円管内の強制対流熱伝達について

[ひろし]

お世話になります。

大学にて数値解析を試みようと考えている素人です。

Re=4000~10000の範囲で円管内強制対流熱伝達を行いたいです。

Re=4000の条件は以下の通りです。

円管の内径0.015m、伝熱長さ0.6m、助走距離1m

入口流速0.3038m/s、入口温度15℃、壁温25℃

数値解析を行った結果収束せず、出口温度が想定される温度より高いため

sieder-tateの式、gnielinskiの式と比較し、Nuが1.5倍ほど高く，整合性がない状況です。

モデルはcadで作成し、xsimを用いて条件ファイルの出力を行い、少し手を加えました。

原因がわからないため，有識者の方に教えていただきたいです。

条件ファイルを添付いたします。

どなたかご教授いただければ幸いです。

よろしくお願いいたします

[H‐Tsubota＠xsim.info]

設定ファイルをばらばらにアップロードしても計算状態を再現するのが難しいので、Allrunファイルまで含めて以下の2ファイルを添付すると回答が得られやすいのではないかと思います。

・XSimからダウンロードしたzipファイル
・変更を加えた計算前の設定ファイル一式をzipで1つにまとめたもの

期待される理論値についても実際の値を書いておくと回答者が手計算する労力を省けるので 回答を得られやすいかもしれません。

> 数値解析を行った結果収束せず、出口温度が想定される温度より高いため

> sieder-tateの式、gnielinskiの式と比較し、Nuが1.5倍ほど高く，整合性がない状況です。

また一般論ですが、収束していない計算結果が理論解と一致することはないので、まずは収束（十分に残差が小さくなる）ようメッシュ、数値スキーム、行列ソルバー、緩和係数などを見直すと良いのではないでしょうか。

以上、よろしくお願いします。

2024年4月23日火曜日 15:42:29 UTC+9 ひろし:

[ひろし]

H‐Tsubota＠xsim.info様

ご教授いただきありがとうございます。

また、質問内容が不十分で申し訳ございません。

xsimでエクスポートしたzipファイルを添付いたします。

出口温度が16.5℃程度になれば理論値に等しい値となります。

エクスポートしたファイルでは発散してしまったため、緩和係数を

relaxationFactors{
    fields{
        rho 1;
        p_rgh 0.1;
    }
    equations{
        U 0.6;
        h 0.6;
        k 0.6;
        epsilon 0.6;

のように変更したところ、計算ができましたが、収束は程遠いものになってしまいました。

残差グラフを添付いたします。

このように、残差が安定すると計算が安定したとみなしていいのでしょうか。

また、10-6に収束するように緩和係数を変更したほうがよいでしょうか。

はたして遷移域から乱流域で10-6まで収束するものなのでしょうか。

初歩的な質問で申し訳ございません。

checkMeshの結果も添付いたしますので、加えてご教授いただければ幸いです。

よろしくおねがいいたします。

2024年4月23日火曜日 21:33:56 UTC+9 H‐Tsubota＠xsim.info:

[H‐Tsubota＠xsim.info]

設定ファイルをざっと見ましたが大きな問題は無いように見えました。
（wall1とwall2にレイヤーメッシュが入ってない点は少し気になりますが）

自分であれば以下を試してみます。

・計算結果を可視化して物理的に不自然な流れ、熱分布が起きていないか確認する

・壁全てにレイヤーメッシュを入れてみる

・全体のメッシュをさらに細かくして、残差の変化の傾向を見る

・緩和係数やソルバーのtoleranceやrelTolをさらに小さくして、残差の変化の傾向を見る
・非定常計算にしてみる
・ブシネスク近似をやめてみる
・数値スキーム、行列ソルバーを精度重視のものに変えてみる

以上です。

2024年4月23日火曜日 22:50:09 UTC+9 ひろし:

[ひろし]

H‐Tsubota＠xsim.info  様

ご返信ありがとうございます。

ご教授頂いた内容を理解しつつ実行したいと思います。

この度はありがとうございました。

2024年4月24日水曜日 20:40:47 UTC+9 H‐Tsubota＠xsim.info: