A mikroskálájú modellek turbulencia peremfeltételeiről

Hasonló dokumentumok
SZAKDOLGOZAT VIRÁG DÁVID

Numerikus szimuláció a városklíma vizsgálatokban

Turbulencia és modellezése. lohasz [at] ara.bme.hu. Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. GEA EGI Energiagazdálkodási Zrt

BME HDS CFD Tanszéki beszámoló

Biomechanika előadás: Háromdimenziós véráramlástani szimulációk

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Hő- és áramlástani feladatok numerikus modellezése

HÍDTARTÓK ELLENÁLLÁSTÉNYEZŐJE

Folyami hidrodinamikai modellezés

Írja fel az általános transzportegyenlet integrál alakban! Definiálja a konvektív és konduktív fluxus fogalmát!

Végeselem modellezés alapjai 1. óra

Gázturbina égő szimulációja CFD segítségével

Simított részecskedinamika Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

Szívókönyökök veszteségeinek és sebességprofiljainak vizsgálata CFD szimuláció segítségével

Aktuális CFD projektek a BME NTI-ben

Large Eddy Simulation FLUENT rendszerben, alkalmazás bordázott csatorna számítására

Konvektív hıtranszport CFD vizsgálata

A CFD elemzés minőségéről és megbízhatóságáról. Modell fejlesztési folyamata. A közelítési rendszer. Dr. Kristóf Gergely Október 11.

Felületi feszültség: cseppfolyós-gáz határfelületen a vonzerő kiegyensúlyozatlan: rugalmas hártyaként viselkedik.

Technikai áttekintés SimDay H. Tóth Zsolt FEA üzletág igazgató

Meteorológiai előrejelzések

A numerikus előrejelző modellek fejlesztése és alkalmazása az Országos Meteorológiai Szolgálatnál

Artériás véráramlások modellezése

Energiatételek - Példák

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

Artériás véráramlások modellezése

Győri HPC kutatások és alkalmazások

Légköri szennyezőanyagok keveredése városi környezetben

Bevezetés az időjárás és az éghajlat numerikus (számszerű) előrejelzésébe

Turbulens áramlás modellezése háromszög elrendezésű csőkötegben

Számítógépes szimulációk: molekuláris dinamika és Monte Carlo

Overset mesh módszer alkalmazása ANSYS Fluent-ben

MISKAM gyakorlat december 4. Beadandó az Áramlások modellezése környezetvédelemben c. tantárgyhoz. Titkay Dóra - CBAGKH

Tartószerkezet-rekonstrukciós Szakmérnöki Képzés

TERMÉKTERVEZÉS NUMERIKUS MÓDSZEREI. 1. Bevezetés

Tartalomjegyzék. Typotex Kiadó, 2010

LEVEGŐZTETETT HOMOKFOGÓK KERESZTMETSZETI VIZSGÁLATA NUMERIKUS ÁRAMLÁSTANI SZIMULÁCIÓVAL

Lemez- és gerendaalapok méretezése

mérlegegyenlet. ϕ - valamely SKALÁR additív (extenzív) mennyiség térfogati

Nagyfelbontású magassági szélklimatológiai információk dinamikai elıállítása

A diplomaterv keretében megvalósítandó feladatok összefoglalása

F. F, <I> F,, F, <I> F,, F, <J> F F, <I> F,,

Changes of heat transfer coefficient of the flow in T- shape depending on several numerical methods and simulation models

6. TURBULENS MODELLEZÉS A CFD-BEN

Alap-ötlet: Karl Friedrich Gauss ( ) valószínűségszámítási háttér: Andrej Markov ( )

Modellezési esettanulmányok. elosztott paraméterű és hibrid példa

A Balaton szél keltette vízmozgásainak modellezése

GEOTECHNIKA I. LGB-SE TALAJOK SZILÁRDSÁGI JELLEMZŐI

Fluid-structure interaction (FSI)

Ipari és kutatási területek Dr. Veress Árpád,

időpont? ütemterv számonkérés segédanyagok

Szennyezőanyagok terjedésének numerikus szimulációja, MISKAM célszoftver

A TERVEZETT M0 ÚTGYŰRŰ ÉSZAKI SZEKTORÁNAK 11. ÉS 10. SZ. FŐUTAK KÖZÖTTI SZAKASZÁN VÁRHATÓ LÉGSZENNYEZETTSÉG

Eddig csak a polinom x-ben felvett értékét kerestük

Szabadsugár. A fenti feltételekkel a folyadék áramlását leíró mozgásegyenlet és a kontinuitási egyenlet az alábbi egyszerű alakú: (1) .

