CFD, Simulation von Strömungen (3D, instationär)

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1 Inhaltsverzeichnis 1. Zusammenfassung Einleitung Ziele des Projektes Modellbildung Ergebnisse Kritische Betrachtung der Ergebnisse des Projektes Ausblick Autoren Literaturverzeichnis...9 Seite 1 von 9 Seiten

2 1. Zusammenfassung Im Rahmen des vorliegenden Projektes werden 2 industrielle Anwendungsfälle in Verbindung mit der CFD-Simulation von Wirbelablösungen betrachtet. Die Simulationen sind mit Hilfe des Rechencodes Fluent durchgeführt worden. Der erste Anwendungsfall gilt der Untersuchung der Strömungsverhältnisse in einem Flowmeter, der auf der Basis des Wirbelzählers funktioniert. Das Flowmeter besteht aus einem Kreisrohr mit einem Durchmesser von D=11.5 mm und einem triangulären Störkörper mit einer Kantenlänge von s=3mm. Der Durchsatz beträgt 44 l/min. Als Fluid wird Luft mit einer konstanten Dichte von ρ=1.21 kg/m 3 angesetzt. Die Betrachtungen sind sowohl 2- als auch 3-dimensional durchgeführt worden. Als Turbulenzmodell ist im 2-dimensionalen Fall das Reynolds Stress Modell (5 Gleichungen) und im 3-dimensionalen Fall die Large Eddy Simulation zum Einsatz gekommen. Im zweiten Anwendungsfall wird der Einfluß des Rotors einer Windenergieanlage auf das Strömungsverhalten in dem Kühlkanal eines nachgeschalteten Generators untersucht. Die betrachtete Anlage ist an das Konzept der VENSYS 62 [4] angenähert. Die Windgeschwindigkeit ist mit 12 m/s bei einer Rotordrehzahl von 20 U/min vorgegeben. Aus Vereinfachungsgründen wird ein 120 -Ausschnitt des Strömungsraums mit einem Rotorblatt betrachtet. Die seitlichen Berandungen werden mit periodischen Bedingungen berücksichtigt. Die Kopplung zwischen Rotor und Stator erfolgt über Mixing-Planes. Als Turbulenzmodell ist das kε-modell verwendet worden. 2. Einleitung Der Schwerpunkt des Projekts Simulation von Strömungen lag in der numerischen Untersuchung von 2- und 3-dimensionalen Strömungen mit instationärem Verhalten. Bevorzugt wurden 3-dimensionale Betrachtungen mit unterschiedlichen Turbulenzmodellen durchgeführt. Anhand von 2 völlig unterschiedlichen industriellen Anwendungsfällen sind die Simulationen mit Hilfe des CFD-Codes Fluent [1] durchgeführt worden. Die zwei in diesem Projekt betrachteten Anwendungsfälle verbindet der physikalische Vorgang einer Art von Grenzschichtinstabilität mit lokalen Ablösegebieten. Bekannt ist dieses Phänomen als Karmansche Wirbelstraße in Verbindung mit Kreiszylinderumströmungen [2]. Bei genügend großer Reynoldszahl lösen sich Wirbel mit einer bestimmten Frequenz alternierend von der Unter- und Oberseite des Zylinders ab. Dieses Phänomen lässt sich einerseits technisch nutzen und kann aber andererseits zu massiv störenden Effekten führen. Seite 2 von 9 Seiten

3 Im 1. Anwendungsfall (Anwendungsfall I) wird das frequente Ablösen von Wirbeln messtechnisch zur Bestimmung von Durchflüssen genutzt. Hierbei handelt es sich um eine Durchfluß- Meßeinrichtung auf der Basis von Wirbelzählern (Vortexmeter, Wirbelfrequenzzähler, Vortexzähler). Das Prinzip beruht darauf, dass in einem Rohrelement ein prismatischer Störkörper (hier: deltaförmig) quer zur Strömungsrichtung eingebracht wird (s. Abb. 1) und die hierdurch indizierten periodischen Ablösungen im Nachlauf messtechnisch erfasst (s. Abb. 1, Messstrahl) werden. Meßstrahl Strömungsrichtung Deltaförmiger Störkörper Abb. 1 Längs- und Querschnitt des Durchflussmessers [3] Über das Ablösefrequenz-Verhalten lässt sich dann der Durchsatz z.b. in Form des Volumenstroms ermitteln. Der 2. Anwendungsfall(Anwendungsfall II) steht in Verbindung mit dem instationären Strömungsverhalten einer Windenergieanlage (WEA). Die betrachtete WEA ist an das Konzept der VENSYS 62, entwickelt von der Forschungsgruppe WIND [4] an der HTWdS, angenähert. Hierbei handelt es sich um eine Anlage mit einem außenliegenden Generator, der dem Rotor nachgeschaltet ist und von der Außenluft durchströmt und somit gekühlt wird (Abb. 2). Generator Abb. 2 Darstellung der betrachteten Windenergieanlage [5] Einen interessierenden Bereich bzgl. des Strömungsverhaltens stellt der Kühlkanal des Generators dar. Die durch die Rotorbewegung indizierten Ablösungen können die Kühlung beeinträchtigen. Seite 3 von 9 Seiten

