توسعه یک حلگر هم‌گیر جریان جهت حل جریان سطح آزاد با الگوریتم تعقیب سطح فاصل در بستر فوم‌اکستند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکدگان علوم و فناوری‌های میان‌رشته‌ای، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

در مقاله حاضر، پیاده‌سازی یک حلگر هم‌گیر همزمان و ضمنی فشار و سرعت جهت حل جریان‌های سطحِ آزاد در بستر فوم‌اکستند ارائه شده است. پیاده‌سازی حلگر هم‌گیر فشار و سرعت درکنار الگوریتم تعقیب سطحِ پیش‌فرض موجود در فوم‌اکستند، منجر به ایجاد حلگری معادل با حلگر پیش‌فرض در فوم‌اکستند با نام  اینترترک فوم، شده است. الگوریتم حاضر تماماً به کمک ساختارها، کلاس‌ها و توابع موجود در بستر فوم‌اکستند اعمال شده و تمامی قابلیت‌های این بستر کماکان قابل استفاده می‌باشد. همچنین در این حلگر از کتابخانه‌های مربوط به ماتریس‌های بلوکی موجود به همراه قابلیت حل موازی استفاده شده است. سیستم دستگاه ماتریسی بلوکی، به عنوان پایه‌ی حلگر هم‌گیر مورد استفاده قرار گرفته است. کاهش تعداد حلقه‌های داخلی و همینطور حل یک مرحله‌ای فشار و سرعت به عنوان یکی از اصلی‌ترین تفاوت‌های ذاتی با حلگر پیش‌فرض است. با ساختار استفاده‌شده برای حلگر هم‌گیر ، امکان هم‌گیر کردن دیگر متغیرها درکنار سرعت و فشار نیز ایجاد شده است. در واقع، این حلگر اولین گام به سوی حلگر هم‌گیر سرعت، فشار، دما و اجزا با قابلیت انتقال حرارت و جرم است. توانایی حلگر توسعه داده‌شده در حل نمونه‌های آزمایش مختلفی شامل مخزن سه‌بعدی، حل جریان سطحِ آزاد حولِ ایرفویل، جریان در عبور از سطح شیب‌دار، نشان داده شده است. با توجه به قابلیت حل همزمان فشار و سرعت در حلگر حاضر، انتظار است که کاربرد این حلگر در فیزیک و هندسه‌های پیچیده با درجه هم‌گیری بالا، چشمگیر باشد. قابلیت حل همزمان، امکان کاهش تعداد تکرار یا در نظر گرفتن گام زمانی نسبتاً بالاتر مربوط به حل جریان را فراهم آورده‌است. نتایج نشان می‌دهد که برای حل جریان بدون انتقال حرارت و جرم، حلگر پیش‌فرض علارغم تعداد تکرار بیشتر برای حل معادله فشار، حداقل به مقدار چهار برابر، سرعت حل بالاتری ازخود نشان داده‌است.  

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Developing a Coupled Free-Surface Flow Solver using Interface Tracking Algorithm in foam-extend

نویسندگان [English]

  • behnam cheraghi
  • Shidvash Vakilipour
Faculty of New Sciences and Technologies, University of Tehran
چکیده [English]

In the present study, the implementation of a coupled implicit solver is presented for solving the free-surface flows. The implementation of the coupled pressure and velocity along with the default interface tracking algorithm has led to the creation of a solver equivalent to the basic foam-extend solver, which is called interTrackFoam. All of the features of the foam-extend platform can still be used i.e. mesh motion and parallel processing. Also, the libraries related to the block matrices available in foam-extend are used in the developed solver. The block matrix system is utilized as the basis of the coupled solver. The single-step solution of pressure and velocity is known as one of the main differences with the default solver. The ability of the developed solver to solve various test cases including a three-dimensional tank, solving the free-surface flow around an airfoil, and the flow passing over the ramp is demonstrated. The simultaneous solution capability has provided the possibility of reducing the number of iterations or considering a relatively higher time step related to solving the flow field. This aforementioned solver is the first step towards the velocity, pressure, temperature, and species-coupled solver with heat and mass transfer capability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Coupled Solver
  • Free-Surface Flow
  • Interface Tracking Algorithm
  • Foam-Extend
  • OpenFOAM

