[論文レビュー] Performance of eddy-viscosity turbulence models for predicting swirling pipe-flow: Simulations and laser-Doppler velocimetry

Diego del Olmo Díaz, Denis F. Hinz|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Cyclone Separators and Fluid Dynamics参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、レーザ-Doppler速度計測（LDV）実験とOpenFOAMシミュレーションを用いて、渦粘性RANS乱流モデルの渦巻き流れを有するパイプ内の性能を評価する。実用的k-εモデルが最も正確な速度予測を示す一方、k-ωモデルは圧力損失をよりよく捉える。これは産業的応用における速度と圧力の精度のトレードオフを示している。

ABSTRACT

We use laser-Doppler velocimetry (LDV) experiments and Reynolds-averaged Navier--Stokes (RANS) simulations to study the characteristic flow patterns downstream of a standardized clockwise swirl disturbance generator. After quantifying the impact of the mesh size, we evaluate the potential of various eddy-viscosity turbulence models in providing reasonable approximations with respect to the experimental reference. The choice of turbulent models reflects current industry practice. Our results suggest that models from the $k$-$ε$ family are more accurate in predicting swirling flows than models from the $k$-$ω$ family. For sufficiently resolved meshes, the realizable $k$-$ε$ model provides the most accurate approximation of the velocity magnitudes, although it fails to capture small-scale flow structures which are accurately predicted by the standard $k$-$ε$ model and the RNG $k$-$ε$ model. Throughout the article, we highlight practical guidance for the choice of RANS turbulence models for swirling flow.

研究の動機と目的

• 渦巻き流れを有するパイプ内のエディ・ビジコシティRANS乱流モデルの性能を、実験的LDVデータと照合して検証すること。
• メッシュ解像度が渦巻き流れのシミュレーション精度に与える影響を評価すること。
• 渦巻き流れを含む産業的応用における乱流モデル選定の実用的指針を提供すること。
• 標準化された渦巻き生成器を用いた、速度、圧力損失、流れ構造の予測能力を定量化すること。
• 異なる流れの状態およびパイプ径におけるモデル性能を評価し、流れ場の自己相似性を検証すること。

提案手法

• 標準化された時計回りの渦巻き乱流生成器の下流で、高解像度の速度測定を得るためにレーザ-Doppler速度計測（LDV）実験を実施する。
• OpenFOAMを用いて、複数のエディ・ビジコシティ乱流モデル（標準k-ε、RNG k-ε、実用的k-ε、k-ωSST）を用いたレイノルズ平均ナビエ＝ストークス（RANS）シミュレーションを実行する。
• メッシュ解像度を系統的に変化させ、シミュレーション精度および収束性への影響を定量化する。
• プロファイル係数、非対称性係数、乱流係数、および渦巻き角を用いて、シミュレーション結果と実験データを比較する性能指標を用いる。
• モーリー図からの理論的値と照合して、圧力損失の予測を検証し、摩擦係数の精度を評価する。
• 異なるパイプ径および流量での結果を比較することで、自己相似性解析を実施し、幾何的および流れパラメータへの依存性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのエディ・ビジコシティRANS乱流モデルが、渦巻き流れを有するパイプ内の軸方向および接線方向速度プロファイルを最も正確に予測するか？
• RQ2 メッシュ解像度は、標準化された渦巻き生成器によって生成される渦巻き流れのRANSシミュレーション精度にどのように影響するか？
• RQ3 k-εおよびk-ωファミリーのモデルは、理論的基準値と比較して、圧力損失および摩擦係数をどの程度正確に予測するか？
• RQ4 異なる渦巻き乱流生成ジオメトリが生成する流れ場は、異なるパイプ径および流量において自己相似と見なせるか？
• RQ5 標準RANSモデルは、LDV実験で観測された小スケールの流れ構造（例：渦、速度プロファイルのピーク）をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• 実用的k-εモデルが、渦巻き流れを有するパイプ内の速度の大きさを最も正確に近似する。他のk-εおよびk-ωモデルを上回る性能を示す。
• 標準k-εおよびRNG k-εモデルは、実用的k-εモデルが解像できない小スケールの流れ構造（例：渦、速度プロファイルのピーク）をよりよく捉えている。
• k-εファミリーのモデルは、モーリー図からの理論的値と比較して、圧力損失および摩擦係数を過大に予測している。特に実用的k-εモデルが最も高い過大予測を示している。
• k-ωモデルは理論的基準値に最も近い圧力損失を予測しており、摩擦係数推定においてより高い正確性を示している。
• プロファイル係数、非対称性係数、乱流係数といった性能指標は、異なるパイプ径および流量で一貫した値を示しており、流れ場の自己相似性を示唆している。
• 渦巻き生成器の幾何的差異がわずかであっても、それらが生成する流れ場は概ね自己相似であるため、モデル性能が標準的なテスト構成間で転用可能であると考えられる。