Mistura Multifásica – 3 grandes melhorias que colocam as misturas no centro do CFD multifásico híbrido

Para que uma nova tecnologia tenha sucesso, ela deve chegar na hora certa, fornecer uma solução para um problema do mundo real e resolver esse problema melhor do que qualquer outra tecnologia concorrente.

Talvez tenha parecido assim quando os primeiros carros elétricos começaram a aparecer na década de 1880, finalmente um veículo menos poluente depois dos vagões a vapor, que consumiam carvão, e das carruagens puxadas por cavalos, que consumiam cenouras. As cidades estavam sendo eletrificadas e outros veículos elétricos, como os bondes, tornaram-se comuns.

Nesse ambiente, o veículo elétrico começou a ganhar força no final do século XIX, embora sua adoção tenha se limitado às cidades americanas e europeias onde existia infraestrutura elétrica. No entanto, ainda não seria a era do veículo elétrico, pois o rápido crescimento inicial da tecnologia atingiu um obstáculo na década de 1920, sendo ultrapassado pelo motor de combustão interna e pelo petróleo barato e abundante. O veículo elétrico foi relegado ao esquecimento em arquivos empoeirados, onde permaneceu silenciosamente esquecido durante a maior parte do século seguinte...

E assim permaneceu, até que o elefante na sala, que era a crise climática, não pôde mais ser ignorado e finalmente chegou a hora do VE.

É claro que veículos elétricos não estão isentos de desafios – principalmente relacionados à bateria e ao motor. No mundo da Simulação de Engenharia, a fuga térmica da bateria e o resfriamento do motor elétrico tornaram-se tópicos muito quentes (literalmente!). São simulações que seriam impensáveis ​​há poucos anos devido à sua complexidade, tanto em termos de geometria quanto de multifísica.

Considere o resfriamento de motores elétricos, por exemplo, que é altamente complexo devido à gama de escalas envolvidas. Jatos de óleo de resfriamento se quebram em gotículas balísticas e, em seguida, em gotículas cada vez menores devido às altas velocidades de rotação e à interação com os intrincados enrolamentos finais. Nuvens de gotículas de dezenas de mícrons ou menos formam misturas e até espuma. Películas finas de óleo se formam em muitas superfícies. Em outros lugares, o óleo se acumula. O óleo flui por pequenas aberturas, indo para onde não deveria. Tudo isso acontecendo em paralelo à transferência de calor e ao eletromagnetismo.

O híbrido multifásico atinge a maioridade

Essas aplicações complexas impõem novas demandas de simulação, as ferramentas do passado não são mais suficientes e chegou a hora da multifásica híbrida!

Modelos multifásicos individuais, como Volume de Fluido (VOF) e Multifásico de Mistura (MMP), foram projetados para um único regime de fluxo multifásico. O método VOF, por exemplo, pressupõe que tudo esteja resolvido e não possui o conceito de mistura, enquanto o Multifásico de Mistura pressupõe apenas a mistura e nenhuma superfície livre resolvida. Escolha qualquer método para essas novas aplicações e ele será levado além de suas premissas e produzirá resultados imprecisos. Por esse motivo, a mudança para aplicações multifásicas mais complexas impulsiona a necessidade de multifásicos híbridos.

Adicionando Misturas ao Multifásico Híbrido

No Simcenter STAR-CCM+, a mistura multifásica foi colocada no centro da multifásica híbrida para permitir aplicações como resfriamento de motores elétricos com três excelentes recursos:

1. Modelo de transição de sub-grade multifásica lagrangiana para mistura

O primeiro recurso é a capacidade de transformar pequenas gotículas lagrangianas em uma fase de mistura dispersa. Também pode ser usado para bolhas ou partículas sólidas, mas concentre-se nas fases de gotículas líquidas aqui.

A multifase lagrangiana é adequada para modelar gotículas grandes e de alto momento que viajam em uma direção diferente da do gás circundante, mas ao simular a quebra secundária de gotículas, pode-se acabar com uma grande população de gotículas minúsculas que seguem o caminho do gás. Trata-se essencialmente de uma mistura, e a lagrangiana não seria uma boa escolha de modelo.

Com o novo modelo de interação de fase da sub-grade Lagrangiana para a Multifásica de Mistura, gotas lagrangianas podem ser transicionadas para uma representação de mistura na Multifásica de Mistura. Isso permite que a multifásica lagrangiana seja usada apenas para gotas balísticas de alto momento, enquanto a população maior de gotas menores é transportada como uma mistura. Essa nova funcionalidade funciona com o MMP-LSI – um modelo que combina as capacidades do VOF e da Multifásica de Mistura, utilizando captura de interface localmente onde necessário e permitindo misturas em outros locais. Com essa combinação, agora podemos modelar a cascata completa de escalas multifásicas, desde a resolução até a subgrade.

