Angewandte Strömungssimulation

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1 Angewandte Strömungssimulation 1. Vorlesung Stefan Hickel

2 Was diese Veranstaltung nicht beinhaltet kein Kurs über die zugrundeliegende Kontinuumsmechanik Ø Fluidmechanik, keine tiefgreifende Behandlung von Phänomenen der Transition und Turbulenz Ø Turbulente Strömungen, keine Anleitung zur Analyse oder Entwicklung numerischer Methoden Ø Grundlagen der numerischen Strömungsmechanik kein Photoshop-Kurs Sondern: An Ingenieursanwendungen orientierter Überblick und Einstieg in die Bedienung kommerzieller CFD-Software. Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 2

3 Inhalt der Vorlesungsreihe Einführung in die numerische Strömungsmechanik Grundgleichungen und Kennzahlen Turbulenz und Modellierung - RANS - LES Numerische Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen - Rechengitter und Randbedingungen - Finite-Volumen Methode - explizite und implizite Diskretisierungsverfahren - Stabilität, Fehler der Numerik und der Modellierung Darstellung der Rechenergebnisse Kritische Bewertung der Verlässlichkeit Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 3

4 Inhalt der Vorlesungsreihe Rechnerpraktikum mit ANSYS - CFX und ICEM Prozesskette mit ICEM und CFX Kármánsche Wirbelstraße Tragflügelumströmung Freies Üben und Experimentieren ICEM Tutorials CFX Tutorials Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 4

5 Organisatorisches Zeit Wir sehen uns jeden Dienstag 13:15-14:45 Ort Vorlesung: in Interimshörsaal 1 Übung: in HS1 in Garching-Hochbrück startet erst am 7. Mai Mehrere Gruppen, je 40 Teilnehmer: 1. Mittwoch 12:30 14:00 2. Mittwoch 14:30 16:00 3. Mittwoch 16:30 18:00 4. Mittwoch 18:30 20:00 Website Lehre... Sommer... CFD Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 5

6 Note Es gibt zwei Teilprüfungen: - Der Vorlesungsstoff wird schriftlich mittels Kurzfragen geprüft (60% der Note). Termin: letzte Vorlesung. - Die im Praktikum erlernten Fähigkeiten sollen in einem kleinen Gruppen-Projekt am Ende des Semesters angewendet werden (40% der Note). Termin: Abgabe bis Ende Semesterferien. Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 6

7 Einführung in die numerische Strömungsmechanik

8 Geschichte der Numerischen Strömungsmechanik Rosenhead 1931: numerische Simulation von Scherschichten Oberflächeninstabilität wurde untersucht Simulation wurde per Hand durchführt Aufrollen der Scherschicht ist erkennbar nur 4 Zeitschritte Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 8

9 Geschichte der Numerischen Strömungsmechanik Tafelanschrieb: Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 9

10 Geschichte der Numerischen Strömungsmechanik Apelt 1951, und Payne 1958: FD-Simulation Zylinderumströmung Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 10

11 Geschichte der Numerischen Strömungsmechanik Smagorinsky 1963: Wirbelviskositätsmodell Stabilisierung von Wettersimulationen Harlow & Welch 1965: freie Oberflächen Marker-and-Cell Jones & Launder 1972: RANS Turbulenzmodell k-ε Modell Peskin 1972: Immersed Boundary Method nichtkontinuierliche Probleme auf kartesischen Gittern Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 11

12 Geschichte der Numerischen Strömungsmechanik Caretto 1972: SIMPLE Algorithmus (SIMPLE := Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) Iterative Bestimmung von Druck und Geschwindigkeitsfeld Chorin 1973: Projektionsmethode für inkompressible Strömungen nicht divergenzfreies Geschwindigkeitsfeld wird mit Hilfe einer Poissongleichung für den Druck korrigiert Cebeci & Smith 1974: RANS Turbulenzmodell Baldwin & Lomax 1978: RANS Turbulenzmodell Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 12

