【OpenFOAM】キャビティ流れをマッピングして粒子追跡

前回の記事では粒子追跡の設定について解説しました。

必要なチュートリアルをコピー

コピーするのは非圧縮流れのキャビティ流れと粒子追跡用のチュートリアルです。

キャビティ流れ：流体の定常流れを作る
粒子追跡：キャビティ流れで作った流れに乗って粒子が運動

cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/icoFoam/cavity/cavity 001_cavity
cp -r /$FOAM_TUTORIALS/lagrangian/icoUncoupledKinematicParcelFoam/hopper .
cp -r hopper/hopperInitialState 002_particle

cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/icoFoam/cavity/cavity 001_cavity

cp -r /$FOAM_TUTORIALS/lagrangian/icoUncoupledKinematicParcelFoam/hopper .

cp -r hopper/hopperInitialState 002_particle

コピーすると以下のようなフォルダになります。

--- 001_cavity
--- 002_particle
--- hopper

--- 001_cavity

--- 002_particle

--- hopper

キャビティ流れの解析

キャビティ流れは非定常の解析です。ここでは境界条件に従って定常状態を得るための解析をします。

キャビティ流れの境界条件を少し変えておきましょう
流速はできれば速い方が粒子への流体力もわかりやすいのでmovingWallの流速は「(1 0 0);」から「(10 0 0)」に変更します。

0/U

dimensions      [0 1 -1 0 0 0 0];

internalField   uniform (0 0 0);

boundaryField
{
    movingWall
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform (10 0 0);
    }

    fixedWalls
    {
        type            noSlip;
    }

    frontAndBack
    {
        type            empty;
    }
}

dimensions [0 1 -1 0 0 0 0];

internalField uniform (0 0 0);

boundaryField

{

movingWall

{

type fixedValue;

value uniform (10 0 0);

}

fixedWalls

{

type noSlip;

}

frontAndBack

{

type empty;

}

キャビティ流れの方に移動して解析を実行します。

cd 001_cavity
blockMesh
icoFoam

cd 001_cavity

blockMesh

icoFoam

キャビティ流れの結果をParaViewで確認しましょう。

粒子追跡の解析

粒子追跡の方にフォルダ移動します。

cd ../002_particle

1	cd ../002_particle

メッシュ情報が異なるのでキャビティ流れのメッシュ情報をコピーします。

cp -r ../001_cavity/constant/polyMesh constant/

1	cp -r ../001_cavity/constant/polyMesh constant/

またキャビティ流れの境界条件もコピーします。

cp -r ../001_cavity/0 .

1	cp -r ../001_cavity/0 .

キャビティ流れの0.5秒での流速分布と圧力分布をマッピングします。

mapFields ../001_cavity -sourceTime 0.5 -consistent

1	mapFields ../001_cavity -sourceTime 0.5 -consistent

mapFieldsによってキャビティ流れの最終状態を今から解析する粒子追跡の流速分布の初期状態として使うことができます。

ParaViewで初期状態の流速分布を見てみましょう。

キャビティ流れの流速分布が初期状態としてマッピングされています。
次に粒子の配置について設定を行います。

constant/kinematicCloudPositions

(
(0.025 0.08 0.05)
(0.050 0.08 0.05)
(0.075 0.08 0.05)
)

(

(0.025 0.08 0.05)

(0.050 0.08 0.05)

(0.075 0.08 0.05)

)

続いて粒子の設定についてです。
ここでは、粒子の密度や力の種類、壁との接触の定義などを行います。細かい設定内容についてはこだわらずほとんどデフォルトのままいきます。

constant/kinematicCloudProperties

solution
{
    active          true;
    coupled         true;
    transient       yes;
    cellValueSourceCorrection off;

    interpolationSchemes
    {
        rho             cell;
        U               cellPoint;
        mu              cell;
    }

    integrationSchemes
    {
        U               Euler;
    }
    sourceTerms
    {
    /*
    //U のスキームには "explicit" 
    と "semiImplicit" が選べる。
    スキームの後の数値は緩和係数らしい。
    */
    schemes
        {
            U           explicit 1;
        }
    }
}

constantProperties
{
    parcelTypeId    1;

    rhoMin          1e-15;
    minParticleMass 1e-15;

    rho0            964;
    youngsModulus   6e8;
    poissonsRatio   0.35;

    constantVolume  false;
}

subModels
{
    particleForces
    {
        sphereDrag;
        gravity;
    }

    injectionModels
    {
        model1
        {
            type manualInjection;
            massTotal       0;
            parcelBasisType fixed;
            nParticle       1;
            SOI             0;
            positionsFile   "kinematicCloudPositions";
            U0              ( 0 0 0 );
            sizeDistribution
            {
                type        fixedValue;
                fixedValueDistribution
                {
                    value   0.02;
                }
            }
        }
    }
    dispersionModel none;

    patchInteractionModel standardWallInteraction;

    heatTransferModel none;

    surfaceFilmModel none;

    stochasticCollisionModel none;

