Czy szukasz świeżych i ciekawych informacji ze świata inżynierii? Interesują Cię intrygujące  zagadnienia naukowe? Chcesz po prostu wiedzieć więcej? Listy Polecone, to nowy cykl, w którym  Szef Działu Technicznego Symkom –  dr inż. Adam Piechna, poleca ważne, nietuzinkowe informacje oraz wydarzenia z szeroko pojętego świata inżynierii.  

Zachęcamy do śledzenia naszego cyklu. Jeśli chcesz otrzymywać od nas powiadomienia o kolejnych wydaniach Listów Poleconych, zostaw kontakt do siebie w formularzu na dole strony.

Bądź na bieżąco, odbieraj Listy Polecone od szefa działu technicznego Symkom!

Lista Polecona #5

Jest to chyba najczęściej zadawane pytanie podczas szkoleń i warsztatów jakie prowadzimy. Formułowane zarówno przez początkujących adeptów szkoły symulacji, jak i (chyba nawet częściej) bardzo doświadczonych użytkowników. Pytanie ma mocne osadzenie praktyczne – wybór modeli jest obecnie ogromny, a dodatkowa liczba dostępnych członów źródłowych, podmodeli czy modyfikacji może przyprawić o ból głowy. Jednocześnie poprawny wybór modelu turbulencji przekłada się bardzo często na otrzymywane wyniki. Dobrze jeśli mamy jakiś punkt odniesienia w postaci danych eksperymentalnych, lub przypadek jest na tyle prosty, że możemy się wspomóc oszacowaniami analitycznymi lub empirycznymi. W przeciwnym wypadku wybór modelu turbulencji może być jak poruszanie się we mgle. Co więcej ta mgła może nigdy nie opaść, a my nigdy nie ustalimy gdzie się znajdujemy.

Praktyczne aspekty modeli turbulencji

Podczas szkoleń, które prowadzimy, przekazujemy solidne podstawy związane z praktycznymi aspektami współczesnych modeli turbulencji. Na bazie tej wiedzy użytkownik oprogramowania podejmuje decyzję o wyborze modelu w zależności od konkretnej aplikacji. Możemy również polecić modele turbulencji, które, z naszego doświadczenia, najlepiej się sprawdzają dla danego rodzaju symulacji. To, co należy wziąć pod uwagę, to także dostępne moce obliczeniowe, czas jaki mamy i spodziewaną dokładność.

Porównanie, jakie przyszło mi do głowy, to próba odpowiedzi na pytanie jak najlepiej dostać się z Warszawy do Gdańska. Wybór pociągu to podróż łatwa, szybka i można poczytać gazetę, niech to będą klasyczne modele RANS. Kolejna opcja to jazda samochodem, ale tutaj już więcej zależy od nas, musimy też mieć prawo jazdy i umieć prowadzić samochód. Szybciej nie dojedziemy, ale więcej zależy od nas i może wolelibyśmy w samym Gdańsku mieć więcej swobody? Nazwijmy to modelem GEKO. Jeśli dysponujemy dużymi zasobami jest opcja lotu samolotem. Będziemy u celu najszybciej. Jeśli szybkość podróży będzie odpowiednikiem dokładności obliczeń, to samolot może być paralelą symulacji LES. Na samolot sporo wydamy i… zastanawiając się dłużej możemy dojść do wniosku, że niekoniecznie podróż potrwa krócej. Podobnie może być z LES’em. Być może większe korzyści z transportu lotniczego odnieślibyśmy podczas bardziej odległych podróży?

Kończąc już to porównanie zbliżmy się do publikacji ANSYS’a która jest powodem niniejszego wpisu…

Rys. 1. Wir krawędziowy na końcu płata – jaki model turbulencji wybrać?

Najlepsze praktyki w modelowaniu turbulencji

Nie jest to pierwsze opracowanie tego typu poświęcone turbulencji przygotowane przez ANSYS. Poprzednie dotyczyły wykorzystania modeli hybrydowych oraz modelu GEKO. Tym razem otrzymujemy 95-stronicowy dokument poświęcony modelowaniu RANS. Pomimo swojego rozmiaru nie ma tam zbyt wiele teorii i wzorów – jest to pozycja o charakterze bardzo inżynierskim – otrzymujemy konkretną wiedzę i wskazówki dotyczące wyboru modelu turbulencji z komentarzem, który w wyważony sposób tłumaczy występujące zależności, nie wchodząc jednak niepotrzebnie zbyt głęboko w zagadnienia teoretyczne.

W opracowaniu są także krótkie opisy najczęściej stosowanych modeli turbulencji, modele historyczne – praktycznie obecnie nieużywane – są tylko wspomniane. Następnie znajdziemy omówienia dodatkowych opcji które możemy załączyć przy wyborze modeli turbulencji, również, co najważniejsze, z praktycznym komentarzem kiedy je stosować (rys. 2.). W kolejnej części przedstawione są typowe eksperymenty wykorzystywane do walidowania i porównywania modeli turbulencji – mamy okazję sprawdzić jak wcześniejsze rekomendacje sprawdzają się w praktyce. 

