OpenFOAM na VŠCHT: Martin Isoz

Transkript

1 OpenFOAM na VŠCHT: CFD a modelování separačních kolon Martin Isoz VŠCHT Praha, Ústav matematiky 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, Praha 13. prosince 2016

2 Drobná organizační poznámka Informace k semináři je možné nalézt na stránkách ústavu matematiky Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 2/21

3 Úvod Plyn Vícefázové proudění Závěr Úvod Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 3/21

4 Základní motivace výzkumu roztékání kapaliny Různé aplikace, nás zajímá hydrodynamika kapalné fáze v plněných kolonách Význam BASF: 2009, chemický průmysl se na celkové energetické spotřebě EU podílel 5% BASF: 50% z toho přímo souviselo s destilačními kolonami Výzvy Vícefázové proudění neustálený děj Komplexní geometrie Přestup hmoty a tepla [Sulzer ChemTech] Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 4/21

5 Modelování separačních kolon Vícefázová hydrodynamika, současný přestup tepla a hmoty Bilance hybnosti a hmoty, N fází ρ i t (U i) + (ρ i U i U i ) = τ + F i, i = 1,..., N ρ i = ρ(c i, T i ), (U i ) = S ρ i = M j=1 ˆR c i,j Přestup hmoty, M složek t c i,j + (U i c i,j ) = (Γ c i,j c i,j ) + S c i,j, j = 1,..., M Přestup tepla, N fází t T i + (U i T i ) = (Γ T i T i ) + S T i, i = 1,..., N Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 5/21

6 Strukturovana vy pln Prohy bany, perforovany plech s texturou Isoz, M., VS CHT Praha 2. semina r VS CHT k OpenFOAM, CFD a modelova nı separac nı ch kolon; 6/21

7 Možná zjednodušení Zaměříme se vždy pouze na jeden aspekt (a to ještě pouze v hydrodynamice) Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 7/21

8 Přístup k modelování Používáme komplexní sadu pokročilých matematických metod [F. Moukalled et al., The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics,Fluid Mechanics and Its Applications 113, Springer 2016] Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 8/21

9 Úvod Plyn Vícefázové proudění Závěr Jednofázové proudění Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 9/21

10 Geometrie proble mu Mellapak 250.X & Mellapak 250.Y, 1 nebo 2 elementy vy plne Princip: Zachovej geometrii, zjednodus proude nı Isoz, M., VS CHT Praha 2. semina r VS CHT k OpenFOAM, CFD a modelova nı separac nı ch kolon; 10/21

11 Geometrie problému Mellapak 250.X & Mellapak 250.Y, 1 nebo 2 elementy výplně Geometrie: Mellapak 250.X, automaticky generovaná Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 10/21

12 Generace geometrie Jednoduché python-blender čarování Krok 1: Vytvoř první destičku Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 11/21

13 Generace geometrie Jednoduché python-blender čarování Krok 2: Poskládej 1 ohýbanou desku Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 11/21

14 Generace geometrie Jednoduché python-blender čarování Krok 3: Poskládej celkovou strukturu výplně Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 11/21

15 Generace geometrie Jednoduché python-blender čarování Krok 4: Vyřízni výplň Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 11/21

16 Generace geometrie Jednoduché python-blender čarování Krok 4: Vyřízni výplň Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 11/21

17 Generace geometrie Jednoduché python-blender čarování Krok 5: Perforuj výplň Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 11/21

18 Generace geometrie Jednoduché python-blender čarování Krok 6: Dokompletuj výplň a exportuj využitelný.stl soubor Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 11/21

19 Modelové rovnice RANS + SST k ω Navier-Stokesovy rovnice U t + (U U) T = p + f SST k ω model U = 0 k t + U k = P k + [(ν + ν t σ k ) k] β kω ω t + U ω = P ω + [(ν + ν t σ ω,1 ) ω]... +αs 2 βω (1 F 1 )σ ω,2 k ω ω!! spousta konstant!! BC U = G(U) p = H(p) k = K(k) ω = L(ω) na Ω h IG U 0, p 0, k 0, ω 0, ν 0 v Ω h Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 12/21

20 Výsledky modelu Možnost studovat proudění plynu uvnitř plněných kolon Validace modelu: Porovnání s experimentem [Haidl, J. UCT Prague] ph = p h, [Pa m 1 ] He, M250Y N 2, M250Y SF 6, M250Y U 0, [m s 1 ] p EXP h p CF h D U 0, [m s 1 ] 100, [%] h p CF h D p EXP h p EXP U 0, [m s 1 ] Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 13/21

