Numerische Strömungsberechnungen mit NX Herausforderungen und Lösungen bei Durchströmungs- und Umströmungs-Vorgängen
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- Heiko Linden
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1 CAE Herbsttagung 2013 Numerische Strömungsberechnungen mit NX Herausforderungen und Lösungen bei Durchströmungs- und Umströmungs-Vorgängen Prof. Dr.-Ing. Alexander Steinmann Dr. Binde Ingenieure Design & Engineering GmbH Tel Computational Fluid Dynamics CFD Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 1
2 Inhalt Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnungen Durchströmungsberechnungen Krümmerströmung Frischluftaufbereitung Hydraulikventil Umströmungsberechnungen Gebäudeaerodynamik Fahrzeugaerodynamik Zusammenfassung und Fazit Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 2
3 Inhalt Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnungen Durchströmungsberechnungen Krümmerströmung Frischluftaufbereitung Hydraulikventil Umströmungsberechnungen Gebäudeaerodynamik Fahrzeugaerodynamik Zusammenfassung und Fazit Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 3
4 Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Impulserhaltung Navier-Stokes-Bewegungsgleichung Die Bewegungsgleichung beschreibt das vollständige Kräftegleichgewicht (Impulserhaltung) in einem Strömungsfeld. Für ein inkompressibles Newton-Fluid lautet sie in Vektorform: dv v v v dt t Trägheitskraft / Masse aufgrund subs tan tieller Beschleunigung Trägheitskraft / Masse aufgrund lokaler Beschleunigung Trägheitskraft / Masse aufgund konvektiver Beschleunigung Diese grundlegende Gleichung heißt auch Navier-Stokes-Bewegungsgleichung. Diese partielle Differentialgleichung ist nichtlinear und äußerst kleinskalig in Raum und Zeit. Vektorgleichung führt im Raum auf drei zu lösenden Gleichungen für die drei Strömungsgeschwindigkeitskomponenten. f Feldkraft / Masse 1 p Druckkraft / Masse v Reibungskraft / Masse => Deutlich komplexer als Strukturmechanik Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 4
5 Folie 5 Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Massenerhaltung und Energieerhaltung Neben der Impulserhaltung werden auch Massenerhaltung und Energieerhaltung benötigt, um Strömungen zu berechnen. Diese beiden Erhaltungsgleichungen (partielle Differentialgleichungen) sind linear und von skalaren Größen (zwei zu lösende Gleichungen). Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX 0 z v y v x v t v t z y x z y x z T y T x T z v h y v h x v h t h T v h t h
6 Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Impulserhaltung turbulent Reynolds-Bewegungsgleichung Bei turbulenten Strömungen, die ca. 95% der in der Strömungstechnik vorkommenden Strömungen ausmachen, wird eine sog. Reynolds-Mittelung der Navier-Stokes- Bewegungsgleichung (RANSE) vorgenommen (bei kompressiblen Strömungen Favré- Mittelung); mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit und dem mittleren Druck folgt dann die Reynolds-Bewegungsgleichung: v t v v f p v Z Das Zusatzglied Z repräsentiert die Reynolds-Zusatz-Scheinspannung, die als zusätzliche Viskosität aufgrund der Turbulenz zu interpretieren ist. Eine Auflösung der turbulenten Strukturen durch die sog. Direkte Numerische Simulation DNS stellt Anforderungen an die Hardware, die selbst in Forschungsprojekten kaum zu realisieren ist. 1 Auch Mittelwege durch Auflösung der Turbulenz-Grobstrukturen durch die sog. Large Eddy Simulation LES sind im industriellen Umfeld kaum möglich aufgrund der Hardwareanforderungen. Folie 6 Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved.
