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Veröffentlicht von:Sofia Heiner Geändert vor über 9 Jahren
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Strömungstechnik : CFD Praktikum
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
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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
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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
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Begriffe der Grenzschichttheorie
besser: zähe Unterschicht
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Verfeinerung (wandnahe) Grenzschichten Hohe Gradienten von p, V
Enge Querschnitte Biegungen Wand
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Netztypen - strukturiert - - unstrukturiert - - unstrukturiert
mit Inflation-Layer - Origin: Tobias Schmidt, Quantifizierbarkeit von Unsicherheiten bei der Grenzschichtwiedergabe mit RANS-Verfahren, Dissertation, TU Berlin, 2011.
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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.
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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?
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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
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Definition eines Inlets
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Wandhaftbedingung und Rauigkeit
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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
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instationäre Aerodynamik zeitliche Schwankungsgrößen
Momentanwert= Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [VDC] [VAC]
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Reynolds-Gleichungen:
Annährung turbulenter Strömungen möglich einsetzen von Mittel- und Schwankungswert zeitliche Mittelung RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes)
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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
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Residuenverlauf
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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
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Vektorplot: Geschwindigkeitsprofile
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Planes, Vektoren, Streamlines
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Los geht‘s!
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