Angewandte Strömungssimulation

Transkript

1 Angewandte Strömungssimulation 4. Praktikum Stefan Hickel

2 Ziel Strukturiertes Gitter erstellen Stationäre kompressible Zylinderumströmung (M>0,1) im Windkanal simulieren Einfluss von y + auf den Widerstandsbeiwert c f untersuchen

3 Zylinderumströmung Reine Unterschallströmung: M = 0,45 Re = Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 3

4 Zylinderumströmung Transsonische Strömung: M = 0,64 Re = Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 4

5 Zylinderumströmung M = 0,80 M=0,90 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 5

6 Zylinderumströmung M = 0,95 M=0,98 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 6

7 CFD mit ANSYS ICEM CFD CFX - Pre CFX - Solve CFX Post Gittergenerator Pre-Prozessor Strömungslöser Post-Prozessor ICEM CFD Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 7

8 Der Weg zum strukturierten Gitter Los geht s wie beim unstrukturierten: Konstruktion der Geometrie des gesamten Strömungsgebietes Erstellung des Blockings (Topologie), d.h. Füllung dieses Gebietes durch Gitterblöcke, deren Ecken Kanten und Oberfläche der Geometrie zugewiesen werden Vorgabe einer Diskretisierung der Blockkanten Ableitung eines Gitters Und zum Schluss wieder wie beim unstrukturierten: Export einer cfx5-datei. Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 8

9 Geometrie Die Kanal-Geometrie wird ähnlich wie beim letzten Termin in ICEM abgebildet (-10, 10, 0) Kanalwand (20, 10, 0) M <1 Einlass- Randbedingung Auslass- Randbedingung Zylinder r = 0.5 um (0,0,0) (-10, 0, 0) Symmetrie-Randbedingung (20, 0, 0)

10 Einführung Blocking Begriffe Terminologie Geometrie» Point:» Curve:» Surface: Terminologie Blocking» Vertex» Edge» Face Face» Body: Vertex Edge Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 10

11 Einführung Blocking Wird der Edge unten links die Knotenzahl N 1 zugewiesen, so haben die markierten Edges die gleiche Zellzahl Gitterblock k j N 1 i Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 11

12 Einführung Blocking Mehrere Blöcke k j i Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 12

13 Topologie Die naheliegendste Topologie für einen Zylinder ist ein O-Gitter Der rechteckige Kanal wird durch ein H-Gitter abgebildet Da wir ein stationäres Ergebnis wollen, wird die Symmetrie genützt, um den Rechenaufwand zu reduzieren

14 Topologie Um ein strukturiertes Gitter zu erstellen muss die Geometrie in Blöcke unterteilt werden Zunächst einfach mal ohne Zylinder 5 Gitterblock 4 Zelle

15 Topologie Um ein strukturiertes Gitter zu erstellen muss die Geometrie in Blöcke unterteilt werden Und jetzt mit

16 Topologie Um ein strukturiertes Gitter zu erstellen muss die Geometrie in Blöcke unterteilt werden Und jetzt mit 5 4

17 Topologie Um ein strukturiertes Gitter zu erstellen muss die Geometrie in Blöcke unterteilt werden H-Grid O-Grid Grenzschicht-Block

18 Geometriekonstruktion Erstellen Sie die Eckpunkte des umgebenden Integrationsgebietes (Rechteck) mit der z-koordinate z = 0. Erstellen Sie drei Punkte zur Definition des Zylinderhalbkreises ( 0, 0.5, 0 ), ( -0.5, 0, 0 ), ( 0.5, 0, 0 ) Verbinden Sie die Eckpunkte mit Linien, sparen Sie unten den Zylinder aus (siehe nächste Folie). Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 18

19 Das sollte dann so aussehen (-10, 10, 0) (0, 0.5, 0) (20, 0, 0) (-0.5, 0, 0) (0.5, 0, 0) Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 19

20 Kreis in ICEM - Beispielsweise können die drei Punkte von Hand erstellt (meist exakt) (-0.5, 0, 0) (0, 0.5, 0) (0.5, 0, 0) - Dann müssen die drei Punkte werden via Arc zu einem Halbkreis verbunden werden - Die Enden des Halbkreises können anschließend ganz normal mit den Eckpunkten der Domain verbunden werden unter Umständen ist das jetzt kein perfekter Halbkreis sondern irgend ein Spline. Aber das ist besser als später negative Volumen zu haben!

21 Geometrie in ICEM 2. Kurven extrudieren 1. Punkt (0.5, 0, 1) erstellen CFX benötigt ein echtes 3-D Gitter. Deshalb erweitern wir unsere Geometrie in die Tiefe. - Dazu erstellen wir einen Punkt bei (0.5, 0, 1) - Anschließend werden die Kurven via Swept curves über die Punkte (0.5, 0, 0) und (0.5, 0, 1) zu Flächen extrudiert.

22 Geometrie in ICEM Schließen sie die Geometrie, indem sie über die acht Eckpunkte zwei Seitenflächen erstellen. Die Außenflächen überlappen nun am Zylinder, aber hier ist ICEM nachsichtig (zumindest bei strukturierten Gittern)

23 Topologie in ICEM Kanalwand Linke_Sym. Rechte_Sym. Auslass Einlass Zylinder Kanalmitte Nachdem die Geometrie vollständig erstellt wurde, beginnen wir mit der Topologie und definieren als erstes die späteren Randbedingungen: - Klicken sie dazu Kurven und Punkte aus, sodass nur noch Flächen sichtbar sind - Erstellen sie nun die entsprechenden Parts, denen später einzelne Randbedingungen zugewiesen werden

24 Hilfsgeometrie für das Blocking Erstellen der Hilfspunkte und linien auf den folgenden Folien jeweils auf der Ebene z=0. Später: Kopie der Hilfselemente auf die Ebene z=1. Nun können noch die Punkte als Stützstellen für das spätere Blocking erstellt werden: - (-0.7, 0, 0), (0, 0.7, 0) und (0.7, 0, 0) für die spätere Grenzschicht, und - z.b. (-1.5, 0, 0), (-1, 1.5, 0), (2, 2.5, 0) und (2.5, 0, 0) für die Blockgrenzen des O-Blocks

25 Hilfsgeometrie für das Blocking - Für die zwei Stützpunkte im Feld werden an die Domaingrenzen ebenso Stützpunkte erstellt. Die späteren Blöcke sind hier durch die gestrichelten Linien angedeutet.

26 Hilfsgeometrie für das Blocking - Die drei Stützpunkte am Zylinder werden wieder mit einem Bogen verbunden. - Anschließend werden die Bögen nochmals mit Stützpunkten unterteilt einmal bei 0.3*Kurvenlänge, einmal bei 0.7*Kurvenlänge - Hilfspunkte und Hilfslinien sollten zur besseren Übersicht zu einem Part Hilfselemente zusammengefasst werden

27 Hilfsgeometrie für das Blocking oder Explicit Kopieren Sie nun noch alle Hilfspunkte und Hilfslinien und verschieben Sie diese ebenfalls entlang der zwei gewählten Punkte Der Einfachheit halber können Sie alle Parts außer Hilfselemente ausblenden

28 Geometrie in ICEM Spätestens jetzt sollten sie ihr Projekt zur Sicherheit speichern!!!! Im folgenden werden wir aus der 2-D Geometrie ein 3-D Gitter erstellen. Grundsätzlich führen viele Wege zum Ziel. Der hier Beschriebene ist relativ einfach und allgemein (aber nicht der eleganteste). Tipp vom Fachmann [1]: Wenn Sie an irgend einer Stelle neue Wege beschreiten wollen, dann sollten Sie immer vorher speichern! Für alle anderen gilt: Rotkäppchen, bleib auf dem Pfad! und auch speichern! [1] N. S. Al-Hasan et al. How to mesh live (2008)

29 Topologie in ICEM Gesamte Geometrie auswählen Nun erfolgt das Blocking. Als erstes wird dazu ein Initial-Block erstellt, der die gesamte Geometrie erfasst.

