Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Development of Reduced Dimensional Modeling Techniques for Laminar Pressure-Induced Flows in Narrow Gaps with Sudden Expansion

Rahmah, Abdulla Ahmed LU and Flydalen, Leo LU (2024) MVKM01 20241
Department of Energy Sciences
Abstract
Simulations of domains with large differences in length scales across different directions are often computationally expensive because they require high mesh resolution, leading to long simulation times. This master’s thesis was done in collaboration with FS Dynamics Sweden AB and addressed the high computational cost associated with fully resolved 3D simulations. Inspired by semiconductor and electronics applications, with pressure-induced laminar fluid flow occurring within narrow gaps with sudden expansions, this thesis aimed to develop a model with reduced dimensionality, specifically adhering to the narrow section of the domain.

As a result, models with reduced dimensionality, referred to as the Pseudo 2D-C and Pseudo 2D-C2 models,... (More)
Simulations of domains with large differences in length scales across different directions are often computationally expensive because they require high mesh resolution, leading to long simulation times. This master’s thesis was done in collaboration with FS Dynamics Sweden AB and addressed the high computational cost associated with fully resolved 3D simulations. Inspired by semiconductor and electronics applications, with pressure-induced laminar fluid flow occurring within narrow gaps with sudden expansions, this thesis aimed to develop a model with reduced dimensionality, specifically adhering to the narrow section of the domain.

As a result, models with reduced dimensionality, referred to as the Pseudo 2D-C and Pseudo 2D-C2 models, were constructed within the confined thin section, featuring one cell in the orthogonal direction of the main flow. A more complex and substantially different geometrical configuration was also evaluated. Due to the dissimilar methodology employed, the developed reduced dimensional model was referred to as the Pseudo 2D-CX. The research focused on validating the reduced
dimensional models against full 3D simulations for low Reynolds number laminar air flows, using the STAR-CCM+ computational fluid dynamics software. The main properties of interest were the pressure within the confined domain and the velocity at the entrance to the connected larger space. To enhance the accuracy of the reduced dimensional model and conserve the desired flow properties, user-defined field functions were integrated based on theoretical and analytical derivations. Various geometrical configurations were incorporated including parallel plates and ducts with different geometrical features along with a pin-fin geometry, to evaluate the model’s applicability and cell reduction possibilities for various representations of industrial occurrences.

The study revealed that the reduced dimensional model for all geometrical components in this project accurately represented the results of the 3D simulations, given the appropriate methodology, conditions, and field function implementation. It also revealed a significant reduction in mesh count, consequently reducing computational cost and increasing time efficiency. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Utveckling av förenklade modeller för tryckinducerade flöden i smala kanaler med plötslig expansion

Denna masteruppsats är gjord i samarbete med företaget FS Dynamics Sweden AB, som är specialiserat på datorsimuleringar, vilka används för att analysera och förstå komplexa problem. Denna uppsats har som syfte att utveckla en metod för att effektivisera simuleringar av luftflöden i smala och långa kanaler. Inspirationen härrör från halvledarindustrin, men den utvecklade metoden anses tillämpbar inom andra applikationer med liknande geometri.

CFD, översatt till beräkningsströmningsdynamik, har använts under detta arbete för att simulera luftflöden i dessa trånga kanaler. Simuleringarna använder kraftfulla datorer för att simulera hur... (More)
Utveckling av förenklade modeller för tryckinducerade flöden i smala kanaler med plötslig expansion

Denna masteruppsats är gjord i samarbete med företaget FS Dynamics Sweden AB, som är specialiserat på datorsimuleringar, vilka används för att analysera och förstå komplexa problem. Denna uppsats har som syfte att utveckla en metod för att effektivisera simuleringar av luftflöden i smala och långa kanaler. Inspirationen härrör från halvledarindustrin, men den utvecklade metoden anses tillämpbar inom andra applikationer med liknande geometri.

CFD, översatt till beräkningsströmningsdynamik, har använts under detta arbete för att simulera luftflöden i dessa trånga kanaler. Simuleringarna använder kraftfulla datorer för att simulera hur vätskor som exempelvis luft och vatten rör sig. Dessa simuleringar löses med hjälp av komplexa fysikaliska ekvationer. För att kunna lösa dessa så delas luftområdet in i små delar, i ett slags rutnät bestående av celler, där beräkningar utförs för varje cell. Genom att använda information från närbelägna celler och historiska värden, utvärderas varje cell separat. Slutligen fås ett resulterande flöde som kan analyseras virtuellt med hjälp av datorer.

