MODELOVÁNÍ OBTÉKÁNÍ DVOU PRAHŮ V KANÁLU S VOLNOU HLADINOU Modelling of flow over two transversal ribs in a channel with free surface

Podobné dokumenty
PROUDĚNÍ V KAVITĚ VYVOLANÉ SMYKOVÝM TOKEM PŘI VELKÝCH REYNOLDSOVÝCH ČÍSLECH Shear-driven cavity flow at high Reynolds numbers

κ ln 9, 793 ρ.u.y B = 1 κ ln f r, (2.2) B = 0 pro k s + < 2, 25, (2.3)

Příspěvek do konference STČ 2008: Numerické modelování obtékání profilu NACA 0012 dvěma nemísitelnými tekutinami

Colloquium FLUID DYNAMICS 2007 Institute of Thermomechanics AS CR, v. v. i., Prague, October 24-26, 2007 p.1

FLUENT přednášky. Turbulentní proudění

Studentská tvůrčí činnost 2009

Hydromechanické procesy Obtékání těles

Studentská tvůrčí činnost D modelování vírových struktur v rozváděcí turbínové lopatkové mříži. David Jícha

Výpočet stlačitelného proudění metodou konečných objemů

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ÚČINKŮ ZATÍŽENÍ KONSTRUKCÍ

MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ VODY V OTEVŘENÝCH KORYTECH

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Turbulence

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

Numerická simulace sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu

CFD simulace obtékání studie studentské formule FS.03

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

1 POPIS MATEMATICKÉHO MODELU. 1.1 Použitý software FLOW-3D. Vodní nádrže , Brno

THE MEASUREMENT OF FLOW PARAMETERS IN SQUARE CROSS SECTION BEND

Pokud proudění splňuje všechny výše vypsané atributy, lze o něm prohlásit, že je turbulentní (atributy je třeba znát).

Time-Resolved PIV and LDA Measurements of Pulsating Flow

FLOW PARAMETERS MEASUREMENT IN THE CURVED DIFFUSER OF THE RECTANGULAR CROSS-SECTION

CFD simulace vícefázového proudění na nakloněné desce: porovnání smáčivosti různých kapalin. Martin Šourek

Počítačová dynamika tekutin užitečný nástroj pro inženýry

CFD SIMULACE VE VOŠTINOVÉM KANÁLU CHLADIČE

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

Proudění s volnou hladinou (tj. v otevřených korytech)

Hydromechanické procesy Turbulence

NUMERICKÁ SIMULACE PROUDĚNÍ DVOUFÁZOVÉ VLHKÉ PÁRY OHYBEM POTRUBÍ Numerical simulation of two phase wet steam flow in pipeline elbow

CFD. Společnost pro techniku prostředí ve spolupráci s ČVUT v Praze, Fakultou strojní, Ústavem techniky prostředí

3. Použitá měřicí technika 4. Měření parametrů vstupního pole 5. Měření proudění v prostoru náhlého rozšíření

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov. Modelování termohydraulických jevů 3.hodina. Hydraulika. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

Termomechanika 11. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

NUMERICKÝ VÝPOČET RADIÁLNÍHO VENTILÁTORU V KLIMATIZAČNÍ JEDNOTCE

Ústav termomechaniky AV ČR. Témata diplomových prací (2007) Oddělení dynamiky tekutin Dolejšova 5 Praha 8 mail:

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

EXPERIMENTÁLNÍ A NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ÚČINKŮ

Proudové pole ve vstupní části aerodynamického tunelu

Termomechanika 10. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

ŘEŠENÍ TURBULENTNÍHO VAZKÉHO PROUDĚNÍ S ČÁSTICEMI METODOU LARGE EDDY SIMULATION

TEPLOTNÍHO POLE V MEZIKRUHOVÉM VERTIKÁLNÍM PRŮTOČNÉM KANÁLE OKOLO VYHŘÍVANÉ NEREZOVÉ TYČE

AERODYNAMICKÝ ODPOR PŘI OBTÉKÁNÍ GOLFOVÉHO MÍČKU Aerodynamic Drag at Flow past a Golf Ball

16. Matematický popis napjatosti

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Okrajové podmínky

Výsledný tvar obecné B rce je ve žlutém rámečku

CVIČENÍ č. 11 ZTRÁTY PŘI PROUDĚNÍ POTRUBÍM

Stabilizace Galerkin Least Squares pro

PROUDĚNÍ REGULAČNÍ MEZISTĚNOU TURBÍNOVÉHO STUPNĚ PŘI ROTACI OBĚŽNÉHO LOPATKOVÁNÍ. Jaroslav Štěch

U218 - Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. ! t 2 :! Stacionární děj, bez vnitřního zdroje, se zanedbatelnou viskózní disipací