CFX számítások a BME NTI-ben

Hidraulika. 1.előadás A hidraulika alapjai. Szilágyi Attila, NYE, 2018.

Turbulencia és modellezése I.

Hidrosztatika, Hidrodinamika

Fémtechnológiák Fémek képlékeny alakítása 1. Mechanikai alapfogalmak, anyagszerkezeti változások

Áramlástan kidolgozott 2016

Tartószerkezet-rekonstrukciós Szakmérnöki Képzés

Folyadékáramlás. Orvosi biofizika (szerk. Damjanovich Sándor, Fidy Judit, Szöllősi János) Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2006

Univerzalitási osztályok nemegyensúlyi rendszerekben, Ódor Géza

A talajok összenyomódásának vizsgálata

Valószínűségszámítás összefoglaló

Lagrange és Hamilton mechanika

Gépészeti rendszertechnika (NGB_KV002_1)

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Új klímamodell-szimulációk és megoldások a hatásvizsgálatok támogatására

HŐÁTADÁS MODELLEZÉSE

Modellek és Algoritmusok - 2.ZH Elmélet

Hidroszféra. Légkör. Tartalom. Klímaváltozás. Idıjárás és éghajlat. Éghajlati rendszer: a légkör és a vele kölcsönhatásban álló 4 geoszféra együttese

Dinamikus modellek felállítása mérnöki alapelvek segítségével

Explicit hibabecslés Maxwell-egyenletek numerikus megoldásához

Parabolikus feladatok dinamikus peremfeltétel mellett

Ejtési teszt modellezése a tervezés fázisában

Diszkréten mintavételezett függvények

Turbulencia és modellezése jegyzet. Lohász Máté Márton, Régert Tamás. Áramlástan Tanszék. Saját használatra

SZIMULÁCIÓ ÉS MODELLEZÉS AZ ANSYS ALKALMAZÁSÁVAL

ODE SOLVER-ek használata a MATLAB-ban

I. A CFD alkalmazási területei Néhány érdekes korábbi CFD projekt

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőmérnöki Kar Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék. Tudományos Diákköri Konferencia 2015

MUNKA- ÉS ENERGIATÉTELEK

MUNKAGÖDÖR TERVEZÉSE

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

HÍD METSZET ÁRAMLÁSTANI VIZSGÁLATA NAGY-ÖRVÉNY SZIMULÁCIÓVAL

Meteorológiai Tudományos Napok 2008 november Kullmann László

KORSZERŐ ÁRAMLÁSMÉRÉS 1. - Dr. Vad János docens Általános áramlásmérési blokk: páratlan okt. h. kedd

A Richardson-extrapoláció és alkalmazása a Dániai Euleri Modellben

Látogatás a BGU-n: jégkorszakokról a sivatagban

Parciális dierenciálegyenletek

Áramlásszimulációk a víz- és szennyvíztechnológia témakörében

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Differenciálegyenletek december 13.

Az SCWR-FQT tesztszakaszának CFD analízise: a be- és kilépő rész vizsgálata

Evans-Searles fluktuációs tétel

Diszkrét Matematika. zöld könyv ): XIII. fejezet: 1583, 1587, 1588, 1590, Matematikai feladatgyűjtemény II. (

Lokális szennyezőanyag-terjedés modellezése

Átírás:

A mikroskálájú modellek turbulencia peremfeltételeiről Adjunktus Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Áramlástan Tanszék 27..23. 27..23. / 7

Általános célú CFD megoldók alkalmazása BMW Sauber AG. c HiTech CFD c Desktop Engineering c Saját szimuláció (Stadion membrántető vizsgálata) 27..23. 2 / 7

Hidro-Termodinamikai Egyenletrendszer (HTE) Megmaradási tételek gázokra Impulzusmegmaradás (Navier Stokes egyenletek): u t + u u = ρ p + ν Tömegmegmaradás (kontinuitás): ρ t + (ρu) = Energiamegmaradás (energia egyenlet): [ 2 u + 3 ( u) ] + g (ρc p T ) + (ρc p T u) = (k T ) + H t Anyagtulajdonságok: Az ideális gáz állapotegyenlete: p = ρrt 27..23. 3 / 7

A HTE Numerikus közelítő megoldása (CFD) Mivel az általános analitikus megoldás ismeretlen, numerikus módszereket alkalmazunk Térbeli diszkretizáció (rács vagy cellahálózat) Időbeli diszkretizáció (időlépés) (a korlátos tartomány határain) Kezdeti feltételek (a rendszer kezdeti állapota) A hatékonyság érdekében: Egyszerűsítjük a geometriát Egyszerűsítjük az egyenleteket Időfüggés Összenyomhatóság Turbulens jelleg Ideális koordináta-rendszer Modellezzük a bonyolult folyamatokat (pl. a turbulenciát) 27..23. 4 / 7

Térbeli diszkretizáció Véges Térfogat Módszer n 4 f n (Φ) f 4(Φ) f 2(Φ) Φ n i 2 n 3 f 3(Φ) Φ t + f (Φ) = [ ] Φ t + f (Φ) dv = V V Φ t dv + A f (Φ) nda = V i Φ i t + j f j (Φ i ) na j = 27..23. 5 / 7

: Reynolds átlagolt N S (RANS) Felbontjuk a változókat: u(x, t) = u(x) + u (x, t) Visszahelyettesítés után átlagoljuk az egyenleteket Az átlagolt egyenletek nem zártak, magasabb rendű nem-lineáris tagok maradnak: u i u j 4 3.8 u(x,t) ū (x) u (x,t) u [m/s] 3.6 3.4 3.2.2.4.6.8 t/τ [-] 27..23. 6 / 7

A Reynolds feszültségek modellezése Egyszerűsítések a továbbiakban: Összenyomhatatlan közeg: ρ = konstans kg m 3 Nagy viszkozitás-arány: ν ν t Boussinesq hipotézis (ν t örvényviszkozitással): ( u i u j = ν vi t + v ) j 2 x j x i 3 kδ ij, ahol k = 2 u i u i a turbulens kinetikus energia (TKE). Örvényviszkozitás modellezése (két egyenletes modell): ν t = c klm, ahol l m = c 2 k.5 ɛ a keveredési úthossz. Transzport egyenletek a turbulens kinetikus energiára és disszipációjára (ɛ-ra). 27..23. 7 / 7

Inhomogenitás - légköri profilok elfajulása Általános célú megoldók turbulenciamodelljei légköri áramlásra: Elmélet: A teljesen kialakult légköri profilok mellett a határréteg áramlásirányban homogén Valóság: A mérési tapasztalatokkal jól egyező légköri profilok elfajulnak az áramlásirány mentén 27..23. 8 / 7

és a modell összhangja Ki kell elégíteniük az D turbulenciamodellt (k ɛ): z ( νt ɛ z σ ɛ z u ν t z = τ w = u 2 τ ( νt k σ k z ) + P k ɛ + S k = ) ɛ + C ɛ P k k C ɛ 2 ɛ2 k + S ɛ = Ahol a ν t örvényviszkozitásra és P k TKE produkcióra: ν t = C µ k 2 ɛ, P k = ν t ( ) U 2 z 27..23. 9 / 7

Megfelelő belépő peremfeltételek Mérési tapasztalatokkal jól egyező profilok: u(z) = u ( ) τ z + κ ln z ( ) ( ) z + z z + 2 ( ) z z + z k(z) = A ln + B + C + D z z z z ɛ(z) = u τ k C µ κ (z + z ) Kielégítik az D k ɛ modellt Megfelelő C µ, S k és S ɛ függvényekkel. 27..23. / 7

Megfelelő alsó (fali) peremfeltételek (u, k, ɛ, ν t, P k ) Sebesség a falon: u (z = ) = Turbulens kinetikus energia a falon: k = z z= Disszipáció a fal melletti első cellában: Turbulens egyensúlyt feltételezve: ( ) 2 u k 2 ( ) 2 u P k = ν t = C µ = ɛ z ɛ z Implementáció: ɛ = C.75 µ k.5 κ (z + z ) és P k = ν t u C µ.25 k.5 z κ (z + z ) Örvényviszkozitás a fal melletti első cellában: ( ) u τ w = u 2 u τ = ν t ν t z z ν t = κu τ z ( ) ln z+z z 27..23. / 7

2D validáció valós skálán Tipikus légköri léptékű alkalmazás (L = 5km, H = 5m) 2D validáció laboratóriumi skálán CEDVAL A (L = 5m, H = m) TOKYO UNI WT (L = 5m, H =.5m) ERCOFTAC 69 (L = 5m, H =.6m) L Felső perem (Dirichlet) H Belépés (Dirichlet) Kilépés (Neumann) Alsó (fali) perem (Vegyes) 27..23. 2 / 7

Tipikus légköri léptékű alkalmazás 5 4 3 2 Full-scale U 5 4 3 2 Full-scale TKE 5 4 3 2 Full-scale TKED Inlet Outlet RH Outlet PB Outlet BM 5 5 2 U [ms -2 ]..2.3.4.5 k [m 2 s -2 ] Full-scale N-D WSS.5... ε [m 2 s -3 ].25 τ w /τ w,theory [-].75 Ground RH Ground PB Ground BM.5 2 3 4 5 x [km] 27..23. 3 / 7

CEDVAL A-.8.6.4 CEDVAL A- U Inlet BM Outlet BM Inlet PB Outlet PB Exp..8.6.4 CEDVAL A- TKE.8.6.4 CEDVAL A- TKED.2.2.2 2 3 4 5 6 7 U [ms -2 ].3.4.5.6.7.8 k [m 2 s -2 ]. ε [m 2 s -3 ].5.25 CEDVAL A- N-D WSS Ground BM Ground PB τ w /τ w,theory [-].75.5 2 3 4 5 x [m] 27..23. 4 / 7

TOKYO UNI WT.5.4.3.2. TOKYO UNI WT U Inlet BM Outlet BM Inlet PB Outlet PB Exp..5.4.3.2. TOKYO UNI WT TKE.5.4.3.2. TOKYO UNI WT TKED.2.4.6.8.2.4 U [ms -2 ].2.4.6.8..5.25 k [m 2 s -2 ] TOKYO UNI WT N-D WSS Ground BM Ground PB... ε [m 2 s -3 ] τ w /τ w,theory [-].75.5 2 3 4 5 x [m] 27..23. 5 / 7

ERCOFTAC 69.6.4.2.8.6.4.2 ERCOFTAC 69 U Inlet BM Outlet BM Inlet PB Outlet PB Exp..6.4.2.8.6.4.2 ERCOFTAC 69 TKE.6.4.2.8.6.4.2 ERCOFTAC 69 TKED 2 3 4 5 U [ms -2 ].5..5.2.5.25 k [m 2 s -2 ] ERCOFTAC 69 N-D WSS Ground BM Ground PB.... ε [m 2 s -3 ] τ w /τ w,theory [-].75.5 2 3 4 5 x [m] 27..23. 6 / 7

Kérdések Köszönöm a figyelmet! 27..23. 7 / 7

A modell adaptációja komplex domborzat feletti áramlásokra A homogén légköri határrétegek modellezésére fejlesztett turbulencia modell komplex domborzat felett nem teljesít jól A határréteg szabad fejlődését korlátozzák a bevezetett forrástagok Tetszőleges felszín feletti határrétegekre: Közömbösítjük az S k és S ɛ forrástagokat A lokális sebességeltérés alapján ( u hom u lok ) Folytonosan sima átmenetet biztosítva Szinuszoidális átkeverő függvénnyel 27..23. 8 / 7

Az Askervein hegy (TU3-B) Háló ni nj n k xmin és ymin zmin Durva felbontás 5 84 35 5m.8m 27..23. 9 / 7

3D validáció (u h az A vonal mentén) U h [ms - ] 2 6 2 8 meas. OpenFOAM C OpenFOAM O Fluent C Fluent O 4 - -75-5 -25 25 5 distance from HT [m] 27..23. 2 / 7

3D validáció (w az A vonal mentén) W [ms - ] 6 4 2-2 -4 - -75-5 -25 25 5 distance from HT [m] 27..23. 2 / 7