Angewandte Strömungssimulation

Transkript

1 Angewandte Strömungssimulation 1. Praktikum Stefan Hickel

2 Zylinderumströmung Re=9.6 Re=13 Ein runder Zylinder wird quer angeströmt: Re<<1 schleichende Strömung Re > 1 erste Ablösung bei Re=9,6 symmetrisches Rezirkulationsgebiet Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 3

3 Zylinderumströmung Re=24 Re Re=26 das Ablösegebiet wandert weiter stromab, die Strömung ist weiterhin stationär Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 4

4 Zylinderumströmung Re=28 Re=41 Re krit 42 obere Grenze der Stationarität an beiden Seiten des Zylinders lösen sich periodisch Wirbel ab Re 180 Transition im Nachlauf wandert mit Re stromauf Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 5

5 Zylinderumströmung Re=2000 Re=10000 Re=2000 ausgebildete Karman sche Wirbelstraße instationär, turbulent Transition in Scherschicht ab Re=10 5 Transition bereits in der Grenzschicht Drag Crisis Widerstand nimmt ab Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 6

6 CFD mit ANSYS ICEM CFD ICEM CFD CFX - Pre CFX - Solve CFX Post Gittergenerator Pre-Prozessor Strömungslöser Post-Prozessor Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 7

7 Geometrie z=0 z=0,1 Ziel: turbulente Zylinderumströmung bei Re=2000 Größenabmessungen des Zylinders mit Integrationsgebiet (Größen a und h gem. Aufgabe): y = Koordinatenursprung h r=0,05 x h/2 a 2,2 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 8

8 Gittergenerierung Terminologie Geometrie» Point:» Curve: Terminologie Gitter» Node:» Edge:» Surface:» Cell-Face:» Body:» Cell: Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 9

9 Gittergenerierung Verschiedene Elemente und Zellen: node bar triangle quad tetrahedral prism hexahedral Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 10

10 ICEM CFD - Einführung Dokumentation Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 12

11 ICEM CFD - Einführung Menüleiste Register Strukturbaum 3D-Fenster Aktionsfenster Statusfenster Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 13

12 ICEM CFD - Register Geometry Punkte Linien Flächen Objekte löschen Mesh Elementgrößen Density Region Gittergenerierung Output Exportformat Export Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 14

13 ICEM CFD - Einführung Standardverhalten der Maus» Linke Maustaste gedrückt: Freies Drehen im 3D- Viewer» Rechte Maustaste gedrückt: Drehen» Mausrad gedrückt: Verschieben» Mausrad drehen: Zoom Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 15

14 ICEM CFD - Einführung Mausverhalten im Auswahlmodus» Linke Maustaste: Objekt auswählen» Rechte Maustaste: Letzte Auswahl rückgängig» Mausrad klicken: Bestätigung der Auswahl Was tun, wenn das gesuchte Element nicht im Darstellungsbereich liegt?» Taste F9 unterbricht den Auswahlmodus Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 16

15 ICEM CFD - Einführung Nur sichtbare Elemente können ausgewählt werden» Immer prüfen, ob grüner Haken im Strukturbaum gesetzt ist Vereinfachung der Auswahl durch Einschränkung im Fenster Select Geometry Punkte Linien Flächen» In diesem Beispiel können nur Oberflächen ausgewählt werden! Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 17

16 ICEM CFD Einrichten eines Projektes - File - New Project - Name - Save Speicherort im CIP Pool im persönlichem Verzeichnis: H:\ Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 18

17 ICEM Vorbereiten Anpassung von Modelltoleranzen» Settings Model/Units 1E-9 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 19

18 Schritte zum unstrukturierten Gitter Erstellung der Geometrie des Berechnungsgebietes» Besteht aus Punkten, Kanten und Oberflächen» Muss unbedingt geschlossen sein» Häufiges Zwischenspeichern sehr empfehlenswert Auffüllen der Geometrie mit unstrukturiert angeordneten Berechnungszellen» Automatisierter Prozess» Vorgaben zu Zellgrößen und arten an den Oberflächen möglich/nötig Exportieren des Gitters zur weiteren Verwendung mit CFX Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 20

