1 / 29

Tomasz Michałek

Tomasz Michałek. Metoda oceny wiarygodności symulacji numerycznych przepływów lepkich i termicznych. Ins tytut Podstawowych Problemów Techniki Pol ska Akademia Nauk Zakład Mechaniki i Fizyki Płynów. Cel pracy:.

tommy
Download Presentation

Tomasz Michałek

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Tomasz Michałek Metoda oceny wiarygodności symulacji numerycznych przepływów lepkich i termicznych Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polska Akademia Nauk Zakład Mechaniki i Fizyki Płynów

  2. Cel pracy: Opracowanie metody oceny wiarygodności symulacji numerycznych dla przepływów lepkich i termicznych. Zastosowano analizę wrażliwości rozwiązań numerycznych do określenia istotności parametrów fizycznych przy projektowaniu wzorców eksperymentalnych. Wzorce eksperymentalne są niezbędne w procesie potwierdzenia słuszności przyjętych założeń modelowych w symulacjach numerycznych (proces walidacji). Projektowanie wzorców eksperymentalnych: 1. Wyznaczenie kluczowych (istotnych) parametrów dla konfiguracji eksperymentalnych przy określaniu poprawności fizycznej modelu (walidacji). 2. Określenie dokładności pomiarów eksperymentalnych stanowiących poziom wiarygodności w procesie walidacji.

  3. Przedmiot badań: Równania Naviera - Stokes’a sprzężone z równaniem transportu ciepła • Konwekcja naturalna • Konwekcja wymuszona Warunki brzegowe: Warunki początkowe:

  4. Wiarygodność symulacji numerycznych Weryfikacja Walidacja Konfiguracje laboratoryjne (testowe) Rzeczywiste konfiguracje Weryfikacja programu (kodu) Weryfikacja obliczeń Weryfikacja aparatu numerycznego Walidacja modelu pomiary eksperymentalne wzorce eksperymentalne wzorce numeryczne wzorce eksperymentalne obliczenia numeryczne Analiza wrażliwości

  5. ANALIZA WRAŻLIWOŚCIze względu na parametry wejściowe Rozw. numeryczne PARAMETRY WEJŚCIOWE: • Warunki brzegowe • Warunki początkowe • Własności materiałowe MODEL WYNIK: Określenie wrażliwości funkcjonałów na zmiany parametrów wejściowych • Zestaw kluczowych • (istotnych) parametrów • 2. Określenie niezbędnej • dokładności pomiarów

  6. Metodologia badań: Symulacje numeryczne: Pomiary eksperymentalne: • Metoda różnic skończonych (SOLVSTR) • Metoda bezsiatkowa (SOLVMEF) • Metoda objętości skończonych (FLUENT) • Pole prędkości (cyfrowa anemometria obrazowa) • Pole temperatury (cyfrowa termometria obrazowa) • Pomiary punktowe temperatury (termopary) • Pomiary właściwości termo-fizycznych Weryfikacja rozwiązań: • Ekstrapolacja Richardsona • GCI • Określanie rzędu zbieżności rozwiązań

  7. Weryfikacja obliczeń numerycznych Re = 100, Przepływ w zagłębieniu (ang. moving lid driven cavity) Test na niezależność rozw. od siatki obl. Ra = 105, Konwekcja naturalna (poziomy gradient temperatury) Th Test na niezależność rozw. od siatki obl. Tc

  8. WZORZEC NUMERYCZNYdo weryfikacji obliczeń z nieliniowym członem objętościowym • 2D lepki, nieściśliwy przepływ wody • Równania Naviera – Stokesa sprzężone z równaniem transportu ciepła poprzez nieliniowy człon sił masowych opisujący zależność gęstości wody od temperatury • Różnica temperaturΔT = 10ºC • Programy: Th = 10C Tc = 0C • SOLVSTR (FDM) • SOLVMEF (MEF) • FLUENT (FVM) • FIDAP(FEM) • FRECON(FDM) Ra = 1.5 · 106 Pr = 13.31

  9. PROCEDURAWERYFIKACJI FRECON3V (FRE) FLUENT 6.1. (FLU) FIDAP 8.7.0.(FID) SOLVSTR (STR) V Rozwiązanie wzorcowe Michalek T., Kowalewski T.A., Sarler B. ”Natural Convection for Anomalous Density Variation of Water:Numerical Benchmark” Progress in Computational Fluid Dynamics, 5 (3-5),pp 158-170,2005 Oszacowanie dokładnościrozwiązań poprzez porównywanie profili (nie wartości punktowych)

  10. Metody eksperymentalne: • Pomiar pól prędkości : Cyfrowa anemometria obrazowa(PIV) • Pomiar pól temperatury: Cyfrowa termometria obrazowa (PIT) • Wizualizacja pól prędkości • Punktowe pomiary temperatury F(t0) Korelacja F(t0+t)

  11. Układ pomiarowy: TH > TC light sheet

  12. Naczynie pomiarowe:+ pomiary kontrolne T14 PLEXIGLASS WALL T7 T10 Th Tc ALUMINIUM WALL ALUMINIUM WALL TL TP PLEXIGLASS WALL T15 Przekrój centralny TE1 TE2

