Numerické simulace proudění na pohyblivých sítích

Ing. Václav Řidký

Doctoral thesis

Numerical simulation of flow on dynamic meshes

Abstract:

Disertační práce je zaměřena na paralelní numerické výpočty proudění na pohyblivých sítích v prostředí OpenFOAM a Vectis. Oba výpočetní softwary využívají k diskretizaci rovnic metodu konečných objemů s ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) přístupem pro dynamické sítě. V disertaci jsou popsány matematické rovnice popisující proudění vazké tekutiny, přístupy k modelování turbulence a numerické řešení těchto rovnic pomocí metody konečných objemů. Dále je proveden rozbor několika metod pro výpočet polohy uzlů deformované sítě, včetně analýzy jejich vlivu na kvalitu výpočetní sítě a stabilitu výpočtu. Tyto metody a výsledky analýz jsou ověřeny na benchmarkové úloze a aplikovány na tři případy z reálné praxe. V OpenFOAMu se kromě ověření na jednoduchém případě deformace sítě při obtékání kmitajícího válce řeší dvě úlohy. První je výpočet proudění v hlasivkovém traktu člověka. Hlasivky se modelují jako tuhé těleso s vynuceným pohybem se dvěma stupni volnosti. Numerické simulace jsou počítány na zjednodušeném geometrickém modelu hlasivkového traktu ve 2D a 3D. V práci jsou porovnána proudová pole a průtoky získané pomocí modelu stlačitelné a nestlačitelné vazké tekutiny a různých modelů turbulence. Druhým případem je obtékání leteckého profilu, který je pružně uložen se dvěma stupni volnosti v přípravku, ve kterém je umístěn do aerodynamického tunelu. Výsledkem numerických simulací je rozložení rychlosti a tlaku na povrchu leteckého profilu při různých fázích pohybu leteckého profilu. Tyto výsledky jsou porovnány s daty z tlakových senzorů a z interferogramů získaných v aerodynamickém tunelu. Pohyb hlasivek a leteckého profilu je v numerických simulacích předepisován jako okrajová podmínka. V obou úlohách je použita jedna výpočetní sít, která se vlivem pohybu hlasivek nebo leteckého profilu deformuje. Třetí řešenou úlohou je výpočet výměny náplně válce spalovacího motoru 1.0 MPI v programu Vectis ve spolupráci se Škoda Auto a. s. Práce se zaměřuje na chování proudových polí během fáze sání a komprese u čtyřdobého spalovacího motoru. Správné proudění vzduchu do válce má pozitivní efekt na hoření, rozmísení paliva a vznik sazí. V práci jsou porovnávány vlivy dvou typů sacích kanálů na proudové pole uvnitř válce spalovacího motoru a parametry určující rozvíření směsi (Tumble a turbulentní kinetická energie).

Abstract:

The dissertation is focused on parallel numerical simulations of flow on dynamic meshes in OpenFOAM and Vectis. Both computational softwares use the Finite Volume Method in Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation to discretize the governing equations on dynamic meshes. The mathematical equations describing viscous fluid flow are described, together with turbulence modelling approaches and numerical solution of the governing equations by the Finite Volume Method. Further, the thesis describes and analyses various approaches for the computation of deformed grid point positions, including analysis of their impact on the mesh quality and stability of the numerical scheme. These methods and results are verified on a benchmark case and applied on three real-world problems. In addition to a benchmark case of oscillating cylinder cross-flow, two problems are solved in OpenFOAM. The first case is numerical simulation of airflow in the human larynx. The vocal folds are modelled as solid bodies with two degrees of freedom. Numerical simulations are realized on a simplified geometric model of the human larynx in 2D and 3D. The unsteady flow fields and glottal flow rate waveforms simulated using incompressible and compressible flow models and various turbulence modelling approaches are compared. The second case is flow around an airfoil, which is elastically supported with two degrees of freedom in a wind tunnel. The result of numerical simulations is the velocity and pressure distribution on the airfoil surface at different phases of airfoil motion. These results are compared with data from the pressure sensors and from the interferograms obtained during wind tunnel measurements. The movement of vocal folds and airfoil is prescribed as a boundary condition in numerical simulations. In both cases, one mesh is generated which deforms due to oscillation of the vocal folds or the airfoil. The third case is in-cylinder flow simulation of the 1.0 MPI internal combustion engine, which is simulated in the Vectis software in cooperation with Škoda Auto company. The study focuses on the flow field behaviour during the intake and compression phase of the four-stroke internal combustion engine. Correct airflow to the cylinder has a positive effect on combustion, fuel distribution and emissions. The work compares the effects of two types of intake port on the velocity field inside the cylinder and the parameters determining the flow of the mixture (Tumble and turbulent kinetic energy).

Keywords

CFD, numerická simulace, dynamické sítě, metoda konečných objemů, biomechanika hlasu, proudění kolem křídel, proudění ve spalovacím motoru

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 1. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 20. 1. 2020
• Supervisor: doc. Ing. Petr Šidlof, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Doctoral programme / field:
Applied Science in Technology / Applied Science in Technology