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1 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Grundlagen der Strömungssimulation-

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Präsentation zum Thema: "1 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Grundlagen der Strömungssimulation-"—  Präsentation transkript:

1 1 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Betreuer der Diplomarbeit: Herr Prof. Dr.-Ing Kameier Herr Dipl. Ing. Morowka

2 2 Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Aufbau der Diplomarbeit FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung

3 3 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Auslesen der Daten aus Ansys Pfad wählen Größen wählen Speichern Excel Arithmetisch Mitteln

4 4 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Vernetzung (Meshing) ViereckselementeDreieckselemente Vernetzungsmethoden Free-meshing Mapped-meshing

5 5 Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung

6 6 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Space Ratio mit Space Ratio ohne Space Ratio

7 7 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Hinweise zur Netzqualität Strukturierte Vernetzung Feines Netz Seitenverhältnis Viereckselemente 1:3 Ein optisch gutes Netz ergibt auch gute Ergebnisse Beispiel für ein strukturiertes Netz

8 8 Numerische Berechnungen am Testfall Hagen-Poiseuille- Strömung (laminare Rohrströmung) FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804

9 9 Die Hagen-Poiseuille-Strömung in einem Kanal mit Rechteckquerschnitt FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804

10 10 Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Ausgebildetes Strömungsprofil Darstellung des Strömungsverlaufes

11 11 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Geschwindigkeits- Vektor-Plot

12 12 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Anzahl Knoten y-Richtung x-Richtung Anzahl Iterationen Space Ratio 4.72% 4.71% 3.78% 15.36% 1.36% 1.99% 0.8% 0.5% 0.35% 0.13%

13 13 Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung

14 14 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804

15 15 Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Zusatzterm für die Turbulenz

16 16 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Vorüberlegung der Netzgenerierung und der Anzahl benötigter Iterationen, für eine turbulente Strömung, am Beispiel Diffusor. x y Druckverlauf Anzahl Knoten in y- Richtung Anzahl Knoten in x- Richtung Anzahl Iterationen Abweichung zur Theorie im Einlaufrohr Abweichung zur Theorie im Diffusor 6050+50+50500.7%26.0% 3025+25+25500.4%29.6% 120100+100+1005023.7%25.5% 60150+50+1505011.3%17.9% 30150+50+150504.1%14.6%

17 17 Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Erhöhung der Iterationen von 50 auf 3000 Schritte Druckdifferenz im Diffusor: nach 50 Iterationen delta_p = 149.51Pa nach 3000 Iterationen delta_p = 149.74Pa und analytisch delta_p = 175Pa

18 18 Rohreinbauten Diffusor Krümmer Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Messblende Aufbau der Messstrecke zur experimentellen Validierung turbulenter Rohrströmungen mit Einbauten

19 19 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Betrachtung der charakteristischen Druckverteilung im Krümmer und der numerischen Simulation Ablösung Druckabfall am Innenrand Druckanstieg am Außenrand Turbulenzmodell: Standard k-epsilon

20 20 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Betrachtung der charakteristischen Geschwindigkeitsverteilung im Krümmer und der numerischen Simulation Beschleunigung am Innenrand Reduzierung am Außenrand

21 21 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Ablösegebiete an den Wänden eines Krümmers keine sichtbaren Ablösegebiete im Plot

22 22 Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Vergleich der numerischen, analytischen und experimentellen Ergebnisse Druckverlust im KrümmerNumerikStromfadentheorie 1Stromfadentheorie 2 Experiment Messung 113%12%33% Experiment Messung 215% 2% Stromfadentheorie: Stromfadentheorie1: Stromfadentheorie2:

23 23 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Betrachtung der charakteristischen Druckverteilung im Diffusor und der numerischen Simulation Turbulenzmodell: Standard k-epsilon p2p2 p1p1 p 1 < p 2

24 24 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Betrachtung der charakteristischen Geschwindigkeitsverteilung im Diffusor und der numerischen Simulation c2c2 c1c1 c 1 > c 2

25 25 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Ablösegebiete an den Wänden eines Diffusors Ablösegebiet keine sichtbaren Ablösegebiete im Plot R e = 460000 Quelle:Strömung und Druckverluste/Walter Wagner/1997

26 26 Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Vergleich der numerischen, analytischen und experimentellen Ergebnisse Druckverlauf DiffusorNumerikStromfadentheorie 1Stromfadentheorie 2 Experiment36%40%52% Stromfadentheorie: Stromfadentheorie1: Quelle:Strömung u.Druckverlust/Walter Wagner/2001/4.Auflage Stromfadentheorie2: Quelle:Strömungslehre/Schade Kunz/1998/2.Auflage

27 27 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Vereinfachtes 2-dimensionales Modell einer Messblende mit unstrukturiertem Netz lokale Netzverfeinerung

28 28 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Betrachtung der charakteristischen Druckverteilung in der Messblende und der numerischen Simulation

29 29 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Darstellung der Ablösegebiete anhand des Geschwindigkeits-Vektor-Plot Turbulenzmodell: Standard k-epsilon

30 30 Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Vergleich der numerischen und experimentellen Ergebnisse Abweichung Wirkdruckdifferenz zwischen Experiment und numerische Berechnung 4 %.

31 31 Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Erprobung der vorhandenen Turbulenzmodelle in ANSYS, am Testfall Krümmer. Turbulenzmodell Druckdifferenz p [Pa] von Pos.2 nach Pos.3 Abweichung in % zum Experiment Experiment189.6- Theorie211.711.7 Zero Equation353.886.6 Girimaji173.58.5 k-epsilon164.313.3 RNG159.515.9 Shi-Zu-Lumley161.914.6 New k-epsilonkein Ergebnis

32 32 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 Konvergenz-Verhalten in Abhängigkeit der Iterationsschritte und der damit verbundenen Berechnungszeit Testfall Krümmer - 1141 2132 2104 2371 2421 Benötigte Iterationen - 42.8 68.7 67.4 68.8 8.6 Benötigte Berechnungszeit [h] Konvergenz bei ---New k-epsilon 266MH Prozessor691839Zero-equation 266MH Prozessor692141Girimaji 266MH Prozessor692154RNG 266MH Prozessor692379Shi-Zhu-Lumley 1.5GH Prozessor5716009k-epsilon Rechner- Prozessor- Leistung Berechnungszeit [h] Anzahl IterationenTurbulenzmodelle durchgeführte Iterationsschritte

33 33 Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724 Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804 FH D Fachhochschule Düsseldorf Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung Zusammenfassung laminare Rohrströmung: qualitativ gute Ergebnisse gut geeignet zur Einführung in die numerische Strömungssimulation, da Berechnungen analytisch kontrolliert werden können. turbulente Strömung: bei Betrachtung der Druckdifferenzen, in den berechneten Rohreinbauten, wurden repräsentative Ergebnisse geliefert bezogen auf die zur Verfügung stehenden Turbulenzmodelle wurden bei sich ablösende und wieder anlegende Strömungen keine geeigneten Turbulenzmodelle gefunden bei Ablösung durch scharfe Kanten (am Beispiel Messblende) haben sich die Turbulenzmodelle etabliert. Für die Einführung der numerischen Strömungssimulation, in das Praktikum im Bereich Strömungstechnik, bietet ANSYS auch durch seine vielseitige Einsatzmöglichkeit einen geeigneten Einstieg in die FEM- Berechnung.


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