der Einlassbedingung kein Ströumgsprofil definiert wurde und sich das richtige Rohrströmungsprofil erst entlang des Rohres ausbildet, sind die 950 sehr gut übereinstimmend nach VDI Wärmeatlas und somit plausibel.

Was könnte die Ursache sein, warum ergibt beim auflösen der Viskosenunterschicht bzw. laminare Strömung solche abstrusen Werte? Die Hauptgrößen wie Druck oder die Temperatur werden unabhängig von der Wandfunktion stets richtig aufgelöst.


[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 09. Nov. 2018 editiert.]

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Shor-ty
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erstellt am: 09. Nov. 2018 07:26    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Duke711 10 Unities + Antwort hilfreich

Hallo Duke,

wie berechnest du deinen Wärmebübergang denn?
Allgemein kann das Problem an vielen Thematiken liegen. Gerade deine Einlassdefinition hat hier einen Einfluss, der mit verschiedenen Netzen natürlich zum Tragen kommt. Bitte beachte auch, dass der VDI eine Näherung ist und auch nicht 100% genau ist. Irgendwo sind glaub ich die Toleranzen angegeben. Wenn ich mich nicht täusche sind das auch - je nach Anwendung - 5 % bis 20 % Unsicherheit.

Weitere Informationen die ich noch so zusammengeschrieben habe, bevor ich den ganzen Thread gelesen hatte 

Zitat:

Wandfunktionen mit y+ < 27.3 (Wert hab ich gerade nicht im Kopf) macht keinen Sinn und ist falsch. Bei kleinen y+ Werten ist keine Wandfunktion zu verwenden. Die intension von Wandfunktionen ist ja gerade die, die Grenzschicht nicht auflösen zu müssen. Des Weiteren stellt sich mir die Frage wie du was auswertest. Ein Rohr bei dem du die Geschwindigkeit mit fixedValue vorgibst, hat sicherlich einen wesentlich höheren WÜ als der VDI, da du zuerstmal die viskose Grenzschicht ausbilden musst und die Ausbildungslänge ist wiederum von deinem Netz abhängig. Ferner, andere Turbulenzmodelle, andere Größen. k-Epsilon im Allgemeinen ist nicht geeignet für solche Untersuchungen, da die Dissipation (epsilon) vor allem im Internal-Field korrekt ist (die Annahmen die getroffen werden, treffen nur sehr ungenügend auf die Grenzschicht zu, da vor allem die Geschwindigkeitskomponenten nicht mehr isotrop sind). Daher würde ich eher mal auf das Omega Modell wechseln, zwecks den Frequenzen. Hinzukommt, dass bei Re < 2700 ein Turbulenzmodell lediglich die Diffusion erhöht - je nach Parameter. Hier wäre natürlich auch interessant, welche InletParameter du für k/epsilon/omega verwendest.

Gutes gelingen.

------------------
Viele Grüße,
Tobi

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Duke711
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erstellt am: 09. Nov. 2018 10:40    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Als Einlassbedingung habe ich einen Massenstrom vorgegeben, keine Geschwindigkeit, da ansonsten die Strömung deutlich laminarer wäre als nach VDI.

Mit k-w std und k-w sst Modell ist das K Omega Modell gemeint. STD für Standard und sst für das Hybrid Modell ("Industriestandard"). Liefert die selben Ergebnisse wie das k-e Modell mit der erweiterten Wandfunktion "enhanced wall treatment" das für y+ < 4 bestimmt ist:

https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/17.0/en-us/help/flu_th/flu_th_sec_ewt_eps.html


Den Wärmeübergangskoeffizient berechne ich wie folgt, bzw. das macht das Programm im Contour-Plott ja selbst:

k = Q / A * (T1 -T2)

Das dies funktioniert, sieht man ja an der scalable Wandfunktion. Ich denke wir sind uns einig, das ~ 950 relativ stimmig sind und 300000 eher weniger. Interessant ist es ja ganz ohne Turbulenzmodell mit einen feinen Netz, y+ 0,5, wo ja prinzipiell bei Re 1980 die genauesten Werte zu erwarten sind.
Das ganze habe ich noch mal für Re 4000 und 11000 wiederholt.

Achja als Korrektur, ich meinte kein Standard k-e Modell, das liefert für Re < 15000 nur absurde Werte, sondern k-e RNG bzw. Realizable


[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 09. Nov. 2018 editiert.]

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Shor-ty
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OpenFOAM-dev (Foundation)

erstellt am: 09. Nov. 2018 12:46    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Duke711 10 Unities + Antwort hilfreich

Hi Duke,

kurze Ergänzung.


  • Mir sind die Unterschiede zwischen den Turbulenzmodellen schon klar   meine ge-quoteten Aussagen habe ich getätigt, bevor ich deinen ganzen Beitrag gelesen hatte. Wurde aber erwähnt.
  • Wie berechnest du dir dein Wärmestrom?
  • Ja, 950 vs 300.000 ist natürlich eine ganz andere Hausnummer
  • Kannst du bitte die Quellen für y+ < 4 mit Wandfunktion nennen?

Allgemein wechselt das SST-Model grob gesagt zwischen k-Epsilon und k-Omega, daher ist es sehr beliebt, da es ein größeres Spektrum von Regionen abdeckt. Das Paper dazu müsste ich sogar irgendwo herumliegen haben. In all meiner Literatur bezüglich Turbulenzmodellen und Wandfunktionen ist mir der Wert y+ < 4 in Kombination mit Wandfunktionen nicht bekannt; macht auch keinen Sinn wenn die Theorie betrachtet wird. Die einzige plausible Erklärung ist letztlich, dass das Modell zwischen Wandfunktion und keiner Wandfunktion Betrachtung aufgrund des dimensionslosen Wandabstands y+ hin-und-her wechselt. Wie erwähnt, bitte um genau Literatur für deine Aussage.

