Evaluating the Performance of Various Convection Schemes on Free Surface Flows by Using Interfoam Solver

Abstract

ABSTRACT: The main propose of this study is to analyze and compare the effects of different limiters on interface tracking within two phase flows. OpenFOAM source codes were employed as the base of analysis. In order to simulate the two phase incompressible flows in the OpenFOAM, the embedded InterFOAM solver has been used in this study. The solver is based on a modified volume of fluid (VOF) method. The VOF approach relies on a scalar indicator function between zero and unity to differentiate two different fluids. Since simulation results are affected by the applied convection schemes, selection of an appropriate scheme is significant. Discretization of the convection term is a controversial issue in the two phase flow simulations. In this thesis, investigation of the performance of the various limiters has been done on a variety of well-known validation test cases that include Dam-break problem, free bubble rise problem and advection of hollow shapes in an oblique velocity field problem. Results were obtained using the Upwind, Van-Leer, UMIST, QUICK and MULES convection schemes. With the comparison of these schemes, it has been observed that MULES is the most accurate scheme in tracking the interface. Keywords: OpenFOAM, InterFOAM, VOF, limiters, convection schemes, free-surface flow.

………………………………………………………………………………………………………………………… ÖZ: Bu tezin asil amacı iki fazlı akımlarda bulunan ara yüzeylerin takibi için farklı sınırlandırıcınin incelenmesi ve bunların karşılaştırılmasıdır. Analiz işlemleri için OpenFOAM ana kodu kullanılmıştır. İki fazlı sıkışmayan akımların simülasyonu için, OpenFOAM içinde bulunan InterFOAM çözücüsü kullanılmıştır. Bu çözücünün temeli değiştirilmiş Volume of Fluid (VOF) yöntemidir. Sıfır ve bir arasında olan indikator fonksiyonuna dayanarak, VOF yöntemi iki akışkanın ayırdedilmesinde kullanılmaktadır. Simülasyon sonuçlarının seçilen konveksiyon yöntemine bağımlı olması nedeni ile uygun bir konveksiyon yöntemi seçilmesi çok önemlidir. İki fazlı akımların simülasyonu ile ilgili çalışmalarda konveksiyon teriminin ayrıştırılması en tartışılan konulardan biridir. Bu tezde çeşitli sınırlandırıcıların performansı bir kaç meşhur doğrulama testi ile incelenmiştir. Bu testler baraj yıkılma problemi, serbest baloncuk tırmanışı problemi ve içi boş şekillerin eğri hız alanı içinde adveksiyon problemidir. Tez Sonuçları Upwind, Van-Lear, UMIST, QUICK ve MULES konveksiyon yöntemleri kullanarak elde edilmiştir. Bu yöntemlerin karşılaştırılmasına göre MULES yöntemi arayüz takibi için en doğru yöntem olarak belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: OpenFOAM, InterFOAM, VOF, sınırlandırıcılar, konveksiyon yöntemleri, açik yüzeyli akişlar.