Po syntetycznych eksperymentach warto zapoznać się również z symulacjami bardziej zbliżonymi do naszej codziennej praktyki: znany z eksperymentów przeprowadzonych przez laboratorium ONERA opływ zewnętrzny samolotu, przepływy w hydrocyklonie czy dość często pojawiający się problem uderzenia strumienia płynu o poziomą przeszkodę. Kolejne tematy to zwrócenie uwagi na kwestię zagęszczania siatki, również pod kątem modelowania przejścia laminarno-turbulentnego. 

Należy zaznaczyć że nie wszystkie materiały znajdujące się w opracowaniu są nowe, w różnych częściach były już wcześniej prezentowane w materiałach ANSYS’a. Zostały tu jednak zebrane w spójną całość uzupełnioną o nowe aktualne treści.

Rys. 2. Subtelne przepływy poprzeczne występujące w przepływie w kanale o przekroju kwadratowym. Tylko niektóre modele turbulencji są w stanie je uchwycić – w tym wypadku wyniki otrzymane modelem GEKO z opcją Corner Flow Correction (po lewej) i bez (po prawej).

Jednoznaczna odpowiedź?

Bardzo atrakcyjny jest początek dokumentu, gdzie krótko scharakteryzowane są wszystkie dostępne modele turbulencji. I do tego fragmentu chciałbym odnieść się swoim komentarzem. Fragment nazwałem atrakcyjnym bo można w nim znaleźć dość jednoznaczne wskazania wyboru modelu turbulencji – coś na co wszyscy czekają. Preferowany jest wybór modeli z rodziny k-omega (BSL/SST, GEKO). Jest to związane z kierunkiem jaki wytypował ANSYS – wybrania modeli k-omega jako bazy do dalszego rozwoju modeli turbulencji. O ile jest to zrozumiały kurs, to z ostrożnością bym podszedł do przedstawionych negatywnych rekomendacji dotyczących modelu Realizable k-epsilon i Spalart Almaras. W praktyce inżynierskiej modele te są ciągle używane i w wielu przypadkach dając „lepsze” wyniki od głównego konkurenta. Model Spalarta Almarasa, pomimo że historycznie wykorzystywany do modelowania aerodynamiki zewnętrznej, nadspodziewanie dobrze radzi sobie dla przypadków przepływów wewnętrznych. Warto pamiętać o załączeniu opcji Strain/Vorticity-Based która zmienia domyślny sposób obliczania członu produkcji turbulencji ograniczając ją wewnątrz dużych struktur wirowych. 

W naszej codziennej pracy w Symkom wykorzystujemy najczęściej model k-omega SST, model Realizable k-epsilon i w niektórych przypadkach właśnie S-A. Również, mimo mojej początkowej ostrożności, z powodzeniem używaliśmy model GEKO w ostatnio realizowanych projektach. Przy odpowiedniej kalibracji współczynników udało się bardzo dobrze odtworzyć wyniki eksperymentalne. W przypadkach, gdzie nie mamy do dyspozycji wyników eksperymentalnych, raczej pierwszym wyborem byłyby już bardziej znane i przetestowane modele turbulencji. Częścią z naszych doświadczeń, dotyczących również modeli hybrydowych i LES, będziemy mogli się wkrótce podzielić w dwóch publikacjach nad którymi obecnie pracujemy.

Rys. 3. Porównanie współczynnika siły nośnej i współczynnika ciśnienia przy opływie płata dla różnych wartości współczynnika CSEP modelu GEKO. Widać duży wpływ współczynnika i możliwość dopasowania modelu GEKO do danych eksperymentalnych.

W modelowaniu turbulencji jest duża przestrzeń na empiryzm, dobre praktyki, czy nawet pewną intuicję inżynierską i zwykłe przyzwyczajenia. Również do nich nawiązuje ANSYS w swoim opracowaniu. Jest świadomy że zwłaszcza w środowisku użytkowników oprogramowania Fluent modele k-epsilon cieszą się dużą popularnością. Jednym z celów, które ANSYS chce osiągnąć to właśnie próba zmiany przyzwyczajeń i ukierunkowania użytkowników na modele z rodziny k-omega. Jaki będzie tego efekt i czy model GEKO zadomowi się w naszych codziennych symulacjach – zobaczymy.

Zachęcam do podzielenia się swoimi przemyśleniami i dobrymi praktykami w komentarzach na LinkedIn lub do wymiany opinii i doświadczeń na naszych seminariach i szkoleniach.

Do następnego razu!

Adam Piechna

dr inż. Adam Piechna – Szef Działu Technicznego w Symkom, a także adiunkt na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej. Specjalista w zakresie modelowanie przepływów z wykorzystaniem metod numerycznych oraz  zagadnień związanych z inżynierią biomedyczną.