Tomáš Syka Komořanská 3118, Most Česká republika

Vliv úhlu distální anastomózy femoropoplitálního bypassu na proudové charakteristiky v napojení

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Řešení rovnic. - metoda konečných objemů -

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Experimentáln. lní toků ve VK EMO. XXX. Dny radiační ochrany Liptovský Ján Petr Okruhlica, Miroslav Mrtvý, Zdenek Kopecký.

PŘÍKLADY Z HYDRODYNAMIKY Poznámka: Za gravitační zrychlení je ve všech příkladech dosazována přibližná hodnota 10 m.s -2.

Numerické řešení 3D proudění lopatkovou mříží

VLIV KMITÁNÍ TRUBKY NA PŘESTUP TEPLA V KANÁLU MEZIKRUHOVÉHO PRŮŘEZU

1141 HYA (Hydraulika)

Vliv vířivého proudění na přesnost měření průtoku v komínech

Pružnost a pevnost (132PRPE) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady. Část 1 - Test

Numerická simulace přestupu tepla v segmentu výměníku tepla

Numerická simulace proudění okolo válce za použití metody LES (Large eddy simulation)

Modelování zdravotně významných částic v ovzduší v podmínkách městské zástavby

LDA MEASUREMENT BEHIND GENERATOR OF ROTATION LDA MĚŘENÍ ZA GENERÁTOREM ROTACE

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

Modelování přepadu vody přes pohyblivou klapkovou konstrukci

Mechanika tekutin. Hydrostatika Hydrodynamika

Základy hydrauliky vodních toků

ENÁ ŽELEZOBETONOVÁ DESKA S OTVOREM VE SLOUPOVÉM PRUHU

VoF-Navier-Stokesových rovnic při. Jakub Smutek

Stacionární 2D výpočet účinnosti turbínového jeden a půl stupně

Řešení průtoku vazké stlačitelné tekutiny minikanálem

SIMULACE PULZUJÍCÍHO PRŮTOKU V POTRUBÍ S HYDRAULICKÝM AKUMULÁTOREM Simulation of pulsating flow in pipe with hydraulic accumulator

Pružnost a pevnost (132PRPE), paralelka J2/1 (ZS 2015/2016) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady.

1 Úvod. Objemové porovnávání metod pro identifikaci vírů v proudových polích. Václav Pokorný

Počítačová dynamika tekutin (CFD) - úvod -

Krevní oběh. Helena Uhrová

Otázky pro Státní závěrečné zkoušky

(režimy proudění, průběh hladin) Proudění s volnou hladinou II

HYDRAULICKÉ JEVY NA JEZECH

(Aplikace pro mosty, propustky) K141 HYAR Hydraulika objektů na vodních tocích

PROUDĚNÍ V SEPARÁTORU S CYLINDRICKOU GEOMETRIÍ

Modelování proudění ve vysokém rozlišení

Západočeská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných věd Katedra mechaniky. Matematické modelování turbulentního

Numerická simulace elastohydrodynamicky mazaného kruhového kontaktu nehladkých povrchů

OpenFOAM na VŠCHT: Martin Isoz

STANOVENÍ SOUČINITELŮ MÍSTNÍCH ZTRÁT S VYUŽITÍM CFD

i j antisymetrický tenzor místní rotace částice jako tuhého tělesa. Každý pohyb částice lze rozložit na translaci, deformaci a rotaci.

1.1 Shrnutí základních poznatků

Cvičební texty 2003 programu celoživotního vzdělávání MŠMT ČR Požární odolnost stavebních konstrukcí podle evropských norem

Mechanika tekutin je nauka o rovnováze a makroskopickém pohybu tekutin a o jejich působení na tělesa do ní ponořená či jí obtékaná.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ ENERGETICKÝ ÚSTAV. Odbor fluidního inženýrství Victora Kaplana. Ing. Lubomír Soukup

LDA MEASUREMENT NEAR CAVITATION CENTRE OF VORTEX LDA MĚŘENÍ V OKOLÍ KAVITUJÍCÍHO JÁDRA VÍRU

38. VZNIK TLAKOVÉ ZTRÁTY PŘI PROUDĚNÍ TEKUTINY Jiří Škorpík

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Numerické řešení 2D stlačitelného proudění s kondenzací. Michal Seifert