  13. WYNIKI POMIARÓW EKSPERYMENTALNYCHzastosowanie dwóch zawiesin ciekłokrystalicznych PIT - Pomiary temperatury Ra = 1.5*106 Pr = 11.78 PIV – Pomiary prędkości Th = 10 C Tc = 0 C

  14. WZORZEC EKSPERYMETALNY Ra = 1.5x106 Pr = 11.78Profile temperatury i prędkości 2D Pole temperatury 2D Pole prędkości Tc = 0 C TH = 10 C VwzdłużY = 0.5L TwzdłużY = 0.5L Vwzdłuż X = 0.9L

  15. Oszacowanie niepewności pomiarów UD: • PIV • pomiar • pól • prędkości N = długość serii UD : • PIT • Pomiar pól • temperatury • dwie zawiesiny • ciekłokrystaliczne

  16. PROCEDURAWALIDACJI • Błąd porównania • Metryka walidacji PRZYKŁADY WALIDACJI SYM. NUM.: • Symulacja numeryczna przepływu konwekcyjnego wody (poziomy gradient temperatury), Ra = 1.5x106 Pr = 11.78 • Symulacja numeryczna przepływu konwekcyjnego wody (poziomy gradient temperatury), Ra = 3x107 Pr = 9.53 • Symulacja numeryczna przepływu konwekcyjnego glikolu polietylenowego (pionowy gradient temperatury) Ra~105 Pr~103

  17. ZASTOSOWANIE ANALIZY WRAŻLIWOŚCI • Parametry wejściowe: • TH, TC, Text, 1, 2, 3 • T0 , v0 , • , cp, ,  (wody) • , cp, , (plexi) • , cp, , (aluminium) MODEL • Zakres zmian parametrów: • dla temp. TH , TC, 1 C , Text 2 C • własności materiałowe (na post. tablic) • dla wsp. przejmowania ciepła na podstawie pomiarów Funkcjonały:

  18. PRZYKŁAD 1 : Wyniki analizy wrażliwości Istotne parametry: temperatura Tc wsp. przejmowania ciepła  wsp. lepkości 

  19. PRZYKŁAD 1: Ra = 1.5*106 Pr ~ 10 Symulacja A wł. mat. zależne od temp. (T),(T),cp(T) Symulacja B stałe wartości wł. mat. ,,cp = const. Symulacja C poziome ścianki adiabatyczne pionowe izotermiczne, stałe wł. mat. Pole temperatury Pole prędkości

  20. PRZYKŁAD3: WALIDACJAILOŚCIOWE PORÓWNANIE Temp. wzdłuż Y = 0.5L V wzdłuż Y = 0.5L

  21. Pomiary eksperymentalne: Ra ~ 3.0x107 Th = 18.0C Tc = 4.0C PIV Th = 23.2C Tc = 9.0C

  22. Dodatkowe pomiary eksperymentalne Ra = 3.107 Ra = 4.4.108

  23. PRZYKŁAD 2 : Wyniki analizy wrażliwości Istotne parametry: temperatura Tc lepkość  Zmiana współczynnika przejmowania ciepła dla pomiarów temp. w górnej i dolnej ścianie naczynia

  24. PRZYKŁAD 2 : Ra ~ 3 x 107 Eksperyment FD (SOLVSTR) Warunek nie jest spełniony

  25. PRZYKŁAD 2 : Ra ~ 3 x 107 Eksperyment FV(Fluent) Warunek nie jest spełniony

  26. PRZYKŁAD 3 : Analiza wrażliwości Tc • Parametry wejściowe: • TC, Text,  • T0 , v0 , • , cp, ,  (PEG) T4 T3 Text • Zakres zmian parametrów: • dla temp. TC 1 C , Text 1 C • własności materiałowe (na post. tablic) • dla wsp. przejmowania ciepła na podstawie pomiarów T2 Funkcjonały: Kowalewski T.A., Cybulski A., Michałek T., Kowalczyk M. „Laboratoryjne wzorce do walidacji programów odlewniczych” Prace IPPT, 2005,

  27. PRZYKŁAD 3 : Wyniki analizy wrażliwości [Wm-2K] Pole pionowej składowej prędkości [C] Eksperyment Sym. Num.

  28. PRZYKŁAD 3 : Procedura walidacji Sym. Num. (  = const.) Sym. Num. (  = (T) )

  29. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Zaproponowano metodę oceny wiarygodności symulacji numerycznych opartą na badaniu wrażliwości rozwiązań numerycznych Zdefiniowano wzorzec numeryczny dla przepływów konwekcyjnych z nieliniowym członem wypornościowym (Ra = 1.5x106 , Pr = 11.78) Wykorzystano zaproponowaną metodę do zaprojektowania referencyjnego eksperymentu Zdefiniowano wzorzec eksperymentalny w oparciu o przeprowadzone pomiary doświadczalne Przeprowadzono walidację symulacji numerycznych w oparciu o wyniki eksperymentalne z wykorzystaniem zaproponowanej metody

More Related