21 Výsledky modelu Možnost studovat proudění plynu uvnitř plněných kolon Výsledky simulace: Tlakové a rychlostní pole Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 13/21

22 Výsledky modelu Možnost studovat proudění plynu uvnitř plněných kolon Výsledky simulace: Vývoj proudění v závislosti na f-faktoru Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 13/21

33 Vy sledky modelu Moz nost studovat proude nı plynu uvnitr plne ny ch kolon Vy sledky simulace: Proude nı na dvou elementech vy plne Isoz, M., VS CHT Praha 2. semina r VS CHT k OpenFOAM, CFD a modelova nı separac nı ch kolon; 13/21

34 Výsledky modelu Možnost studovat proudění plynu uvnitř plněných kolon Výsledky simulace: Promíchávání plynu na dvou elementech výplně Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 13/21

38 Další vývoj Modelování kolon se sypanou výplní (Martin Šourek) Výroba geometrie: blender + python magie Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 14/21

39 Úvod Plyn Vícefázové proudění Závěr Vícefázové proudění Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 15/21

40 Geometrie proble mu Zajı ma na s pouze mikrome r ı tko Princip: Zjednodus geometrii, zachovej proude nı Isoz, M., VS CHT Praha 2. semina r VS CHT k OpenFOAM, CFD a modelova nı separac nı ch kolon; 16/21

41 Geometrie problému Zajímá nás pouze mikroměřítko Geometrie: Destička 6 5 cm, různé textury Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 16/21

42 Geometrie problému Zajímá nás pouze mikroměřítko Geometrie: Kvádr cm, perforovaný Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 16/21

43 Geometrie problému Zajímá nás pouze mikroměřítko Geometrie: Výřez původní geometrie Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 16/21

44 Geometrie problému Zajímá nás pouze mikroměřítko Geometrie: Původní geometrie (Mellapak 250.X) Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 16/21

45 Modelové rovnice Laminární proudění, 2 fáze, Volume of Fluid (VOF) Zákony zachování hybnosti a hmoty U t + (U U) (µ U) ( U) α = = p d g x ρ + γκ α U = 0 Advekční rovnice pro indentifikační funkci α t + (Uα) + [U r α(1 α)] = 0 Značení U[m s 1 ] rychlostní pole U r [m s 1 ]....kompresní rychlost µ[pa s] dynamická viskozita ρ[kg m 3 ] hustota γ[n m 1 ] povrchové napětí g[m s 2 ]..... gravitační zrychlení x[m] průvodič α[ ] identifikační funkce Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 17/21

46 Výsledky modelu Možnost studovat vlastnosti proudění Validace modelu: Porovnání s dostupnými daty Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 18/21

47 Výsledky modelu Možnost studovat vlastnosti proudění Výsledky simulace: Vliv textury, obrázky pro We = 0.94 Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 18/21

48 Výsledky modelu Možnost studovat vlastnosti proudění Výsledky simulace: Typ proudění Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 18/21

49 Výsledky modelu Možnost studovat vlastnosti proudění Výsledky simulace: Typ proudění Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 18/21

50 Výsledky modelu Možnost studovat vlastnosti proudění Výsledky simulace: Určení kvality mezifázového rozhraní Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 18/21

51 Výsledky modelu Možnost studovat vlastnosti proudění Výsledky simulace: Kvalitativní chování kapaliny na výplni Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 18/21

52 Výsledky modelu Možnost studovat vlastnosti proudění Výsledky simulace: Chování kapaliny v koloně jako celku Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 18/21

53 Úvod Plyn Vícefázové proudění Závěr Závěr Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 19/21

54 Závěr Nízkorychlostní proudění plynu a vícefázové proudění v komplikovaných geometriích Co umíme Vícefázové proudění VOF metoda Nízkorychlostní proudění plynu, Re Komplikované geometrie automatická generace geometrie + snappyhexmesh sít ování Alespoň povrchní znalost využitých matematických metod (někde hlubší) V čem bychom potřebovali pomoct Kontakt s realitou Konkrétní inženýrské aplikace Přestup tepla a hmoty Isoz, M., VŠCHT Praha 2. seminář VŠCHT k OpenFOAM, CFD a modelování separačních kolon; 20/21

55 Děkuji za pozornost