4 3. Ziele des Projektes Anwendungsfall I (Vortexmeter) Die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Vortexmeter konzentrieren sich auf kompakte Kleinst-Vortexmeter zur Bestimmung geringer Volumenströme (<50 l/min). Dies erfordert eine Sensorik z.b. mittels Ultraschall, die außerhalb der Messstrecke angeordnet ist. Um die Signalmodulation durch die Wirbelbildung beschreiben und den Einfluß des Rauschens eingrenzen zu können, sind Detailkenntnisse über das Strömungsbild erforderlich. Ziel der durchgeführten numerischen Untersuchungen war, die Möglichkeiten eines CFD-Codes als ein brauchbares Werkzeug zur Darstellung des Strömungsverhaltens mit komplexen Wirbelablösungen vorzustellen, aber auch seine Problematiken zu verdeutlichen. Verbunden damit waren auch Fragestellungen bzgl. des numerischen Aufwands und bzgl. der Möglichkeiten, den Rechenaufwand zu reduzieren. Aus diesem Grund sind sowohl 2- als auch 3-dimensionale Betrachtungen durchgeführt worden. Anwendungsfall II (WEA-Kühlkanal) Im Rahmen der Untersuchung des Strömungsverhaltens in Verbindung mit einer WEA ist der Einfluß des Rotors auf die Strömungsverhältnisse im Kühlkanal des Generators untersucht worden. Im Gegensatz zum vorherigen Projekt Rot/LP-CFD [6, 7] ist die Rechnung unter Betrachtung eines realen Flügels instationär durchgeführt worden. Dabei wurde das Ziel verfolgt, das zeitliche Ablöseverhalten der Strömung infolge des rotierenden Flügels in Generatornähe in Form von Strömungsbildern und Animationen darzustellen. 4. Modellbildung Anwendungsfall I (Vortexmeter) Betrachtet wurde eine Messstrecke, bestehend aus einer Rohrleitung mit einem Durchmesser D=11.5 mm und einem prismatischen Störkörper mit Dreiecksquerschnitt (Kantenlänge s=3mm). Als Fluid wurde Luft mit konstanter Dichte ρ=1.21 kg/m 3 und ein Volumenstrom von 44l/min vorgegeben. Die numerische Simulation der vorliegenden turbulenten Strömung wurde mit Hilfe von Fluent [1] unter Vorgabe eines Turbulenzmodells instationär gelöst. Die Diskretisierung des Strömungsbereiches erfolgte mit Hilfe des Netzgenerators ICEM [8], wobei ausschließlich strukturierte Netze erstellt wurden. 2-dimensionale Betrachtung Für die 2D-Untersuchung wurde ein Netz mit etwa Zellen verwendet. Die folgende Abbildung verdeutlicht die Auflösung der Grenzschicht. Meßpunkte Abb. 3 Rechengitter mit Störkörper und Messpunkten Seite 4 von 9 Seiten