13 Geschichte der Numerischen Strömungsmechanik Leonard 1979: QUICK Schema (Quadratic Upwind Interpolation) Patankar 1980: SIMPLER (SIMPLE-Revised) Rhie & Chow 1983: Rhie-Chow Interpolation Van Doormal & Raithby 1984: SIMPLEC (SIMPLE-Consitent) Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 13

14 Geschichte der Numerischen Strömungsmechanik Wilcox 1988: RANS Turbulenzmodell k-ω Model Germano 1990: selbstregulierendes Wirbelviskositäts- Feinstrukturmodell für Large-Eddy Simulationen Menter 1994: RANS Turbulenzmodell SST Modell Stolz & Adams 1999: LES Turbulenzmodell ADM Modell Wallin & Johansson 2005: RANS Turbulenzmodell EARSM Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 14

15 ANSYS-CFX CFX gehört seit 25 Jahren weltweit zu den dominierenden Lösungen für anspruchsvolle Strömungssimulation 70er-Jahre: UK Atomic Energy Agency entwickelt Software zur Strömungssimulation für die Sicherheitsanalyse 80er Jahre: Rechenprogramm FLOW3D wird durch Tochterfirma AEA-Technology vertrieben 1995 Umbennennung in CFX AEA-Technology fusioniert mit ASC - Advanced Scientific Computing, dem Entwickler von TASCflow 1999 Beginn des Vertriebs von CFX Fusion mit ANSYS 2006 Fusion von ANSYS und Fluent 2014 ANSYS CFD es gibt immer noch CFX und Fluent... Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 15

16 CFD-Simulationen erlauben vorher nie dagewesene Einblicke in die Bewegung der Fluide: alle Feldgrößen liegen vor und können direkt ausgewertet werden dies führt zu einem besseren Verständnis von Strömungsproblemen Preiswert (wenn man gerade einen großen Rechner hat) Ungefährlich Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 16

17 Simulation einer vollständigen Gasturbine Medic, You und Kalitzin(2006) Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 17

18 Zoom in eine turbulente Grenzschicht LES der druckinduzierten Ablösung einer turbulenten Grenzschicht an einer ebenen Platte Visualisierung kohärenter Strukturen mittels Q-Kriterium, Ablöseblase mittels Isofläche u=0. Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 18

19 Rayleigh Jet Breake-Up Albina, Muzaferija und Peric (2000) Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 19

20 Kavitation auf NACA-Profil pin = 600 bar Iso-surfaces α 5% S pmax 250 bar Sheet and cloud cavitation on suction side Experiment(*) -- Simulation(**) Collapse induced shocks at trailing edge NACA 0015, AoA=6, chord=0.13 m, span=0.3 m, water, uin=30 m/s, pexit=4.5 bar, σref=1.0 Inviscid Flow Simulation (Euler-Equations) 24 million cells, ΔtCFD = 8.5*10-8 s 5 periods ~ 0.05 s ~ 0.5 mio time steps ~ 4 weeks on 192 cores Conditions do not match only qualitative comparison possible! Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation (*) Kawanami, Y., Kato, H., Yamaguchi, H. (1998) (**) Schmidt, S and Thalhamer, M. (2011) 20

21 Kavitation in Mikrodüsen low Δp (pexit=115 bar) Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation high Δp (pexit=55 bar) 21

22 Überschall Freistrahl Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 22

23 Überschall Freistrahl (unterexpandiert) - CFX Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 23

24 Überschall Freistrahl (überexpandiert) - CFX Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 24

25 Numerische Strömungsmechanik CFD vereinfacht das Design: - einfache aber langwierige Experimente können ersetzt werden - Lösungen zu Problemen, die gefährlich sind, oder die experimentell nicht zu bekommen sind (Feuer, Ausströmen von giftigen Substanzen - Schiffshavarie im Hafen, sehr heiße Flüssigkeiten und Gase) Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 25

