Angewandte Strömungssimulation

1. Praktikum

Stefan Hickel

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 3

Zylinderumströmung

Ein runder Zylinder wird quer angeströmt:

Re<<1

schleichende Strömung

Re > 1

erste Ablösung bei Re=9,6

symmetrisches Rezirkulationsgebiet

Re=13

Re=9.6

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 4

Zylinderumströmung

Re≈20-30

das Ablösegebiet wandert weiter stromab, die Strömung ist weiterhin stationär

Re=26

Re=24

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 5

Zylinderumströmung

Rekrit≈42

obere Grenze der Stationarität

an beiden Seiten des Zylinders lösen sich periodisch Wirbel ab

Re≈180

Transition im Nachlauf

wandert mit Re stromauf

Re=28

Re=41

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 6

Zylinderumströmung

Re=2000

ausgebildete Karman‘sche Wirbelstraße

instationär, turbulent

Transition in Scherschicht

ab Re=105

Transition bereits in der Grenzschicht

„Drag Crisis“

Widerstand nimmt ab

Re=2000

Re=10000

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 7

CFD mit ANSYS

ICEM CFD – Gittergenerator

CFX - Pre – Pre-Prozessor

CFX - Solve – Strömungslöser

CFX Post – Post-Prozessor

ICEM CFD

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 8

Geometrie

Ziel: turbulente Zylinderumströmung bei Re=2000

Größenabmessungen des Zylinders mit Integrationsgebiet (Größen a und h gem. Aufgabe):

r=0,05

= Koordinatenursprung

h

z=0,1

a 2,2

h/2

x

y

z=0

Terminologie Geometrie

» Point:

» Curve:

» Surface:

» Body:

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 9

Gittergenerierung

Terminologie Gitter

» Node:

» Edge:

» Cell-Face:

» Cell:

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 10

Verschiedene Elemente und Zellen:

node bar triangle quad

tetrahedral prism hexahedral

Gittergenerierung

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 12

ICEM CFD - Einführung

Dokumentation

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 13

ICEM CFD - Einführung

Menüleiste

3D-Fenster

Statusfenster

Register

Strukturbaum

Aktionsfenster

ICEM CFD - Register

Geometry

Mesh

Output

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 14

Linien Flächen Objekte löschen

Elementgrößen Density Region Gittergenerierung

Punkte

Exportformat Export

ICEM CFD - Einführung

Standardverhalten der Maus

» Linke Maustaste gedrückt: Freies Drehen im 3D-Viewer

» Rechte Maustaste gedrückt: Drehen

» Mausrad gedrückt: Verschieben

» Mausrad drehen: Zoom

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 15

ICEM CFD - Einführung

Mausverhalten im Auswahlmodus

» Linke Maustaste: Objekt auswählen

» Rechte Maustaste: Letzte Auswahl rückgängig

» Mausrad klicken: Bestätigung der Auswahl

Was tun, wenn das gesuchte Element nicht im Darstellungsbereich liegt?

» Taste F9 unterbricht den Auswahlmodus

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 16

ICEM CFD - Einführung

Nur sichtbare Elemente können ausgewählt werden

» Immer prüfen, ob grüner Haken im Strukturbaum gesetzt ist

Vereinfachung der Auswahl durch Einschränkung im Fenster Select Geometry

» In diesem Beispiel können nur Oberflächen ausgewählt werden!

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 17

Linien Flächen Punkte

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 18

ICEM CFD

Einrichten eines Projektes

- File

- New Project

- Name

- Save

Speicherort im CIP Pool im persönlichem Verzeichnis:

H:\

ICEM Vorbereiten

Anpassung von Modelltoleranzen

» Settings Model/Units

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 19

1E-9

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 20

Schritte zum unstrukturierten Gitter

Erstellung der Geometrie des Berechnungsgebietes

» Besteht aus Punkten, Kanten und Oberflächen

» Muss unbedingt geschlossen sein

» Häufiges Zwischenspeichern sehr empfehlenswert

Auffüllen der Geometrie mit unstrukturiert angeordneten Berechnungszellen

» Automatisierter Prozess

» Vorgaben zu Zellgrößen und –arten an den Oberflächen möglich/nötig

Exportieren des Gitters zur weiteren Verwendung mit CFX

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 21

ICEM CFD – Punkte (1)

Punkte erzeugen

» Register Geometry

» Create Point

22

ICEM CFD – Punkte (2)

Punkt erzeugen mit Koordinaten

1

2

Option XYZ auswählen Apply

Koordinaten angeben

Create 1 Point

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation

ICEM CFD – Punkte (3)

Auf diese Weise die 8 Eckpunkte des umgebenden Quaders des Berechnungsgebietes erzeugen (Koordinaten siehe Folie 6)

Erzeugung des hinteren (z = 0) und vorderen (z = 0.1) Mittelpunktes des Zylinders

Sind Punkte nicht zu sehen: Ansicht anpassen

» Menü View

» Fit

oder

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 23

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 24

ICEM CFD – Linien (1)

Linie (Curve) zwischen zwei Punkten erzeugen

» Register Geometry

» Create/Modify Curve

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 25

ICEM CFD – Linien (2)

Linie (Curve) zwischen zwei Punkten erzeugen

1

Option From Points auswählen

Anfangs- und Endpunkt anwählen

(siehe nächste Folie)

2

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 26

ICEM CFD – Linien (3)

Anfangs- und Endpunkt auswählen und mit Klick auf Mausrad bestätigen

1 2

3: Mausrad drücken

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 27

ICEM CFD – Kreise (1)

Kreisbögen um einen Mittelpunkt erstellen

» Register Geometry

» Create/Modify Curve

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 28

ICEM CFD – Kreise (2)

Kreisbögen erstellen

1

Option Circle or arc auswählen

Winkelbereich Von 0 bis 360 für vollen

Kreis

2

Mittelpunkt auswählen

(siehe nächste Folie)

Haken setzen und Radius eintragen

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 29

ICEM CFD – Kreise (3)

Mittelpunkt und zwei Kreispunkte (am besten Eckpunkte des Drahtmodells) auswählen

1

2

3

4

Die Punkte 3 und 4 legen die Ebene des Kreises fest. Sie müssen daher Teil der Seitenfläche sein, auf welcher der Mittelpunkt liegt! Hier bieten sich demnach zwei Eckpunkte des Drahtmodelles an.

ICEM CFD – Zylindermantelfläche (1)

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 30

Zylindermantelfläche erstellen

» Register Geometry

» Create/Modify Surface

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 30

ICEM CFD – Zylindermantelfläche (2)

Zylindermantelfläche erstellen

» Sweep Surface

» Punkte wählen

und mit

Mausrad

bestätigen

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 31

1

2: Vector

3

4: vorderer

Punkt

5: hinterer Punkt

nächste Folie

6: Mausrad drücken

ICEM CFD – Zylindermantelfläche (3)

Extrusionskurve wählen (Zylinderkreis) und mit Mausrad bestätigen

Speichern!

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 32

7: vorderer Kreis

8: Mausrad drücken

ICEM CFD – Oberflächen (1)

Oberfläche begrenzt von Kurven erstellen

» Register Geometry

» Create/Modify Surface

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 33

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 34

ICEM CFD – Oberflächen (2)

Oberflächen erstellen

1

Option Simple

Surface

Toleranz möglichst niedrig (0.0001)

Wird die Oberfläche jedoch nicht erstellt, ist die Toleranz zu klein

2

Kanten auswählen

(siehe nächste Folie)

Option From 2-4 Curves

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 35

ICEM CFD – Oberflächen (3)

Die 4 begrenzenden Kanten im Uhrzeigersinn auswählen

Mit Klick auf das Mausrad Auswahl bestätigen

2

3: Mausrad drücken

nächste Folie

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 36

ICEM CFD – Oberflächen (4)

Oberflächen sichtbar machen

» Surfaces markieren

ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (1)

Kurve aus Oberfläche ausschneiden

» Register Geometry

» Create/Modify Surface

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 37

ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (2)

