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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


Zylinderumströmung

Re≈20-30

das Ablösegebiet wandert weiter stromab, die Strömung ist weiterhin stationär

Re=26

Re=24


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


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


CFD mit ANSYS

ICEM CFD – Gittergenerator

CFX - Pre – Pre-Prozessor

CFX - Solve – Strömungslöser

CFX Post – Post-Prozessor

ICEM CFD


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:


Gittergenerierung

Terminologie Gitter

» Node:

» Edge:

» Cell-Face:

» Cell:


Verschiedene Elemente und Zellen:

node bar triangle quad

tetrahedral prism hexahedral

Gittergenerierung


ICEM CFD - Einführung

Dokumentation



Menüleiste

3D-Fenster

Statusfenster

Register

Strukturbaum

Aktionsfenster

ICEM CFD - Register

Geometry

Mesh

Output


Linien Flächen Objekte löschen

Elementgrößen Density Region Gittergenerierung

Punkte

Exportformat Export


Standardverhalten der Maus

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

» Rechte Maustaste gedrückt: Drehen

» Mausrad gedrückt: Verschieben

» Mausrad drehen: Zoom



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



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!


Linien Flächen Punkte


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


1E-9


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


ICEM CFD – Punkte (1)

Punkte erzeugen

» Register Geometry

» Create Point

22


Punkt erzeugen mit Koordinaten

1

2

Option XYZ auswählen Apply

Koordinaten angeben

Create 1 Point

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation


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



ICEM CFD – Linien (1)

Linie (Curve) zwischen zwei Punkten erzeugen


» Create/Modify Curve



Linie (Curve) zwischen zwei Punkten erzeugen

1

Option From Points auswählen

Anfangs- und Endpunkt anwählen

(siehe nächste Folie)

2



Anfangs- und Endpunkt auswählen und mit Klick auf Mausrad bestätigen

1 2

3: Mausrad drücken


ICEM CFD – Kreise (1)

Kreisbögen um einen Mittelpunkt erstellen


» Create/Modify Curve



Kreisbögen erstellen

1

Option Circle or arc auswählen

Winkelbereich Von 0 bis 360 für vollen

Kreis

2

Mittelpunkt auswählen


Haken setzen und Radius eintragen



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)


Zylindermantelfläche erstellen


» Create/Modify Surface



Zylindermantelfläche erstellen

» Sweep Surface

» Punkte wählen

und mit

Mausrad

bestätigen


1

2: Vector

3

4: vorderer

Punkt

5: hinterer Punkt

nächste Folie

6: Mausrad drücken


Extrusionskurve wählen (Zylinderkreis) und mit Mausrad bestätigen

Speichern!


7: vorderer Kreis

8: Mausrad drücken

ICEM CFD – Oberflächen (1)

Oberfläche begrenzt von Kurven erstellen






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


Option From 2-4 Curves



Die 4 begrenzenden Kanten im Uhrzeigersinn auswählen

Mit Klick auf das Mausrad Auswahl bestätigen

2

3: Mausrad drücken

nächste Folie



Oberflächen sichtbar machen

» Surfaces markieren

ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (1)

Kurve aus Oberfläche ausschneiden





Oberflächendarstellung ändern auf Solid und Show full (genauere Darstellung)

» Rechtsklick

auf Surfaces

» Auswahl von

- Solid

- Show Full




Zylinderfläche ausschneiden

» Segment/Trim Surface (1)

1



» Oberfläche auswählen und mit Mausrad bestätigen

1

2: Mausrad drücken




» Schnittkurve auswählen und mit Mausrad bestätigen

1

2: Mausrad drücken




» Überflüssigen Flächenteil löschen

- Register Geometry

- Delete Surface



Zylinder ausschneiden – Überflüssige Fläche löschen

» Fläche auswählen und mit Mausrad bestätigen


1

2: Mausrad drücken


Auf diese Weise zweite Seitenfläche beschneiden

Das sollte dann so aussehen…, danach Speichern!


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


Zuweisung einer oder mehrerer Flächen zu einem neuen Part

» Rechtsklick auf Parts

» Create Part



Zuweisung einer oder mehrerer Flächen zu einem neuen Part

» Part: Einlass

» Alle zum Part

gehörenden

Flächen

auswählen

» Mit Mausrad

bestätigen


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!


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


ICEM CFD – Surface Mesh Setup (1)

Register Mesh

» Surface Mesh Setup



Surface Mesh Setup

» Alle Flächen auswählen und mit Mausrad bestätigen


1

3: Mausrad drücken

2 Kasten um alles

nächste Folie


Surface Mesh Setup

» Elementgrößen angeben und Apply


Maximum size: 0.1

Height: 0.1

Min Size Limit: 0.05

52

Maximale Elementgröße

Elementhöhe

Minimale Elementgröße


Erstes Gitter generieren

» Register Mesh

» Compute Mesh

» Volume Mesh

» Compute

» Warten!

» Speichern!


All


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:


18494 Elemente

ICEM CFD – Prismenlayer (1)

Ziel ist eine Prismenschicht aus 5 Lagen um den Zylinder

» Register Mesh

- Compute Mesh

- Prism Mesh




Prim Mesh

1

2

Existing

Mesh

Parts aktivieren

Anzahl der Prismen-schichten

Prism Parts Data schließen

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


Register Mesh

» Compute Mesh

» Volume Mesh

- Compute

- Mesh ersetzen

- Speichern!


Create Prism Layer aktivieren



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!



Density Region

» Register Mesh

» Create Mesh

Density


Size = 0.025 Ratio = 1.2 Width = 5

Points


Density Region


63

2: Punkt in der Zylindermitte

3: hinterer Punkt

1

4: Mausrad drücken

5


Danach auf herkömmliche Art das Mesh generieren

Dies sollte dann so aussehen…

Speichern!

Jetzt muss das Gitter noch exportiert werden…


111461 Elemente

ICEM CFD – Export für CFX (1)

Register Output

» Select Solver


Ansys CFX

ICEM CFD – Export für CFX (2)

Register Output

» Write Input

» Speichern!

66


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!


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)


Lizenzeinstellungen

Kategorien

1=Lizenz verwenden 0=Lizenz nicht verwenden

Lizenzen


Lizenzeinstellungen

Folgende Lizenzen müssen verwendet werden:

Solver:

1: ANSYS Academic Teaching Lizenzen

0: Rest

PrepPost:

0: Alle

HPC:

0: Alle


ICEM CFD - Starten

Start Alle Programme

ANSYS ANSYS 14.5 Meshing

> ICEM CFD 14.5

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