Kurzeinführung EMC 2. Dipl.-Ing. Mark Haas. December 4, 2009

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1 Kurzeinführung EMC 2 Dipl.-Ing. Mark Haas December 4, 2009 EMC 2 ist ein WYSIWYG-Gittergenerator, der frei verfügbar ist. Er kann Dreiecks-, Vierecksund gemischte Gitter erzeugen. Für unseren Anwendungsbereich werden wir uns auf die Dreiecksgitter beschränken. 1

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3 1 Aufruf des Programms Das Programm kann auf den Laptops mit dem Aufruf emc2 von der Konsole aus aufgerufen werden. Das Arbeitsverzeichnis ist dabei das aktuelle Verzeichnis. 2 Die Programmoberäche Nach dem Programmstart önet sich folgendes Fenster: Modulspezifisches Menue Menue Zoom, etc... Arbeitsflaeche Modus Rechner Objektfang Statuszeile Das Fenster besteht aus folgenden Elementen: Im Kasten Modus links unten sind die drei Betriebsmodi des Programms zu sehen: CONSTRUCTION: Dies ist der CAD-Modus, in welchem die Geometrie erstellt werden kann. EMC 2 startet immer in diesem Betriebsmodus. PREP_MESH: In diesem Modus wird die Erstellung des Gitters basierend auf der in CONSTRUC- TION erstellten Geometrie vorbereitet. Hier können die Anzahl und die Lage der Dreiecke an der Geometrie eingestellt werden, was die Auösung des Gitters bestimmt. Die andere wichtige Funktion dieses Modus ist das Setzen von Randbedinungen. EDIT_MESH: In diesem Modus kann das erstellte Gitter bearbeitet werden. So können beispielsweise Flächen ausgeschnitten werden. 3

4 Das Modulspezische Menue oben enthält alle Kommandos, die im gewählten Betriebsmodus vorhanden sind, so z. B. die möglichen geometrischen Formen im CAD-Modus Das Menue auf der linken Seite enthält alle Operationen, die mit Speichern und Laden von Daten zusammenhängen, dort bendet sich aber auch die Löschen-Funktion für den CAD-Modus, nämlich der Schalter Destruct. Auf der Arbeitsäche wird die Geometrie erstellt und bearbeitet. Selbiges gilt für das Netz. Im Kasten Zoom, etc... benden sich alle Funktionen, die die aktuelle Ansicht spezi- zieren. Wichtig ist hier vor allem die Taste SHOW_ALL, die den Zoom autmatisch so ausrichtet, dass alle Elemente angezeigt werden. Der Rechner dient dazu, einfache Rechenoperationen durchzuführen. Der Objektfang dient wie im CAD-Programm dazu, die Operationen anhand von denierten Punkten auszurichten. In der Statuszeile werden Informationen zu aktuellen Vorgängen angezeigt 3 Dateien speichern und wiederherstellen EMC2 unterscheidet beim Speichern grundsätzlich zwischen Geometriedaten, die sich auf die Bereiche CONSTRUCTION und PREP_MESH beziehen und Netzdaten, die sich auf den Bereich EDIT_MESH beziehen. Speichern: Speichern kann man auf dem Button SAVE im Menue. Bendet man sich im Modus CONSTRUCTION oder PREP_MESH, so wird man nur nach dem Dateinamen gefragt. Das Programm legt im Arbeitsverzeichnis eine Datei mit der Endung.emc2_bd an. In dieser sind alle Daten aus den beiden Modi gespeichert, jedoch nicht das fertige Netz. Im Modus EDIT_MESH fragt das Programm zunächst nach dem Dateiformat, in welchem man das Netz speicher möchte. Für CFDFV verwenden wir das Format.mesh Danach wird der Dateiname eingegeben und die Datei wird mit der Endung.mesh im Arbeitsverzeichnis gespeichert. In dieser Datei benden sich nur Informationen über das Netz und die Randbedingungen. Eine spätere Modikation der Geometrie ist nur auf Basis dieser Daten nicht möglich. Laden: Bendet man sich im Modus CONSTRUCTION oder PREP_MESH, so betätigt man zum Laden der Geometriedaten die Taste RESTORE im Menue. Das Programm erwartet dann eine Eingabe des Dateinamens. Die Endung emc2_bd muss weg gelassen werden. Im Modus EDIT_MESH fragt das Programm zunächst nach dem Dateiformat, in welchem das zu ladende Netz vorliegt und erwartet danach die Eingabe des Dateinamens ohne Endung. Eine Bearbeitung der Geometrie oder des Netzes ist auf Basis dieser Daten nicht möglich. 4

