Netzlose 3D CFD Einsatzpotenziale und Vorteile für die Praxis

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1 Netzlose 3D CFD Einsatzpotenziale und Vorteile für die Praxis Vortragender: Dr. Christof Rachor, MSC Software 24. April 2012 CFD & Mehr, Simulation im Armaturenbau VDMA Frankfurt a.m.

2 MSC Software und NEXT LIMIT TECHNOLOGIES Partnerschaft seit Juli 2011 CFD - Dynamisch transient - Lattice-Boltzmann - Netzlos

3 Standard CFD RANS, Netzbasiert Wo sind die Schwierigkeiten? a) Die Ergebnisqualität hängt direkt von der Netzqualität ab b) Die Vernetzungsqualität hängt sehr stark von der Leistungsfähigkeit des Vernetzertools und der Anwendererfahrung ab c) Bereits bei der Vernetzung muss das Wissen über die Lage interessanter Regionen vorliegen (um feiner zu vernetzen) d) Numerische Parameter müssen definiert werden, die nicht aus der physikalischen Geometrie ableitbar sind -> Iteration zur Parameterfindung e) Komplexe Geometrien benötigen Tage/Wochen zur Modellierung. Oft dauert die Modellierung länger als die Berechnung f) Dynamisch transiente Vorgänge mit frei beweglichen Körpern sind äusserst schwer darstellbar

4 Innovative CFD LBM, Netzlos Wo sind die Vorteile? Lattice-Boltzmann-Methode (= LBM) a) Kein nutzerdefiniertes Netz nötig, der Modellierungsaufwand reduziert sich auf Minuten/Stunden! b) Numerische Parameter kaum nötig. Alle Eingaben sind durch die Geometrien und Bewegungen der verwendeten Bauteile bestimmt c) Benötigte CFD-Erfahrung des Anwenders ist gering, da nur der physikalische Prozess abgebildet wird XFlow: a) Durch die schnelle Prozesskette sind Modellvarianten effektiv zu erstellen und zu berechnen b) Dynamisch transienter Ansatz, der automatisch frei bewegte Körper inklusive Kollisionen erlaubt c) Adaptive Verfeinerung der Auflösung bei Auftritt von Turbulenzen

5 Was ist LBM (Lattice-Boltzmann-Method)? in kurzen Worten Netzbasiert Partikelbasiert (Netzlos) Molekular Mesoskopisch (Zwischengröße) Makroskopisch Finite Volumen Finite Elemente Direkte Simulation Monte-Carlo Lattice- Boltzmann (Small Particle Hydrodynamics =) SPH Navier-Stokes Boltzmann Navier-Stokes Boltzmann Eq. Navier- Stokes Eq. Euler Eq.

6 Wo kommen die Stärken der LBM zur Geltung? Anwendungsfälle XFlow und die netzlose Lattice-Boltzmann Methode sind besonders stark, wenn a) der Prozess hochdynamisch ist b) viele Körper sich definiert oder frei bewegen c) unklar ist, wo Turbulenzen zu erwarten sind d) der Anwender ein Designproblem und kein Numerikproblem lösen möchte e) nur komplexe, detaillierte CAD-Modelle vorliegen

7 Wo kommen die Stärken der LBM zur Geltung? Anwendungsfälle: Turbine

8 Wo kommen die Stärken der LBM zur Geltung? Anwendungsfall: Ventil

9 Wo kommen die Stärken der LBM zur Geltung? Anwendungsfall: Sprinkler

10 Wo kommen die Stärken der LBM zur Geltung? Anwendungsfall: Strömung in Armaturen Ist-Zustand: a) Oft 2D / laminarer Ansatz b) Verschachtelte Systeme erfordern lange Modellierungszeiten c) Bewegliche Komponenten und ihre Dynamik werden kaum berücksichtigt d) Turbulente Stellen wandern oder sind generell schwer vorhersagbar e) Häufige Geometrievariationen erfordern wiederholten Netzaufbau Idee: a) Netzlose Technik in transientem Umfeld b) Automatische Erkennung von Turbulenzen Erwartete Schwierigkeiten: a) Rechenzeit b) Numerische Instabilität c) Abgleich mit der Realität

11 Prinzipuntersuchungen Anwendungsfall: Zahnradpumpe Aufbau Radpaarung Alle Räder: Konstante Drehzahl Ziel: Realistisches Strömungsverhalten gegenüber Tests Ergebnis: Ergebnisse bereits nach Schnellschuss gut, wenn adaptives Netz benutzt wird.

12 Zusammenfassung Anwendungsfall: Strömung in Armaturen Einsatz von LBM und XFlow: a) Netzloser Ansatz und LBM sind ohne Einschränkung nutzbar b) Dynamisch transiente Effekte und Bewegungen sind ohne Einschränkungen nutzbar c) XFlow erlaubt eine Modellierung für die gezeigten Beispiele innerhalb von Minuten, falls per CAD die Geometrien vorliegen. d) Die Qualität der Ergebnisse hängt von der Auflösung der Zellen ab. Deren Menge und die Menge der möglichen Kontaktpaarungen definiert die Rechenzeit.

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