Angewandte Strömungssimulation

Transkript

1 Angewandte Strömungssimulation 2. Praktikum Stefan Hickel

2 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 2

3 CFD mit ANSYS ICEM CFD CFX - Pre CFX - Solve CFX Post Gittergenerator Pre-Prozessor Strömungslöser Post-Prozessor Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 3

4 Vorgehen Setup der Simulation mit CFX-Pre» Einlesen des Gitters» Grundlegende Definition der Simulation» Definition der Strömungsdomain (Fluid, Turbulenzmodell, )» Definition der Randbedingungen» Festlegung wichtiger Lösungsparameter» Ausgaben vorgeben» Export in eine *.def-datei für den CFX-Solver Simulation mit dem CFX-Solver» Überwachung des Verlaufes Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 4

5 CFX - Starten Start Alle Programme ANSYS ANSYS 14.5 Fluid Dynamics > CFX 14.5 Working Directory angeben: H:\... CFX-Pre CFX Solver CFX-Post Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 5

6 CFX-Pre - Einführung Dokumentation Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 6

7 File» New Case CFX-Pre Neuer Case Je nach Konfiguration muss dieses Feld nicht erscheinen! Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 7

8 CFX-Pre Gitter einlesen (1) Gitter einlesen Rechtsklick auf Mesh Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 8

9 CFX-Pre Gitter einlesen (2) Unstrukturiertes Gitter aus Termin1 (*.cfx5) auswählen Ort: H:\...\*.cfx5 Einheit [m] Open Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 9

10 CFX-Pre Gitter einlesen (3) Das Projekt mit eingelesenem Gitter sollte so aussehen Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 10

11 CFX-Pre Simulationstyp festlegen (1) Doppelklick auf Analysis Type Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 11

12 CFX-Pre Simulationstyp festlegen (2) Instationäre (transient) Simulation definieren Total Time = 12 s Gesamtsimulationszeit Adaptive Timestep: Zeitschritt wird automatisch stets so gewählt, dass CFL = 10 Simulationsstart bei 0s Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 12

13 CFX-Pre Adaptive Timestep First Update Time: 0 s Erstmalige Anpassung des Zeitschrittes Timestep Update Freq.: 1 Intervall der Anpassung Initial Timestep: 0.01 s Zeitschritt im ersten Zeitschritt Timestep Adaption Option: MAX Courant Number Anpassungsparameter ist die maximale CFL-Zahl im Berechnungsgebiet Maximum Timestep: 1E-1 s Maximal zulässiger Wert Minimum Timestep: 1E-4 s Minimal zulässiger Wert Courant-Number: 10 Zielparameter der Anpassung Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 13

14 CFX-Pre Berechnungsgebiet definieren (1) Doppelklick auf Default Domain Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 14

15 CFX-Pre Berechnungsgebiet definieren (2) Basic Settings Tab Fluid ist Luft bei 25 C Referenzdruck 1 atm Keine Schwerkraft Ruhende Domain Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 15

16 CFX-Pre Berechnungsgebiet definieren (3) Fluid Models Tab Heat Transfer Option: Isothermal Isothermal: inkompressibel Thermal Energy: inkompressibel mit veränderl. Temperatur Total Energy: kompressibel Turbulenzmodell: Shear Stress Transport (SST) Automatische Wandbehandlung: Ermöglicht y + > 1 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 16

17 CFX-Pre - Expressions Variable Werte, welche Bestandteil von Formeln bspw. für Randbedingungen sein können Hier wird Einströmgeschwindigkeit uref benötigt Die Höhe von uref ergibt sich aus der Reynoldszahl: Re= ρu ref d =2000 μ Die Dichte und die Viskosität kann aus den Materials (wie oben festgelegt) entnommen werden. d ist der Zylinderdurchmesser. Bestimmen Sie die Einströmgeschwindigkeit uref. Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 17

18 CFX-Pre - Expressions Insert» Expressions, Functions and Variables - Expression Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 18

19 CFX-Pre - Expressions uref Wert der Einströmgeschwindigkeit mit Einheit [m s^-1] Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 19

20 CFX-Pre Randbedingungen (1) Randbedingung definieren» Insert - Boundary» Name Einlass» OK 20 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation

21 CFX-Pre - Einlass definieren (1) Basic Settings Tab Boundary Type: Inlet Inlet: Einlassrandbedingung Outlet: Auslassrandbedingung Opening: Kombinierte Ein-/ Auslassrandbdingung Wall: Wand Symmetry: Symmetrie Location: Bezeichnung des ICEM-Parts (letzter Termin) EINLASS Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 21

