More Flexibility for Creating Complex Grids – Loose Contact Interfaces for Multiphase Flow Models

Die Standardschnittstelle bei Simulationen mit mehreren Materialbereichen ist die konforme Netzschnittstelle, wie in Abbildung 1 links dargestellt. Dort erscheint der erste Bereich in oranger Farbe, der zweite in blauer Farbe. Diese Schnittstelle ist für Wärmeübertragungssimulationen sehr genau, da jede Grenzfläche in einem Bereich der Schnittstelle eine eigene Schattengrenzfläche hat. Beide Grenzflächen haben die gleiche Fläche, und es gibt keine Lücken oder Überschneidungen mit den Flächen des Nachbarbereichs. Alle Schattenrandflächen gehören zum gleichen Randbereich und zum gleichen Materialbereich. Die Netzgenerierung mit dieser Schnittstelle ist jedoch weniger flexibel, da das gesamte Netz in einem Schritt erstellt werden muss.

Die Schnittstelle mit losem Kontakt, wie in Abbildung 1 rechts dargestellt, unterscheidet sich erheblich. Hier kann eine Grenzfläche an der Schnittstelle eines Bereichs mehrere Schattengrenzflächen haben. Im Allgemeinen haben die Grenzflächen auf dem ersten Gebiet und die Schattengrenzflächen unterschiedliche Oberflächenbereiche, und die Schattengrenzflächen können zu verschiedenen Grenzregionen und sogar zu verschiedenen Materialgebieten gehören (grünes Gebiet in Abbildung 1 rechts). Lücken und Durchdringungen werden toleriert, und Kontaktflächen innerhalb desselben Materialbereichs werden unterstützt. Bei solchen Berechnungsnetzen ist eine etwas geringere Genauigkeit in Bezug auf den Wärmeübergang zu erwarten, aber es besteht höchste Flexibilität bei der Vernetzung, da jeder Teil des Netzes unabhängig von den anderen erstellt werden kann.Die Funktionalität der Lose-Kontakt-Schnittstelle ist seit 2023 R2 für einphasige Strömungen und seit 2024 R1 für Eulerian Multiphase verfügbar.

Der CFD-Strömungslöser berechnet die Energiebilanz an den Grenzflächen der Domänen. Für beide Grenzflächen, den standardkonformen und den losen Kontakt, wird der Wärmestrom bilanziert, um die Grenzflächentemperaturen zu erhalten. Bei der Mehrphasensimulation müssen zusätzlich die Wärmeströme der verschiedenen Phasen, z. B. Öl und Dampf, und die Wärmefreisetzung durch Phasenwechsel aufgrund von Sieden und Kondensation berücksichtigt werden. Die lose Kontaktgrenzfläche unterstützt den thermischen Widerstand zwischen den Materialdomänen, der zu Temperatursprüngen an der Grenzfläche führt, und wurde für die folgenden Mehrphasenmodelle implementiert:

• Allgemeine Mehrphasenströmung ohne Phasenübergant (nur konvektiver Wärmeübergang)

• Allgemeines Wandsiedemodell

• Immersionsabschreckungsmodell

• Jet-Impingement-Modell

• RPI-Siedemodell

• Wandkondensationsmodell

Lose Kontaktschnittstellen werden während des Vernetzungsprozesses in FAME definiert, wie in Abbildung 2 dargestellt. In der FIRE M Solver GUI ist keine separate Einrichtung erforderlich.

Die neue Lose-Kontaktschnittstelle für Multiphase wurde erfolgreich in einer Immersionsabschreckungssimulation mit dem allgemeinen Wandsiedemodell angewendet. Es gibt drei Grenzflächen zwischen den Domänen im Berechnungsnetz: Zahnräder – Flüssigkeit, Tragegestell – Flüssigkeit, Zahnräder – Tragegestell, die alle durch lose Kontaktflächen verbunden sind. Die Anfangstemperatur der Zahnräder und des Tragegestells beträgt 900 °C, die Anfangstemperatur des Öls und der Luft beträgt 20 °C. Das Netz ist statisch, und das Öl dringt in den ersten sechs Sekunden mit 4 cm/s von unten in das Gebiet ein, um den Eintauchvorgang zu simulieren.

