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

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

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

Begriffe der Grenzschichttheorie besser: zähe Unterschicht

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

Netztypen - strukturiert - - unstrukturiert - - unstrukturiert mit Inflation-Layer - Origin: Tobias Schmidt, Quantifizierbarkeit von Unsicherheiten bei der Grenzschichtwiedergabe mit RANS-Verfahren, Dissertation, TU Berlin, 2011. http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2011/3308/pdf/schmidt_tobias.pdf

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 (13.6-12) Tau_w=0,0289*rho*nue^(1/5)*U^(9/5)*x^(-1/5) … mit y+=1 wird kleinster Wandabstand abgeschätzt.

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?

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

Definition eines Inlets

Wandhaftbedingung und Rauigkeit

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

instationäre Aerodynamik  zeitliche Schwankungsgrößen Momentanwert= Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [VDC] [VAC]

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

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

Residuenverlauf

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

Vektorplot: Geschwindigkeitsprofile

Planes, Vektoren, Streamlines

Los geht‘s!