Computational modeling: valuable tool or math exercise?

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Computational modeling: valuable tool or math exercise?
Engineering Conferences International
ECI Digital Archives
Wastewater and Biosolids Treatment and Reuse:
Bridging Modeling and Experimental Studies
Proceedings
Spring 6-9-2014
Computational modeling: valuable tool or math
exercise?
C. Poloni
Universita di Trieste
Follow this and additional works at: http://dc.engconfintl.org/wbtr_i
Part of the Environmental Engineering Commons
Recommended Citation
C. Poloni, "Computational modeling: valuable tool or math exercise?" in "Wastewater and Biosolids Treatment and Reuse: Bridging
Modeling and Experimental Studies", Dr. Domenico Santoro, Trojan Technologies and Western University Eds, ECI Symposium
Series, (2014). http://dc.engconfintl.org/wbtr_i/5
This Conference Proceeding is brought to you for free and open access by the Proceedings at ECI Digital Archives. It has been accepted for inclusion in
Wastewater and Biosolids Treatment and Reuse: Bridging Modeling and Experimental Studies by an authorized administrator of ECI Digital Archives.
For more information, please contact [email protected].
Computational modeling: valuable
tool or math exercise?
!
C.Poloni
Dipartimento di Ingegneria e Architettura, Università di Trieste,
ESTECO SpA!
Italy
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
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!
•
“When numerical simulations are presented nobody believes in the results but the one
who did the calculations”
“When experimental data are presented everybody believes in the results but the one
who did the measurements”
!
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•
case 1: optimization of an axisymmetric body!
case 2: calibration of cavitation modeling!
case 3: optimization of air filter
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
...example from the past
•
find the shape with minimum drag at low Reynolds
number with prescribed maximum size
C.Poloni, G.Mosetti, Aerodynamic Shape
Optimization by Genetic Algorithm, ISCFD
Sendai, August 1993
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Shape optimization of an axisymmetric body
Re 500
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C.Poloni, G.Mosetti, Aerodynamic Shape
Optimization by Genetic Algorithm,
ISCFD Sendai, August 1993
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2.503
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001411715
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2.500
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2.2771
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1.9401
3.1721
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2.2332
2.3088
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2.0803
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Tabella 2: Risultati numerici e sperimentali per le sago
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Experiment
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2.4665
2.6378
2.2597
2.3401
2.0641
2.1017
2.0557
2.1838
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FEMLAB
FIDAP(1993)
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CFX
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1
Rissetto
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1993 results
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1.433
1.382
1.668
1.578
1.869
1.779
2.370
2.503
2
571164010
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3.500
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2.6216
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2.3088
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2.4213
2.3540
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2.1413
2.0839
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Tabella 2: Risultati numerici e sperimentali per le sago
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Experiment
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FEMLAB
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CFX
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2.0557
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FEMLAB
FIDAP(1993)
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CFX
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3.1752
3.0144
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2.6378
2.2597
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3.1721
2.9870
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Robust (mean)
3.500
2.000
Tabella 2: Risultati numerici e sperimentali per le sago
717705467
1.779
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Experiment
114301054
405173141
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FEMLAB
016252442
1.382
1.433
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CFX
451440765
576034514
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FEMLAB
FIDAP(1993)
001411715
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1.500
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071163106
CFX
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Rissetto
4.000
2006 results
Build an accurate model
modelling cavitation in marin propellers!
!
Mitja Morgut, Enrico Nobile, Ignacijo Bilušb, Comparison of mass
transfer models for the numerical prediction of sheet cavitation around a
hydrofoil, International Journal of Multiphase Flow Volume 37, Issue 6,
July 2011, Pages 620–626
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Definition of Cavitation
Cavitation can be outlined as:
!
- the vaporization of a liquid when
the static pressure decreases
below its vapour pressure [1]
!
- the formation and activity of
bubbles (or cavities) in a liquid [2]
!
- the breakdown of a liquid under
very low pressures [3]
[1] Coutier-Delgosha, O., Reboud, J., Delannoy, Y., 2003. Numerical simulation of unsteady behaviour of cavitating flows.
International Journal for Numerical Methods in Fluids 42, 527-548.
!
[2] Young, F., 1989. Cavitation. Imperial College Press, London
!
[3] Franc, J., Michel, J., 2004. Fundamentals of Cavitation. Kluwer Academic Publisher.
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Examples of hydrodynamic cavitation
Partial Cavitation
Bubble Cavitation
Supercavitation
Vortex Cavitation
Cloud Cavitation
(Tip) Vortex Cavitation
Figures taken from: Fluid Dynamics of Cavitation and Cavitating Turbopumps. Edited by D’Agostino, L., and Salvetti, M.V., 2007
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Examples of hydrodynamic cavitation
Figure (a) adapted from: Vaz, G.N.V.B. Modelling of Sheet Cavitation on Hydrofoils and Marine Propellers using Boundary Element
Methods. PhD Thesis Universidade Tecnica de Lisboa, 2005.
!
Figure (b) adapted from: Heinke, H.-J. Potsdam Propeller Test Case (PPTC), Cavitation Test with the Model Propeller VP1304.
SVA (Potsdam Model Basin), 2011.
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Mathematical model
Governing Equations
!
Phases are considered incompressible and multiphase flow is assumed homogeneous
Zwart Model
.
m
.
m
.
FCM (Full Cavitation Model)
m
.
m
Kunz Model
.
.
m
.
m+
.
m-
m+
.
mWBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Reference test case
- NACA66MOD hydrofoil [4]
chord: c=0.15m
Angle of Attack: AoA=4°
Re=2x106 Three different cavitating flow
regimes: σ=1.00, 0.91, 0.84
Shape of the computational domain
Calibration of mass transfer models
Computational grid around the NACA66MOD hydrofoil
[4] Shen, Y.T., Dimotakis, P.E. The influence of Surface Cavitation
on Hydrodynamic Forces. In Proc. 22° ATTC, St. Johns, Canada,
Pages 44-53, 1989
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
- Simulations carried out considering:
Two-dimensional flow
Steady state conditions
k-ε turbulence model
!
- Computational grid generated with
ANSYS-ICEM CFD
Hexa-structured, 58734 nodes
!
Calibration of mass transfer models
The idea
Search/find the empirical coefficients which minimize the differences between the
Numerical and experimental pressure distributions on the suction side of the NACA66MOD hydrofoil, for three different cavitating flow regimes.
Example of numerical and experimental pressure distributions on the hydrofoil suction side
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Calibration of mass transfer models
The optimization algorithm (optimizer),
during the successive iterations, changes
the values of the empirical coefficients
of the cavitation models
(Fe, Fc), (Ce, Cc), (Cprod, Cdest)
in order to minimize the Objective
function f. !
The optimizer run until the desired Convergence level or maximum
number of iterations is reached.
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Calibration of mass transfer models
Default and calibrated values for the different mass transfer models
Pressure distributions obtained with FCM using
default and tuned values of empirical coefficients
Numerical sheet cavities computed using non-calibrated (left) and calibrated (right)
mass trasfer models for AoA=4°, Re=2x106, σ=0.91.
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Pressure distributions obtained using the calibrated
mass transfer models
Model scale propellers
E779A
- four bladed propeller
- Diameter D=0.227m
- propriety of CNR-INSEAN
E779A propeller.
View looking suction side
PPTC
- five bladed propeller
- diameter D=0.25m
- propriety of SVA
CNR-INSEAN:http//www.insean.cnr.it
SVA:http://www.sva-potsdam.de/pptc.html
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
PPTC propeller.
View looking suction side
Numerical setup
- Simulations performed with:
ANSYS-CFX
Steady state simulations
SST turbulence model
MRF approach
Domain split in two regions:
Rotating region: Rotating
Fixed region: Fixed
Computational domain covering only one blade passage
- Computational grids generated
with: ANSYS-ICEM CFD
E779A, Hexa-structured surface mesh
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
PPTC, Hexa-structured surface mesh
E779A – cavitating flow
Exp. J=0.71, σN = 1.763
Exp. J=0.77, σN = 1.783
Exp. J=0.83, σN = 2.063
Zwart
FCM
Kunz
Numerical cavitation patterns depicted as isosurfaces of vapour volume fracrion α=0.5
Experimental pictures courtesy of CNR-INSEAN
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
E779A – cavitating flow
Thrust and Torque
Numerical results at J=0.71 for σn=1.763
and for the non cavitating regime
Influence of the cavitation number σN and of the
mass transfer model on the thrust coefficient
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Influence of the cavitation number σN and of the
mass transfer model on the torque coefficient
!
Second International Symposium on Marine Propulsors 2011!
Workshop: Propeller performance!
17 - 18 June 2011, Hamburg, Germany
!
!Potsdam Propeller Test Case (PPTC)!
!Cavitation Tests with the Model Propeller VP1304!
!Case 2.3!
!Blind Benchmark!
!Proceedings available on-line:
http://www.marinepropulsors.com/smp/files/downloads/smp11_workshop/
smp11_workshop/
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SMP11 - Workshop Propeller performance
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
SMP11 - Thrust coefficient
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
SMP11 - Thrust coefficient
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
SMP11 - Cavitation patterns
Exp. J=1.019, σn=2.024
Exp. J=1.269, σn=1.424
Exp. J=1.408, σn=2.000
Zwart
FCM
Numerical cavitation patterns depicted as isosurfaces of vapour volume fraction α = 0.5
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Kunz
Filter for professional kitchen
Filtro tra i più diffusi sul mercato delle
cucine industriali.
!
Il dispositivo è composto da una serie di
lamierini di acciaio inossidabile piegati in
modo tale da formare i canali di passaggio
per l’aria.
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Simple periodic model
Simple periodic model is !
NOT ABLE TO PREDICT !
the flow pattern!
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Simulazioni numeriche CFD
Outlet
Star-CCM+
Inlet
Mesh 2D
Poliedri + strato di prismi a parete = ~500.000 celle
Inlet
•
•
•
•
Outlet
• Pressione statica = 0 Pa
• Pressione di riferimento = 101325 Pa
Turbolenza
Modello k-ω
Tempo
Modello non stazionario - Δt = 10 sec (step 1/10 sec)
Multifase
Modello lagrangiano (olio, 800 kg/m
min)
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Aria a T = 23°C e densità costante
Pressione Standard
Portate = 300 ÷ 450 ÷ 600 m
Gravità : 0, 0, –9.81 m/s
M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Verifiche sperimentali
Laser Doppler Velocimetry:
• plexiglass trasparente da 5mm
• Portata: 600 m3/h → 0.83 m/s
• Spray di acqua e glicerina (10%/volume)
• Rilevamenti 2D (piani ZY simmetrici lungo
l'asse X)
• Griglia da 12000 punti di misura (media su
30/60 sec.)
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Verifiche sperimentali
Pressione
←
↓
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Laser Doppler Velocimetry
Particle Size Analyzer
M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Risultati
Pressione [Pa]
Portata
[m
CFD
Dati
sperimen
tali
Errore rel.
[%]
300
15.198
14
8.6
450
34.034
31
9.8
600
60.257
58
3.9
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Risultati
Vettori di velocità (m/s)
Dati sperimentali
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CFD
M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Risultati
CFD – streamline
0<t<3 sec : unsteady
!
3<t<10 sec : steady
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M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Verifiche sperimentali
Particle Size Analyzer:
• Struttura posta verticalmente
• Inseminazione di particelle di vetro
finemente frantumate
• Diametri = 1-40 micron (PDF rossa)
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Results
Separation efficiency by CFD changing flow rate:
low separation
very low efficiency for D < 12 micron due to:!
• 2D flow!
• reduced residence inside the filter
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Shape optimization of the filter
Max separation efficiency
Shape optimization by!
modeFRONTIER
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Min pressure losses
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industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
New device
– develop an efficient filter for small particles (8 micron)!
– create a 3D flow pattern !
– have longer residence time inside the filter
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
New device
“flat” filter made of many modules!
possibility of having a series of filters mounted in series!
!
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M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Nuovo dispositivo – Ottimizzazione
6 inputs
geometrici
CFD node:
Star-CCM+
CAD node:
CATIA
outputs
2 obiettivi
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M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
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Nuovo dispositivo – Ottimizzazione
6 Inputs geometrici
Vista dall'alto
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Sezione frontale
M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Nuovo dispositivo – Ottimizzazione
Ottimizzato
Real
(3D CFD)
Virtual (RSM)
design iniziale
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M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
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Nuovo dispositivo – Ottimizzazione
sezione
A-A
Design
iniziale
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sezione
A-A
Design
ottimizzato
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industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Risultati
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M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Verifiche sperimentali
Realizzazione dispositivo ottimizzato attraverso prototipazione rapida
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M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Verifiche sperimentali
Filtro
Nebulizzatore
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M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Risultati
Efficienza globale media = 72.6%
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo
industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014
Conclusion
George Box stated that “all models are wrong, but some are
useful”…
!
Optimization can make models even more useful!
!
Thank you for your attention
WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014
Grazie per l’attenzione!
WBTR Conference, OtrantoM.8-14
2014
CarriglioJune
- Progettazione
di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014