5 4 Arbeiten mit dem CAD-Interface Das CAD-Interface wird durch den Schalter CONSTRUCTION im Kasten Module aktiviert. Das Modulspezische Menue zeigt nun die geometrischen Grundformen an, die zur Verfügung stehen. Die Bedienung soll anhand mehrerer Beispiele erklärt werden: 4.1 Zeichnen und Löschen von Linien Freies Zeichnen von Linien Zunächst wollen wir eine einfachen Linie (SEGMENT) zeichnen: Klicken Sie dazu im Modulspezischen Menue auf SEGMENT und im Objektfang auf MOUSE P/m. Der Modus MOUSE P/m bedeutet, dass die Endpunkte der Linie dorthin platziert werden, wo mit der Maus hin geklickt wird. Klicken Sie nun nacheinander an zwei beliebige Punkte in der Arbeitsäche. Sie sehen nun eine Linie zwischen den beiden Punkten. Wiederholen Sie den Vorgang um noch eine zweite Linie auf diese Art und Weise zu zeichnen. Nun wollen wir diese Linien wieder löschen: Klicken Sie dazu im Menue auf DESTRUCT. Klicken Sie danach im Objektfang auf SEGMNT/s. Der Modus SEGMNT/s bedeutet, dass die Linie, die am nächsten zu dem Ort liegt, an den Sie mit der Maus klicken gelöscht wird. Klicken Sie nun in die Nähe der ersten Linie; diese sollte nun verschwinden. Wiederholen Sie dies mit der zweiten Linie, so dass der Bildschirm leer ist. Hinweis: Die roten Kreuze, die Sie noch an den ehemaligen Endpunkten der Linien sehen können, sind Darstellungsfehler des Programms Koordinatengestütztes Zeichnen von Linien und Punkten Da es auf diese Art und Weise recht schwierig ist, genau zu arbeiten, lernen wir nun eine Möglichkeit kennen, genau zu arbeiten. Hierfür verwenden wir Punkte (POINT) als Hilfsmittel. Diese könnten wir wie zuvor die Linien einfach mit der Maus platzieren, aber wir wollen hier eine genauere Methode verwenden. Zur Demonstration wollen wir zwei Punkte an den Koorsdinaten (x, y) = (1, 1) und (x, y) = ( 1, 1) zeichnen: 5

6 Klicken Sie im Modulspezischen Menue auf POINT. Klicken Sie dann im Objektfang auf XY PT/x. Hierdurch wird der Tastatureingabemodus aktiviert. Geben Sie auf der Tastatur die x-koordinate ein: 1 und drücken Sie <enter>. Geben Sie auf der Tastatur die y-koordinate ein: 1 und drücken Sie <enter>, der Punkt erscheint nun als kleines Kreuz auf dem Bildschrirm. Wiederholen Sie dies für die Koordinaten ( 1, 1) Klicken Sie in Zoom, etc... auf SHOW_ALL. Sie sehen nun einen Zoom auf die beiden Punkte. Allgemeiner Hinweis: In EMC 2 kann es schnell vorkommen, dass das Programm aufgrund einer falschen Aktion keine Eingaben zur aktuellen Aktion mehr akzeptiert. In diesem Fall, z. B. beim Konstruieren eines Punktes wie gerade eben beschrieben muss man mit der gewünschten Aktion noch einmal von vorne beginnen, z.b. wieder auf POINT klicken, dann auf XY PT/x, usw... Mit Hilfe der beiden Punkte wollen wir nun eine Linie konstruieren: Klicken Sie im Modulspezischen Menue auf SEGMENT. Klicken Sie im Objektfang auf POINT/p. Klicken Sie zuerst auf den linken und dann auf den rechten Punkt. Sie sehen nun eine Linie vom linken zum rechten Punkt. Wir wollen nun die Linie und die Punkte wieder löschen. Gehen Sie dazu folgendermaÿen vor: Löschen Sie zunächst die Linie wie im vorherigen Abschnitt beschrieben. Die Punkte bleiben nun zurück. Klicken Sie erneut auf DESTRUCT und dann im Objektfang auf POINT/p. Klicken Sie zunächst in die Nähe des einen Punktes und dann in die Nähe des anderen Punktes. Beide Punkte sind nun verschwunden. 6

7 4.1.3 Anwendung der erlernten Methoden Mit den vorgestellten Methoden wollen wir nun die Grundgeometrie für das Problem erstellen, das wir später berechnen wollen, nämlich ein Keilprol. Die erforderliche Geometrie ist folgendermaÿen: Ein Rechteck mit den Eckpunkten ( 2, 3), ( 2, 3), (4, 3), (4, 3) als Rand Ein Keil mit den Eckpunkten ( 1, 0), (1, 0), (0, 0.2) als Prol Konstruieren Sie die Punkte und die Linien dazwischen. Hinweis: Sollten Sie nach der Eingabe über die Tastatur den neuen Punkt nicht sehen, dann klicken Sie auf SHOW_ALL, da es möglich ist, dass er auÿerhalb des angezeigten Bereichs liegt. Wenn Sie die Konstruktion beendet haben, dann speichern Sie Ihre Geometrie ab, indem Sie auf SAVE klicken und den gewünschten Dateinamen eingeben. 7