26 Ariane-5 ECA flight 164 ESA, 2005 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 26

27 Numerische Strömungsmechanik CFD vereinfacht das Design: - einfache aber langwierige Experimente können ersetzt werden - Lösungen zu Problemen, die gefährlich sind, oder die experimentell nicht zu bekommen sind (Feuer, Ausströmen von giftigen Substanzen - Schiffshavarie im Hafen, sehr heiße Flüssigkeiten und Gase) Wie vertrauenswürdig sind die erzielten Resultate? Ariane-5 ECA flight 164 Stefan ESA, Hickel Angewandte Strömungssimulation 27

28 CFD = Computational Fluid Dynamics oder Colorful Fluid Dynamics?

29 Periodic Hill Flow aktuelles Beispiel aus dem akademischen Bereich ERCOFTAC Testfall 9.2 dient zum Vergleich numerischer Verfahren Ablösung an gekrümmter Oberfläche Relevant für fast alle technischen Bereiche Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 29

30 Periodic Hill Flow Einfache Geometrie, einfache Randbedingungen Komplexe, instationäre Wirbelstrukturen Kelvin-Helmholtz Instabilität Görtler-Instabilität Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 30

31 Periodic Hill Flow akademischer Code (TU München) Grobstruktursimulation (LES) von T. Kempe 3.2 Millionen Gitterpunkte, Rechenzeit ca. 700 CPUh Reynoldszahl Stromlinien (zeitlich gemittelt) Ablösung bei x/h Wiederanlegen bei x/h 4.4 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 31

32 Periodic Hill Flow CFX 2D RANS Nullgleichungsmodell (Algebraische Gleichung für Wirbelviskosität) Stromlinien (zeitlich gemittelt) Ablösung bei x/h Wiederanlegen bei x/h 8.4 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 32

33 Periodic Hill Flow CFX 2D RANS Spalart-Allmaras-Modell Stromlinien (zeitlich gemittelt) Ablösung bei x/h Wiederanlegen bei x/h 7.6 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 33

34 Periodic Hill Flow CFX 2D RANS Zweigleichungsmodell k-ε Stromlinien (zeitlich gemittelt) Ablösung bei x/h Wiederanlegen bei x/h 2.6 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 34

35 Periodic Hill Flow CFX 2D RANS Zweigleichungsmodell Wilcox k-ω Stromlinien (zeitlich gemittelt) Ablösung bei x/h Wiederanlegen bei x/h 5.8 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 35

36 Periodic Hill Flow CFX 2D RANS Menter-SST-Modell Stromlinien (zeitlich gemittelt) Ablösung bei x/h Wiederanlegen bei x/h 7.4 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 36

37 Periodic Hill Flow CFX 2D RANS Reynoldsspannungsmodell von Speciale, Sarkar und Gatski (SSG) Stromlinien (zeitlich gemittelt) Ablösung bei x/h Wiederanlegen bei x/h 3.6 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 37

38 Periodic Hill Flow relativ einfache geometrische Konfiguration niedrige Reynoldszahl und inkompressible Strömung zur Zeit nur mit hohem Aufwand berechenbar Resultate sehr stark abhängig von Gebietsauflösung und numerischem Verfahren starke Unterschiede bei verschiedenen Codes und Modellen Daher stets kritische Betrachtung der Resultate bei numerischen Simulationen! Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 38

39 Noch ein Beispiel... Shocktrain in einem divergenten Kanal [Giglmaier et al.] Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 39

40 Vorgehensweise zur numerischen Lösung eines Strömungsproblems Physikalisches Strömungsproblem Wissen und Erfahrung physikalische Modellierung Physikalisches Modell mathematische Modellierung Mathematisches Modell Diskretisierung Rechenprogramm Simulation Numerische Lösung Algebraisches Gleichungssystem Algorithmisierung Fehlerabschätzung Validierung Lösungsalgorithmus Sensibilitätsanalyse Programmierung Auswertung Strömungsphysikalisches Ergebnis Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 40

41 Testfall Zylinderumströmung 3D Nachlaufströmung hinter einem Zylinder, Re = 100 von großem technischen Interesse: Kabel, Pipelines, Schornsteine großskalige Wirbelstrukturen und instationäre Ablösegebiete Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 41

42 Kármánsche Wirbelstraße Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 42

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