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1 von 9 ZUSAMMENFASSUNG CFX. Was ist nmerishe Strömngsberehnng? Welhes sind die lokalen Strömngseigenshaften? Geshwindigkeits-, Drk-, emeratrverteilngen eines Gases oder einer Flüssigkeit. Welhes sind die Ergebnisse einer Strömngsberehnng? Geshwindigkeitskomonenten nd andere hysikalishe Grössen an jedem Knoten im Rehengebiet, Bilanzen nd Mittelwerte wählbarer Regionen, Kräfte nd Momente. Was ist ein mathematishes Modell? Abbildng der Wirklihkeit mit Hilfe von Gleihngen. Beinhaltet Erhaltngsgleihngen mit idealisierten Annahmen sowie Randbedingngen. Wieso ist das berehnete Ergebnis nr eine Näherngslösng? Annahmen beim afstellen der Modellgleihngen, Geometrie wird angenähert, Wandeffekte werden vereinfaht, Randbedingngen werden idealisiert, Rndngsfehler, Diskretisierngsfehler. Welhe Lösngsmethoden gibt es? Reibngsfreie Strömng (Potentialströmng, Strömng mit hoher Re) Beisiele: ragflügel, Übershallströmng, rbinen Panelverfahren Reibngsbehaftete Strömng (Navier-Stokes, Laminar-rblent) Beisiele: rbomen nd verdihter, Verfahrenstehnik FDM, FEM, FVM, DNS. Ablaf einer CFX-Berehnng CAD. Modell erstellen. Flähen generieren Netzgenerierng. Modell imortieren. Netz generieren 3. Netz shreiben CFX-Pre. Netz imortieren. Simlationsty definieren 3. Domain/Flid definieren 4. Randbedingngen setzen 5. Anfangsbedingngen definieren 6. Lösngsarameter eingeben 7. Definition-File shreiben Imort Mesh Define Simlation ye ransient, Stationär Create Domain Flidty nd emeratr, Energiegleihng, rblenzberehnng, Referenzdrk Create Bondary Condition Ort, y (Eintritt, Astritt, Wand), Geshwindigkeit, rblenz, Reibng Create Domain Interfae Define Solver Control Criteria Advetion Seme (HR, Uwind, BF), Iterationen, imesale, Konvergenzkriterim (RMS, MAX) Write Solver File.def Datei seihern Stefan Blättler //8

2 von 9 CFX-Berehnng. Definition- bzw. Reslt-File einlesen. Ggf. Anfangslösng angeben 3. Simlation starten CFX-Post. Reslt-File einlesen. Simlation aswerten 3. Plots generieren Residm Mass für nmerishen Fehler. Entsriht der Bilanzierng einer Zelle. RMS Res: sollte mindestens e-5 sein Max Res: sollte mindestens e-4 sein Imbalane Sollte mindestens e-4 sein Qalitative Aswertng Stromlinien Vektoren Isoflähen Qantitative Aswertng Kontren Chart (D-Plot) abelle 3. Wihtige Randbedingngen in CFX Inlet: Mass and Momentm, rblene, Heat ransfer Otlet: Mass and Momentm, (rblene, Heat ransfer) Wall: Wall ye, Wall Inflene on Flow, Wall Heat ransfer Symmetrie Plane Periodi Pair 4. Was bedetet der Parameter Advetion Sheme? Beshreibt das Verfahren der Diskretisierng. - Blend-Fator entsriht dem Uwind-Verfahren nd ist. Ordnng gena - Blend-Fator ist. Ordnng gena - Mit High-Resoltion entsheidet die Software selstständig wo mit welher Genaigkeit gerehnet wird. 5. Was beshreibt die Navier-Stokes Gleihng? Erhaltngsgleihng für Masse nd Imls für: dreidimensionale, inkomressible, laminare, instationäre Flide, mit konstanter Viskosität. d m& v d F = m a = ( m v) = + m dt I& 3 dt 6. Welhes sind die besonderen Eigenshaften von trblenter Strömng? Hohes Mass an Unregelmässigkeit, starke Diffsion d.h. Shnelles Mishen, hohe Re-Zahl, dreidimensionale instationäre Wirbelstrktr, hohe Dissiation rblenz ist keine Stoffeigenshaft, sondern eine Strömngseigenshaft. Strömngsklassen sind z.b. Rohrströmng, Plattenströmng, Freistrahlströmng, sw. 7. Geshwindigkeitsrofil nd Wandfnktionen y Laminare Untershiht (viskos) y+ < 5.., Wand behindert rblenzbewegng, nr viskose Effekte sind Relevant. Logarithmisher Bereih (log. Wandgesetz) 3< y+ <3..5, Viskose nd trblente Effekte sind gleih wihtig. Assenbereih (Potenzgesetz) Strömngsträgheit ist Dominant. Der Verlaf ist vom Strömngsharakter abhängig. statish laminar trblent BF BF Stefan Blättler //8

3 3 von 9 8. rblenzmodellierng rblenz wirkt af die Strömng in sehr grossem Massstab- nd Zeitbereih von Mikro z Makro. Für reale Strömngen werden die rblenzeigenshaften anhand von Modellen berehnet. Welhe Modelle zr rblenzmodellierng werden angewendet? k-ε -Modell k= kinetishe rblenzenerige ro Masse des Flids (Zeitlihe Änderng von k = Diffsion + Prodktion Dissiation) ε = trblente Dissiationsrate SS-Modell Mishng von k-ε in der Strömng nd k-ω (trblene/freqenybased model) in Wandnähe. Im Bereih der Grenzshiht verwendet das Programm atomatish die entsrehende Korrelation. 9. Vorgehen beim erstellen der Vernetzng. Arbeitsverzeihnis erstellen. Geometrie des Flids mit CAD modellieren Solid Body mit der Gestallt des z simlierenden Flids Geometrie wo möglih vereinfahen (Radien, sitze Winkel) Symmetrishe nd rotationssymmetrishe eile vereinfahen 3. etin-file (Parts definieren) Geometriefile laden nd überrüfen (Dimension) Flähen einzelnen Parts zweisen (Create Part) 4. Blokstrktr erstellen Create Blok (3D Bonding Bloks) Bloks slitten Niht benötigte Bloks löshen Assoiate: Edges der Bloks den Crves der Geometrie zweisen Move Verex: Eken af Krvenenden vershieben Slit Edge: Edges af gekrümmte Krven zweisen, damit sie anshliessend af den Krven liegen 5. Projizieren Extrde Fae: Flähe z einem Körer extrdieren 6. O-Grid erstellen, Knotenanzahl variieren, Knotenverteilng anassen O-Grid erzegen, m z.b. Randshihten besser afzlösen Pre-Mesh-Params: Definieren der Knoten-Anzahl nd -Verteilng af den Edges. In Wandnähe Aflösng erhöhen. Längenänderng von einem Element zm nähsten sollte möglihst klein sein. 7. Qaltiät nd Netzgrösse rüfen, Netz korrigieren Pre-Mesh Qality Histograms: Überrüfen folgender Qalitätsmerkmale: Min Angle: sollte grösser als sein Aset Ratio: sollte kleiner als sein Volme Change: sollte kleiner als sein Determinante xx: mss grösser als Nll sein 8. Netz exortieren Pre-Mesh Convert to nstrt Mesh: es wird ein.hex File geshrieben Bei Ott ANSYS CFX als Solver definieren. Saling af. einstellen (mm m) 9. CFX-Simlation drhführen, Randshihtaflösng & Aflösng allgemein, Dimensionen kontrollieren. Wenn notwendig in ICEM Netz korrigieren Stefan Blättler //8

4 4 von 9 SRÖMUNG UM RAGFLÄCHEN Strömngswiderstand Aftrieb Resltierende Kraft Moment Kräfte am ragflügel: F = w A F = w A w w St A a St F = F + F R A w M = m w ASt : Widerstandsbeiwert w : Aftriebsbeiwert a : Momentenbeiwert m A : angeströmte Flähe St w : Flidgeshwindigkeit : Dihte des Strömngsmedims F : Aftriebskraft A F : Widerstandskraft w F : Normalkraft N F : angentialkraft α : Anstellwinkel Drkverteilng am Profil: Bezeihnngen am Profil Das Polardiagramm: Einflss der Flügelrahigkeit: Die Oberseite des Flügels, bzw. die Sagseite ist wesentlih emfindliher gegen Vergrösserng der Rahigkeit. Besonders emfindlih ist asserdem die Flügelnase. Im Polardiagramm sind für ein bestimmtes Profil mit einem bestimmten Seitenverhältnis die dimensionslosen Beiwerte a nd w für vershiedene Anstellwinkel dargestellt. Stefan Blättler //8

5 5 von 9 Einflss des Anstellwinkels: Einflss der Reynolds Zahl: Zeigt die Abhängigkeit des Aftriebsbeiwertes in Abhänigkeit des Anstellwinkels. KOMPRESSIBLE SRÖMUNG. Anwendng der Komressiblen Strömng Komressible Strömng ohne Arbeitszfhr - Isoenergetish reibngsfrei h =onst, s=onst - Isoenergetish reibngsbehaftet h =onst, s onst - Strömng mit Wärmezfhr h onst, s onst Komressible Strömng mit Arbeitsz- bzw. Abfhr rbomashinen, Verdihter, rbinen Nenne Anwendngsgebiete nd Beisiele der komressiblen Strömng. - Shnelle Strömng: Fliegerei, Düsen - Aftriebsströmng: Ramströmng, Klima - Akstik. Grndgleihngen Shallgeshwindigkeit: a = v = = Ri Mahzahl: M = a. Hatsatz der hermodynamik: Q& + P = m& As h + + gz m& Ein h + + gz 3 As Ein isoenergetish= h + = + = h = konst. Asströmformel: = R Weitere Gleihngen: + = = konst. = + : Drk v : sezifishes Volmen : Isentroenexonent (Lft =.4) : Dihte R : Individelle Gaskonstante i (Lft = 87 J/kg K) : emeratr (absolt) M : Mahzahl m& : Massenstrom : Wärmekaazität (Lft = 5.J/kg K) Zstand = otalzstand < > Beshlenigt > < Verzögert Stefan Blättler //8

