リリースノートより
有限面積ベースのフィルム曲率分離モデルが更新され、シャープエッジ用の新しいフィルム分離モデルが追加された。 これらの更新により、さまざまな幾何学的条件や流動条件下での膜分離予測の精度と柔軟性が向上しました。
主な変更点と追加事項：
- Owen-Ryleyモデル：
- 既存のcurvatureSeparationモデルは、Owen & Ryley（1983）の研究に基づき、OwenRyleyModelとして再実装されました。このモデルは以下を前提としています：
- 液膜が表面から離脱すると、直ちに微細な液滴ミストに分裂します。そのため、液体が連続体として離脱するシナリオを正確に表現できない可能性があります。
- 液膜は固定半径の丸みを帯びた角部周りを流れるため、曲率が明確に定義されない鋭角部での適用に制限がある可能性があります。
- 液膜は1e-4 m未満の厚さで、粘性効果および表面擾乱は無視されます。
- 液膜速度と厚さは一様です。
- 分離基準は明示的に定式化されておらず、モデルの仮定に基づいて推定されます。
- シャープエッジ用の新しい液膜分離モデル：
- 新しいモデルFriedrichModelが導入され、完全および部分的な液膜分離シナリオの両方に対応する鋭角部での液膜分離特性を計算します。このモデルはFriedrichら（2008）とZhangら（2018）の研究に基づいています：
- Friedrichら（2008）：
- 離脱点における制御体積内の力の釣り合いに基づく分離基準を開発しました。
- 最大液膜厚さを1e-4 mと仮定します。
- 表面張力、重力、および液膜の慣性を考慮します。
- 比較的信頼性が高いことが知られていますが、早期破断を予測する可能性があります。
- ANSYS Forte 18.2で実装されている分離手法として採用されています。
- Zhangら（2018）：
- 質量分率基準を導入することでFriedrichらのモデルを改良しました。セル内の液膜全体が同時に離脱すると仮定するモデルとは異なり、Zhangらのアプローチではこれらの基準に基づいて液膜の一部のみが離脱します。これにより、実際に分離する液膜量をより現実的に予測することができます。
包括的な直列および並列テストケースが実施され、様々な形状の鋭角部や流れ方向に対する向き、複数の空間解像度および並列化構成を含むケースにおいて、堅牢な角部および分離の識別が確保されました。
その結果、メッシュの複雑さや計算設定に関係なく、液膜分離現象のシミュレーションにおいてユーザーは改善された一貫性と信頼性を期待できます。
最小限の使用例は以下の通りです：
injectionModels
{
filmSeparation
}
filmSeparationCoeffs
{
model OwenRyley;
definedPatchRadii 0;
minInvR1 0;
deltaByR1Min 0;
}Source code
Tutorial
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参考文献
OwenRyleyModel
概要 丸みを帯びた角部における完全分離のためのフィルム分離特性を計算します（Owen & Ryley, 1983）。このモデルはメッシュ形状と流れ場に基づいてフィルムの曲率を評価し、以下の形式で力の釣り合いを計算します：
正味の力（F_net）は、慣性力（F_inertial）、物体力（F_body）、および表面力（F_surface）の和として表されます：
F_net = F_inertial + F_body + F_surface
各項は以下のように定義されます：
慣性力：F_inertial = -4/3 × (h × ρ × |u|²)/R_1
物体力：F_body = -(ρ × |g| × (R_1² - R_2²) × cos(θ))/(2 × R_1)
表面力：F_surface = σ/R_2
記号の説明：
F_net：フィルムにかかる正味の力の大きさ F_inertial：フィルムにかかる慣性力の大きさ F_body：フィルムにかかる物体力の大きさ F_surface：フィルムにかかる表面力の大きさ h：フィルムの厚さ ρ：フィルムの密度 σ：フィルムの表面張力 u：フィルムの速度 g：重力加速度 θ：重力ベクトルと流出方向の間のおおよその角度 R_1：曲率半径 R_2：曲率半径とフィルム厚さの和
フィルムの正味の力F_netが負（F_net < 0）の場合、フィルムは分離すると判定され、それ以外の場合は表面に付着したままとなります。
Reference: Governing equations (tag:OR): Owen, I., & Ryley, D. J. (1983). The flow of thin liquid films around corners. International journal of multiphase flow, 11(1), 51-62. DOI:10.1016/0301-9322(85)90005-9
使い方 境界条件ファイルの最小限の例：
filmSeparationCoeffs
{
// Mandatory entries
model OwenRyley;
// Optional entries
fThreshold <scalar>;
definedPatchRadii <scalar>;