Oberflächendarstellung ändern auf Solid und Show full (genauere Darstellung)

» Rechtsklick

auf Surfaces

» Auswahl von

- Solid

- Show Full

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 38

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 39

ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (3)

Zylinderfläche ausschneiden

» Segment/Trim Surface (1)

1

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 40

Zylinderfläche ausschneiden

» Oberfläche auswählen und mit Mausrad bestätigen

1

2: Mausrad drücken

ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (4)

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 41

Zylinderfläche ausschneiden

» Schnittkurve auswählen und mit Mausrad bestätigen

1

2: Mausrad drücken

ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (5)

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 42

Zylinderfläche ausschneiden

» Überflüssigen Flächenteil löschen

- Register Geometry

- Delete Surface

ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (6)

ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (7)

Zylinder ausschneiden – Überflüssige Fläche löschen

» Fläche auswählen und mit Mausrad bestätigen

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 43

1

2: Mausrad drücken

ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (8)

Auf diese Weise zweite Seitenfläche beschneiden

Das sollte dann so aussehen…, danach Speichern!

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 44

ICEM CFD – Parts erstellen (1)

Oberflächen werden eindeutigen Parts zugeordnet

Dies dient zum Einen der Zuordnung unterschiedlicher Randbedingungen, zum Anderen kann die Auswertung vereinfacht werden

Auf sinnvolle Benennung sollte geachtet werden

Wir erstellen hier 5 unterschiedliche Parts:

» Einlass

» Auslass

» Seiten

» Fernfeld (obere und untere Quaderfläche)

» Zylinder Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 45

ICEM CFD – Parts erstellen (2)

Zuweisung einer oder mehrerer Flächen zu einem neuen Part

» Rechtsklick auf Parts

» Create Part

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 46

ICEM CFD – Parts erstellen (3)

Zuweisung einer oder mehrerer Flächen zu einem neuen Part

» Part: Einlass

» Alle zum Part

gehörenden

Flächen

auswählen

» Mit Mausrad

bestätigen

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 47

1

2

3: alle zugehörigen Flächen auswählen

4: Mausrad drücken

ICEM CFD - Vernetzung

Nach der Geometrieerstellung kann nun mit der Gittergenerierung weitergemacht werden

Es gibt mehrere Gruppen mit verschiedenen Aufgabenstellungen!

» Mit / Ohne Density Region!

» Bei der Gittererstellung beachten!

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 48

ICEM CFD - Vernetzung

Vorgehen

» Elementgrößen an den Oberflächen vorgeben – Surface Mesh Setup

» Prismenlayer um den Zylinder

» Evtl. Density-Region im Nachlauf

» Gittergenerator starten

» Netz für Ansys CFX exportieren

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 49

ICEM CFD – Surface Mesh Setup (1)

Register Mesh

» Surface Mesh Setup

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 50

ICEM CFD – Surface Mesh Setup (2)

Surface Mesh Setup

» Alle Flächen auswählen und mit Mausrad bestätigen

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 51

1

3: Mausrad drücken

2 Kasten um alles

nächste Folie

ICEM CFD – Surface Mesh Setup (3)

Surface Mesh Setup

» Elementgrößen angeben und Apply

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation

Maximum size: 0.1

Height: 0.1

Min Size Limit: 0.05

52

Maximale Elementgröße

Elementhöhe

Minimale Elementgröße

ICEM CFD – Surface Mesh Setup (4)

Erstes Gitter generieren

» Register Mesh

» Compute Mesh

» Volume Mesh

» Compute

» Warten!

» Speichern!

