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MDG Engineering Nutzt Xometry, Um Medizinische Geräte Zu Bauen Und Das Globale Wachstum Voranzutreiben, ein Anwenderbericht
Autor Thema:  Zusammenspiel von interFoam/interIsoFoam, nutkRoughWallFunction, Yplus(y+) (555 / mal gelesen)
Jojo-Sim
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Beispiel-interFoam-Ks-0-003.zip

 
Zusammenspiel von interFoam/interIsoFoam, Gitterauflösung, Wandfunktion nutkRoughWallFunction und Yplus (y+) für realistische Geschwindigkeit

Liebes Forum:
Meine Aufgabe besteht darin, Regenwasser auf Äckerflächen mit unterschiedlicher Bodenrauigkeit (je nach Bearbeitung) auf Hängen abfließen zu lassen. Dazu hätte ich mehrere Fragen an das Forum!
Ich habe mir für die Aufgabe eine Modelldomäne gebaut mit einer Rampenfläche von 4m Breite und (projiziert auf die Grundfläche) 10 m Länge, also ca. 40 qm. Seitlich habe ich niedrige Stufen eingebaut, sodaß das Wasser wirklich komplett die Rampe hinab fließt. Die Neigung der Rampe beträgt 2, 5 oder 10%, als Standardfall rechne ich mit 5 %. Das patch „leftoben_mitte“ am oberen Rand der Rampe habe ich als inlet definiert, hier lasse ich pro Sekunde 0,00012 Kubikmeter Wasser zufließen. Rechnet man das auf 40 qm um, so entspricht dies einem kräftigen Regen von knapp 11 mm pro Stunde (oder äquivalent 11 Liter pro qm und Stunde).
Einen Beispielfall habe ich angehängt.
1. Frage: Wären die Randbedingungen und die Konfiguration soweit in Ordnung?

Als Gleichungslöser benutze ich sowohl interFoam (OF-8, openfoam.org) als auch interIsoFoam (OF-v2106, openfoam.com), jeweils RAS und Turbulenzmodell k-epsilon. Den 3D-Ansatz benutze ich auch deshalb, weil in weiteren Schritten z.B. auch Abflußrinnen im Acker abgebildet werden sollen. Als Wandfunktion für den Boden und seine starke Rauheit nutze ich „nutkRoughWallFunction“. (Speziell zu diesem Thema habe ich auch einen Beitrag bei Luke92 im Forumsthema „Rauigkeiten“ verfaßt).

Mit welchen Unterschieden ist bei interIsoFoam mit seinem Algorithmus „isoAdvector“ zu rechnen? Im Tutorium für weirOverflow ist mit interIsoFoam trotz k-epsilon-Modell die Turbulenz beim Fluß fast gar nicht vorhanden, ganz anders als die ausgeprägte Turbulenz mit interFoam.

2. Frage: Was bedeutet das allgemein für das Zusammenspiel mit Wandfunktionen wie nutkRoughWallFunction?

Ich habe zur Anschauung – wie gesagt – einen Beispielfall (Variante 1) angehängt. InterFoam mit nutkRoughWallFunction und Ks = 0,003 für den Boden. Diesen Fall habe ich für 200 Sek. laufen lassen, um eine ungefähre Stabilität des Wassergehaltes für den Block „bodenmitte“ zu erreichen, durch den das Wasser fließt (Stabilität stellte sich tatsächlich schon ab ca. 70 Sek. ein).
y+(water), was ich als postProcessing ausgewertet habe, beträgt hier: y+ = 94 (Durchschnitt).

In Variante 2 habe ich genau die selbe Konfiguration genommen, diesmal aber mit Ks = 0,3 (also sehr rauh), sonst aber alles unverändert. Für die Erreichung eines ungefähren Stabilitätszustandes im Wassergehalt waren nun 2700 Sek. nötig.
y+(water) beträgt hier: y+ = 173 (Durchschnitt).

In Variante 3 habe ich abermals Variante 1 als Vorlage genommen, Ks bei 0,003 belassen, aber diesmal den Löser interIsoFoam verwendet. Die Laufzeit betrug hier, wie bei Variante 1, 200 Sekunden.
y+(water) liegt hier bei: y+ = 39 (Durchschnitt).

Zur Bewertung habe ich nun auch die Forumsdiskussion zu y+ gelesen mit den Antworten von RevolutionZero und Shor-ty/Tobi:
https://ww3.cad.de/foren/ubb/Forum527/HTML/000953.shtml

3. Frage: Gelten diese Empfehlungen zu y+ (bei k-epsilon-Turbulenzmodell) auch bei Multiphasenlösern nach der VOF-Methode wie interFoam und interIsoFoam?

4. Frage und Hauptfrage: wann kann ich von Abfluß- oder Durchflußgeschwindigkeiten des Wassers ausgehen, die jedenfalls ziemlich nahe an der Realität sind? Sobald y+ zwischen 60 und 100 liegt, was Shor-ty als „super“ bezeichnet?

Hinweise zu meinen 4 Fragen wären großartig!


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speedforce
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erstellt am: 29. Aug. 2024 09:03    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 Jojo-Sim 10 Unities + Antwort hilfreich

Hi, welche Antworten hast du selbst im Laufe der Zeit für deine Fragestellung gefunden?
Gruß, Markus

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Jojo-Sim
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Beiträge: 4
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erstellt am: 29. Okt. 2024 16:03    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

Hallo Markus,
leider habe ich zwar viele, aber keine richtig befriedigenden Antworten gefunden. Das Bild ist eher diffus. Im Folgenden versuche ich aber, meine Ergebnisse in einer hoffentlich guten Übersicht darzustellen (die Varianten entsprechen den Varianten aus meinem ersten Beitrag). Außerdem habe ich Screenshots angefügt.