    collisionModel pairCollision;

    radiation off;

    pairCollisionCoeffs
    {
        // Maximum possible particle diameter expected at any time
        maxInteractionDistance  0.02;

        writeReferredParticleCloud no;

        pairModel pairSpringSliderDashpot;

        pairSpringSliderDashpotCoeffs
        {
            useEquivalentSize   no;
            alpha               0.12;
            b                   1.5;
            mu                  0.52;
            cohesionEnergyDensity 0;
            collisionResolutionSteps 12;
        };

        wallModel wallLocalSpringSliderDashpot;

        wallLocalSpringSliderDashpotCoeffs
        {
            useEquivalentSize no;
            collisionResolutionSteps 12;
            movingWall
            {
                youngsModulus   1e10;
                poissonsRatio   0.23;
                alpha           0.12;
                b               1.5;
                mu              0.43;
                cohesionEnergyDensity 0;
            }
            fixedWalls
            {
                youngsModulus   1e10;
                poissonsRatio   0.23;
                alpha           0.12;
                b               1.5;
                mu              0.43;
                cohesionEnergyDensity 0;
            }
            frontAndBack
            {
                youngsModulus   1e10;
                poissonsRatio   0.23;
                alpha           0.12;
                b               1.5;
                mu              0.1;
                cohesionEnergyDensity 0;
            }
        };
    }

    standardWallInteractionCoeffs
    {
        type            rebound;
    }
}

cloudFunctions
{}

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

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115

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121

122

123

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125

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130

131

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141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

solution

{

active true;

coupled true;

transient yes;

cellValueSourceCorrection off;

interpolationSchemes

{

rho cell;

U cellPoint;

mu cell;

}

integrationSchemes

{

U Euler;

}

sourceTerms

{

//U のスキームには "explicit"

と "semiImplicit" が選べる。

スキームの後の数値は緩和係数らしい。

schemes

{

U explicit 1;

}

constantProperties

{

parcelTypeId 1;

rhoMin 1e-15;

minParticleMass 1e-15;

rho0 964;

youngsModulus 6e8;

poissonsRatio 0.35;

constantVolume false;

}

subModels

{

particleForces

{

sphereDrag;

gravity;

}

injectionModels

{

model1

{

type manualInjection;

massTotal 0;

parcelBasisType fixed;

nParticle 1;

SOI 0;

positionsFile "kinematicCloudPositions";

U0 ( 0 0 0 );

sizeDistribution

{

type fixedValue;

fixedValueDistribution

{

value 0.02;

}

dispersionModel none;

patchInteractionModel standardWallInteraction;

heatTransferModel none;

surfaceFilmModel none;

stochasticCollisionModel none;

collisionModel pairCollision;

radiation off;

pairCollisionCoeffs

{

// Maximum possible particle diameter expected at any time

maxInteractionDistance 0.02;

writeReferredParticleCloud no;

pairModel pairSpringSliderDashpot;

pairSpringSliderDashpotCoeffs

{

useEquivalentSize no;

alpha 0.12;

b 1.5;

mu 0.52;

cohesionEnergyDensity 0;

collisionResolutionSteps 12;

};

wallModel wallLocalSpringSliderDashpot;

wallLocalSpringSliderDashpotCoeffs

{

useEquivalentSize no;

collisionResolutionSteps 12;

movingWall

{

youngsModulus 1e10;

poissonsRatio 0.23;

alpha 0.12;

b 1.5;

mu 0.43;

cohesionEnergyDensity 0;

}

fixedWalls

{

youngsModulus 1e10;

poissonsRatio 0.23;

alpha 0.12;

b 1.5;

mu 0.43;

cohesionEnergyDensity 0;

}

frontAndBack

{

youngsModulus 1e10;

poissonsRatio 0.23;

alpha 0.12;

b 1.5;

mu 0.1;

cohesionEnergyDensity 0;

}

};

}

standardWallInteractionCoeffs

{

type rebound;

}

cloudFunctions

{}

設定が終わりましたので、計算実行します。
※必要に応じて「system/controlDict」で計算時間の設定を変えれば良いです。

icoUncoupledKinematicParcelFoam

1	icoUncoupledKinematicParcelFoam

計算が終われば解析結果を可視化したいと思います。
粒子の状態はVTKに変換してPraViewで確認します。

foamToVTK

foamToVTK

解析が終わったら以下の手順でParaViewで可視化してみましょう。

「.foam」の空ファイルの読み込み
「VTK/lagrangian/kinematicCloud/kinematicCloud_*」の読み込み
Glyph>Glyph TypeをSphere