7 Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Turbulenzmodelle Folie 7
8 Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Prinzip der CFD Alle sieben genannten Erhaltungsgleichungen lassen sich umschreiben in die Form der allgemeinen Transportgleichung: ( ) t Zeitl. Änderungsrate Zeitterm Es handelt sich um Flussgrößen. v j x j Konvektiver Transport ( ) Konvektionsterm 2 2 x j Diffusiver Transport Diffusionsterm Die Auswahl der Diskretisierungsmethode wird von den Größen bestimmt. S Pr oduktion Quellterm Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 8
9 Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Diskretisierungsmethode Folie 9
10 Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Zwischenfazit Folie 10
11 Inhalt Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnungen Durchströmungsberechnungen Krümmerströmung Frischluftaufbereitung Hydraulikventil Umströmungsberechnungen Gebäudeaerodynamik Fahrzeugaerodynamik Zusammenfassung und Fazit Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 11
12 Finite-Volumen-Methode und Differenzenschemata Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Folie 12
13 Gleichungssysteme und Lösungsverfahren Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Folie 13
14 Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Lösungsverfahren Folie 14
15 Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Zwischenfazit Folie 15
16 Inhalt Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnungen Durchströmungsberechnungen Krümmerströmung Frischluftaufbereitung Hydraulikventil Umströmungsberechnungen Gebäudeaerodynamik Fahrzeugaerodynamik Zusammenfassung und Fazit Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 16
17 Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnungen Fünf Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnung Geometrieaufbereitung Strukturnegativ Gittergenerierung Wandauflösung und Qualitätsrichtlinien Pre-Processing Physik und Mathematik Solving Zeit Post-Processing Erstellen der bunten Bilder, Interpretation der Ergebnisse und Umsetzung in Maschinen und Anlagen Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 17
18 Inhalt Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnungen Durchströmungsberechnungen Krümmerströmung Frischluftaufbereitung Hydraulikventil Umströmungsberechnungen Gebäudeaerodynamik Fahrzeugaerodynamik Zusammenfassung und Fazit Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 18
19 Durchströmungsberechnung - Krümmerströmung Stromlinien eingefärbt mit Geschwindigkeit Folie 19
20 Durchströmungsberechnung - Krümmerströmung Stromlinien eingefärbt mit statischen Druck Folie 20
21 Durchströmungsberechnung - Krümmerströmung Stromlinien eingefärbt mit Totaldruck Folie 21
22 Durchströmungsberechnung - Krümmerströmung Stromlinien Animation Folie 22
23 Durchströmungsberechnung - Krümmerströmung Geschwindigkeit Ablösung Folie 23
24 Durchströmungsberechnung - Krümmerströmung Statischer Druck Radiale Druckverteilung Folie 24
25 Durchströmungsberechnung - Krümmerströmung Totaldruck Verluste k 2 2 p p D tot.1 L v vol 2 tot.2 p p 1 v vol 2 2 Folie 25
26 Inhalt Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnungen Durchströmungsberechnungen Krümmerströmung Frischluftaufbereitung Hydraulikventil Umströmungsberechnungen Gebäudeaerodynamik Fahrzeugaerodynamik Zusammenfassung und Fazit Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 26
27 Durchströmungsberechnung - Frischluftaufbereitung Stromlinien eingefärbt mit Geschwindigkeit Folie 27
28 Durchströmungsberechnung - Frischluftaufbereitung Stromlinien eingefärbt mit statischen Druck Folie 28
29 Durchströmungsberechnung - Frischluftaufbereitung Stromlinien eingefärbt mit Totaldruck Folie 29
30 Durchströmungsberechnung - Frischluftaufbereitung Stromlinien Animation Folie 30
31 Durchströmungsberechnung - Krümmerströmung Geschwindigkeit Wirbelsysteme Folie 31
32 Durchströmungsberechnung - Frischluftaufbereitung Statischer Druck Poröses Medium Folie 32
33 Durchströmungsberechnung - Frischluftaufbereitung Totaldruck Verluste k 2 p p tot.1 v 2 vol tot.2 Folie 33
34 Inhalt Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnungen Durchströmungsberechnungen Krümmerströmung Frischluftaufbereitung Hydraulikventil Umströmungsberechnungen Gebäudeaerodynamik Fahrzeugaerodynamik Zusammenfassung und Fazit Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 34
35 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Stromlinien eingefärbt mit Geschwindigkeit Folie 35
36 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Stromlinien eingefärbt mit Geschwindigkeit Folie 36
37 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Folie 37
38 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Geschwindigkeit Animation Folie 38
39 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Statischer Druck Animation Folie 39