19 ICEM CFD Punkte (1) Punkte erzeugen» Register Geometry» Create Point Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 21

20 ICEM CFD Punkte (2) Punkt erzeugen mit Koordinaten 2 1 Create 1 Point Koordinaten angeben Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation Option XYZ auswählen Apply 22

21 ICEM CFD Punkte (3) Auf diese Weise die 8 Eckpunkte des umgebenden Quaders des Berechnungsgebietes erzeugen (Koordinaten siehe Folie 6) Erzeugung des hinteren (z = 0) und vorderen (z = 0.1) Mittelpunktes des Zylinders Sind Punkte nicht zu sehen: Ansicht anpassen» Menü View» Fit oder Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 23

22 ICEM CFD Linien (1) Linie (Curve) zwischen zwei Punkten erzeugen» Register Geometry» Create/Modify Curve Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 24

23 ICEM CFD Linien (2) Linie (Curve) zwischen zwei Punkten erzeugen 1 2 Option From Points auswählen Anfangs- und Endpunkt anwählen (siehe nächste Folie) Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 25

24 ICEM CFD Linien (3) Anfangs- und Endpunkt auswählen und mit Klick auf Mausrad bestätigen 1 2 3: Mausrad drücken Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 26

25 ICEM CFD Kreise (1) Kreisbögen um einen Mittelpunkt erstellen» Register Geometry» Create/Modify Curve Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 27

26 ICEM CFD Kreise (2) Kreisbögen erstellen 1 2 Mittelpunkt auswählen (siehe nächste Folie) Option Circle or arc auswählen Haken setzen und Radius eintragen Winkelbereich Von 0 bis 360 für vollen Kreis Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 28

27 ICEM CFD Kreise (3) Mittelpunkt und zwei Kreispunkte (am besten Eckpunkte des Drahtmodells) auswählen Die Punkte 3 und 4 legen die Ebene des Kreises fest. Sie müssen daher Teil der Seitenfläche sein, auf welcher der Mittelpunkt liegt! Hier bieten sich demnach zwei Eckpunkte des Drahtmodelles an. Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 29

28 ICEM CFD Zylindermantelfläche (1) Zylindermantelfläche erstellen» Register Geometry» Create/Modify Surface Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 30

29 ICEM CFD Zylindermantelfläche (2) Zylindermantelfläche erstellen» Sweep Surface» Punkte wählen und mit Mausrad bestätigen 1 2: Vector 5: hinterer Punkt 4: vorderer Punkt 3 6: Mausrad drücken nächste Folie Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 31

30 ICEM CFD Zylindermantelfläche (3) Extrusionskurve wählen (Zylinderkreis) und mit Mausrad bestätigen Speichern! 8: Mausrad drücken 7: vorderer Kreis Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 32

31 ICEM CFD Oberflächen (1) Oberfläche begrenzt von Kurven erstellen» Register Geometry» Create/Modify Surface Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 33

32 ICEM CFD Oberflächen (2) Oberflächen erstellen 1 2 Kanten auswählen (siehe nächste Folie) Option Simple Surface Option From 2-4 Curves Toleranz möglichst niedrig (0.0001) Wird die Oberfläche jedoch nicht erstellt, ist die Toleranz zu klein Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 34

33 ICEM CFD Oberflächen (3) Die 4 begrenzenden Kanten im Uhrzeigersinn auswählen Mit Klick auf das Mausrad Auswahl bestätigen 3: Mausrad drücken 2 nächste Folie Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 35

34 ICEM CFD Oberflächen (4) Oberflächen sichtbar machen» Surfaces markieren Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 36

35 ICEM CFD Zylinder ausschneiden (1) Kurve aus Oberfläche ausschneiden» Register Geometry» Create/Modify Surface Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 37

