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Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.1 WS14/15 Frank Kameier 12. Vorlesung Strömungstechnik.

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Präsentation zum Thema: "Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.1 WS14/15 Frank Kameier 12. Vorlesung Strömungstechnik."—  Präsentation transkript:

1 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.1 WS14/15 Frank Kameier 12. Vorlesung Strömungstechnik I und Messdatenverarbeitung Turbulenzmodellierung CFD und Vernetzung

2 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.2 WS14/15 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 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 I – 4. Praktikum: CFD mit ANSYS CFX

3 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.3 WS14/15 … turbulente Strömung!

4 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.4 WS14/15 laminare Strömung: … außen schneller als innen …

5 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.5 WS14/15 turbulente Strömung: … innen schneller als außen + Ablösung …

6 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.6 WS14/15 turbulente Strömung: … Ablösung …

7 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.7 WS14/15 turbulente Strömung: … aussen höherer Druck als innen …

8 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.8 WS14/15 Begriffe der Grenzschichttheorie besser: zähe Unterschicht

9 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.9 WS14/15 Origin: Tobias Schmidt, Quantifizierbarkeit von Unsicherheiten bei der Grenzschichtwiedergabe mit RANS-Verfahren, Dissertation, TU Berlin, Grenzschichtprofil

10 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.10 WS14/15 Momentanwert= Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [V DC ] [V AC ] instationäre Aerodynamik  zeitliche Schwankungsgrößen

11 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.11 WS14/15 Momentanwert=Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [V DC ] [V AC ] Was sind Mittelwert und Schwankungsgrößen: Der zeitliche Mittelwert einer Schwankungsgröße ist null!

12 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.12 WS14/15 Quadratischer Mittelwert, Effektivwert

13 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.13 WS14/15 Reynolds-Gleichungen:  Annährung turbulenter Strömungen möglich einsetzen von Mittel- und Schwankungswert zeitliche Mittelung RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes)

14 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.14 WS14/15 Reynoldsgleichung „turbulente“ Zähigkeit  Turbulenzmodelle etc. zeitliche Mittelung der Gleichung Konti-Gl. und Produktregel rückwärts nicht lineare partielle Differentialgleichung mit Orts- und Zeitabhängigkeit

15 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.15 WS14/15 Beispiel: Prandtlsches Staurohr in turbulenter Strömung 0 15 Grundlagen der Strömungsmechanik – instationäre Strömungen

16 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.16 WS14/15 16 Grundlagen der Strömungsmechanik – instationäre Strömungen Beispiel: Prandtlsches Staurohr in turbulenter Strömung

17 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.17 WS14/15 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

18 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.18 WS14/15 Molekulare Schubspannung überwiegt in der Nähe der Wand, da kinetische Energie Zur Wand hin abnimmt (auch Schwankung der Geschwindigkeit), weiter weg von der Wand sind und turbulente und molekulare Schubspannungen für die Reibung verantwortlich. Wand bei y=0

19 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.19 WS14/15 Origin: Tobias Schmidt, Quantifizierbarkeit von Unsicherheiten bei der Grenzschichtwiedergabe mit RANS-Verfahren, Dissertation, TU Berlin, Grenzschichtdicken

20 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.20 WS14/15 Grenzschichtdicken – Verdrängungsdicke  1 Integrale Rechengröße  1, daher präziser als 99%-Dicke (1% Abweichung von der Außenströmung lässt sich nicht messen)

21 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.21 WS14/15 Hintergrund - Turbulenzmodellierung LRR=Launder, Reece, Rodi ASM=Algebraische Spannungsmodell dimensionslose Darstellungen Linearlogarithmisch

22 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.22 WS14/15 Origin: Tobias Schmidt, Quantifizierbarkeit von Unsicherheiten bei der Grenzschichtwiedergabe mit RANS-Verfahren, Dissertation, TU Berlin, Grenzschichtprofil

23 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.23 WS14/15 Origin: Georgi Kalitzin Gorazd Medic, Gianluca Iaccarino, Paul Durbin, Near-wall behavior of RANS turbulence models and implications for wall functions, Journal of Computational Physics 204 (2005) 265–291. Wandfunktion und y+ Stützstellen zu nah an der Wand führen u.U. zu Fehlern!

24 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.24 WS14/15 Origin: ANSYS Hilfe rauhe Wand

25 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.25 WS14/15 Origin: Tobias Schmidt, Quantifizierbarkeit von Unsicherheiten bei der Grenzschichtwiedergabe mit RANS-Verfahren, Dissertation, TU Berlin, Vernetzung - strukturiert - - unstrukturiert - - unstrukturiert mit Inflation-Layer -

26 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.26 WS14/15 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 – das bedingt die Verwendung des SST-Modells, andere Modelle benötigen y + =2,5…10.

27 Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung Folie VL10/ Nr.27 WS14/15 Verfeinerung: Hohe Gradienten von p, V(wandnahe) Grenzschichten  Enge Querschnitte  Biegungen Wand


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