[논문 리뷰] 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)|2015. 07. 16.

Cyclone Separators and Fluid Dynamics참고 문헌 3인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 레이저-Doppler 속도측정(LDV) 실험과 OpenFOAM 시뮬레이션을 이용하여 소용루 파이프 유동에 대한 난류 모델의 난류 점성계수 RANS 모델을 평가한다. 실제 가능한 k-ε 모델이 가장 정확한 속도 예측을 제공하는 반면, k-ω 모델은 압력 강하를 더 잘 포착하여 산업적 소용루 유동 시뮬레이션에서 속도 정확도와 압력 정확도 사이의 상충 관계를 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준화된 시계방향 소용루 교란 생성기 후류에서 고해상도 속도 측정을 위해 LDV 실험 데이터와의 비교를 통해 난류 점성계수 RANS 난류 모델의 성능을 검증한다.
• 표준화된 소용루 유동 구성을 위한 메쉬 해상도가 시뮬레이션 정확도에 미치는 영향을 평가한다.
• 소용루 유동을 포함한 산업적 응용 분야에서 난류 모델을 선택하는 데 실용적인 지침을 제공한다.
• 표준 소용루 생성기에서 속도, 압력 강하, 유동 구조 예측 능력을 정량화하기 위해 표준 k-ε 및 k-ω 모델의 예측 능력을 평가한다.
• 다양한 유동 조건과 파이프 지름에서 모델 성능을 평가하여 흐름장의 자기유사성 여부를 평가한다.

제안 방법

• 표준화된 시계방향 소용루 교란 생성기 후류에서 고해상도 속도 측정을 위해 레이저-Doppler 속도측정(LDV) 실험을 수행한다.
• OpenFOAM를 사용하여 다수의 난류 점성계수 난류 모델(표준 k-ε, RNG k-ε, 실제 가능한 k-ε, k-ω SST)을 적용한 레이놀즈 평균 나비에-스토크스(RANS) 시뮬레이션을 수행한다.
• 메쉬 해상도를 체계적으로 변화시켜 시뮬레이션 정확도 및 수렴성에 미치는 영향을 정량화한다.
• 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교하기 위해 프로파일 인자, 비대칭 인자, 난류 인자, 소용루 각도와 같은 성능 지표를 사용한다.
• 마찰 계수 정확도 평가를 위해 압력 강하 예측 결과를 Moody 다이어그램의 이론적 값과 비교한다.
• 다양한 파이프 지름과 유량에서 결과를 비교하여 기하학적 및 유동 매개변수 독립성을 평가하기 위해 자기유사성 분석을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류 점성계수 RANS 난류 모델 중에서 소용루 파이프 유동에서 축방향 및 탄성 속도 프로파일을 가장 정확하게 예측하는 것은 무엇인가?
• RQ2 메쉬 해상도는 표준 소용루 생성기로 생성된 소용루 유동에 대한 RANS 시뮬레이션 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 표준 k-ε 및 k-ω 가족 모델은 이론적 기준치와 비교하여 압력 강하 및 마찰 계수 예측에서 어느 정도의 차이를 보이는가?
• RQ4 다양한 파이프 지름과 유량에서 다른 소용루 교란 기하구조로 생성된 흐름장은 자기유사성으로 간주될 수 있는가?
• RQ5 표준 RANS 모델은 LDV 실험에서 관측된 소규모 유동 구조(예: 소용루, 속도 프로파일 피크 등)를 어느 정도 정확하게 재현하는가?

주요 결과

• 실제 가능한 k-ε 모델이 소용루 파이프 유동에서 속도 크기 예측에 가장 정확한 근사치를 제공하며, 다른 k-ε 및 k-ω 모델보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 표준 k-ε 및 RNG k-ε 모델은 실제 가능한 k-ε 모델이 해결하지 못하는 소규모 유동 구조(예: 소용루, 속도 프로파일 피크 등)를 더 잘 포착한다.
• k-ε 가족 모델은 Moody 다이어그램의 이론적 값과 비교해 압력 강하 및 마찰 계수를 과대 예측한다. 특히 실제 가능한 k-ε 모델이 가장 높은 과대 예측를 보인다.
• k-ω 모델은 이론적 기준치에 가장 가까운 압력 강하 값을 예측하여 마찰 계수 추정의 정확도가 더 뛰어나다는 것을 시사한다.
• 프로파일 인자, 비대칭 인자, 난류 인자와 같은 성능 지표는 다양한 파이프 지름과 유량에서 일관된 값을 보이며, 이는 흐름장의 자기유사성을 시사한다.
• 소용루 생성기의 미세한 기하학적 차이가 있음에도 불구하고, 유도되는 흐름장은 약간의 자기유사성을 보이며, 이는 모델 성능이 표준 시험 구성 간에 이식 가능하다는 것을 의미한다.