8 5 Vorbereiten des Netzes Nach der Erstellung der Grundgeometrie dient der Modus PREP_MESH dazu, deren Vernetzung vorzubereiten. Hier müssen einerseits die Anzahl und die Lage der Dreiecke an der Geometrie bestimmt werden, was auch die Vernetzung der restlichen Fläche bestimmt und andererseits die Randbedingungen gesetzt werden. 5.1 Festlegen der Anzahl der Dreiecke an den Geometriekanten Diese Funktion soll wieder anhand eines Beispiels erläutert werden: Klicken Sie im Feld Modus auf PREP_MESH. Sie benden Sich nun im Vorbereitungsmodus für das Netz. Klicken Sie auf die Schalter Nb_INTERVAL im Modulspezischen Menue. Dies ist die Funktion, mit deren Hilfe Sie festlegen, wie viele Gitterzellen an einer Kante sein sollen. Das Programm erwartet nun noch die Anzahl der Zellen geben Sie dafür über die Tastatur 20 ein und betätigen Sie mit <enter>. Klicken Sie nun auf alle Seiten des Keilprols. Sie sehen, wie jede Seite Unterteilungen erhält. Die untere Seite ist jedoch länger als die anderen beiden Seiten, was dazu führt, dass die Unterteilungen sehr weit auseinander liegen. Klicken Sie noch einmal auf Nb_INTERVAL und geben Sie 40 + <enter> ein. Klicken Sie dann auf die untere Seite des Keilprols. Die Punkte liegen nun ähnlich dicht wie bei den Oberseiten. Klicken Sie wieder auf Nb_INTERVAL und geben Sie 30 + <enter> ein Klicken Sie nun auf alle Kanten des äuÿeren Rechtecks. Sie sehen nun, wie die Ränder auch mit Unterteilungen versehen werden. Das Gebiet ist nun für die Vernetzung vorbereitet. 5.2 Setzen der Randbedingungen Randbedingungen sind für das CFD-Programm eminent wichtig. Jede Kante der Geometrie muss im Gittergenerator eine Randbedingung zugewiesen bekommen, damit ein physikalisch sinnvolles Ergebnis berechnet werden kann. 8

9 5.2.1 Randbedingungen in CFDFV Im CFD-Programm CFDFV werden Randbedingungen mit einem Zahlencode nach dem Muster NXX benannt. Hierbei steht N für den Code der Randbedingung (siehe Tabelle) und XX ist eine fortlaufende Nummer, die zu unterscheidende gleichartige Randbedingungen bezeichnet. 1 Slip Wall (reibungsfreie Wand) 3 Inow (Einlassrand) 4 Outow (Auslassrand) 6 Exakte Lösung 7 Periodische Randbedingungen Setzen der Randbedingungen in EMC 2 Das Setzen der Randbedingungen soll wieder anhand eines Beispiels verdeutlicht werden: Klicken Sie auf den Schalter LINE_REF im Modulspezischen Menue. Dies ist die Funktion mit deren Hilfe Sie den Kanten eine Randbedingung zuweisen können. Geben Sie nun noch auf der Tastatur <enter> ein. Sie weisen nun der nächsten Kante, die Sie anklicken den Randbedingungscode 101 zu. Klicken Sie auf die linke obere Seite des Keils. Sie sehen, dass sie die Farbe ändert und den Zahlencode [101] erhält. Weisen Sie danach allen anderen Prolkanten diese Randbedingung zu. Weisen Sie auf diese Art und Weise noch dem linken und dem unteren Rand den Code 301 (Inow) sowie dem rechten und dem oberen Rand den Code 401 (Outow) zu. Speichern Sie noch Ihre Arbeit wie zuvor im CAD-Modus ab. Der Dateiname bleibt der Gleiche. 9

