Wiarygodność numerycznej symulacji złożonych zagadnień wymiany ciepła

• Autorzy: Banaszek J. , Rebow M.
• Konferencja: 8 Zjazd Termodynamiki/sympozjum (XVIII ; 02-06.09.2002 ; Warszawa, Polska)
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedmiotem dyskusji jest analiza i ocena wiarygodności symulacji komputerowej zagadnień wymiany ciepła obejmujmujących przewodzenie, konwekcję i przemianę fazową ciecz-ciało stałe. W takich rozważaniach poszukuje się odpowiedzi na pytania czy model matematyczny, zawierający konieczne uproszczenia, poprawnie opisuje złożoną fizykę zjawisk i czy równania tego modelu zostały dostatecznie dokładnie rozwiązane analogiem numerycznym. Wykorzystuje się tu klasyczną analizę błędów modelu dyskretnego, porównanie z wzorcami obliczeniowymi i wynikami precyzyjnych eksperymentów. Dyskusję przeprowadzono na przykładzie dwóch różnych modeli numerycznych, tj. MES dla konwekcji naturalnej zamarzającej wody oraz różnicowego modelu symulującego pracę spiralnego magazynu ciepła. Pokazano, że w ocenie wiarygodności kodu symulacji numerycznej należy uwzględnić podstawowy ceł obliczeń i związany z nim stopień akceptowalnej dokładności, które narzucają zakres i precyzję badań eksperymentalnych służących weryfikacji kodu. Niespełnienie któregoś z tych kryteriów, nadmierne oczekiwania co do możliwości symulacji numerycznej i wiarygodności badań eksperymentalnych może prowadzić do błędnych wniosków.

EN

The paper focuses on some aspects of the validation of numerical predictions in complex fluid flow and heat transfer phenomena during solidification driven by conduction and natural convection. This credibility analysis consists of two processes. The verification of accuracy of calculations, which is based on grid refinement studies or/and comparisons with other available solutions, answers the question of how exactly equations of the mathematical model are solved by its discrete counterpart. Code validation analysis, which is carried out by extensively comparing numerical results with trustworthy experimental measurements, establishes the precision to which the mathematical model, with its inevitable simplifications, describes complex physics. In this context, two different numerical models for two different problems are analysed, i.e. the semi-implicit FEM model for free convection in a freezing water and the control-volume finite difference simulation of charging and discharging processes of a vertical spiral energy storage unit. Both these cases are also different in the expected degree of accuracy and, thus, in the experimental techniques used to validate their results. It is concluded that in order to avoid misinterpretations in the judgement of validity of numerical predictions one has to take into account a basic aim of calculations and a relevant level of their acceptable accuracy, which, in turn, define the necessary scopes and precision of experimental study used in the validation analysis. Moreover, it is shown that complex fluid flow and heat transfer phenomena occurring in a confined domain are very sensitive to thermal boundary conditions on boundary surfaces of the domain. Therefore, boundary conditions have to be carefully modelled in numerical calculations to match to the real conditions in the experiment. Particularly, the commonly used adiabatic model of the wall of low thermal conductivity should be avoided and the conjugate heat transfer should be rather solved where natural convection and liquid-solid phase transition inside the cavity are simultaneously analysed along with conduction through the cavity walls.

Słowa kluczowe

PL

wymiana ciepła; modele dyskretne; modele numeryczne; symulacja numeryczna

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Konferencje
• Rocznik: 2002
• Tom: T. 1, z. 22
• Strony: 55--66
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., wykr.

Twórcy

autor

Banaszek J.

• Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska, ul. Nowowiejska 25, 00-665 Warszawa

autor

Rebow M.

• Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska, ul. Nowowiejska 25, 00-665 Warszawa

Bibliografia

• 1. Roache S.P.. Computational Fluid Dynamics. Hermosa Publishing. New Mexico, 1982.
• 2. Banaszek J., Analiza fizykalnej poprawności modeli elementów skończonych dla zagadnień wymiany ciepła. Wydawnictwa P.W., 1991.
• 3. Kowalewski T.A., Rebow M., Freezing of water in the differentially heated cubic cavity, Int. J. of Comp. Fluid Dynamics, vol. 11, no. 3-4, 1999.
• 4. Rebow M. lindanie procesów konwekcji swobodnej w obszarze stopionym dla wybranych geometrii. Praca doktorska, Wydawnictwa P.W., 2001.
• 5. Swaminathan C.R.,Voller V.R., General Enthalpy Method for Modeling Solidification Processes. Metallurgical Transactions B., vol.23B, pp.051-604, 1992.
• 6. Brent A.D., Voller V.R., Reid K.J.M., Enthalpy-Porosity Technique for Modeling Convection Diffusion Phase Change: Application to the Melting of Pure Metal. Numerical. Heat Transfer, vol. 13, pp. 297-318, 1988.
• 7. Banaszek J., Jaluria Y., Kowalewski T.A., Rebow M., Semi-implicit FEM analysis of natural convection in freezing water. Numerical Heal Transfer, Part A, vol.36, pp.449-472, 1999.
• 8. Banaszek J., Domański R., Rebow M., El-Sagier F., Numerical Simulation of Conjugate Heat Transfer and Solid-Liquid Phase Transition in a Spiral Thermal Energy Storage Unit, ASME PVP-Vol. 377-1, pp. 33-40, ASME, NY, 1998.
• 9. Banaszek J., Domański R., Rebow M., El-Sagier F., Numerical Analysis of the Praffin Wax-Air Spiral Thermal Energy Storage Unit. Applied Thermal Engineering, Pergamon Press, vol.20, pp.323-354, 2000.
• 10. Banaszek J., Domański R., Rebow M., El-Sagier F., Experimental study of solid-liquid phase change in a spiral thermal energy storage unit. Applied Thermal Engineering, Pergamon Press, vol. 19, pp. 1253-1277, 1999.