مراجع

[1] D. Gueyffier, J. Li, A. Nadim, R. Scardovelli, S. Zaleski, Volume-of-fluid interface tracking with smoothed surface stress methods for three-dimensional flows, Journal of Computational physics, 152(2) (1999) 423-456.
[2] C.W. Hirt, B.D. Nichols, Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, Journal of computational physics, 39(1) (1981) 201-225.
[3] Ž. Tuković, H. Jasak, A moving mesh finite volume interface tracking method for surface tension dominated interfacial fluid flow, Computers & fluids, 55 (2012) 70-84.
[4] S. Vakilipour, M. Mohammadi, S. Ormiston, A fully coupled ALE interface tracking method for a pressure-based finite volume solver, Journal of Computational Physics, 427 (2021) 110054.
[5] S. McKee, M.F. Tomé, V.G. Ferreira, J.A. Cuminato, A. Castelo, F. Sousa, N. Mangiavacchi, The MAC method, Computers & Fluids, 37(8) (2008) 907-930.
[6] G. Tryggvason, B. Bunner, A. Esmaeeli, D. Juric, N. Al-Rawahi, W. Tauber, J. Han, S. Nas, Y.-J. Jan, A front-tracking method for the computations of multiphase flow, Journal of computational physics, 169(2) (2001) 708-759.
[7]  L. Huang, Y. Li, D. Benites-Munoz, C.W. Windt, A. Feichtner, S. Tavakoli, J. Davidson, R. Paredes, T. Quintuna, E. Ransley, A review on the modelling of wave-structure interactions based on OpenFOAM, OpenFOAM journal, (2022) 116-142.
[8] D. Gründing, An arbitrary Lagrangian-Eulerian method for the direct numerical simulation of wetting processes,  Institute of Numerical Methods in Mechanical Engineering (FNB), (2020).
[9] B. Cheraghi, S. Vakilipour, Developing an Interface Tracking Coupled Solver for Solving two Phase Flow Fields at Low Reynolds Numbers in foam-extend Platform, Sharif Journal of Mechanical Engineering,  (2024), pp.-. (in Persian).
[10] R.A. Havestini, S.J. Ormiston, An elliptic numerical analysis of water vapour absorption into a falling film in vertical parallel plate channels, International Journal of Heat and Mass Transfer, 150 (2020) 119266.
[11] S. Patankar, Numerical heat transfer and fluid flow, Taylor & Francis, 2018.
[12] S. Karimian, G. Schneider, Pressure-based computational method for compressible and incompressible flows, Journal of thermophysics and heat transfer, 8(2) (1994) 267-274.
[13] S.M.H. Karimian, G. Schneider, Pressure-based control-volume finite element method for flow at all speeds, AIAA journal, 33(9) (1995) 1611-1618.
[14] M. Darwish, I. Sraj, F. Moukalled, A coupled incompressible flow solver on structured grids, Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals, 52(4) (2007) 353-371.
[15] M. Darwish, I. Sraj, F. Moukalled, A coupled finite volume solver for the solution of incompressible flows on unstructured grids, Journal of Computational Physics, 228(1) (2009) 180-201.
[16] K. Kissling, J. Springer, H. Jasak, S. Schutz, K. Urban, M. Piesche, A coupled pressure based solution algorithm based on the volume-of-fluid approach for two or more immiscible fluids, in: European Conference on Computational Fluid Dynamics (2010).
[17] S. Vakilipour, S. Ormiston, A coupled pressure-based co-located finite-volume solution method for natural-convection flows, Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals, 61(2) (2012) 91-115.
[18] S. Muzaferija, M. Peri´ c, Computation of free-surface flows using the finite-volume method and moving grids, Numerical Heat Transfer, 32(4) (1997) 369-384.
[19] H. Jasak, Ž. Tuković, Dynamic mesh handling in openfoam applied to fluid-structure interaction simulations, in:  European Conference on Computational Fluid Dynamics, (2010).
[20] H. Jasak, Dynamic mesh handling in openfoam, in:  47th AIAA aerospace sciences meeting including the new horizons forum and aerospace exposition, 2009, pp. 341.
[21] A. Rynell, CFD with openSource software openfoam 1.5. dev tutorial of intertrackfoam-solver Peer Reviewed by Anton Berce and Jelena Andric. (2010).
[22] J.H. Ferziger, M. PeriC, Computational methods for fluid dynamics, in, Springer, 2002.
[23] J.H. Duncan, The breaking and non-breaking wave resistance of a two-dimensional hydrofoil, Journal of fluid mechanics, 126 (1983) 507-520.
[24] B. Cheraghi, B. Mirzavand Boroujeni, M. Shafaee, Hydroelastic coupled vibrations in spherical containers of membrane bottom, partially filled with frictionless liquids, Modares Mechanical Engineering, 16(4) (2016) 155-162 (in Persian).
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 56، شماره 2
1403
صفحه 149-184

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار