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 • ! • “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” ! • • • 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 • C.Poloni, G.Mosetti, Aerodynamic Shape Optimization by Genetic Algorithm, ISCFD Sendai, August 1993 WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014 1.152 1.175 1.433 1.382 1.668 1.578 1.869 1.779 2.370 2.503 571164010 001411715 576034514 451440765 016252442 244222160 405173141 114301054 717705467 746577177 011020425 542050110 324000422 242070243 511116107 710661115 515123136 613351155 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 2 3 4 5 6 7 WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014 8 9 10 11 - - - - - - - 2.4428 2.3764 2.2973 2.1636 2.0992 1.9621 2.0946 3.500 2.500 2.000 2.4213 2.3540 2.2771 2.1413 2.0839 1.9465 2.0822 1.9401 3.1721 2.9870 2.4454 2.6216 2.2332 2.3088 2.0329 2.0803 2.0337 Tabella 2: Risultati numerici e sperimentali per le sago 12 1.9651 3.1752 2.1654 2.1088 2.1270 Experiment 3.0144 2.4665 2.6378 2.2597 2.3401 2.0641 2.1017 2.0557 2.1838 2.1290 2.1474 FEMLAB FIDAP(1993) - 2.745 0 610311710 500 2 1.000 1.006 1.500 071163106 CFX 3.000 1 Rissetto 4.000 1993 results - - - - - - - - 1.175 1.433 1.382 1.668 1.578 1.869 1.779 2.370 2.503 2 571164010 3 4 001411715 5 576034514 6 451440765 7 016252442 8 244222160 9 405173141 10 114301054 11 717705467 12 746577177 011020425 542050110 324000422 242070243 511116107 710661115 515123136 613351155 4 5 6 7 8 WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2.4428 2.3764 2.2973 2.1636 2.0992 1.9621 2.0946 3.500 2.000 2.6216 2.2332 2.3088 2.0329 2.4213 2.3540 2.2771 2.1413 2.0839 1.9465 2.0822 1.9401 3.1721 2.9870 2.4454 Tabella 2: Risultati numerici e sperimentali per le sago - - - - - - - 1.9651 2.0803 2.0337 2.1654 Experiment 3.1752 3.0144 2.4665 2.1088 FEMLAB 2.6378 2.2597 2.1270 CFX 2.3401 2.0641 2.1017 2.0557 2.1838 2.1290 2.1474 FEMLAB FIDAP(1993) - 1.152 1 3 0 2.745 500 610311710 1.000 2 1.500 1.006 2.500 071163106 CFX 3.000 1 Rissetto 4.000 2006 results 1.000 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 746577177 011020425 542050110 324000422 242070243 511116107 710661115 515123136 613351155 3 4 5 6 7 8 WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 - - - - - - - - 2.503 2.370 2.4428 2.3764 2.2973 2.1636 2.0992 1.9621 2.0946 1.9651 3.1752 3.0144 2.4665 2.6378 2.2597 2.3088 2.0329 2.4213 2.3540 2.2771 2.1413 2.0839 1.9465 2.0822 1.9401 3.1721 2.9870 2.4454 2.6216 2.2332 Robust (mean) 3.500 2.000 Tabella 2: Risultati numerici e sperimentali per le sago 717705467 1.779 1.869 1.578 2.3401 2.0803 Experiment 114301054 405173141 244222160 1.668 2.0641 2.1017 2.0337 2.1654 2.1088 FEMLAB 016252442 1.382 1.433 2.0557 2.1838 2.1290 2.1270 CFX 451440765 576034514 1.175 1.152 2.745 2.1474 FEMLAB FIDAP(1993) 001411715 571164010 610311710 1.500 1.006 2.500 071163106 CFX 3.000 2 1 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/ WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014 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 WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014 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 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 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 WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014 Shape optimization of the filter Max separation efficiency Shape optimization by! modeFRONTIER WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014 Min pressure losses M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo 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! ! 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 Nuovo dispositivo – Ottimizzazione 6 inputs geometrici CFD node: Star-CCM+ CAD node: CATIA outputs 2 obiettivi 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 Nuovo dispositivo – Ottimizzazione 6 Inputs geometrici Vista dall'alto WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014 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 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 Nuovo dispositivo – Ottimizzazione sezione A-A Design iniziale WBTR Conference, Otranto 8-14 June 2014 sezione A-A Design ottimizzato M. Carriglio - Progettazione di dispositivi per la filtrazione dell'aria per cucine di tipo industriale: ottimizzazione e verifica sperimentale – 15/05/2014 Risultati 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 Realizzazione dispositivo ottimizzato attraverso prototipazione rapida 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 Filtro Nebulizzatore 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 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