( ) Strömungsmechanische Grundlagen. Erhaltungsgleichungen. τ ρ. Kontinuitätsbedingung: Impulserhaltung: Energieerhaltung: Stofferhaltung:

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1 Technische Universität Kaiserslautern Strömungssimulation mit FLUENT Daniel Conrad TU Kaiserslautern Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen

2 Kontinuitätsbedingung: Impulserhaltung: ( ) = 0 + i i x u t ρ ρ i j ij i j i j i f x x p x u u t u ρ τ ρ + = + Erhaltungsgleichungen Strömungsmechanische Grundlagen Energieerhaltung: Stofferhaltung: Zustandsgleichung: zusätzl. Stoffparameter: i i i i i i v x u p H x q x T u t T c + = + ρ n c i n i i n i n R q x j x c u t c n + + = + ) ( ρ 0 ),...,,,,, ( 2 1 = c n c c T p f ρ instationär konvektiv Druck Reibung Volumen ), ( z.b. T p f = µ

3 Strömungsmechanische Grundlagen Technische Universität Kaiserslautern Vereinfachungen bei Strömungsproblemen 1. Inkompressible Strömungen ( ρ f (p) ) Vereinfachung aller Erhaltungssätze 2. Stationäre Strömungen (keine Zeitabhängigkeit) Alle partiellen Ableitungen nach der Zeit sind null 3. Isotherme Strömungen Energiegleichung muss nicht gelöst werden 4. Wärmetransport-/diffusionsprobleme Bei bekanntem Strömungsfeld ist nur die Energiegleichung zu lösen 5. Schwach gekoppelte Strömungen Impulsgleichung und Energieerhaltung können getrennt gelöst werden 6. Ausnutzen von Symmetriebedingungen Symmetriebedingungen sind hierbei sowohl geometrisch als auch physikalisch zu erfüllen

4 Ablauf einer Simulation Technische Universität Kaiserslautern Rand-/Anfangsbedingungen für neues/modifiziertes Modell Preprocessing Solver Postprocessing Geometrieerstellung Netzgenerierung Physikalische Modelle Randbedingungen Solvereinstellungen Graphische/Numerische Ausgabe von Ergebnissen Weiterverarbeitung der Ergebnisse

5 Preprocessing Geometrieerstellung a) Gambit Preprozessor von Fluent Erzeugen von Punkten, Linien, Flächen und Volumen b) CAD-Software Importieren der CAD-Daten in Gambit Formate: IGS, STEP, ACIS, Parasolid, Direkte Schnittstellen zu CATIA und Pro/Engineer (zusätzliche Lizenz notwendig)

6 Elementtypen Preprocessing 2D 3D Strukturierte und Block-strukturierte Netze nur mit Vierecken bzw. Hexaedern Dreiecke/Tetraeder sind an beliebige Geometrie anzupassen Prismen werden benutzt um Dreiecksnetz in dritte Dimension strukturiert zu projezieren (Cooper Mesh) Pyramiden zu Verbinden von Tetraederund Hexaedernetzen Dreieck triangle Viereck quadrangle Tetraeder tetrahedron Hexaeder brick Prisma wedge Pyramide pyramid

7 Preprocessing Hybride Netze Pyramiden Tetraeder Hexaeder Pyramiden Tetraeder Hexaeder

8 Preprocessing Randbedingungen Eintritt Wände Geschwindigkeit oder Druck Temperatur, Wärmestrom Temperatur Rauhigkeiten Austritt Turbulenzparameter Relativbewegung Gegendruck eventuell Rückströmparameter (Turbulenz, Temperatur) Symmetrie Anwendung: Geschwindigkeit und die Gradienten aller Größen sind null (z.b. Überströmung) Periodische Ränder Was auf der einen Seite rausfließt, fließt auf der anderen wieder hinein (z.b. Radialpumpen, Wärmetauscher) Symmetrieachse (nur 2D) achsensymmetrische Strömungsgebiete (z.b. kreisrunde Kanäle) Spezielle Randbedingungen freie Oberflächen, Poröse Medien, Ventilatoren, etc.

9 Preprocessing Physikalisches Modell Turbulenzmodell Ist die Strömung laminar oder turbulent? Kann das Fluid reibungsfrei betrachtet werden? Energiegleichung Gibt es Wärmeströme oder Temperaturgefälle im Strömungsgebiet? Spielen diese für das Ergebnis eine Rolle? Potentialfelder Kann der Gravitationseinfluß vernachlässigt werden (Gase!)? Gibt es zusätzliche Potentiale (z.b. elektrische Felder)? Müssen besondere physikalische Modelle integriert werden? Mehrstoffströmungen Mehrphasenströmungen (Disperse Phase, Deformierbare Volumen) Chemische Reaktionen (Verbrennungsprozesse, Korrosion) Strahlungsmodelle

10 Prinzipielles Vorgehen Eine FLUENT Simulation beinhaltet: Die Netzdefinition Solvereinstellungen: welche physikalische Modelle verwendet werden sollen, etc Randbedingungen case Lösungen des entstandenen Gleichungssystems Konvergenzinformationen Data

11 Prinzipielles Vorgehen

12 Physikalische Modelle: Welche sind für das Problem maßgebend?

13 Materialien

14 Randbedingungen

15 Lösungsverfahren wählen

16 Relaxationsfaktoren

17 Lösungsverlauf verfolgen

18 Initialisierung

19 Starten der Simulation

20 Problemstellung: 2D Berechnung eines Wärmetauschers

21 Problemstellung: 2D Berechnung eines Wärmetauschers Das Netz zur Simulation wurde in Gambit erstellt und im.msh Format exportiert. Eigenschaften: 1. Der Ein- und Auslassrand ist periodisch definiert 2. Der obere und untere Rand ist symmetrisch definiert. 3. Das Netz ist im Bereich der Rohre strukturiert und verfeinert. 4. Die restliche Geometrie ist mit Dreickelementen diskretisiert.

22 Simulation mit Fluent 12 Da es sich um eine zweidimensionale Problemstellung handelt muss der 2D solver wie folgt aus dem home Verzeichnis gestartet werden: /COSOFT/ansys_inc/v121/fluent/bin/fluent 2ddp Über File -> Read -> Mesh -> heat_exchanger.msh wird das Netz eingeladen. General -> Scale Die Skalierung ist standardmäßig auf Meter gesetzt. Daher muss das Netz neu skaliert werden ( in cm )

23 Simulation mit Fluent 12 Gegenstand der Untersuchung ist ein Wärmetauscher. Daher muss die Energiegleichung zusätzlich zu den Impuls und Masseerhaltungsgleichungen gelöst werden. Models -> Energy

24 Simulation mit Fluent 12 Laut Problemstellung ist die Berechnung mit Wasser durchzuführen. Materials -> Fluid -> Create/Edit Fluent hält schon eine Vielzahl von vordefinierten Materialien bereit. Aus der Fluent-Database wird h2o liquid gewählt:

25 Simulation mit Fluent 12 Zur Verwendung von Wasser muss die in Gambit definierte Fluidzone umgestellt werden: Cellzone -> Fluid

26 Simulation mit Fluent 12 Da es sich um eine periodische Problemstellung handelt muss der Einlass (velocity Inlet) und der Auslass (outflow) periodisch gesetzt werden. Dies ist entweder in Gambit zu erledigen oder auch nachträglich in Fluent möglich mit dem Textbefehl: mesh/modify-zones/make-periodic Die ID der Kanten velocity_inlet und outlet sind unter den BoundayConditions ersichtlich

27 Simulation mit Fluent 12 Den bekannten Werten entsprechend werden die Periodic Conditions wie folgt gesetzt (translatorische Periodizität):

28 Simulation mit Fluent 12 Die Symmetry Randbedingung an der oberen und unteren Kante bleibt erhalten. Nun fehlt lediglich die Wandtemperatur der Rohre um das Problem vollständig zu beschreiben. Sie wird unter dem Thermaltab der Randbedingung wall eingestellt:

29 Simulation mit Fluent 12 Um genauere Ergebnisse zu erhalten sollen die Gradienten mit einem Verfahren zweiter Ordnung berechnet werden. (second order upwind) Zur Kopplung des Druck- und Geschwindigkeitsfeldes dient der SIMPLE Algorithmus. Die Einstellungen werden unter dem Menüpunkt Solution Methods vorgenommen.

30 Simulation mit Fluent 12 Vor der Simulation muss für jede Zelle ein Startwert gesetzt werden von dem aus das Iterationsverfahren beginnt. Wenn kein Wert bekannt ist wird hier häufig 0 als Startwert gesetzt. Als sinnvollen Startwert für die Temperatur ist 300K anzugeben:

31 Simulation mit Fluent 12 Die Simulation kann nun gestartet werden. Es muss eine ausreichende Anzahl an Iterationen durchgeführt werden bevor die Lösung des Gleichungssystems erhalten wird. Hier sollen 1500 Iterationen unter Run Calculation gesetzt werden. Der Lösungsverlauf kann dann anhand der Residuen direkt verfolgt werden.

32 Simulation mit Fluent 12 Ist die Simulation abgeschlossen, können die Ergebnisse visuell und numerisch ausgewertet werden. Graphics and animation -> contours -> setup

33 Simulation mit Fluent 12 Die Druckverteilung sollte bei einer sinnvollen Lösung wie folgt aussehen: Der größte statische Druck herrscht am Staupunkt vor den Rohren. Neben dem Druck können durch Auswahl sämtliche berechneten Größen, so auch die Temperaturverteilung ausgewertet werden.

34 CFD am RHRK Nutzung der CFD-Software Voraussetzungen: Erweiterung des Studentenaccounts auf dem AIX-Cluster Antrag kann über Homepage heruntergeladen werden Einige Aliases bzw. Pfaderweiterungen sind zu setzen (siehe Vertiefungskurse) X-Window und/oder OpenGL fähige Terminals und Rechner Kurzanleitungen auf den Homepages Kosten: kostenlos für Forschung und Lehre 1 Externe und Drittmittelnutzer müssen Gebühren entrichten 1 Bei intensiver Nutzung von GAMBIT/FLUENT evtl. Beteiligung des Lehrstuhls an Support-Kosten