10 6 Gittererstellung und -bearbeitung Der Modus EDIT_MESH dient einerseits der Erstellung des Gitters und andererseits dem Verbessern von Feinheiten. 6.1 Erstellung des Gitters Die Erstellung des Gitters ist denkbar einfach. Hat man alle Arbeitsschritte im Modus PREP_MESH erledigt, klickt man im Kasten Modus auf EDIT_MESH. Es folgen vier Fragen, die man jeweils mit <enter> beantwortet, woraufhin das Komplette Gebiet mit Gitterzellen gefüllt wird. 6.2 Bearbeiten des Gitters Da unerwünschterweise das Innere des Prols vernetzt wurde, muss man dies noch rückgängig machen. Gehen Sie hierzu folgendermaÿen vor: Klicken Sie im Modulspezischen Menue auf den Schalter SUPPRESS. Klicken Sie im Objektfang auf den Schalter S_DOM/r (steht für Subdomain) Klicken Sie nun ins Innere des Dreiecks. Die Gitterzellen darin sind jetzt gelöscht. Das Netz ist nun fertig und kann für das CFD-Programm abgespeichert werden: Klicken Sie auf SAVE. Das Programm fragt Sie nun nach einem Ausgabeformat. Geben Sie mesh + <enter> ein. Geben Sie nun den gewünschten Dateinamen + <enter> ein. Das Netz ist jetzt gespeichert und kann im CFD-Programm verwendet werden. 10

11 7 Fortgeschrittene Netzerstellung Nach ersten CFD-Rechnungen sollte der Einuss des Rechengitters auf die Lösung recht deutlich sein. Ein feines Gitter bringt zwar gute Ergebnisse aber um den Preis von erhöhtem Rechenund Speicheraufwand. Es erscheint daher sinnvoll, das Netz auf das Problem anzupassen. Um das Netz anzupassen, sollen für EMC 2 zwei Möglichkeiten beschrieben werden, die zur Anwendung gebracht werden sollen. 7.1 Ändern der Verteilung der Gitterzellen an einer Kante Im Modus PREP_MESH kann man die Verteilung der Gitterzellen an einer Kante folgendermaÿen ändern: Klicken Sie im Modulspezischen Menue auf RATIO. Geben Sie dann <enter> ein. Klicken Sie auf die untere Kante des Keilprols. Sie Sehen, wie sich die Punkte an der Pfeilspitze konzentrieren. Wiederholen Sie den Vorgang und geben Sie 1.1 statt 0.9 ein. Sie sehen, wie sich die Punkte am entgegengesetzten Ende der Kante konzentrieren. Wiederholen Sie den Vorgang noch einmal und geben Sie 1.0 ein. Die Punkte sind nun wieder äquidistant verteilt. Um Punkte an beiden Enden einer Kante zu konzentrieren, ist es erforderlich, diese aus zwei Linien neu zu konstruieren und dann die Unterteilungen entsprechend zu setzen. Wir wollen dies an einer Prolkante durchführen: Wechseln Sie in den CAD-Modus, indem Sie auf CONSTRUCTION klicken. Klicken Sie im Modulspezischen Menue auf POINT. Klicken Sie im Objektfang zunächst auf SEGMT/s und dann auf MIDDLE m. Klicken Sie dann auf die linke obere Kante des Keilprols. Sie sehen, wie in der Mitte der Linie ein Punkt gesetzt wird. Löschen Sie die obere linke Kante. Konstruieren Sie nun die Kante aus zwei Teilen, indem Sie die beiden alten Stützpunkte sowie den Neuen verwenden. Wechseln Sie in den PREP_MESH-Modus. 11

12 Setzen Sie auf beiden Stücken die Unterteilungen neu und verteilen Sie die Punkte so, dass sie sich an den Endpunkten der Kante konzentrieren. Setzen Sie die Randbedingung auf der geteilten Kante neu. 7.2 Konstruktion von Hilfslinien Bisher haben wir die Konstruktion des Gitters über die Punkte an der Geometrie beeinusst, jedoch ist es schwer, in den freien Flächen auf diese Art und Weise gezielt Einuss zu nehmen. Wir wollen daher Hilfslinien konstruieren, diese mit Unterteilungen versehen und sie so zur Beeinussung des Gitters verwenden. Wir machen uns hierbei zu Nutze, dass unser Strömungslöser blind für diese Elemente ist, wenn wir ihnen keine Randbedingung zuweisen. Gehen Sie dabei folgendermaÿen vor: Wechseln Sie in den CAD-Modus. Ziehen Sie nun wie ganz am Anfang in Abschnitt 4 beschrieben dort Linien, wo Sie das Netz beeinussen möchten. Achten Sie darauf, dass sich die Linien auf gar keinen Fall schneiden! Wechseln Sie in den PREP_MESH-Modus und setzen Sie Unterteilungen auf den Linien. Erstellen Sie wie vorher das Gitter. Falls Sie Änderungen vornehmen wollen, können Sie jederzeit je nach gewünschter Funktion auf CONSTRUCTION oder PREP_MESH klicken. Vergessen Sie nicht, Ihre Geometrie zu speichern! 12