40 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Stromlinien eingefärbt mit statischen Druck Folie 40
41 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Stromlinien eingefärbt mit statischen Druck Folie 41
42 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Stromlinien eingefärbt mit Totaldruck Folie 42
43 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Stromlinien eingefärbt mit Totaldruck Folie 43
44 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Geschwindigkeit Wirbelsysteme Folie 44
45 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Geschwindigkeit Wirbelsysteme Folie 45
46 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Totaldruck Verluste k 2 p p tot.1 v 2 vol tot.2 Folie 46
47 Durchströmungsberechnung - Hydraulikventil Totaldruck Verluste k 2 p p tot.1 v 2 vol tot.2 Folie 47
48 Inhalt Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnungen Durchströmungsberechnungen Krümmerströmung Frischluftaufbereitung Hydraulikventil Umströmungsberechnungen Gebäudeaerodynamik Fahrzeugaerodynamik Zusammenfassung und Fazit Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 48
49 Umströmungsberechnung - Gebäudeaerodynamik Stromlinien eingefärbt Geschwindigkeit Folie 49
50 Umströmungsberechnung - Gebäudeaerodynamik Stromlinien Animation Folie 50
51 Umströmungsberechnung - Gebäudeaerodynamik Stromlinien eingefärbt mit statischen Druck Folie 51
52 Umströmungsberechnung - Gebäudeaerodynamik Stromlinien eingefärbt mit Totaldruck Folie 52
53 Umströmungsberechnung - Gebäudeaerodynamik Geschwindigkeit V max und Wirbelstraßen Folie 53
54 Umströmungsberechnung - Gebäudeaerodynamik Statischer Druck Windlasten Folie 54
55 Inhalt Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnungen Durchströmungsberechnungen Krümmerströmung Frischluftaufbereitung Hydraulikventil Umströmungsberechnungen Gebäudeaerodynamik Fahrzeugaerodynamik Zusammenfassung und Fazit Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 55
56 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik [CAD-Daten: Stromlinien eingefärbt mit Geschwindigkeit Folie 56
57 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Stromlinien eingefärbt mit statischen Druck Folie 57
58 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Stromlinien eingefärbt mit Totaldruck Folie 58
59 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Geschwindigkeit Staudruck und Ablösung Folie 59
60 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Statischer Druck Staudruck und Ablösung Folie 60
61 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Totaldruck Verluste Folie 61
62 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Geschwindigkeitsvektoren Grenzschicht und Ablösung Folie 62
63 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Folie 63
64 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Folie 64
65 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Geschwindigkeitsvektoren Grenzschicht und Ablösung Folie 65
66 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Folie 66
67 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Folie 67
68 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Folie 68
69 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik Folie 69
70 Umströmungsberechnung - Fahrzeugaerodynamik W A 2 F 2 v l 2 F 2 v l W A A A Folie 70
71 Inhalt Strömungsmechanik: Physikalische Grundlagen und deren Umsetzung in NX Mathematik: Numerische Berechnungen und deren Umsetzung in NX Arbeitsschritte bei numerischen Strömungsberechnungen Durchströmungsberechnungen Krümmerströmung Frischluftaufbereitung Hydraulikventil Umströmungsberechnungen Gebäudeaerodynamik Fahrzeugaerodynamik Zusammenfassung und Fazit Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 71
72 Zusammenfassung und Fazit Physikalische Grundlagen und numerische Berechnungen sind komplex Komplexität und damit Aufwand sind deutlich höher als numerische Strukturberechnungen (FEM). NX macht keine Vereinfachungen, die nicht alle CFD-Codes auch machen müssen (Reynolds-Mittelung in Kombination mit Tubulenzmodellen). NX-CFD-Feature List: konturangepasste Koordinaten, Finite-Volumen-Methode, Gekoppelter Löser, Algebraisches Mehrgitterverfahren. NX-CFD ist General Purpose CFD Code. Numerischen Strömungsberechnungen bestehen aus fünf Arbeitsschritten. NX-CFD ist eine Werkzeug bei dem nicht die Bedienung entscheidend ist, sondern die Interpretation der Ergebnisse und die Umsetzung in Maschinen und Anlagen. Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 72
73 CAE Herbsttagung 2013 Numerische Strömungsberechnungen mit NX Herausforderungen und Lösungen bei Durchströmungs- und Umströmungs-Vorgängen Prof. Dr.-Ing. Alexander Steinmann Dr. Binde Ingenieure Design & Engineering GmbH Tel Computational Fluid Dynamics CFD Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH: alle Rechte vorbehalten. All rights reserved. Folie 73
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