Symulacja numeryczna CFD na przykładzie modelu zbiornika retencyjnego Canalis w fazie opróżniania

W artykule omówiono kwestie wykorzystania nowoczesnego narzędzia służącego do analiz między innymi z zakresu numerycznej mechaniki płynów (CFD). Jest nim komercyjny pakiet programów Ansys Fluent. W badaniach wykorzystano model fizyczny zbiornika retencyjnego o konstrukcji rurowej – Canalis, dla kanalizacji deszczowej oraz jego odpowiednik numeryczny. Niniejszy artykuł jest drugą częścią dotyczącą analizy pracy tego zbiornika i przedstawia wybrane elementy porównawcze dla fazy opróżniania. Jednym z głównych celów podjętych działań jest wykazanie zaawansowanych możliwości efektywnego wykorzystania modelowania numerycznego do analizy działania omawianego obiektu hydraulicznego. Na uwagę, oprócz użytego narzędzia, zasługuje nowatorska droga uchwycenia problemu, która polega w głównej mierze na uwzględnieniu w matematycznym opisie modelu trójwymiarowości zachodzących zjawisk, transportu masy (wody i powietrza) w oparciu o model wielofazowy Volume-of-Fluid oraz na przyjęciu jednego z modeli turbulencji (k-.). Nacisk kładziono na obserwacje współistnienia ruchu cieczy o charakterze swobodnym z ruchem ciśnieniowym oraz fazy przejściowe, ponieważ są to zjawiska najtrudniejsze do uchwycenia. Uwagę skupiał kształt i miejsce wystąpienia granicy międzyfazowej (powierzchni swobodnej) w analogicznych momentach przebiegu zjawiska w każdym z modeli. Drugim kryterium porównawczym było zestawienie punktów czasowych wystąpienia danej charakterystycznej formy przepływu cieczy w obydwu obiektach. W procesie walidacji dowiedzione zostało uzyskanie wysokiej zgodności wyników CFD z rezultatami fizycznymi.

---

This paper discusses an application of the computational fluid dynamics (CFD) software to solve the practical engineering problem involving the drainage system. Particularly, behaviour of the tubular type stormwater storage device (called Canalis) is analysed in details. The second part of the analysis of working tank deals with the emptying stage. The main aim of this research is to present an application of the commercial CFD software (Ansys Fluent) for the modelling of the fluid flow phenomena within the tubular type stormwater tank as well as its experimental conformity. This approach allows one to eliminate numerous simplifications commonly adopted when the hydraulic performance of the storage reservoir is modelled by Saint-Venant equation. The three-dimensional model of the tubular storage tank presented in the paper generally takes into consideration the multiphase flow with free surface (air-water) defined by Volume-of-Fluid formulation and two equation turbulence model. During numerical simulations some attention was paid to observe the transition between the free surface and pressurized flows. This transition is generally the most difficult (even if possible) to be traced using traditional simplified methods. The developed numerical model has been validated experimentally using a scaled lab model of the storage tank. The numerical results compared with the filmed experiment demonstrate very good agreement.