6 6 von 9 = R = + M Bei Mahzahl M= a = = a + Für Lft k= = Isentroenbeziehng: = = Ideale Gasgleihng: v= R i = +.58 = M = + = + M = = Bereihe von Mahzahlen: M<: Grösserer A führt z kleinerer Kleinere A führt z grösserer M>: Grössere A führt z grösserer Kleinere A führt z kleinerer M=: da= Extremwert für A M<.3 inkomressibel.3<m<.8 sbsonish.8<m<. transsonish M= sonish.<m<3.5 sersonish M>3.5 hyersonish 3. Gasdynamishe Fnktionen 4. Düsen/Diffsoren Kontinitätsgleihng: m& = A = konst. da d = ( M ) d Flähenverhältnis: A = + M A M + + A : Engster Qershnitt Bei gegebenem Flähenverhältnis existieren immer zwei Mahzahlen. Stefan Blättler //8

7 7 von 9 Massenstrom: + m& = A= A v Im engsten Qershnitt gilt A=A nd = + = = m& A A R + + Immer gültig falls im sbsonishen Bereih. Für konvergente Düse gültig bis = Bei geserrter Strömng niht gültig! Zstandsänderng in einem adiabaten Rohr s Darstellng im -s Diagramm URBOMASCHINEN Mashinen mit Arbeitsz- bzw. abfhr. Energieübertragng erfolgt drh Drallstrom.. Das Standard Geshwindigkeitsdreiek GDE r r r m& = A= n A Verdihter: A n =w n rbine: A r r w Im Absolten System: ß a + Kinetishe Energie nimmt z ( +) + Drkenergie nimmt z (w -) w + Drallkomonente () wrid im Stator z r r r Drkenergie mgesetzt = w+. Rotalie w : Umfangsgeshwindigkeit I = h + = konst. : Absoltgeshwindigkeit w : Relativgeshwindigkeit 3. Verdihtng drh erhöhen der Enthalie Axialmashinen: Drkafba drh Verzögerng, Ablösegefahr (Zweifelkriterim: w/w>.7 nd 3/>.7, gilt für axial & radial) Radialmashinen: Drkafba drh Zentrifgalfeld, Asgerägte 3D Strömng, max. Drkafba von Drehzahl abhängig Stefan Blättler //8

8 8 von 9 Wirkngsgrad: s ηs = ; ηsst = η sla sla = ; ηsle = La sst St sle Le Wodrh entstehen Verlste in den Verdihtermashinen? Reibng an Flähen (SS, DS, Nabe, Deksheibe), Stossverlste, Mishngsverlste, Drkstoss 4. Geshwindigkeitsdreik von Verdihtern Axialverdihter Radialverdihter w w w w (Axial rbine) Was ist Inzidenz nd welhen Einflss hat diese? Ist der Winkel, der die Abweihng zwishen Anströmrihtng nd Skelettlinie darstellt. Eine Beshafelng mit leiht ositiver Inzidenz (~5 ) weisst bei hoher Anströmgeshwindigkeit einen geringeren relativen Drkverlst af. 5. Axialverdihter - Im Lafrad geshieht eine Erhöhng der otaltemeratr - Im Leitrad bleibt die otaltemeratr konstant. - Der otaldrk sinkt im Leitrad h = = + + { h e V Stefan Blättler //8

9 9 von 9 6. Radialverdihter Zsammenhänge: V& ~ ~ n Δ ~ ~ n P = V& Δ ~ ~ n 3 3 λ, ψη, β > 9 β = 9 PmgrenzeηS β < 9 β = 9 ψ : Drkzahl ϕ : Drhflsszahl ψ λ =Δ h = n λ : Leistngszahl = ϕ tanβ η : Wirkngsgrad S St β < 9 ϕ β > s Diagramm für Rothalie nd Wirkngsgrad h 3 =h h 3 sst sle 3 Le St h w sla La h w I =I h s Enthalieerhöhng in einer Stfe: Reaktionsgrad Verhältnis der isentroen Enthalieerhöhng Δ hst = + 3 r = Δ h sla sst Stefan Blättler //8

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