乱流モデル(RANS)を用いた、円柱周りの流れの解析について

[Y.S]

初めまして。OpenFOAMを利用しているY.Sです。

私は、高レイノルズ数の円管周りの流れを乱流モデルを用いて、どの程度再現できるか解析しております。 

現在、Re＝2000,3000,10000で、realizableK-epsilonモデルを用いて、buoyantSimpleFoamで計算してみてparaviewで可視化したところ、定常計算をしているにも関わらずこれらすべてのRe数で、円管後方に交互に、また上下に渦が現れる非定常解が現れました。

上記の結果を踏まえて、加えてRe＝100で計算してみたところ、乱流モデル無し（laminar）で解いた結果と同じである定常解が出てきました。

以上のようなRe＝2000,3000,10000の定常解析で上下に渦のような非定常解が現れた理由、原因を教えていただきたいです。(この乱流モデルの特徴なのか、そもそもの条件設定などが間違っているのかなど)

OpenFOAMはv8を用いています。他に情報が足りない場合には追加で対応いたします。

OpenFOAM、乱流モデルともに勉強し始めて間もなく未熟な部分が多々ありますが、ご教授いただけると幸いです。よろしくお願いいたします。

[Youhei Takagi]

Y.S.様

高木と申します。

カルマン渦(カルマン渦列)はRe=100の層流条件でも発生しますので、

特に計算が間違っているわけではないと思います。

RAS解析の場合、速度uを時間平均速度<u>と変動成分u'に分解したとき

(u=<u>+u')、<u>の時間発展方程式を解いているので、<u>で表現できる

周期的なカルマン渦の放出は計算できます。例えば、円柱後方のある

下流点で流れに垂直な方向の速度成分vはカルマン渦によってsinカーブの

ような周期分布をとり、これは<v>で表現できます。レイノルズ平均の

概念図を添付しますので参考にしてください。ちなみに、レイノルズ平均は

普通上付きバーで表記しますが、いまは<>で表記しています。

以上よろしくお願いいたします。

2020年12月17日(木) 16:44 Y.S <yujiro...@eis.hokudai.ac.jp>:

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[Y.S]

高木様

 

返答ありがとうございます。

 

私の書き方が曖昧で伝わりづらい文章になっていました。誠に申し訳ありませんでした。再度現状を報告させていただきます。

 

現在私の解析結果では、Re=100では乱流モデルを用いても、層流条件で解いた結果と同じく定常解が現れました。

（添付ファイル「Re100 realizableKepsilon」と「Re100 laminar」を参照してください）

 

しかし、Re2000,3000,10000ではカルマン渦に似た非定常解が現れました。

　(添付ファイル「Re2000 realizableKepsilon」「Re3000 realizableKepsilon」「Re10000 realizableKepsilon」を参照してください)

 

これらの非定常解が発生したのも教えていただいたようなRAS解析の特徴なのでしょうか？それとも私の設定ミスなのでしょうか？何か教えていただけると幸いです。よろしくお願いいたします。

2020年12月17日木曜日 19:15:13 UTC+9 yotakagi:

[Youhei Takagi]

Y.S.様

高木です。

Re=100では周期的なカルマン渦の放出は見られなかった、と

いうことですね。流れが層流ならば乱流モデルを入れても渦粘性は

働かないので結果は同じになります。

格子点数の情報がないのでわからないのですが、もし格子が粗い

のならば、Re=100で格子を細かくしてみてはいかがでしょうか？

以上よろしくお願いします。

2020年12月18日(金) 13:30 Y.S <yujiro...@eis.hokudai.ac.jp>:

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[Y.S]

高木様

 

ご回答ありがとうございます。

 

現在格子点数は74216点ですので、さらに細かくして計算してみます。ありがとうございます。

 

現在buoyantSimpleFoamで計算を行っているのですが、Re=2000,3000,10000では非定常な解が出現しています。Simple法で計算して非定常解が出ることはあり得るのでしょうか？

 

もし非定常解が出るのはおかしいということでしたら、境界条件などの設定ミスなのか、それともこのrealizableKepsilonという乱流モデルが今回のケースだと不向きなのか、など原因として考えられるものを教えていただきたいです。よろしくお願いします。　

2020年12月18日金曜日 14:06:25 UTC+9 yotakagi:

[Youhei Takagi]

Y.S. 様

高木です。

定常流ソルバーをお使いだということを見落としていました。

定常流ソルバーで出力される各時刻でのデータは物理的な時間出力では

なく、反復過程でのデータです。残差が落ち切っていないので、非定常な

解が出ているかと思われます。

カルマン渦に対して定常流ソルバーを使ったことがないので

わからないのですが、綺麗な対称流れを収束解として出すのは

難しそうな気もします。

非定常ソルバーで計算して、ある程度の時間ステップを平均して

統計量を出す方が問題なさそうな気がしますがいかがでしょうか？

以上よろしくお願いします。

2020年12月18日(金) 14:50 Y.S <yujiro...@eis.hokudai.ac.jp>:

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