Variante 1 (auch als Beispielfall mit OF-Dateien am ersten Beitrag angehängt): InterFoam mit nutkRoughWallFunction, Ks = 0,003 für den Boden, unterste Bodenschicht 6,03 mm, Zufluß: 0,00012 m3/s. Laufzeit: 200 Sek. (Stabilität ab ca. 70 Sek. ).  y+ = 94 (Durchschnitt).
2 Screenshots zu 2 Zeitpunkten angehängt. Clip-Funktion: a.w.+ U. a.w. bei 0,01. U begrenzt bei 0,3m/s. Wie man gut sieht, wird die Geschwindigkeit vom Einfluß zum Ausfluß hin immer langsamer (am Ausfluß ein etwas künstlich aussehender Randstreifen).
Auswertung mit Plot-over-line bei 9,8m(x) direkt an der Oberfläche:U(x) ca. 0,21 m/s. Die durchschnittliche Höhe des Wasserfilms liegt bei 0,12 mm. Der Wasserausfluß(postProcess)  entspricht gut dem Wassereinfluß.


Variante 2: InterFoam mit nutkRoughWallFunction, Ks = 0,3, unterste Bodenschicht 6,03 mm, Zufluß 0,00012 m3/s. Nur Ks (hier sehr rau) verändert gegenüber Variante 1!
Laufzeit 2700 Sek. bis zu Stabilität. y+ = 173 (Durchschnitt).
2 Screenshots zu 2 Zeitpunkten angehängt. Clip-Funktion: a.w. + U. a.w. bei 0,45. U begrenzt bei 0,3 m/s. Im Gegensatz zu Variante 1 sehr gleichmäßige Wasserbedeckung und sehr gleichmäßige U-Verteilung.
Auswertung mit Plot-over-line bei 9,8m(x) direkt an der Oberfläche:U(x) ca. 0,011 m/s. Die durchschnittliche Höhe des Wasserfilms liegt bei 4,13 mm. Der Wasserausfluß(postProcess)  entspricht gut dem Wassereinfluß.

Variante 3: InterIsoFoam mit nutkRoughWallFunction. Ks = 0,003, unterste Bodenschicht 6,03mm, Zufluß 0,00012 m3/s. Nur der Löser (hier interIsoFoam) verändert gegenüber Variante 1!
Laufzeit 200 Sek.. y+ = 39 (Durchschnitt).
2 Screenshots zu 2 Zeitpunkten angehängt. Clip-Funktion: a.w. + U. a.w. bei 0,005. U begrenzt bei 0 m/s nach unten und 0,5 m/s nach oben. Im Gegensatz zu Variante 1 Wasser hier überall nur fleckenhaft auftretend. U sinkt Richtung Ausfluß immer weiter, mit keilförmiger U-Struktur Richtung Ausfluß. Direkt am Ausfluß sind auch negative Bereiche vorhanden.
Auswertung mit Plot-over-line bei 9,8m(x) direkt an der Oberfläche:U(x) schwankt von Zeitschritt zu Zeitschritt sehr stark, geschätzt liegt der Durchschnitt zwischen 170 und 200s bei 0,05 m/s. Die durchschnittliche Höhe des Wasserfilms liegt bei 0,1 mm. Der Wasserausfluß (postProcess)  entspricht gut dem Wassereinfluß.


Variante 4: (kam in meiner ersten Nachricht nicht vor) InterIsoFoam mit nutkWallFunction, uniform = 0, unterste Bodenschicht = 6,03 mm, Zufluß = 0,00012 m3/s. Nur die Wandfunktion (hier nutkWallFunction, uniform = 0) und der Löser (hier interIsoFoam) sind verändert gegenüber Variante 1. Gegenüber Variante 3 ist nur die Wandfunktion verändert.
Laufzeit: 100 Sek.. y+ = 22 (Durchschnitt).
2 Screenshots zu 2 Zeitpunkten angehängt. Clip-Funktion: a.w. + U. a.w. bei 0,005. U begrenzt bei  0,7 m/s nach oben. Ähnliche Erscheinung wie Variante 3. Wasser überall nur fleckenhaft auftretend. U sinkt Richtung Ausfluß immer weiter, mit keilförmiger U-Struktur Richtung Ausfluß (ohne negative U-Werte am Ausfluß).
Auswertung mit Plot-over-line bei 9,8m(x) direkt an der Oberfläche:U(x) liegt zwischen 90 und 100 s bei ca. 0,3 bis 0,4 m/s .
Die durchschnittliche Höhe des Wasserfilms liegt bei 0,075 mm. Der Wasserausfluß (postProcess) ist um mehr als eine Zehnerpotenz zu gering (seitlich fließt nichts ab, die Ursache konnte nicht gefunden werden).

Bilanz:
Bei wenig oder gar keiner Reibung: Ux anscheinend stark abhängig von der Rampenlänge!
Variante 1: Dürfte viel zu schnell sein!
Variante 3: (Ks-Wert wie Variante 1) vermutlich immerhin realitätsnäher als diese.
Variante 4: (ohne Reibung) diese Variante dürfte bei dieser sehr geringen Wasserschichthöhe erst recht deutlich zu hohe Werte zu haben!
Schließlich handelt es sich bei Variante 1, 3 und 4 nur um Wasserfilme von weniger oder deutlich weniger als einem Millimeter auf der Oberfläche! Da würde ich jedenfalls denken, daß die Oberflächenhaftung bereits einen bedeutenden Einfluß hat?
Variante 2 mit starker Rauigkeit macht vergleichsweise einen wenigstens realistischeren Eindruck.

Diskussionsbeiträge dazu würden mich weiterhin sehr freuen!
Gruß, Johannes

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Jojo-Sim
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erstellt am: 29. Okt. 2024 16:06    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

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