5 Als Turbulenzmodell ist im 2D-Fall das Reynolds Stress Modell (5 Gleichungen) [9] eingesetzt worden. 3-dimensionale Betrachtung Im Rahmen der 3D-Untersuchung sollte die numerische Simulation incl. des Turbulenzverhaltens möglichst realitätsnah erfolgen. Aus diesem Grund wurde die Simulation als Large Eddy Simulation (LES) [10] durchgeführt. Dies führte aufgrund der 3- Dimensionalität und der LES zu einem massiven Anstieg der Zellenzahl (246000). Anwendungsfall II (WEA-Kühlkanal) In Anlehnung an das zurückliegende Forschungsvorhaben [7] sind die Abmessungen des Berechnungsraums und die äußeren Randbedingungen (Windgeschwindigkeit 12.5 m/s und Rotordrehzahl 20U/min) unverändert. Entsprechend wurde nur ein Rotorblatt mit einem reduzierten Strömungsraum (120 Ausschnitt) betrachtet. Aus Anschaulichkeitsgründen ist in Abb.4 nur ein Teilbereich (Strömungsbereich vor dem Rotor ausgeblendet) dargestellt. Da sich das Interesse auf das Strömungsverhalten um und im Generator konzentriert, ist der Untersuchungsbereich in seiner radialen Ausdehnung auf 1/3 der Flügellänge begrenzt worden. Als Rotorblatt ist ein typisch profilierter Flügel [11] verwendet worden. Durch die seitlichen Randbedingungen in Form von periodischen Bedingungen wird der Gesamtrotor berücksichtigt. Die Vernetzung erfolgte strukturiert und wurde auf Zellen festgelegt. Die Simulation wurde inkompressibel und instationär durchgeführt. Als Turbulenzmodell wurde das Skε-Modell verwendet. Die Kopplung zwischen den rotierenden (Spinner+Rotor) und ruhenden Teilen (Generator) erfolgte mit Hilfe des Mixing-Plane-Modells. Abb. 4 Berechnungsraum (120 Ausschnitt) 5. Ergebnisse Anwendungsfall I (Vortexmeter) Die Auswertung der instationären Simulationsrechnung erfolgte in Darstellungen von Strömungsbildern, der zeitlichen Entwicklung der Geschwindigkeit (Betrag) an 3 ausgewählten Punkten (sog. Messpunkte, s. Abb. 3) in der Nachlaufströmung des Störkörpers und in einer Animation für den 3-dimensionalen Fall. Seite 5 von 9 Seiten

6 Nachstehende Abbildung (Abb. 5) verdeutlicht für den 2D-Fall das Ablösen von Wirbeln infolge des scharfkantigen Störkörpers Abb. 5 Betrag der Geschwindigkeiten (linkes Teilbild) und vertikale Geschwindigkeitskomponente (rechtes Teilbild, Blaufärbung: abwärts gerichtete; Rotfärbung: aufwärts gerichtete Strömung) Die zugehörige zeitliche Entwicklung des Betrags der Geschwindigkeit ist 300 mm hinter der Vorderkante des Störkörpers an 3 Meßstellen (s. Abb. 3) dargestellt. Strömungsgeschwindigkeit [m/s] (Betrag) ,06 0,07 Zeit t[s] Messpunkt (oben) Messpunkt (Mitte) Messpunkt (unten) Abb. 6 Zeitliche Entwicklung der Geschwindigkeit (2D-Fall) Wie aus der Darstellung zu erkennen, handelt es sich um einen periodischen Ablösevorgang. Für die 3-dimensionale Betrachtung werden die Ergebnisse z.z. ausgewertet. Eine abschließende Bewertung insbesondere im Vergleich zu den Ergebnissen der 2D-Untersuchung ist noch nicht gegeben. Eine erste Betrachtung (Abb.7) zeigt, dass die Ergebnisse zwischen der 2D- und 3D-Rechnung erhebliche Abweichungen aufweisen. Abb. 7 Betrag der Geschwindigkeiten, horizontaler Mittelschnitt (3D-Fall) Seite 6 von 9 Seiten

7 Anwendungsfall II (WEA-Kühlkanal) Eine anschauliche Darstellung der Strömungsverhältnisse der instationären Simulationsrechnung für das Rotor-Stator-Problem der betrachteten WEA gestaltet sich problematisch. Der Grund liegt in der räumlichen Betrachtungsweise und der unterschiedlichen Koordinatensysteme (absolut und relativ). Bei der Auswertung der Ergebnisse galt dem Verhalten der am zylindrischen Teil des Rotorblatts ablösenden Wirbel besondere Bedeutung. Ziel war es, Erkenntnisse bzgl. einer evtl. Beeinträchtigung des Generator-Kühlstroms gewinnen zu können. Aus diesem Grund sind an 3 Positionen in Rotorblattnähe längs des zylindrischen Fußteils das Zeitverhalten der Strömungsgeschwindigkeit aufgezeichnet worden (Abb. 8). Zeit t[s] Abb. 8 Zeitliche Entwicklung des Geschwindigkeitsbetrages in (m/s), ermittelt in der Nähe des zylindrischen Flügelteils (weiß: am Fuß/Spinner-Nähe, rot: Mitte des zylindrischen Teils, grün: Zylinderende/Profilübergang) Mit Hilfe einer Animation ist versucht worden, das zeitabhängige 3-dimensionale Strömungsverhalten darzustellen. In ihr werden die Bewegungen von masselosen Partikeln in der Strömung gezeigt. 6. Kritische Betrachtung der Ergebnisse des Projektes Für die beiden im Rahmen dieses Projektes betrachteten Anwendungsfälle (Flowmeter und WEA-Kühlkanal) sind ausschließlich die hier erzielten Ergebnisse betrachtet worden. Entsprechend notwendig wäre eine Validierung auf der Basis von Messergebnissen oder Vergleichsrechnungen. Dies kommt insbesondere in der Fragestellung nach der erforderlichen Höhe des Diskretisierungsgrades bzgl. der hier vorhandenen 4 unabhängigen Variablen (x, y, z und t) zum Ausdruck. Besonderes Augenmerk wurde auf die Einhaltung der Massenbilanz und der Seite 7 von 9 Seiten