30 Topologie in ICEM In dieser Ansicht sind die Blöcke (Blocking Blocks) als solid dargestellt Den frisch erstellten Block hacken sie an den äußeren Hilfspunkten mit Hilfe des Split Block -Tools in sechs Teile

31 Topologie in ICEM sollte dann in etwa so aussehen. Anschließend weisen Sie die Vertices den entsprechenden Punkten zu, sodass die Blöcke wie folgt aussehen: 3: Klick auf den Vertex 4: Klick auf den Punkt 1 2

32 Topologie in ICEM Jetzt muss der mittlere Block mit dem Tool O-grid Block in einen solchen verwandelt werden. - Wählen sie dazu als erstes den gewünschten Block aus - Anschließend wählen sie die Blockseiten (Faces) aus, an denen sie keinen(!) O-Block haben möchten (Typische ICEM-Logik - am besten speichern sie vorher, und probieren ein wenig aus )

33 Topologie in ICEM 1 2 Also: - Faces auswählen - Bestätigen (dann sollten die gewählten Faces lila sein) - Mit Apply sollte der Block zerlegt sein 3

34 Topologie in ICEM Weisen sie die Vertices den Hilfspunkten auf dem Zylinder zu - Bedienen sie sich erneut der Axt und trennen die Blöcke nochmals an den äußeren Hilfspunkten - Weisen sie die neu entstandenen Vertices den äußeren Hilfspunkten zu 3 Diese drei extra-blöcke ermöglichen uns später eine genauere Grenzschichtdiskretisierung

35 Topologie in ICEM 1 2 Der mittlere Block wird nun gelöscht, da wir im Zylinder keine Strömung berechnen wollen. Ein wichtiger Punkt für später: Block 1 und Block 2 haben immer gleich viele Zellen in y-richtung, da sie über den gelöschten Mittelblock miteinander verbunden waren. (Wie solls auch anders sein: Unnütze Informationen kann sich ICEM zum Nachteil des Bedieners natürlich merken )

36 Topologie in ICEM Zurück zum goldenen Handschuh: - Weisen sie nun die Edges den entsprechenden Curves zu (Wenn sie mit der rechten Maustaste auf Edges klicken, können sie sich die Assoziation anzeigen lassen ) - Bei den Halbkreisen werden jeweils drei Edges einer Kurve zugewiesen

37 Topologie in ICEM Beim Erstellen der Seitenflächen durch die vier Punkte (Folie 24) sind (die Flächen begrenzende) Linien entstanden. Damit sie nicht aus versehen auf diese Kurven zuweisen, können diese einfach den Parts linke-sym. und Rechte-Sym. zugewiesen und ausgeklickt werden... Alle Edges, die auf einer Kurve liegen, können nun diesen zugewiesen werden. Das ist in erster Linie bei gekrümmten Verläufen notwendig!

38 Topologie in ICEM Ausgewählte Edge mit Richtungspfeil Nun können die Blöcke mit Zellen gefüllt werden: - Edge auswählen - Anzahl der Knoten (Nodes) angeben ( Zellen + 1) - Verteilungsvorschrift angeben (z.b. uniform (einheitlich verteilt), exponential1 (in Pfeilrichtung exp. abnehmend, bzw. Zellgröße exp. zunehmend), usw ) - Spacing 1 gibt bei exponential1 die Größe der ersten Zelle (am beginn des Pfeils) an - Via Copy Parameters kann diese Einstellung auf ausgewählte Edges übertragen werden.