deltaByR1Min <scalar>;
minInvR1 <scalar>;
}Property | Description | Type | Required | Default |
model | モデル名: OwenRyley | word | はい | - |
fThreshold | 分離のための閾値力 | scalar | いいえ | 1e-8 |
definedPatchRadii | パッチ半径 | scalar | いいえ | 0 |
deltaByR1Min | 重力駆動膜厚の最小値 | scalar | いいえ | 0 |
minInvR1 | 分離のための最小逆R1値 | scalar | いいえ | 5 |
このモデルの導出の基礎となる仮定は、鋭角部よりも丸みを帯びた角部に対してより適していることを示唆しています。
FriedrichModel
説明
完全分離のシャープエッジから膜分離特性を計算する (Friedrich et al., 2008)および部分分離(Zhang et al., 2018)。
完全分離の支配方程式(Friedrich et al., 2008)：
フィルムの力の比（F_ratio）は以下の式で計算されます：
F_ratio = (慣性力)/(表面張力と重力の合計)
具体的には：
F_ratio = (ρ × |u|² × h × sin(θ)) / (σ(1 + sin(θ)) + ρ × g × h × L_b × cos(θ))
ここで、特性破断長さL_bは：
L_b = 0.0388 × h^0.5 × Re^0.6 × We^-0.5
レイノルズ数Reは：
Re = (h × |u| × ρ) / μ
ウェーバー数Weは：
We = (h × ρ_p × (u_p - u)²) / (2σ)
記号の説明：
F_ratio：力の比 h：フィルムの厚さ ρ：フィルムの密度 ρ_p：一次相（気体）の密度 σ：フィルムの表面張力 μ：フィルムの動粘性係数 u：フィルムの速度 g：重力加速度 θ：シャープコーナーの角度 L_b：特性破断長さ
フィルムの分離は、F_ratioが1より大きくなったときに発生し、その場合フィルムは完全に分離すると仮定されます。それ以外の場合、フィルムは表面に付着したままとなります。
部分分離のための支配方程式（Zhang et al., 2018）：
m_ratio = C_0 + C_1 × exp(-F_ratio/C_2)
ここで、 m_ratio：分離するフィルム質量の割合 C_0：経験定数（0.882） C_1：経験定数（-1.908） C_2：経験定数（1.264） となります。
このモデル修正により、F_ratioが1より大きくなると膜分離が始まりますが、m_ratioの割合のみが分離し、残りは表面に付着したままとなります。
参考文献: Governing equations for the full film-separation model (tag:FLW): Friedrich, M. A., Lan, H., Wegener, J. L., Drallmeier, J. A., & Armaly, B. F. (2008). A separation criterion with experimental validation for shear-driven films in separated flows. J. Fluids Eng. May 2008, 130(5): 051301. DOI:10.1115/1.2907405 Governing equations for the partial film-separation model (tag:ZJD): Zhang, Y., Jia, M., Duan, H., Wang, P., Wang, J., Liu, H., & Xie, M. (2018). Numerical and experimental study of spray impingement and liquid film separation during the spray/wall interaction at expanding corners. International Journal of Multiphase Flow, 107, 67-81. DOI:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2018.05.016
使い方
filmSeparationCoeffs
{
// Mandatory entries
model Friedrich;
rhop <scalar>;
// Optional entries
separationType <word>;
}Property | Description | Type | Required | Default |
model | モデル名: Friedrich | word | はい | - |
rhop | 一次相密度 | scalar | はい | - |
separationType | フィルム分離タイプ | word | いいえ | full |
separationTypeオプションの設定値：
- full: 完全分離モード (Friedrich et al., 2008による)
- partial: 部分分離モード (Zhang et al., 2018による)