No exemplo abaixo, resolvemos os estágios iniciais da quebra de um jato em fluxo cruzado usando a modelagem de Interface de Grande Escala (LSI), antes de passar as gotículas resolvidas para o Lagrangiano, onde elas continuam a se quebrar em gotículas cada vez menores. Assim que as gotículas se tornam pequenas o suficiente e viajam com o gás circundante, elas são passadas para uma fase Multifásica de Mistura como uma mistura. A transição é baseada no tamanho da gotícula e no número de Stokes.

2. Modelagem de equilíbrio populacional para interfaces multifásicas de larga escala (MMP-LSI)

Agora que temos uma rota preditiva para o tamanho das gotículas produzidas pela quebra de grandes corpos de fluido, como jatos, é preciso um método para capturar esses dados valiosos e usá-los em nas simulações.

O tamanho das gotículas é uma variável importante na determinação do transporte de misturas e crucial para a física, como evaporação ou reações. Por esse motivo, foi adicionado suporte ao modelo de equilíbrio populacional S-Gamma com MMP-LSI. O modelo S-Gamma transporta uma distribuição de tamanhos de gotículas da sub-grade, que é modificada sempre que gotículas lagrangianas são transferidas. Além disso, o S-Gamma modela o efeito de novas quebras e coalescências.

Isso é essencial em aplicações como resfriamento de motores elétricos, onde jatos de óleo se quebram em gotículas cada vez menores, que podem ter dezenas de mícrons de tamanho, que são transportadas pelo ar em rápida rotação e até mesmo transformadas em espuma.

Podemos ver este modelo em ação no exemplo do jato em fluxo cruzado abaixo, onde a distribuição prevista do tamanho das gotas a partir da quebra do jato pode ser vista em termos do diâmetro médio de Sauter da população de gotas da sub-grade resultante.

3. Impacto lagrangiano na mistura fase contínua multifásica

A terceira e última característica do trio é outro novo modelo de interação de fase: a capacidade das gotas lagrangianas de colidir com fases contínuas na Multifase de Mistura.

Em simulações multifásicas híbridas, o mesmo fluido pode ser representado por vários modelos multifásicos diferentes, e rastrear gotículas de óleo através de óleo líquido (por exemplo) não faria sentido. Essa nova interação de fases permite que gotículas lagrangianas incidam em corpos maiores de fluido representados por MMP-LSI. Veja isso na prática – abaixo, temos uma fonte onde o jato é inicialmente resolvido como uma superfície livre (LSI), que então se fragmenta em gotículas lagrangianas. As gotículas então incidem na superfície livre do reservatório da fonte, completando o ciclo.

Juntos, esses recursos permitem simular aplicações que contêm misturas ou dentro da estrutura de multifásicos híbridos.

Resfriamento de máquinas eletrônicas – Uma aplicação prática do novo método multifásico híbrido

Anteriormente, não existia um conjunto de ferramentas que pudesse abranger todos esses regimes multifásicos com precisão em uma única simulação e de forma acessível. A combinação dessas tecnologias complementares nos permite simular com precisão aplicações onde antes tínhamos que sofrer com a imprecisão causada por suposições ou com o custo de um alto nível de resolução. Com a multifásica híbrida, temos precisão acessível ao nosso alcance.

Agora é o momento certo para modelar a complexidade dos veículos elétricos (e outras aplicações) com multifásicos híbridos para obter vantagem em desempenho e obter insights sobre seus projetos nunca antes possíveis.

Veja essas ferramentas sendo usadas para simular o resfriamento de óleo de um motor elétrico.

A simulação do resfriamento do jato de óleo em um motor elétrico se torna altamente precisa e acessível usando Multifásico Híbrido com Interface de Grande Escala Multifásica de Mistura (MMP-LSI), incluindo S-Gamma, Multifásico Lagrangiano e Filme Fluido

Aqui, temos jatos de óleo introduzidos a partir de um eixo rotativo, que foi resolvido com malha adaptativa e Interfaces de Grande Escala (LSI). Os jatos atingem os enrolamentos finais, resfriando-os e, em seguida, se quebram em gotículas. Essas gotículas foram rastreadas como uma fase Lagrangiana enquanto suficientemente grandes, mas, à medida que se quebram, são convertidas em uma mistura com distribuição do diâmetro da população de gotículas modelada por S-Gamma. Por último, mas não menos importante, tem-se um Filme de Fluido no revestimento externo com impacto e stripping entre a fase Lagrangiana e a Multifásica de Mistura.

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