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Kameier/Stenzel 2014 0 Berechnung des Druckverlustes durch einen 90° Krümmer Vergleich bei laminarer (Re=100) und turbulenter.

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Präsentation zum Thema: "Kameier/Stenzel 2014 0 Berechnung des Druckverlustes durch einen 90° Krümmer Vergleich bei laminarer (Re=100) und turbulenter."—  Präsentation transkript:

1 Kameier/Stenzel Berechnung des Druckverlustes durch einen 90° Krümmer Vergleich bei laminarer (Re=100) und turbulenter Strömung (Re=100000) Vergleich mit 1-D Stromfadentheorie, analytische Rechnung (Excel) Zur Vorbereitung der Simulation Abschätzung der möglichen Wandschubspannung (Reibung) Abschätzung der notwendigen Netzauflösung und des Zeitschritts Aufbereitung der Simulationsdaten Darstellung der Netzauflösung Darstellung der Rohrströmungsprofile (laminares/turbulentes Profil am Eintritt; außen und innen strömen unterschiedlich schnell und für laminar und turbulent genau entgegengesetzt) Ablösung liegt bei sichtbarer Rückströmung vor Strömungstechnik : CFD Praktikum

2 Kameier/Stenzel Geometrie: CAD Geometrie kann mit beliebiger CAD-Software erstellt werden Wichtig: Das Fluidvolumen wird modelliert – also eine Art Negativ der Geometrie Rohraußenwand - positiv Rohrinnenvolumen - negativ

3 Kameier/Stenzel Räumliche Diskretisierung: Netz Die Geometrie wird mit einem Netz aus diskreten Berechnungspunkten durchzogen Die Netzauflösung, sowie die Form der Elemente sind entscheidende Parameter für realitätsnahe Simulationen (Analog: Abtastrate) Bereiche mit großen Druck- und Geschwindigkeitsgradienten müssen feiner aufgelöst werden y + : Dimensionsloses Maß für den Abstand zwischen Wand und erster Netzschicht

4 Kameier/Stenzel Begriffe der Grenzschichttheorie besser: zähe Unterschicht

5 Kameier/Stenzel Verfeinerung Hohe Gradienten von p, V(wandnahe) Grenzschichten  Enge Querschnitte  Biegungen Wand

6 Kameier/Stenzel Origin: Tobias Schmidt, Quantifizierbarkeit von Unsicherheiten bei der Grenzschichtwiedergabe mit RANS-Verfahren, Dissertation, TU Berlin, Netztypen - strukturiert - - unstrukturiert - - unstrukturiert mit Inflation-Layer -

7 Kameier/Stenzel Abschätzung der Netzabmessung - über empirisch ermittelte Gleichung für die Wandschubspannung - (siehe auszufüllende Excel-Tabelle) C_f=(2*LOG10(U*x/nue)-0,65)^-2,3 Tau_w=c_f/2*rho*U^2 oder aus Schade/Kunz Formel ( ) Tau_w=0,0289*rho*nue^(1/5)*U^(9/5)*x^(-1/5) … mit y + =1 wird kleinster Wandabstand abgeschätzt.

8 Kameier/Stenzel Zeitliche Diskretisierung: Timesteps Zeitliche Auflösung der Simulation muss festgelegt werden Starke Analogie zur Abtastrate Abwägen: Ausreichend genaue Darstellung der Strömungsverhältnisse gegen Rechenzeit Beispiel: Gerades Rohr (L=1m), Strömung mit 10 m/s Wie groß würdet ihr den Zeitschritt für diesen Fall wählen?

9 Kameier/Stenzel Set-Up Modellierung des zu simulierenden Falls durch Angabe der Randbedingungen Eintritt, Austritt, Öffnungen etc. werden platziert Weitere mögliche Randbedingungen: Wandreibung (No Slip Condition), bewegliche Wände (Moving Wall, Rotating Wall) Gegebenenfalls Interfaces, also Übergangsstellen zwischen zwei Netzabschnitten setzen Angabe von Materialeigenschaften für das jeweilige Medium

10 Kameier/Stenzel Definition eines Inlets

11 Kameier/Stenzel Wandhaftbedingung und Rauigkeit

12 Kameier/Stenzel Solver Für den im Set-Up erstellten Fall werden die zugrundeliegenden Grundgleichungen für die Netzelemente iterativ gelöst 4 Grundgleichungen: 3D Impulserhaltung (Navier-Stokes), Massenerhaltung (Kontinuitätsgesetz)  4 Variablen für eine inkompressible 3D Strömungssimulation (3 Geschwindigkeitskomponenten, Druck) Residuenverlauf: Werteverlauf der iterativen Berechnung wird angezeigt Konvergenzkriterium: Geforderte Genauigkeit

13 Kameier/Stenzel Momentanwert= Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [V DC ] [V AC ] instationäre Aerodynamik  zeitliche Schwankungsgrößen 12

14 Kameier/Stenzel Reynolds-Gleichungen:  Annährung turbulenter Strömungen möglich einsetzen von Mittel- und Schwankungswert zeitliche Mittelung RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes)

15 Kameier/Stenzel Turbulenzmodellierung k = turbulente kinetische Energie  = Dissipationsrate (spez. Energie/Zeit)  = Frequenz der Energie dissipierenden Wirbel Blending (Überlagerung von k-  und k- ) (BSL)Blending Sub-Layer Turbulenzmodellierung Shear Stress Transport (SST) Modell  Ergebnisse experimenteller Untersuchungen der Grenzschichtströmung

16 Kameier/Stenzel Residuenverlauf

17 Kameier/Stenzel Auswertung Zahlenwerte können mit dem Function Calculator ausgegeben werden und in Tabellen gesammelt werden Grafische Auswertung: Z.B. Planes (Flächen mit Farbskala), Streamlines (Stromlinienverläufe), Vektorgrafiken CFD = „Colourful Fan Design“: Zielgerichtete Auswertung beachten! Validierung durch vergleichbares Experiment

18 Kameier/Stenzel Vektorplot: Geschwindigkeitsprofile

19 Kameier/Stenzel Planes, Vektoren, Streamlines

20 Kameier/Stenzel Los geht‘s!


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