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 53

All

ICEM CFD – Surface Mesh Setup (6)

Das Ergebnis sollte so aussehen (Surfaces abgeschaltet)…

Gittergenerierung abgeschlossen, wenn im Statusfenster „Finished compute mesh“ steht

Nun soll der Zylinder besser aufgelöst werden… Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 54

4811 Elemente

ICEM CFD – Surface Mesh setup (7)

Führen Sie die oberen Schritte NUR an der Zylindermantelfläche und folgenden Parametern durch:

» Maximum Size = 0.01

» Height = 0.01

» Min Size Limit = 0.005

Ersetzen Sie das alte Mesh

bei der Erstellung:

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 55

18494 Elemente

ICEM CFD – Prismenlayer (1)

Ziel ist eine Prismenschicht aus 5 Lagen um den Zylinder

» Register Mesh

- Compute Mesh

- Prism Mesh

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 56

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 57

ICEM CFD – Prismenlayer (2)

Prim Mesh

1

2

Existing

Mesh

Parts aktivieren

Anzahl der Prismen-schichten

Prism Parts Data schließen

3

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 58

ICEM CFD – Prismenlayer (3)

Surface Mesh Setup öffnen und Zylindermantelfläche auswählen (siehe oben)

Folgende Parameter ändern:

» Height = 0.00066

» Height Ratio = 1.5 (Zellwachstum der Prismenschicht)

Apply

4 5

Prismenlayer werden initialisiert (siehe Statusfenster dauert bis „Finished compute mesh“)

nächste Folie

ICEM CFD – Prismenlayer (4)

Register Mesh

» Compute Mesh

» Volume Mesh

- Compute

- Mesh ersetzen

- Speichern!

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 59

Create Prism Layer aktivieren

ICEM CFD – Prismenlayer (5)

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 60

Das Ergebnis sollte so aussehen (Surfaces abgeschaltet)…

Abschließend soll der Nachlauf feiner aufgelöst werden (Vorsicht: nicht alle Gruppen!)

19949 Elemente

ICEM CFD – Density Region (1)

Zur besseren Abbildung des Nachlaufes soll eine Verfeinerung eingebracht werden

Density Region definiert ein Volumen, welches feinere Zellen als das umgebende Berechnungsgebiet enthält

Das Volumen wird über eine oder mehrere Punkte festgelegt

Erstellen Sie also zunächst zwei Punkte mit den Koordinaten (0|0|0.05) und (0.7|0|0.05). z=0.05 liegt in der Domainmitte!

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 61

ICEM CFD – Density Region (2)

Density Region

» Register Mesh

» Create Mesh

Density

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 62

Size = 0.025 Ratio = 1.2 Width = 5

Points

ICEM CFD – Density Region (3)

Density Region

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation

63

2: Punkt in der Zylindermitte

3: hinterer Punkt

1

4: Mausrad drücken

5

ICEM CFD – Density Region (4)

Danach auf herkömmliche Art das Mesh generieren

Dies sollte dann so aussehen…

Speichern!

Jetzt muss das Gitter noch exportiert werden…

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 64

111461 Elemente

ICEM CFD – Export für CFX (1)

Register Output

» Select Solver

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 65

Ansys CFX

ICEM CFD – Export für CFX (2)

Register Output

» Write Input

» Speichern!

66

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 67

Vorbereitungen

Anmeldung am Windowsrechner

Benutzername und Passwort: Persönliche LRZ Kennung

Domäne: ADS

LRZ Kennung zu finden unter tumonline.de Speicherplatz für persönliche Daten:

Persönlicher Speicher im NAS Filer des LRZ

http://www.lrz.de/services/datenhaltung/online-speicher/ Bitte nicht den Desktop etc. verwenden!

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 68

Lizenzeinstellungen

Alle ANSYS Produkte können im CIP Pool aus dem Startmenü geöffnet werden.

Start Alle Programme ANSYS ANSYS, Inc. License Manager

> Server ANSLIC_ADMIN Utility

Klick auf „Set License Preferences for User …“ in der linken Spalte

Auswahl der Version (14.5)

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 69

Lizenzeinstellungen

Kategorien

1=Lizenz verwenden 0=Lizenz nicht verwenden

Lizenzen

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 70

Lizenzeinstellungen

Folgende Lizenzen müssen verwendet werden:

Solver:

1: ANSYS Academic Teaching Lizenzen

0: Rest

PrepPost:

0: Alle

HPC:

0: Alle

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 71

ICEM CFD - Starten

Start Alle Programme

ANSYS ANSYS 14.5 Meshing

> ICEM CFD 14.5