36 ICEM CFD Zylinder ausschneiden (2) Oberflächendarstellung ändern auf Solid und Show full (genauere Darstellung)» Rechtsklick auf Surfaces» Auswahl von - Solid - Show Full Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 38

37 ICEM CFD Zylinder ausschneiden (3) Zylinderfläche ausschneiden» Segment/Trim Surface (1) 1 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 39

38 ICEM CFD Zylinder ausschneiden (4) Zylinderfläche ausschneiden» Oberfläche auswählen und mit Mausrad bestätigen 2: Mausrad drücken 1 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 40

39 ICEM CFD Zylinder ausschneiden (5) Zylinderfläche ausschneiden» Schnittkurve auswählen und mit Mausrad bestätigen 2: Mausrad drücken 1 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 41

40 ICEM CFD Zylinder ausschneiden (6) Zylinderfläche ausschneiden» Überflüssigen Flächenteil löschen - Register Geometry - Delete Surface Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 42

41 ICEM CFD Zylinder ausschneiden (7) Zylinder ausschneiden Überflüssige Fläche löschen» Fläche auswählen und mit Mausrad bestätigen 2: Mausrad drücken 1 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 43

42 ICEM CFD Zylinder ausschneiden (8) Auf diese Weise zweite Seitenfläche beschneiden Das sollte dann so aussehen, danach Speichern! Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 44

43 ICEM CFD Parts erstellen (1) Oberflächen werden eindeutigen Parts zugeordnet Dies dient zum Einen der Zuordnung unterschiedlicher Randbedingungen, zum Anderen kann die Auswertung vereinfacht werden Auf sinnvolle Benennung sollte geachtet werden Wir erstellen hier 5 unterschiedliche Parts:» Einlass» Auslass» Seiten» Fernfeld (obere und untere Quaderfläche)» Zylinder Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 45

44 ICEM CFD Parts erstellen (2) Zuweisung einer oder mehrerer Flächen zu einem neuen Part» Rechtsklick auf Parts» Create Part Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 46

45 ICEM CFD Parts erstellen (3) Zuweisung einer oder mehrerer Flächen zu einem neuen Part» Part: Einlass» Alle zum Part gehörenden Flächen auswählen» Mit Mausrad bestätigen 1 2 3: alle zugehörigen Flächen auswählen 4: Mausrad drücken Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 47

46 ICEM CFD - Vernetzung Nach der Geometrieerstellung kann nun mit der Gittergenerierung weitergemacht werden Es gibt mehrere Gruppen mit verschiedenen Aufgabenstellungen!» Mit / Ohne Density Region!» Bei der Gittererstellung beachten! Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 48

47 ICEM CFD - Vernetzung Vorgehen» Elementgrößen an den Oberflächen vorgeben Surface Mesh Setup» Prismenlayer um den Zylinder» Evtl. Density-Region im Nachlauf» Gittergenerator starten» Netz für Ansys CFX exportieren Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 49

48 ICEM CFD Surface Mesh Setup (1) Register Mesh» Surface Mesh Setup Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 50

49 ICEM CFD Surface Mesh Setup (2) Surface Mesh Setup» Alle Flächen auswählen und mit Mausrad bestätigen 2 Kasten um alles 1 nächste Folie 3: Mausrad drücken Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 51

50 ICEM CFD Surface Mesh Setup (3) Surface Mesh Setup» Elementgrößen angeben und Apply Maximum size: 0.1 Maximale Elementgröße Height: 0.1 Elementhöhe Min Size Limit: 0.05 Minimale Elementgröße Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 52

51 ICEM CFD Surface Mesh Setup (4) Erstes Gitter generieren» Register Mesh» Compute Mesh» Volume Mesh» Compute» Warten!» Speichern! All Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 53

52 ICEM CFD Surface Mesh Setup (6) Das Ergebnis sollte so aussehen (Surfaces abgeschaltet) Gittergenerierung abgeschlossen, wenn im Statusfenster Finished compute mesh steht 4811 Elemente Nun soll der Zylinder besser aufgelöst werden Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 54

