Het verbeteren van de CFD -convergentiecriteria met de variatiecoëfficiënt

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

Integratie van beschrijvende statistieken in CFD om variabiliteit en convergentie te beoordelen.

Uitdagingen

In engineering, vooral bij het werken met simulaties, hebben we vaak betrekking op grote datasets die het gedrag van vloeistoffen, temperaturen, spanningen of concentraties beschrijven. Het interpreteren van deze waarden op een zinvolle manier vereist meer dan ruwe getallen; Het vereist statistisch begrip.

• De rol van statistieken in engineering
  Statistieken is de taal van variabiliteit en variabiliteit is overal in engineering – van stroominstabiliteiten tot temperatuurgradiënten, van stressschommelingen tot concentratiepieken. Zonder statistische hulpmiddelen is het eenvoudig om simulatieresultaten verkeerd te interpreteren of belangrijke patronen over het hoofd te zien. Om deze gegevens te begrijpen, vertrouwen ingenieurs op beschrijvende statistieken, waaronder:– Gemiddeld (gemiddeld): Een centrale neiging van waarden.

  – Standaardafwijking: De mate van variatie of dispersie.
  – Variatiecoëfficiënt (COV): A genormaliseerd Maat voor die dispersie, ten opzichte van het gemiddelde.

• Waar past Cov in statistieken?

  Statistieken zijn gewoonlijk onderverdeeld in twee hoofdtakken:

  – Inferentiële statistieken: Gebruikt om conclusies te trekken uit gegevens (bijv. Hypothesetesten).
  – Beschrijvende statistieken: Wordt gebruikt om gegevens samen te vatten (bijvoorbeeld gemiddelde, standaardafwijking, COV).

  COV behoort tot beschrijvende statistieken en is met name waardevol in engineering om de consistentie, uniformiteit en stabiliteit van fysieke variabelen te evalueren.

• Wat is de variatiecoëfficiënt (COV)?

  De variatiecoëfficiënt (COV) is een genormaliseerde maat voor dispersie in een gegevensset. Het wordt berekend als de verhouding van de standaardafwijking (S) en het gemiddelde van de variabele (M):

  

  In tegenstelling tot standaardafwijking, die in dezelfde eenheden wordt uitgedrukt als de gegevens, is COV dimensieloos. Dit maakt het ideaal voor het vergelijken van de relatieve variabiliteit tussen datasets met verschillende eenheden of schalen.

• Statistische controle in CFD

  Moderne simulaties, vooral in CFD, gaan niet alleen over het oplossen van vergelijkingen. Ze gaan ook over het beheersen van onzekerheid. Statistieken helpen bij het beantwoorden van vragen als:

  – Heeft het stroomveld gestabiliseerd?
  – Is mengen uniform genoeg?
  – Is de simulatie niet alleen numeriek, maar ook fysiek samengekomen?

  Door statistieken zoals de COV op te nemen, introduceren we statistische controle in onze workflow – een krachtig hulpmiddel voor betere modellering, betere convergentiestrategieën en uiteindelijk betere ontwerpen.

Engineering Solutions

In engineering zijn gegevens niet alleen verzameld – het wordt gebruikt om beslissingen te nemen. Of u nu een warmtewisselaar optimaliseert, een verbrandingskamer ontwerpt of ventilatie in een gebouw simuleert, u hebt meer nodig dan absolute waarden. U moet begrijpen hoe consistent en stabiel die waarden over ruimte of tijd zijn. Dat is waar statistische hulpmiddelen zoals de gemiddelde, standaardafwijkingen de Variatiecoëfficiënt (COV) komen in het spel. Deze tools helpen ingenieurs om systeemprestaties te evalueren die verder gaan dan puntwaarden.

Hoe gebruiken we standaardafwijking en COV?

BeeldIne simuleert je luchtstroom in een kanaalsysteem met twee uitlaattakken, en je wilt evalueren hoe uniform de snelheid bij elke uitlaat is. U berekent de volgende statistieken uit het snelheidsveld bij elke transvers van de outlet:

Uitlaat a heeft een lagere gemiddelde snelheid en lagere absolute variatie (σ = 0,5).
Uitlaat B heeft een hogere gemiddelde snelheid en een hogere standaardafwijking (σ = 1,2).

Op het eerste gezicht lijkt Outlet A stabieler omdat de absolute variatie kleiner is. Maar de Cov onthult de waarheid: ten opzichte van zijn gemiddelde, heeft Outlet B Minder variatie (8% versus 10%). Dus, Outlet B is eigenlijk uniformerondanks zijn hogere waarden.