Mit deiner Aussage

Zitat:

..., macht das Programm im Countour-Plott ja selbst


kann ich nicht zuordnen, da OpenFOAM keine GUI bereitstellt. Es könnte höchstens ParaView sein. Hier muss man aber bereit darauf achten was durchgeführt wird. ParaView Daten sind oft falsch, da der User unsinnige Sachen macht (ist in meiner Anfangszeit des öfteren passiert). Kurze Recherche (aber natürlich auch kein Paper):

Zitat:

As a result it mainly gives improved predictions for the spreading rate of jets, a superior ability to capture the mean flow of complex structures and for flows involving rotation, boundary layers under strong adverse pressure gradients, separation and recirculation. If you predict such flow in your case you should really think about to use this variation of the k-ɛ model.

But both model variants do use wall functions. So no matter if you use the standard or realizable k−ɛ model you must make sure the y+ -values in your first cell near the wall must not be below 30 and should not excessively exceed values of 100. If your mesh does not fulfill these requirements you need to remesh your geometry to get reasonable results.

Von hier: https://www.cfd-online.com/Forums/main/162378-differenze-between-k-epsilon-realizable-k-epsilon.html#post572619


- https://www.cfd-online.com/Wiki/RNG_k-epsilon_model
- https://www.cfd-online.com/Wiki/Realisable_k-epsilon_model

In deinen Betrachtungen mit Turbulenzmodellen würde ich dann höchsten zu den Low-Re Modellen zurückgreifen.

Als letzten Punkt. Kannst du bitte erklären, was es mit deinem massFlowRate vs. [fixedValue] inlet zu tun hat? Deine Aussage bitte begründen, wieso und was das mit der Laminarität zu tun hat. Ich bin immer neugierig auf neue Sachen.

------------------
Viele Grüße,
Tobi

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Duke711
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erstellt am: 09. Nov. 2018 17:05    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Zitat:

"In all meiner Literatur bezüglich Turbulenzmodellen und Wandfunktionen ist mir der Wert y+ < 4 in Kombination mit Wandfunktionen nicht bekannt; macht auch keinen Sinn wenn die Theorie betrachtet wird. Die einzige plausible Erklärung ist letztlich, dass das Modell zwischen Wandfunktion und keiner Wandfunktion Betrachtung aufgrund des dimensionslosen Wandabstands y+ hin-und-her wechselt. Wie erwähnt, bitte um genau Literatur für deine Aussage"

Richtig, die erweiterte Wandfunktion ist nichts anders als ein Umschalter:


Enhanced Wall Treatment for the -equation is a near-wall modeling method that combines a two-layer model with so-called enhanced wall functions. If the near-wall mesh is fine enough to be able to resolve the viscous sublayer (typically with the first near-wall node placed at ), then the enhanced wall treatment will be identical to the traditional two-layer zonal model (see below for details). However, the restriction that the near-wall mesh must be sufficiently fine everywhere might impose too large a computational requirement. Ideally, one would like to have a near-wall formulation that can be used with coarse meshes (usually referred to as wall-function meshes) as well as fine meshes (low-Reynolds number meshes). In addition, excessive error should not be incurred for the intermediate meshes where the first near-wall node is placed neither in the fully turbulent region, where the wall functions are suitable, nor in the direct vicinity of the wall at , where the low-Reynold-number approach is adequate.

To achieve the goal of having a near-wall modeling approach that will possess the accuracy of the standard two-layer approach for fine near-wall meshes and that, at the same time, will not significantly reduce accuracy for wall-function meshes, ANSYS Fluent can combine the two-layer model with enhanced wall functions, as described in the following sections.

----------------------------

- Ich verwende Fluent, somit sind Contour-Plottfehler eher ausgeschlossen. Aber unabängig von CFD Programm sind die Modelle alle gleich.


Zitat:

"Als letzten Punkt. Kannst du bitte erklären, was es mit deinem massFlowRate vs. [fixedValue] inlet zu tun hat? Deine Aussage bitte begründen, wieso und was das mit der Laminarität zu tun hat. Ich bin immer neugierig auf neue Sachen."

Nach den empirischen Gleichungen für den Wärmeübergang beim VDI-Wärmeatlas wird kein Strömungsprofil bezüglich der Geschwindigkeit berücksichtigt. An einer Einlassbedingung ohne Profil bildet sich entlang des Rohres das typisches Strömungsprofil aus. Wenn jetzt ein Velo-Inlet von z.B. 0,2 m/s ohne Profil gesetzt wird, dann ist der tatsächliche Massenstrom nach m' = roh * u * A mit dem Velo-Inlet deutlich geringer als bei einen Massflowrate-Inlet.

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Shor-ty
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erstellt am: 09. Nov. 2018 18:38    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Duke711 10 Unities + Antwort hilfreich

Du erwähntest Fluent. Arbeitst du jetz mit Fluent oder OpenFOAM?
In Foam ist es nämlich egal ob du einen MassFlowRateInlet hast oder ein FixedValue Geschwindigkeitsfeld.

Code:

        const scalar avgU = -flowRate_->value(t)/gSum(rho*patch().magSf());   
        operator==(avgU*n);

Letztlich berechnest du einen gemittelten Geschwindigkeitsvektor - gleichzusetzen mit fixedValue.

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Tobi

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