53 ICEM CFD Surface Mesh setup (7) Führen Sie die oberen Schritte NUR an der Zylindermantelfläche und folgenden Parametern durch:» Maximum Size = 0.01» Height = 0.01» Min Size Limit = Ersetzen Sie das alte Mesh bei der Erstellung: Elemente Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 55

54 ICEM CFD Prismenlayer (1) Ziel ist eine Prismenschicht aus 5 Lagen um den Zylinder» Register Mesh - Compute Mesh - Prism Mesh Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 56

55 ICEM CFD Prismenlayer (2) Prim Mesh 1 Parts aktivieren 2 Anzahl der Prismenschichten Existing Mesh Prism Parts Data schließen Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 57 3

56 ICEM CFD Prismenlayer (3) 4 5 Prismenlayer werden initialisiert (siehe Statusfenster dauert bis Finished compute mesh ) Surface Mesh Setup öffnen und Zylindermantelfläche auswählen (siehe oben) Folgende Parameter ändern:» Height = » Height Ratio = 1.5 (Zellwachstum der Prismenschicht) Apply nächste Folie Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 58

57 ICEM CFD Prismenlayer (4) Register Mesh» Compute Mesh» Volume Mesh - Compute - Mesh ersetzen - Speichern! Create Prism Layer aktivieren Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 59

58 ICEM CFD Prismenlayer (5) Das Ergebnis sollte so aussehen (Surfaces abgeschaltet) Elemente Abschließend soll der Nachlauf feiner aufgelöst werden (Vorsicht: nicht alle Gruppen!) Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 60

59 ICEM CFD Density Region (1) Zur besseren Abbildung des Nachlaufes soll eine Verfeinerung eingebracht werden Density Region definiert ein Volumen, welches feinere Zellen als das umgebende Berechnungsgebiet enthält Das Volumen wird über eine oder mehrere Punkte festgelegt Erstellen Sie also zunächst zwei Punkte mit den Koordinaten ( ) und ( ). z=0.05 liegt in der Domainmitte! Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 61

60 ICEM CFD Density Region (2) Density Region» Register Mesh» Create Mesh Density Size = Ratio = 1.2 Width = 5 Points Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 62

61 ICEM CFD Density Region (3) Density Region 3: hinterer Punkt 1 2: Punkt in der Zylindermitte 4: Mausrad drücken 5 63 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation

62 ICEM CFD Density Region (4) Danach auf herkömmliche Art das Mesh generieren Dies sollte dann so aussehen Elemente Speichern! Jetzt muss das Gitter noch exportiert werden Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 64

63 ICEM CFD Export für CFX (1) Register Output» Select Solver Ansys CFX Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 65

64 ICEM CFD Export für CFX (2) Register Output» Write Input» Speichern! 66

65 Vorbereitungen Anmeldung am Windowsrechner Benutzername und Passwort: Persönliche LRZ Kennung Domäne: ADS LRZ Kennung zu finden unter tumonline.de Speicherplatz für persönliche Daten: Persönlicher Speicher im NAS Filer des LRZ Bitte nicht den Desktop etc. verwenden! Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 67

66 Lizenzeinstellungen Alle ANSYS Produkte können im CIP Pool aus dem Startmenü geöffnet werden. Start Alle Programme ANSYS ANSYS, Inc. License Manager > Server ANSLIC_ADMIN Utility Klick auf Set License Preferences for User in der linken Spalte Auswahl der Version (14.5) Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 68

67 Lizenzeinstellungen Kategorien Lizenzen 1=Lizenz verwenden 0=Lizenz nicht verwenden Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 69

68 Lizenzeinstellungen Folgende Lizenzen müssen verwendet werden: Solver: 1: ANSYS Academic Teaching Lizenzen 0: Rest PrepPost: 0: Alle HPC: 0: Alle Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 70

69 ICEM CFD - Starten Start Alle Programme ANSYS ANSYS 14.5 Meshing > ICEM CFD 14.5 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 71