あとはアニメーションなどで挙動を確認。

まとめ

本記事はicoUncoupledKinematicParcelFoamソルバを使ってキャビティ流れの場に乗った粒子の運動の解析をしました。

使いこなすためにはもう少し詳しく設定を見ていかないといけないですね。使えるレベルかどうかの妥当性の検証は行っておらず、さらなる調査が必要です_(._.)_

粒子追跡で使えるソルバ（おまけ）

ESI版の粒子追跡によるソルバの種類を確認します。

coalChemistryFoam	Transient solver for compressible, turbulent flow, with coal and limestone particle clouds, an energy source, and combustion	エネルギー源である石炭や石灰岩の粒子雲、燃焼を伴う圧縮性乱流のトランジェントソルバ
DPMFoam	Transient solver for the coupled transport of a single kinematic particle cloud including the effect of the volume fraction of particles on the continuous phase	連続相に対する粒子の体積分率の影響を含む単一の運動学的粒子雲の連成輸送のための過渡ソルバー
DPMDyMFoam	Transient solver for the coupled transport of a single kinematic particle cloud including the effect of the volume fraction of particles on the continuous phase, with optional mesh motion and mesh topology changes	連続相に対する粒子の体積分率の影響を含む単一の運動学的粒子雲の連成輸送のための過渡ソルバーで、オプションでメッシュの動きとメッシュのトポロジーを変更することができます。
MPPICDyMFoam	Transient solver for the coupled transport of a single kinematic particle cloud including the effect of the volume fraction of particles on the continuous phase. Multi-Phase Particle In Cell (MPPIC) modeling is used to represent collisions without resolving particle-particle interactions, with optional mesh motion and mesh topology changes	連続相に対する粒子の体積分率の影響を含む、単一の運動学的粒子雲の連成輸送のための過渡ソルバーです。粒子間相互作用を解決せずに衝突を表現するMPPIC（Multi-Phase Particle In Cell）モデリングは、オプションでメッシュの動きとメッシュのトポロジーを変更することができます。
MPPICFoam	Transient solver for the coupled transport of a single kinematic particle cloud including the effect of the volume fraction of particles on the continuous phase. Multi-Phase Particle In Cell (MPPIC) modeling is used to represent collisions without resolving particle-particle interactions	連続相に対する粒子の体積分率の影響を含む、単一の運動学的粒子雲の連成輸送のための過渡ソルバーです。粒子間相互作用を解決せずに衝突を表現するためにMPPIC（Multi-Phase Particle In Cell）モデリングが使用されています。
icoUncoupledKinematicParcelFoam	Transient solver for the passive transport of a single kinematic particle cloud	単一運動論的粒子雲の受動輸送のための過渡ソルバー
icoUncoupledKinematicParcelDyMFoam	Transient solver for the passive transport of a single kinematic particle cloud, with optional mesh motion and mesh topology changes	単一の運動学的粒子雲の受動的輸送のためのトランジェントソルバ、オプションでメッシュの動きとメッシュのトポロジーを変更可能
reactingParcelFoam	Transient solver for compressible, turbulent flow with a reacting, multiphase particle cloud, and surface film modelling	反応する多相粒子雲を伴う圧縮性乱流の過渡ソルバー、および表面膜モデリング
reactingHeterogenousParcelFoam	Transient solver for the coupled transport of a single kinematic particle cloud including the effect of the volume fraction of particles on the continuous phase. Multi-Phase Particle In Cell (MPPIC) modeling is used to represent collisions without resolving particle-particle interactions	連続相に対する粒子の体積分率の影響を含む、単一の運動学的粒子雲の連成輸送のための過渡ソルバーです。粒子間相互作用を解決せずに衝突を表現するためにMPPIC（Multi-Phase Particle In Cell）モデリングが使用されています。
simpleReactingParcelFoam	Steady-state solver for compressible, turbulent flow with reacting, multiphase particle clouds and optional sources/constraints	反応する多相の粒子雲とオプションのソース/制約を持つ圧縮性乱流の定常状態ソルバー
simpleCoalParcelFoam	Steady-state solver for compressible, turbulent flow with coal particle clouds and optional sources/constraints	石炭粒子雲とオプションのソース/制約を含む圧縮性乱流の定常状態ソルバー
sprayFoam	Transient solver for compressible, turbulent flow with a spray particle cloud	噴霧粒子雲を有する圧縮性乱流の過渡ソルバー
engineFoam	Transient solver for compressible, turbulent engine flow with a spray particle cloud	噴霧粒子雲を有する圧縮性乱流エンジン流れの過渡ソルバー
simpleSprayFoam	Steady state solver for compressible, turbulent flow with a spray particle cloud and optional sources/constraints	スプレー粒子雲とオプションのソース/制約を持つ圧縮性乱流の定常ソルバー
sprayDyMFoam	Transient solver for compressible, turbulent flow with a spray particle cloud, with optional mesh motion and mesh topology changes	スプレー粒子雲を伴う圧縮性乱流のトランジェントソルバ、オプションでメッシュの動きやメッシュトポロジーの変更も可能
uncoupledKinematicParcelFoam	Transient solver for the passive transport of a particle cloud	粒子雲の受動輸送のためのトランジェントソルバ
uncoupledKinematicParcelDyMFoam	Transient solver for the passive transport of a particle cloud	粒子雲の受動輸送のためのトランジェントソルバ