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Matthias Heinz

Test Drive CFD

Erste Erfahrungen mit Fluent

Inhalt und Ziele

• Eine kurze Einführung / kein Training

• Simulations-Workflow

• Programm-Interfaces

• Grundlegende Konzepte

• HandsOn workshops

Sie werden einen ersten Eindruck von Fluent bekommen

Für einen effektiven Einsatz sind tiefergehende Trainings sinnvoll

Inhalt Test Drive vs. Trainings

Der Test Drive zeigt Ihnen nur einen kleinen Teil der Möglichkeiten:

• Fluent standalone ANSYS Workbench

• Geometrieaufbereitung SpaceClaim

• Fluent Meshing ANSYS Meshing

• Modellerstellung und Berechnung einzelne Betriebspunkte

Parametriesierung / Design Points / Optimierung

• Auswertung in Fluent Auswertung in CFD Post

Sie bekommen einen ersten Einblick in die Möglichkeiten von Fluent

Das tatsächliche Einsatzspektrum ist erheblich größer

Einleitung

Thema:

• Die Vorgehensweise ist immer ähnlich

• Es sind immer die gleichen Schritte notwendig

Lernziel:

• Wie funktioniert CFD?

• Was sind die grundlegenden Schritte?

Wenn Sie ein eigenes CFD-Projekt angehen, wissen Sie wie die einzelnen

Schritte funktionieren und können entsprechend planen

Was ist CFD?

CFD (Computational Fluid Dynamics) = numerische Strömungsmechanik

Eine Methode zur näherungsweise Lösung der Gleichungen von

Massenstrom, Impuls, Energie usw.

Man erhält detaillierte Informationen zu:

• Verteilungen von Druck, Geschwindigkeit,

Temperatur usw.

• Kräften, wie Widerstand, Auftrieb usw.

• Phasenverteilungen wie gasförmig-flüssig

usw

• Speziesverteilungen inkl. Reaktionen,

Verbrennung, Schadstoffe …

• …

In allen Phasen des Entwicklungsprozesses:

• Konzeptstudien bei Neuentwicklungen

• Vorentwicklung

• Serienentwicklung

• Troubleshooting

• Life Cycle Management

• Optimierungen

• Neudesign

CFD ergänzt Tests und Experimente durch Reduzierung von Aufwand und Kosten

ANSYS CFD basiert auf der Finiten Volumen Methode (FVM):

• Das Berechnungsgebiet wird in Finite Volumen unterteilt

• Die benötigten Transportgleichungen (z.B. für Masse, Impuls, Energie,

Spezies …) sind innerhalb dieser Finiten Volumina (approximativ) zu

lösen

• Die partiellen Differentialgleichungen 2. Ordnung werden dazu in

algebraische Gleichungen überführt

• Diese algebraischen Gleichungen werden dann numerisch,

näherungsweise gelöst, um die Verteilungen der Größen (Druck,

Geschwindigkeit, Temperatur …) zu bestimmen

Wie funktioniert CFD?

𝜕

𝜕𝑡

𝑉

𝜌𝛷𝑑𝑉 +

𝐴

𝜌𝛷𝑉 ∙ 𝑑 =

𝐴

𝛤𝛷𝛻𝛷 ∙ 𝑑𝐴 +

𝑉

𝑆𝛷𝑑𝑉

Zeitabhängig Konvektion Diffusion Quellterm

Kontroll-

volumen

Gleichung ΦKontinuität 1

X-Impuls u

Y-Impuls v

Z-Impuls w

Energie h

….

Schritte der CFD-Berechnung

• Transportgleichungen

• Masse

• Massenanteile

• Phasenanteile

• Impuls

• Energie

• Zustandsgleichungen

• Berücksichtigung physikalischer

Modelle

• Physikalische Modell

• Turbulenz

• Verbrennung

• Strahlung

• Mehrphasen

• Phasenübergang

• Bewegte Netze

• Randbedingungen

• Initialisierung

• Material-

eigenschaften

• Datenbank

• Löserein-

stellungen

• Vernetzung• Geometrie-

bearbeitung

• Auswertung

• Alphanumerisch

• Grafisch

• Animationen

• …

• Ergebnisse

Auswahl

Parameter

Auswahl

Algorithmus

Automatismus

Wenn

gewünscht

Preprocessing Preprocessing / Solving Postprocessing

Anwender

Programm

CFD-Analyse – grundsätzliche Vorgehensweise

Aufgabenstellung erfassen und Preprozessing: [SpaceClaim & ANSYS- oder Fluent-Meshing]