Vid simulering av flöden i utrymmen med stora skillnader i dimensioner så behövs vanligtvis många celler och därav mycket datorkraft vilket gör att simuleringar blir dyra och mycket tidskrävande! Därför är målet med denna uppsats att utveckla en modell som är mindre resurskrävande, men samtidigt bibehåller samma noggrannhet, sätt till trycket i kanalen och det utsrömmande flödet. Detta görs genom att utveckla en 2D-modell med färre celler i kanalen som kan ersätta det mer täta rutnätet i 3D-motsvarigheten.

Den mindre resurskrävande modellen skapas genom att rutnätet tillåts utgöras av en cell i höjdled (vinkelrätt mot flödesriktningen) längs en större del av kanalen. Mot slutet av kanalen återfås många celler så att utflödet från kanalen motsvarar 3D-modellen. Ekvationer baserat på flödesteori, med eller utan korrigering och med stöd från ändringar av väggarnas inverkan på flödet i kanalen, appliceras på delen med färre celler för att beräkna tryckfallet. Efter skapandet av den mindre resurskrävande modellen jämförs den med den mer kostsamma 3D-motsvarigheten för att säkerställa noggrannheten. Den sparsamma modellen utsätts även för olika geometriska komponenter såsom kanaler med böjar, förgreningar och trånga utrymmen.

Resultaten visar att den förenklade modellen kan spara betydande beräkningsresurser och tid, samtidigt som den levererar noggranna resultat som avviker mycket lite från den mer komplexa och oekonomiska 3D-modellen.

Sammanfattningsvis bidrar denna uppsats till att göra avancerade flödessimuleringar mer genomförbara och kostnadseffektiva. Den föreslår en metod som kan användas i olika industriella applikationer för att minska beräkningskostnader och effektivisera arbetssättet inom simuleringsbaserad beräkning, vilket är en viktig framgång inom området för flödesanalys. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Rahmah, Abdulla Ahmed LU and Flydalen, Leo LU
supervisor
organization
course
MVKM01 20241
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
CFD, STAR-CCM+, Sudden Expansion, Reduced Dimensional Model, Internal Flows, Pressure Induced Flows, Pseudo 2D, Flow in Thin Domains, Small Spacing, Momentum Correction, Parallel Plates, Ducts, Pin-Fins, Poiseuille Flow, Laminar Flow, Laminar Jets, Steady-State, Denser Mesh Region, Thin Mesher
report number
LUTMDN/TMHP-24/5582-SE
ISSN
0282-1990
language
English
id
9163987
date added to LUP
2024-06-17 13:54:35
date last changed
2024-06-17 13:54:35
@misc{9163987,
  abstract     = {{Simulations of domains with large differences in length scales across different directions are often computationally expensive because they require high mesh resolution, leading to long simulation times. This master’s thesis was done in collaboration with FS Dynamics Sweden AB and addressed the high computational cost associated with fully resolved 3D simulations. Inspired by semiconductor and electronics applications, with pressure-induced laminar fluid flow occurring within narrow gaps with sudden expansions, this thesis aimed to develop a model with reduced dimensionality, specifically adhering to the narrow section of the domain.

As a result, models with reduced dimensionality, referred to as the Pseudo 2D-C and Pseudo 2D-C2 models, were constructed within the confined thin section, featuring one cell in the orthogonal direction of the main flow. A more complex and substantially different geometrical configuration was also evaluated. Due to the dissimilar methodology employed, the developed reduced dimensional model was referred to as the Pseudo 2D-CX. The research focused on validating the reduced
dimensional models against full 3D simulations for low Reynolds number laminar air flows, using the STAR-CCM+ computational fluid dynamics software. The main properties of interest were the pressure within the confined domain and the velocity at the entrance to the connected larger space. To enhance the accuracy of the reduced dimensional model and conserve the desired flow properties, user-defined field functions were integrated based on theoretical and analytical derivations. Various geometrical configurations were incorporated including parallel plates and ducts with different geometrical features along with a pin-fin geometry, to evaluate the model’s applicability and cell reduction possibilities for various representations of industrial occurrences.

The study revealed that the reduced dimensional model for all geometrical components in this project accurately represented the results of the 3D simulations, given the appropriate methodology, conditions, and field function implementation. It also revealed a significant reduction in mesh count, consequently reducing computational cost and increasing time efficiency.}},
  author       = {{Rahmah, Abdulla Ahmed and Flydalen, Leo}},
  issn         = {{0282-1990}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Development of Reduced Dimensional Modeling Techniques for Laminar Pressure-Induced Flows in Narrow Gaps with Sudden Expansion}},
  year         = {{2024}},
}