Das angewandte Allgemeine Wandsiedemodell ist ein leistungsstarkes Modell mit nahtlosem Übergang zwischen Film-, Übergangs- und Keimsiederegime. Leidenfrost-Temperatur und Übergangstemperatur (Wechsel vom Keimsiede- zum Übergangssiedezustand) sind Modelleingaben. Bei der Ölabschreckung und der gegebenen Anfangstemperatur sind hauptsächlich Übergangs- und Keimsieden zu erwarten. Daher wurde die Leidenfrost-Temperatur auf 1025 °C gesetzt, die in dieser Simulation nie erreicht wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der Wärmeübergang mit dem Übergangssieden, dem Keimsieden und dem reinen Konvektionsregime modelliert wird. Der kritische Wärmestromfaktor wurde auf 0,3 festgelegt, und die Übergangstemperatur zwischen Überganssieden und Keimsieden beträgt hier 525 °C. Details und nützliche Hinweise zur Modellparametrisierung des allgemeinen Wandsiedemodells finden sich im Benutzerhandbuch. Die physikalische Zeit betrug 300 Sekunden, und die Simulation wurde als Euler-Eulersche Multi-Fluid-Simulation durchgeführt.

Die Simulationsergebnisse sind in Abbildung 3 beispielhaft dargestellt. Die linke Abbildung zeigt die Temperaturverteilung der festen Oberfläche der Zahnräder und des Tragegestells sowie das Iso-Volumen des Ölvolumenanteils nach 10 Sekunden. In diesem Anfangsstadium der Ölabschreckung ist die Dampfbildung stark, was an den vier aufsteigenden Dampfsäulen neben den Zahnrädern zu erkennen ist. Auf der rechten Seite von Abbildung 3 sind die mittleren Temperaturkurven der Zahnräder (rot) und des Tragegestells (links) dargestellt. Da die thermische Masse des Tragegestells höher ist, erfolgt die Abkühlung langsamer. Man kann auch eine kleine Änderung der Kurvensteigung zwischen 500 und 600 °C beobachten. Dies ist der Übergang zwischen dem Übergangssieden und dem Keimsieden. Abbildung 4 zeigt ein Movie des Abschreckvorgangs von Stahl im Zeitraffermodus. Zur besseren Veranschaulichung wird der Temperatur-Farbbalken in jedem Zeitschritt angepasst.

Zur Überprüfung wurde die Simulation mit der losen Kontaktschnittstelle mit einer Simulation mit der standardkonformen Netzschnittstelle verglichen. Da der Betriebspunkt und das Modell identisch sind, müssen die Simulationsergebnisse sehr ähnlich sein. Abbildung 5 zeigt den Vergleich der mittleren Temperaturen zwischen Zahnrädern und des Tragegestells, und Abbildung 6 zeigt den Vergleich der momentanen Oberflächentemperaturverteilungen nach 200 Sekunden. Es besteht eine perfekte Übereinstimmung zwischen den beiden Simulationen. Aufgrund der geringen Netzabhängigkeit des allgemeinen Wandsiedemodells sind die Ergebnisse nahezu identisch, was zeigt, dass die Implementierung korrekt funktioniert.

Seit dem Release 2024 R1 sind die losen Kontaktschnittstellen für das Euler-Eulersche Multiphase Modul in FIRE M verfügbar. Sie werden für alle Arten von konjugierten Wärmeübertragungsproblemen in Multiphase unterstützt, und berücksichtigen den thermischen Kontaktwiderstand korrekt. Der lose Kontakt ist eine leistungsstarke Alternative zu den konformen Multimaterial-Schnittstellen. Es werden allgemeines Wandsieden, RPI, Wandsieden, Immersionsabschrecken, Impingement-Abschrecken und Wandkondensation unterstützt. Aufgrund der geringen Netzabhängigkeit des allgemeinen Wandsiedemodells ergibt sich eine hervorragende Übereinstimmung der Simulationsergebnisse zwischen der losen Kontakt- und der konformen Domänenschnittstellen. Das Allgemeine Wandsiedemodell von FIRE M ist ein einzigartiges Wandsiedemodell, das alle relevanten Siederegime mit nahtlosen Übergängen abdeckt.