1. Ziel der Simulation beschreiben

2. Notwendigen Raum ausschneiden

Sinnvolle Grenzen / Fluidraum

3. Geometrie vereinfachen, falls notwendig

4. Berechnungsgitter erzeugen

Modellaufbau und Berechnung: [Fluent]

1. Definition von Modellen, Materialien und Randbedingungen

2. Wenn nötig, Lösereinstellungen wählen

3. Definition von Lösungsmonitoren

4. Berechnung und Beurteilung der Konvergenz

Postprozessing / Auswertung: [Fluent oder CFD-Post]

1. Alphanumerische Auswertung (Mittelwerte, Integrale …)

2. Grafische Auswertung (Vektoren, Konturen, Pfadlinien …)

3. Beurteilung von Plausibilität und Konvergenz

4. Wenn nötig, Modell anpassen

CAD-Geometrie Fluidraum

Modellgrenzen Berechnungsgitter

Konturen und Pfadlinien

ANSYS Fluent Arbeitsablauf

Menüleiste

Grunddaten

(Domain)

• Dateien einlesen /

schreiben

• Gitterqualität

• Polyederkonvertierung

(optional)

• Transformationen

(z.B. Skalierung)

• Einheitensysteme

Modellerstellung

(Physics)

• Modelle (Turbulenz,

Energie, Phasen…)

• Materialien

• Randbedingungen

Berechnung

(Solution)

• Reports (Residuen,

Mittelwerte, Integrale,

Kräfte, Momente …

• Initialisierung

• Berechnung

• Konvergenzkriterien

Auswertung

(Results)

• Grafisch (Konturen,

Vektoren, Isoflächen,

Pfadlinien, x-y-Plots …

• Alphanumerisch

(Bilanzen, Massen-,

Volumenströme,

Mittelwerte, Integrale …)

ANSYS Fluent Arbeitsablauf (Alternativ)

Bau

mm

en

ü

Modellerstellung (Setup)

• Modelle (Turbulenz, Energie, Phasen…)

• Materialien

• Randbedingungen

Berechnung (Solution)

• Reports (Residuen, Mittelwerte, Integrale, Kräfte, Momente …

• Initialisierung

• Berechnung

• Konvergenzkriterien

Auswertung (Results)

• Grafisch (Konturen, Vektoren, Isoflächen, Pfadlinien, x-y-Plots …

• Alphanumerisch (Bilanzen, Massen-, Volumenströme, Mittelwerte, Integrale …)

Berechnung und Konvergenz

• Die Gleichungen sind nicht geschlossen lösbar Iteration

• Konvergenz ist erreicht wenn

• Die Änderungen der Variablen (Residuen) vernachlässigbar sind

• Die Bilanzen (Masse, Energie …) erfüllt sind

• Die interessierenden Größen (Druckverlust, Kräfte …)

stationäre Werte erreicht haben (Monitorpunkte)

• Die Genauigkeit der konvergierten Lösung hängt ab von

• Der Auswahl der physikalischen Modelle

• Den getroffenen Annahmen

• Der Netzauflösung

• Der numerischen Genauigkeit

Auswertung der Ergebnisse

• Überprüfen auf Plausibilität

• Grafisch:

• Wie ist das grundsätzliche Strömungsverhalten?

• Gibt es Ablösungen?

• Wie sind die detaillierten Verteilungen?

• Alphanumerisch:

• Kräfte und Momente

• Mittelwerte, z.B. Wärmeübergangskoeffizienten

• Flächen- oder Volumenintegrierte Werte

• Bilanzen

Beispiel Rohrverschneidung

Vernetzung

Sie gehen erste Schritte mit dem Fluent-Meshing

• Einfache Bedienung

• Viel voreingestellt

• Qualitativ hochwertige Netze

• Sie können viel tiefer in die Vernetzung eingreifen

• Alternativ können Sie das ANSYS-Meshing in der Workbench nutzen

Grundlagen Vernetzung

• Aufgaben der Vernetzung

• Die Gleichungen werden in allen Zellen gelöst

• Der Strömungsraum muss dazu in diskrete Zellen unterteilt werden

• Anforderungen an die Vernetzung

• Effizienz und Genauigkeit

• Feine Auflösung / kleinere Zellen bei hohen Gradienten

• Grobe Auflösung größere Zellen anderswo

• Qualität

• Genauigkeit und Stabilität hängen von der Gitterqualität ab

Ablauf der Vernetzung

Import Geometrie

Modifikation Vernetzung Berechnung

SpaceClaim Fluent

Vernetzungsmethoden - Gittertypen

Die Vernetzung erfolgt über vordefinierte

Workflows

• Weitgehend automatisch

• Fehlertolerant

• Mit hoher Qualität und Geschwindigkeit

Hexaeder

Tetraeder mit Randschichten Polyeder mit Randschichten

Empfehlung zur Gitterqualität

• Das Gitter sollte ein Mindestmaß an Qualität aufweisen

• Die Anforderungen an die Qualität kann von Aufgabe, Physik und Geometrie abhängen

• Grundsätzlich sollte die Orthogonalität den Wert von 0.1 nicht unter- oder die Skewness

den Wert von 0.95 nicht überschreiten

Cell Zones und Boundary Zones

Zellen werden gruppiert in cell zones

Flächen werden gruppiert in face zones

Faces zones an Rändern sind boundary zones

Cell zone condition:

Bedingung in einem Volumen

Boundary condition:

Bedingung an einem Rand

Beispiele für „Cell Zone Conditions“

Bedingungen, die auf alle Zellen einer Region wirken

Fluid- und Solidbereich bei Wärmetransport Zonen mit bewegten Bauteilen

Randbedingungen an internen oder externen Flächen

„Boundary Conditions“

Positionierung von Randbedingungen

Symmetriebedingung

Symmetrierandbedingung durch „Symmetry Plane“

• Keine weitere Angabe notwendig

• Sowohl Geometrie, als auch das Strömungsbild muss symmetrisch sein

• Geschwindigkeit normal zur Fläche gleich NULL

• Gradienten aller Variablen normal zur Fläche gleich NULL

Periodische Randbedingungen

Sich wiederholende Strukturen realisieren durch „Periodic Boundary Condition“

• Es wird nur ein Teilbereich abgebildet

• Die Wiederholung kann rotatorisch oder translatorisch seibn

Beispiel Wärmetauscher

Lösungsprozedur

Lösungsmonitore

Residuenmonitor

• Zeigt den Berechnungsfortschritt

• Bei Erreichung der Zielgrössen wird die Berechnung beendet

Variablenmonitore

• Zeigt an, ob sich die interessierenden Variablen noch ändern

• Sind als Zahlenwerte oder Grafik darstell- und speicherbar

Berechnung durchführen

Stationär

• Eingabe der Anzahl der Iterationen

• Wenn ein Konvergenzkriterium erreicht ist, stoppt die Berechnung

• Die Berechnung kann zu jeder Zeit angehalten und wieder gestartet werden

Transient

• Eingabe der Anzahl der Zeitschritte und Zeitschrittweite

ReportsFlux Reports - Bilanzen

• Die Bilanzen sollten weitgehend erfüllt sein, z.B. die Massenstrombilanz

< 1% des geringsten Teilmassenstrom durch eine Randbedingung

Surface Integrals – Abgeleitete Werte auf Flächen

• Mittelwerte, Summen, Integrale, Max- / Minwerte jeder Variablen

Volume Integrals – Abgeleitete Werte in Zonen

• Mittelwerte, Summen, Max- / Minwerte jeder Variablen

Grafische Auswertung in Fluent

Post-Processing direkt im Fluent

• Isoflächen

• Vektorbilder

• Farbige Konturen

• Pfad- Stromlinien

• XY-Plots

• Animationen

• Szenarien

Die Daten liegen im Speicher:

Keine Wartezeiten für read/write

Turbulenz

Wahl des richtigen Turbulenmodells

Es stehen viele verschiedene Modelle zur Verfügung

Für jeden Einsatzzweck ist das richtige dabei

Das Realizable k-ε oder das SST-k-ω Modell ist für die meisten Standardfälle die beste Empfehlung

Wärmeübergang

Mehrphasenströmungen

Verschiedene Ansätze der Mehrphasenmodellierung

Speziestransport, chemische Reaktionen und Verbrennung

Spezieskonzentrationen

• Gas- oder Flüssigmischungen

Reaktionen

• Volumetrisch

• Partikel- / Wandreaktionen

• Elektrochemie

Verbrennung

• Ganz-, teilweise oder Nicht-vorgemischt

• Schnelle oder Langsame Chemie

• Vereinfachte oder detaillierte Chemie

Beispiel Flowmeter

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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