Nieuwe monitorstatistiek voor CFD – variatiecoëfficiënt

• Biedt een consistente manier om de convergentie van de steady-state van bewaakte hoeveelheden te beoordelen
• Meet de verandering (standaardafwijking) in een hoeveelheid rente over een gedefinieerd interval
• Genormaliseerd door de gemiddelde waarde, waardoor hoeveelheden met verschillende schalen kunnen worden uitgezet

Methoden

Om het praktische gebruik van de variatiecoëfficiënt in een CFD -workflow aan te tonen, hebben we deze geïmplementeerd in een centrifugale pompsimulatie met behulp van ANSYS CFX. Het doel was om de temporele stabiliteit van een belangrijke prestatiestatistiek – de hydraulische efficiëntie – te evalueren en de COV te gebruiken als een stopcriterium zodra het systeem een ​​stabiel gedrag had bereikt.

Geometrie- en randvoorwaarden

Het model bestaat uit een centrifugaalpomp met een waaier van een diameter van 0,30 mroteren op 1450 tpm. Zowel de waaier als de volute geometrieën werden gebouwd en ingewerkt Ansys Workbench gebruik Blaadegen En Turbogrid.

De inlaat, een deel van het waaierdomein, werkt in een stationair frame met een relatieve druk van 1 bar, terwijl de uitlaat wordt ingesteld met een massastroomsnelheid van 77,5 kg/s (water). No-slip-omstandigheden worden op alle muren toegepast.

Een enkele bevroren rotor-interface koppelt de roterende en stationaire domeinen, waarbij de simulatie in steady-state wordt uitgevoerd met behulp van het K-ω SST-turbulentiemodel. Het advectieschema met hoge resolutie en een fysieke tijdschema op basis van waaiersnelheid werden gebruikt om convergentiestabiliteit te bevorderen.

Instellen

De oplosser bevat monitoren voor alle prestatiegehoeveelheden: koppel, asvermogen, kop, hydraulisch vermogen en hydraulische efficiëntie. In deze demo wordt de CoV alleen toegepast op de hydraulische efficiëntie, zoals geïllustreerd in het beeld links. De COV wordt berekend met behulp van de waarden van de laatste 50 iteraties. Om dit als een convergentiecriterium te implementeren, maken we twee uitdrukkingen in CFX-PRE die zijn gekoppeld aan de instellingen voor oplossingsbesturing:

• Het COV -convergentiecriterium
• De logische toestand die de simulatie stopt wanneer de COV onder de opgegeven drempel valt

Resultaat

Ten eerste laten de resterende plots zien dat alle vergelijkingen (momentum, druk, turbulentie en continuïteit) acceptabele niveaus bereiken, wat duidt op numerieke convergentie. Naast residuen richten we ons echter op de fysieke stabiliteit van een belangrijke prestatievariabele: de hydraulische efficiëntie.

In de volgende beeldset toont de linkerplot de monitor van hydraulische efficiëntie die stabiliseert in de loop van de simulatie, terwijl de rechter plot de variatiecoëfficiënt (COV) volgt die is berekend gedurende de laatste 50 iteraties. Naarmate de COV onder de vooraf gedefinieerde drempel van 1E-3-die kleiner is, stopt de oplosser automatisch, waardoor een bericht wordt geactiveerd dat bevestigt:

Dit resultaat valideert het gebruik van COV als een effective fysieke convergentie -indicator, Vooral in roterende machines, waar stroom- en prestatiestatistieken langzame transiënten kunnen vertonen, zelfs nadat residuen zijn afgevlakt. Eindelijk laten we de Contouren van statische druk en snelheidsmogtes in de pomp. Deze velden lijken soepel en consistent en weerspiegelen een fysiek stabiele oplossing.

ANSYS -oplossing komt voordelen

CFD -modellering toont het potentieel aan om hydraulische structuren te optimaliseren en te evalueren door de geavanceerde oplossingen van ANSYS. Voor voorbewerking vergemakkelijken ANSYS -spaceclaimen en ontdekkingsmodellering CAD -creatie en -bereiding, terwijl ANSYS Fluent en CFX verschillende simulatie -uitdagingen aanpakken. High-fidelity postbewerkingstools, zoals ANSYS ENSIGHT, analyseren en visualiseren grote datasets effectief.

Bovendien kunnen CFD-resultaten worden geïntegreerd met structurele analyses in scenario's voor vloeistofstructuurinteractie (FSI), ondersteund door ANSYS-mechanisch en LS-DYNA. Technieken zoals het ontwerpen van experimenten (DOE) en geavanceerde optimalisatie worden gefaciliteerd door DesignXplorer en ANSYS Optislang binnen het Workbench -platform. ANSYS biedt ook HPC -licenties en GPU -mogelijkheden voor parallelle verwerking van complexe modellen, waardoor grondige evaluaties worden gewaarborgd.

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.