39 Topologie in ICEM Wir legen als erstes die tangentiale Diskretisierung fest: Wenn wir gleichmäßig (uniform) 100 Zellen über den halben umfang des Zylinders legen wollen, macht das gemäß der getroffenen Unterteilung der Punkte je 30, 40 und 30 Zellen. - Unter Spacing können wir die so entstandene Zellgröße ablesen - Mit Copy Parameters wählen wir die drei parallelen Edges aus, die ebenfalls gleichmäßig (uniform) unterteilt sein sollen

40 Topologie in ICEM Wenn man das Pre-mesh aktualisiert, dann sollten sie jetzt folgendes Gitter sehen: 21 Als nächstes geben wir die Grenzschichtdiskretisierung an: - 20 Zellen - Exponentielle Verteilung - Kleinste Zelle an der Wand hat mm - Copy Parameters to all parallel Edges

41 Topologie in ICEM Hübsches Bild Idealer Zeitpunkt um mal wieder zu speichern!!!!

42 Topologie in ICEM Nun erfolgt die Verteilung an der Außenkante unseres O-Blocks. Hierbei muss man bei der Verteilung ein wenig herumspielen, bis einigermaßen gute Winkel auftreten und die Zellgröße stetig zu oder abnimmt. Problemzonen sind hier: Hier wurden folgende Verteilungen gewählt: - 1: Uniform - 2: Exponential(1), Spacing 1 =0.055 mm - 3: Exponential(2), Spacing 2 =0.081 mm

43 Topologie in ICEM Nun wieder die radiale Diskretisierung: Für einen ersten Schuss halten wir die Zellanzahl gering und beschränken uns auf ca. 20 Zellen Zur Verteilung: Die Verteilung im Grenzschichtblock haben wir bereits festgelegt. Wenn wir dort eine Edge anklicken, sehen wir, dass das Spacing auf einer Seite mm ist, und auf der anderen Seite durch die exponentielle Zunahme mm. Diesen Wert übernehmen wir jetzt für die kleinste Zelle der nächsten Blöcke. (Der Wert muss für alle unterschiedlich langen Edges einzeln angegeben werden, da diese unterschiedlich Lang sind, und nicht der Absolutwert sondern das Verhältnis kopiert wird)

44 Verfahren sie ebenso bei den letzten Edges: 20 Zellen mit exponentiell zunehmender Zellgröße Topologie in ICEM

45 Topologie in ICEM Um die Zellanzahl ihres Rechengebiets zu ermittel, drücken sie mit der rechten Maustaste auf Pre-Mesh -> Show Size Info Sie sollten jetzt 6251 Zellen haben

46 Topologie in ICEM Gruppe 1: 6 Zellen, Exponentiell, kleinste Zelle entsprechend anpassen 5 Zellen, Exponentiell, kleinste Zelle mm Beim bestehenden Außenfeld die Größenverteilung entsprechend anpassen!!!

47 Topologie in ICEM Gruppe 2: 30 Zellen, Exponentiell, kleinste Zelle entsprechend anpassen 25 Zellen, Exponentiell, kleinste Zelle mm Beim bestehenden Außenfeld die Größenverteilung entsprechend anpassen!!!

48 Topologie in ICEM Gruppe 3: 30 Zellen, Exponentiell, kleinste Zelle entsprechend anpassen 5 Zellen, uniform verteilt Beim bestehenden Außenfeld die Größenverteilung entsprechend anpassen!!!

49 Mesh-Qualität überprüfen Nachdem das Gitter erstellt ist: Qualität überprüfen:» Volume > 0» Determinante > 0» Min. Winkel > 30 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 49

50 Topologie in ICEM Blocking fertig: Speichern! Anschließend: CFX-fähiges Mesh rausschreiben Das Pre-Mesh ist eben nur ein Pre-Mesh. Deshalb laden wir uns jetzt das richtige Mesh aus dem bestehenden Blocking

51 Topologie in ICEM Dann suchen wir den Reiter Output und klicken auf die rote Schatzkiste Hier setzten wir Ansys CFX und Ansys als gewünschten Solvertyp.

52 Topologie in ICEM Dann exportieren wir das Mesh Gerne speichern wir auch vorher Hier klicken wir noch auf Binary, und das war s das grobe Mesh ist fertig