[論文レビュー] TwoPhaseFlow: An OpenFOAM based framework for development of two phase flow solvers

Henning Scheufler, Johan Roenby|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2021

Fluid Dynamics and Heat Transfer被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、相変化および界面張力のモデル化を特に念頭に置いて、高度な二相流ソルバの開発と検証を簡素化するオープンソースのOpenFOAMベースのフレームワーク、TwoPhaseFlowを提示する。実行時選択メカニズムを統合することで、曲率計算手法（高さ関数法、放物線フィット法、再構築距離関数）および相変化モデル（界面熱抵抗、直接熱フラックス）の迅速な実装と比較が可能となり、不純な流れを10倍以上低減し、構造化メッシュおよび非構造化メッシュの両方で精度を向上させる。

ABSTRACT

One of the prevailing challenges in Computational Fluid Dynamics is accurate simulation of two-phase flows involving heat and mass transfer across the fluid interface. This is currently an active field of research, which is to some extend impaired by a lack of a common programming framework for implementing and testing new models. Here we present a new OpenFOAM based open-source framework allowing fast implementation and test of new phase change and surface tension force models. Capitalizing on the runtime-selection mechanism in OpenFOAM, the new models can easily be selected and compared to analytical solutions and existing models. As a start, the framework includes the following curvature calculation methods for surface tension: height function, parabolic fit, and reconstructed distance function method. As for phase change, interface heat resistance and direct heat flux models are available. These can be combined with three solvers covering the range from isothermal, incompressible flow to non-isothermal, compressible flow with conjugated heat transfer. By design, addition of new models and solvers is straightforward and users are invited to contribute their specific models, solvers, and validation cases to the library.

研究の動機と目的

• 熱・質量移動を伴う二相流モデルの開発とテストに向けた標準的で拡張可能なプログラミングフレームワークの不足に対処する。
• 体積力法（VoF）手法における主な課題である不純な流れを低減する。
• 流体界面における質量移動および温度ジャンプ条件を含む、正確で安定した相変化現象のシミュレーションを実現する。
• OpenFOAMの実行時選択メカニズムを活用し、界面張力および相変化モデルの迅速なプロトタイピングと検証を可能にする。
• メッシュタイプに依存しない互換性を確保するため、幾何的VoF（isoAdvector）とカラーファンクションVoF（MULES）を両方サポートする。

提案手法

• OpenFOAM v1812の実行時選択メカニズムを活用し、再コンパイルなしに界面張力および相変化モデルの動的ロードと比較を可能にする。
• 3つの曲率計算手法を実装：高さ関数法（HFM）、放物線フィット法（fitParaboloid）、再構築距離関数（RDF）—これらは正確な界面張力力の計算に寄与する。
• 3つの相変化モデルを統合：明示的および暗黙的勾配ベースモデル、およびSchrageモデル。これらはすべて、数値的オscillationと界面のぼやけを最小限に抑えるように設計されている。
• 3つのソルバをサポート：等温非圧縮性から非等温圧縮性流体まで、接触熱伝達を含む多様な物理的状態をカバーする。
• 界面移流には幾何的VoF（isoAdvector）とカラーファンクションVoF（MULES）を用い、前者は界面張力および曲率計算において高い精度を発揮する。
• 相変化モデルにおいて温度と質量フラックスを暗黙的に結合することで、時間ステップ制限を回避し、安定性を向上させる。これはBatzdorfとSato、およびNicenoの手法に準拠している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OpenFOAMにおける二相流モデルの開発と検証を加速するためのモジュラーでオープンソースのフレームワークは、どのように設計できるか？
• RQ2 構造化メッシュおよび非構造化メッシュの両方で、高度な曲率モデル（RDF、fitParaboloid）は、標準的なgradAlphaモデルに比べて不純な流れをどの程度低減するか？
• RQ3 異なる相変化モデル（Schrage、明示的／暗黙的勾配）は、さまざまな界面再構築手法と組み合わせた場合、精度と安定性においてどのように性能を発揮するか？
• RQ4 本フレームワークは、圧縮性および非等温流体に加え接触熱伝達を含む多様な流れ状態においても、精度と安定性を維持できるか？
• RQ5 界面移流手法（幾何的VoF対カラーファンクションVoF）は、界面張力および相変化シミュレーションの精度にどのような影響を及えるか？

主な発見

• RDFおよびfitParaboloid曲率モデルは、構造化メッシュおよび非構造化メッシュの両方で、標準的なOpenFOAMのgradAlphaモデルに比べて不純な流れを10倍以上低減する。
• 構造化六面体メッシュ上では、RDFおよびfitParaboloidは正弦波ベンチマークにおいて解析解とほぼ完全に一致するが、gradAlphaは顕著なずれを示す。
• 非構造化四面体メッシュ上では、RDFは高い精度を維持するが、fitParaboloidはqualitatively正しい挙動を示す一方、gradAlphaは波の振幅を正しく捉えられない。
• すべてのテストケースにおいて、幾何的VoF手法（isoAdvector）はカラーファンクションVoF（MULES）よりも界面張力および曲率計算の精度で優れている。
• RDF曲率モデルと直接熱フラックス（DHF）相変化モデルの組み合わせにより、数値的オscillationを最小限に抑え、安定的かつ正確な相変化現象のシミュレーションが可能になる。
• フレームワークはrhoReactionThermoを介して多成分相モデルをサポートしており、今後の濃度に基づく相変化を伴う反応性二相流への拡張が可能になる。