Hydraulika a hydrologie

P Ř Í K L A D Č. 5 LOKÁLNĚ PODEPŘENÁ ŽELEZOBETONOVÁ DESKA S VÝRAZNĚ ROZDÍLNÝM ROZPĚTÍM NÁSLEDUJÍCÍCH POLÍ

PRUŽNOST A PLASTICITA I

CFD simulace teplotně-hydraulické charakteristiky na modelu palivové tyči v oblasti distanční mřížky

Transkript:

Colloquium FLUID DYNAMICS 007 Institute of Thermomechanics AS CR, v. v. i., Prague, October 4-6, 007 p.1 MODELOVÁNÍ OBTÉKÁNÍ DVOU PRAHŮ V KANÁLU S VOLNOU HLADINOU Modelling of flow over two transversal ribs in a channel with free surface Aleš Sládek, Jaromír Příhoda, Jiří Stanislav, Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., Dolejškova 5, 18 00 Praha 8 1. Úvod Kromě spojité drsnosti obtékaných stěn, která je dána výrobní technologií nebo působením provozních podmínek, je často použita drsná stěna tvořená výstupky k disipaci kinetické energie proudu. Ve vodohospodářské praxi jsou příčné prahy na dně kanálu často používány při vypouštěni vody ze zemních nádrží ke zbrzdění proudu. V těchto kanálech s poměrně velkým sklonem dna je typické nadkritické proudění se značnými změnami výšky hladiny. Příspěvek se zabývá numerickým modelováním nadkritického obtékaní dvou příčných prahů na dně kanálu s volnou hladinou. Výsledky navazují na numerické řešení nadkritického proudění v kanálu s jedním prahem, viz Sládek a Příhoda [1].. Geometrické uspořádání Tvar řešeného kanálu se dvěma příčnými prahy odpovídá experimentům Šulce aj. [] a Zubíka [3], které byly prováděny v kanálu s příčným průřezem 00 00 mm, délkou 4475 mm a sklonem dna 4,77 %. V kanálu byly na dně umístěny dva příčné prahy čtvercového průřezu b b = 10 10 mm s roztečí t = 60; 100 a 00 mm, viz obr.1. Experimentální vyšetřování proudového pole při nadkritickém proudění bylo provedeno pomoci optických metod LDA a PIV pro střední objemovou rychlost U m =,3 m/s a výšku hladiny na vstupu h = 46 mm, tj. při Reynoldsově čísle vztaženém na výšku prahu Re = 5500 a Froudově čísle Fr = 3,4. Pro porovnání s výpočty byly ve vybraných řezech x = konst. (počátek osy x je uprostřed prvního prahu) a z = 0 z měření LDA a PIV vyhodnoceny profily střední rychlosti a podélné složky fluktuací rychlosti. Při numerické simulaci byla řešena oblast kanálu 100 l00 1710 mm, tj. s dostatečně dlouhým vstupním a výstupném úsekem. Řešení bylo provedeno v polovině šířky kanálu s rovinou symetrie ve svislé ose kanálu. Obr.1 Schéma kanálu se dvěma příčnými prahy

p. 3. Numerický model Řešení nadkritického proudění v kanále se dvěma prahy bylo provedeno metodou VOF (Volume-of-Fluid) pomoci komerčního programu FLUENT 6.3. Metoda VOF je založena na sledování objemové frakce α i obou tekutin v každé výpočetní buňce. Volná hladina se určuje jako rozhraní obou frakcí, kde platí α voda = α vzduch = 0,5. Pro numerické řešení středovaných Navier-Stokesových rovnic byl použit tzv. realizovatelný" k-ε model turbulence, který navrhli Shih a j. [4]. Model se liší od standardního k-ε modelu transportní rovnicí pro rychlost disipace ε a konstitučním vztahem pro turbulentní vazkost. Transportní rovnice pro turbulentní energii k je použita ve standardním tvaru, který je pro nestlačitelné proudění a vysoká turbulentní Reynoldsova čísla (tj. je zanedbána vazká difuse) dán rovnicí k k νt k + Uj = Pk + ε (1) t xj x j σk x j kde P k je produkce turbulentní energie Ui Uj Ui Pk = ν t + δijk () xj x i 3 xj Transportní rovnice pro rychlost disipace ε byla odvozena z rovnice pro střední hodnotu fluktuace vířivosti při velkých turbulentních Reynoldsových číslech a upravena do tvaru ε ε νt ε ε + Uj = CS 1 ε+ C (3) t xj x j ε x σ j k + νε kde je S= SijSij (4) Produkce rychlosti disipace ε tedy není modelována pomocí produkce turbulentní energie P k, ale výrazem C 1 Sε. Turbulentní vazkost je definována vztahem k ν t =C μ (5) ε kde C μ je funkce C μ = f(s ij, Ω ij, k/ε) místo obvyklé konstanty C μ = 0,09. Tato definice zaručuje, že normální smyková napětí budou vždy kladná a že bude splněna Schwarzova nerovnost pro smyková napětí uk 0 a uu i j /ui uj 1 pro i,j = 1; ; 3 (6) Modelové konstanty jsou dány vztahy η σ k = 1,0; σ ε = 1,; C1 = max 0,43; C = 1,9 (7) 5 + η kde je η = Sk/ε. Model byl testován pomocí vybraných testovacích případů, např. vrstva míšení, rovinný a kruhový volný proud, vyvinuté proudění v kanále, turbulentní mezní vrstva s různým tlakovým gradientem a obtékání dozadu směřujícího schodu. Prostorová diskretizace byla provedena strukturovanou sítí s celkovým počtem cca 690000 buněk. V ose kanálu byla použita podmínky symetrie. Síť je zjemněna v oblasti volné hladiny a v blízkosti stěn kanálu, viz obr.. Diskretizace transportních rovnic byla provedena pomoci upwind schématu druhého řádu a v blízkosti stěn je pro aproximaci rychlostního profilu použita nerovnovážná stěnová funkce. Jako okrajová

Colloquium FLUID DYNAMICS 007 Institute of Thermomechanics AS CR, v. v. i., Prague, October 4-6, 007 p.3 podmínka je podle experimentu zadána na vstupu výška hladiny a objemový tok, na výstupu pak je zadána výška hladiny a tlak v referenčním bodě nad hladinou. Obr. Strukturovaná síť v blízkosti prahů 4. Výsledky řešení Na obr.3 je čárkovaně znázorněn průběh hladiny v kanálu se dvěma prahy s roztečí t = 100 mm získaný jako časově střední hodnota z 50 snímků PIV [3]. Plnou čarou je vyznačena hranice pásma objemové frakce vody v rozsahu α voda = (0,5; 1) získaná v ose kanálu pomocí numerické simulace. Výpočet dává menší vzestup hladiny na prvním prahu a pomalejší návrat k hladině nerušeného proudu. To vyplývá z pomalejší relaxace proudového pole za prvním prahem při numerické simulaci, jak je zřejmé z průběhu profilu střední rychlosti i fluktuací podélné rychlosti na obr.4 a 5. 0.15 h (m) 0.10 0-0.1 0.0 0.1 x (m) 0. Obr.3 Průběh hladiny v kanálu se dvěma prahy s roztečí t = 100 mm Na obr.4 jsou ve vybraných řezech x = konst. porovnány profily podélné složky rychlosti v podélné ose kanálu se dvěma prahy s roztečí t = 100 mm. Vypočtené rychlostní profily celkem odpovídají experimentu na prahu a v oblasti odtržení za prahem. Dále od prahu (x = 0,04 m) je relaxace smykové vrstvy rychlejší než podle numerické simulace, což vede k většímu rozsahu oblasti odtržení.

p.4 x = 0 m x = m x = m x = m y (m) -1 0 1 3 U (m/s) -1 0 1 3-1 0 1 3-1 0 1 3 x = 0.08 m x = 0.1 m x = 0.14 m x = 0.3 m y (m) -1 0 1 3 U (m/s) -1 0 1 3-1 0 1 3-1 0 1 3 Obr.4 Profily podélné složky střední rychlosti v ose kanálu pro rozteč prahů t = 100 mm Na obr. 5 je pro stejné geometrické uspořádání porovnán experimentálně určený průběh podélného normálního turbulentního napětí u (m /s ) s průběhem turbulentní energie k (m /s ), získaným numerickou simulací. Stejně jako pro střední rychlost odpovídá vypočtený průběh podélného normálního napětí experimentu v blízkosti za prahem. Pak je v oblasti znovupřilnutí proudu maximum fluktuací rychlosti blíže ke dne kanálu, což je obvyklé u přilehlého proudění, zatímco při odtržení proudu leží maximum fluktuací přibližně na hranici odtržení.

Colloquium FLUID DYNAMICS 007 Institute of Thermomechanics AS CR, v. v. i., Prague, October 4-6, 007 p.5 x = 0 m x = m x = m x = m y (m) 0.0 0.1 0. 0.3 0.0 0.1 0. 0.3 0.0 0.1 0. 0.3 0.0 0.1 0. 0.3 u (m /s ) x = 0.08 m x = 0.1 m x = 0.14 m x = 0.3 m y (m) 0.0 0.1 0. 0.3 0.0 0.1 0. 0.3 0.0 0.1 0. 0.3 0.0 0.1 0. 0.3 u (m /s ) Obr.5 Profily normálního turbulentního napětí u v ose kanálu pro rozteč prahů t = 100 mm Na obr.6 je vektorově znázorněno rychlostní pole v rovině rovnoběžné se dnem kanálu mezi prahy s roztečí t = 100 mm ve výšce mm nad dnem. Obrázek zachycuje polovinu šířky kanálu. Z experimentálních výsledků i z numerické simulace je dobře patrný sekundární vír za prahem u boční stěny kanálu, který se podobně vyskytuje při obtékání zpětného schodu. Podle experimentu je vírová struktura za prahem složitější, neboť v blízkosti prahu lze pozorovat napříč kanálem čtyři víry.

p.6 boční stěna kanálu osa kanálu a) měření PIV b) numerická simulace Obr.6 Vektory rychlosti ve vzdálenosti mm od dna pro rozteč prahů t = 100 mm Dále byl z numerické simulace určen tlakový odpor jednotlivých prahů, který je vyjádřen pomocí součinitele tlakového odporu Δp cd = (8) 1 U ρ m kde p je střední hodnota rozdílu statických tlaků na přední a zadní straně prahu. Na obr.7 je uvedena závislost součinitele tlakového odporu obou prahů na jejich rozteči. Čárkovaně je vyznačen tlakový odpor jediného prahu pro dané hodnoty Re a Fr. Při

Colloquium FLUID DYNAMICS 007 Institute of Thermomechanics AS CR, v. v. i., Prague, October 4-6, 007 p.7 malé rozteči obou prahů leží druhý práh v úplavu za prvním prahem a tlaková síla působí proti směru proudu. S rostoucí vzdáleností prahů se tlakový odpor obou prahů blíží hodnotě, určené pro jediný práh. Cd 1.0 0.5 1. práh. práh 0.0-0.5 0.0 0.1 0. 0.3 t (m) 0.4 Obr.7 Závislost součinitele tlakového odporu na rozteči prahů 5. Závěr Numerická simulace nadkritického obtékání dvou příčných prahů na dně kanálu s volnou hladinou provedená pomocí programu FLUENT dává celkem dobrou shodu s experimenty. Pomocí dvourovnicového k-ε modelu podle Shiha aj. [4] byla získána přijatelná shoda rychlostního pole i turbulentních charakteristik, i když numerická simulace v porovnání s experimentem dává menší vzestup hladiny na prvním prahu a pomalejší návrat k hladině nerušeného proudu. Nedostatkem všech modelů turbulence s turbulentní vazkostí je pomalejší relaxace proudového pole po odtržení na prahu. To vede k nadhodnocení velikosti oblasti odtržení, což se projeví i na vypočteném průběhu volné hladiny. Získaná závislost součinitele tlakového odporu na rozteči prahů umožní optimální rozložení příčných prahů při zpomalování vodního proudu vypouštěného ze zemních nádrží. 6. Poděkování Práce vznikla s podporou grantu GA ČR č. 103/06/0461 a výzkumného záměru AV 0Z0760514. 7. Literatura [1] SLÁDEK A., PŘÍHODA J.: Modelování obtékání jednoho příčného prahu v kanálu s volnou hladinou, Sborník konference Topical Problems of Fluid Mechanics 007, Praha, 157-160, 007 [] ŠULC J., ZUBÍK P., ŽOUŽELA M.: Měření parametrů nadkritického proudění v kanálu s příčnými prahy ve dně, Sborník konference Hydrodynamika 006, Rajnochovice, 134-139, 006

p.8 [3] ZUBÍK P.: LDA a PIV měření parametrů proudění v kanálu s příčnými prahy na dně, Sborník konference Topical Problems of Fluid Mechanics 007, Praha, 199-0, 007 [4] SHIH T.H., LIOU W.W., SHABBIR A., YANG Z., ZHU J.: A new k-ε eddy-viscosity model for high Reynolds numbers turbulent flows, Computers Fluids, 4, 3, 7-38, 1995