8 Größe des Zeitschrittes gelegt. Bei der Auswertung der Ergebnisse wurde wieder die Problematik der unzureichenden Werkzeuge zwecks Veranschaulichung dreidimensionaler Strömungsverhältnisse deutlich. Anwendungsfall I (Vortexmeter) Das Wirbelverhalten konnte sowohl im 2- wie im dreidimensionalen Fall nachgewiesen werden. Es konnte nicht die Aussage aus der Literatur bestätigt werden, dass im Fall triangulärer Störkörper sich Abweichungen von nur 10% zwischen 2- und 3-dimensionaler Simulation ergeben. Diese Aussage trifft auf Reynoldszahlen zu, die sich um mehrere Größenordnungen von der hier betrachteten unterscheiden. Anwendungsfall II (WEA-Kühlkanal) Die vorliegenden Ergebnisse wurden mit Hilfe von Multiple-Reference-Frame und Mixing- Planes erzielt und sind als ein erster Ansatz zur Betrachtung solcher Industrieprojekte anzusehen. Eine Verbesserung würde eine Betrachtung mit Sliding-Meshes und aller Kühlkanaleinbauten darstellen. Die Folge ist eine massive Erhöhung der Zellenzahlen und der Rechenzeit. Eine solche Simulation ist nur auf Rechnern mit Mehrfachprozessoren sinnvoll. 7. Ausblick Die vorgestellten Anwendungsbeispiele aus der Industrie haben gezeigt, dass ein Bedarf am CFD-Knowhow besteht und sich die Hochschulen dieser Bringschuld stellen sollten. Dies erfordert allerdings auch erhebliche Subventionen auf dem Gebiet der Hard- und Software und entsprechend geschulte Mitarbeiter. An der Wirtschaft und Technik stehen Möglichkeiten zur Simulation solch komplexer Problemstellungen zur Verfügung. Welche Probleme im Detail stecken und welche Anforderungen sich bzgl. der Rechenzeit ergeben, konnten im Rahmen dieses Projektes verdeutlicht werden. Seite 8 von 9 Seiten

9 8. Autoren Projektleiter Labor: ECC (Engeneering Competence Center) Fachbereich: Maschinenbau Homepage: Tel Fax Wissenschaftliche Mitarbeiter Dipl.-Ing. Igor Golberg Tel Fax Literaturverzeichnis 1. Fluent: Fluent 6.1, 2002, Lebanon, NH, USA 2. Schlichting, H.; Gersten, K.: Grenzschicht-Theorie, Springer (1997) 3. Ochs, J.: Simulation der Karmanschen Wirbelstrasse, Studienarbeit (2003) 4. Forschungsgruppe WIND der HTWdS, persönliche Mitteilung (2002) 5. Zesch, T.: Konstruktion eines Rotorblatts und Spinners einer Windenergieanlage in Pro/E und Importierung der Geometrie in den ICEM-Netzgenerator, Studienarbeit (2004) 6. Golberg, I.; Walter A.: CFD-Simulation der Um- und Durchströmung eines WEA-Generators mit FLUENT, Diplomarbeit (2002) 7. Forschungskolloquium Maschinenbau ( ) 8. Ansys ICEM: ICEM 4.2 (2002) 9. Piquet, J.: Turbulent Flows Models and Physics, Springer (1999) 10. Ferzinger, j. H.: Recent Advances in Large Eddy Simulation, Engineering Turbulence Modelling and Experiments, Vol. 3, (1996) 11. LM Glasfiber A/S Denmark: persönliche Mitteilung (2001) Seite 9 von 9 Seiten

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