Computational Fluid Dynamics - CFD Overview

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1 Computational Fluid Dynamics - CFD Overview Claus-Dieter Munz Universität Stuttgart, Institut für Aerodynamik und Gasdynamik Pfaffenwaldring 21, Stuttgart Tel / (Sekr.) Fax /

2 Wieso ist die numerische Simulation so wichtig? schneller kurze Entwicklungszeiten billiger mehr Information Wesentlich hat hier die enorme Steigerung der Leistungskraft der Computer beigetragen, aber auch die Verbesserung der numerischen Verfahren Weitere Ziele z.b. 5A-Strategie von Airbus: Vorentwurf gründet sich auf numerische Simulationen Sicherheit der numerischen Simulationen muss noch deutlich verbessert werden 2

3 Die numerische Simulation ist allerdings keine Black-Box: Problem rein, Knopf gedrückt und alles ist klar Numerische Simulationen werden meist mit kommerziellen Rechenprogrammen ausgeführt Aber, User-Schnittstellen: Quellterme, Zustandsgleichungen,.. Parameter müssen vom Benutzer gewählt werden Numerische Ergebnisse müssen interpretiert werden Numerische Ergebnisse müssen bewertet werden: Genauigkeit und Zuverlässigkeit Fehler bei der Modellierung und bei der numerischen Approximation müssen abgeschätzt werden 3

4 Grundlagen der numerische Strömungsmechanik (CFD) Physikalische Modellierung Mathematische Modellierung Numerische Modellierung Rechenprogramm Ausführung Visualisierung der Ergebnisse Integrale Erhaltungssätze: Masse, Impuls, Energie Zustandsgleichung Navier-Stokes-Gleichungen, Euler-Gl. Potentialgl.,.. Grundlagen der numerischen Strömungsmechanik CFD-Programmier-Seminar SS CFD-Anwendungsseminar, SS 4

5 Lernziele dieser Vorlesung Kenntnisse über die numerischen Verfahren, welche in den heutigen Standard-Codes enthalten sind. Welches Verfahren oder Rechenprogramm kommt für das vorliegende Problem in Betracht? Wie beurteile ich die Qualität meiner numerischen Ergebnissen? Turbulenz-Modellierung wird hier nicht angesprochen Wichtige praktische Erfahrung gibt es im - CFD-Programmierseminar, SS, parallel - CFD-Anwendungsseminar, SS, parallel 5

6 Inhalt der Vorlesung I. Gleichungen (2%) II. Näherungsverfahren und Gitter allgemein (8%) III. Numerische Gasdynamik (60%) Eulergleichungen, Navier-Stokes-Gleichungen IV. Numerische Methoden für schwach kompressible und inkompressible Strömungen (25%) V. Ergänzungen: Numerische Aeroakustik, Verfahren in der Forschung (5%) 6

7 Inkompressible Strömungen In langsamen Strömungen von Gasen oder dann vor allem von Flüssigkeiten kann man Dichte- und Temperaturänderungen vernachlässigen (kleine Machzahlen) Vereinfachung der Gleichungen inkompressible Navier- Stokes-Gleichungen Kompressible Strömungen Dichteänderung im Strömungsfeld ist nicht zu vernachlässigen. Ein besonderes Kennzeichen von kompressiblen Strömungen ist das Auftreten von Verdichtungsstößen (Unstetigkeiten). 7

8 Umströmung eines Segelflugzeugs 8

9 Beispiele für kompressible Strömungen Quelle: DLR Quelle: IAG Universität Stuttgart Verkehrsflugzeug im transsonischen Geschwindigkeitsbereich 9

10 Beispiele für kompressible Strömungen Quelle: NASA 10

11 Allgemeine Informationen Vorlesung mit Übungen (2V,1Ü) Vorlesung dienstags, Uhr im V21.01 Übungen donnerstags, 15:30-17:00Uhr im V Übungsblätter, Besprechung in den Übungen Prüfung im Rahmen der Vertiefung schriftlich, als Wahlfach auch mündlich Vorlesung an der Tafel, Folien z.b. für Wiederholung oder als Überblick Skript in der Form von Folien auf der Webseite: IAG - Lehrveranstaltungen 11

12 Einstieg in den Bereich Forschung und Entwicklung numerischer Methoden HiWi Jobs Mitarbeit in Projekten Seminar Discontinuous-Galerkin-Verfahren Studien- und Diplomarbeiten, (auch im Ausland) Forschungsthemen: Adaptive Verfahren im Raum-Zeit-Bereich 12

13 Space and Time Adaptivity at later times Entropy contour lines p-adaptivity, element order EU-Projekt ADIGMA 13

14 Application: Natural Gas Injection, IAG-Bosch Objective is to solve the complete gas injection problem Nozzle Necessity of very flexible grids cooperation with Bosch GmbH 14

15 Weiterführende Lehrveranstaltungen im WS 11/12 Gassner: Discontinuous-Galerkin-Verfahren (2V) Kloker: Differenzen-Verfahren hoher Ordnung (2V) Skoda: Turbulenz-Modellierung (2V) Seminare: DG-Verfahren, Gassner, Munz Differenzen-Verfahren hoher Ordnung, Kloker Mehrphasenströmungen, Munz, Rohde, Weigand 15

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