22 CFX-Pre - Einlass definieren (2) Boundary Details Tab 3: Cursor in das 1 Feld setzen 2:Masse und Impuls definiert durch Normal Speed 4: Klick auf Enter Expression 6 5: uref Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 22

23 CFX-Pre - Auslass definieren Erstellen Sie eine Randbedingung Auslass für das ICEM-Part AUSLASS Typ: Outlet Boundary Details Tab Static Pressure: 0 bar ( + 1 atm ) Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 23

24 CFX-Pre - Seiten definieren Erstellen Sie eine Randbedingung Seiten für das ICEM-Part SEITEN Typ: Symmetry Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 24

25 CFX-Pre - Zylinder definieren Erstellen Sie eine Randbedingung Zylinder für das ICEM-Part ZYLINDER Typ: Wall Boundary Details Tab No Slip Wall: Reibungsbehaftete Wand Smooth Wall: Glatt, nicht rauh Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 25

26 CFX-Pre Fernfeld Gruppe 1,2,3,6 Erstellen Sie eine Randbedingung Fernfeld für das ICEM-Part FERNFELD Typ: Wall Boundary Details Tab Free Slip Wall: Reibungsfreie Wand Gruppe 1,2,3,6 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 26

27 CFX-Pre Fernfeld Gruppe 4 Erstellen Sie eine Randbedingung Fernfeld für das ICEM-Part FERNFELD Typ: Opening Boundary Details Tab Opening Pres. and Direction: Relative Pressure: 0 Pa ( + 1atm ) Direction: Normal to Boundary Condition Gruppe 4 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 27

28 CFX-Pre Fernfeld Gruppe 5 (1) Die Randbedingung soll periodisch vorgeben werden. In CFX keine direkte Randbedingung, sondern ein Interface Insert» Domain Interface Gruppe 5 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 28

29 CFX-Pre Fernfeld Gruppe 5 (2) Domain Interface: Interface Type: Fluid Fluid Fluid: Strömung Porous: Poröse Domain Solid: Festkörper (Wärmeleitung) Domain Side 1 und Side 2: Default Domain nächste Folie Interface Models Option: Translational Periodicity Gruppe 5 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 29

30 CFX-Pre Fernfeld Gruppe 5 (3) Domain Interface: nächste Folie Obere Seite auswählen: Primitive 2D auswählen und überprüfen, ob das Gitter der oberen Seite grün erscheint, sonst anderes Primitive Gruppe 5 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 30

31 CFX-Pre Fernfeld Gruppe 5 (4) Domain Interface: Apply Untere Seite auswählen: Primitive 2D auswählen und überprüfen, ob das Gitter der unteren Seite grün erscheint, sonst anderes Primitive Gruppe 5 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 31

32 CFX-Pre Initialisierung (1) Instationäre Simulationen benötigen eine Initialisierung CFX ist sehr dissipativ Für instationäre Lösung muss eine Anfangsstörung vorgegeben werden Insert» Global Initialisation Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 32

33 CFX-Pre Initialisierung (2) Global Settings Tab 1: Geschwindigkeitsfeld: Automatic with Value 2: Cursor in das Feld U setzen 3: Klick auf Enter Expression nächste Folie Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 33

34 CFX-Pre Initialisierung (3) Global Settings Tab U: (step(y/1[m])+0.5)*uref V: 0 [m s^-1] W: 0[m s^-1] Static Pressure: Automatic with Value Relative Pressure: 0 bar + ( 1atm ) Medium (Turbulenzgrad 5%) Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 34

35 CFX-Pre Solver Parameter (1) Doppelklick auf Solver Control Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 35

36 CFX-Pre Solver Parameter (2) Basic Settings Tab High Resolution Zeitintegrationsschema Coeff. Loops Iterationsanzahl pro Zeitschritt: 1-10 Abbruchkriterium Type: RMS Target: 1E-4 Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 36

37 CFX-Pre Ausgabeparameter (1) Doppelklick auf Output Control Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 37

38 CFX-Pre Ausgabeparameter (2) Trn Results Tab Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 38

39 CFX-Pre Ausgabeparameter (3) Trn Results Tab Selected Variables: Aus Platzgründen nur benötigte Variablen speichern Velocity, Velocity u, v, w und Eddy Viscosity auswählen Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 39

40 CFX-Pre Ausgabeparameter (4) Trn Results Tab Output Frequency Option: Time Interval Time Interval: 0.1s Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 40

41 CFX-Pre - Exportieren Die getätigten Definitionen müssen zum CFX-Solver exportiert werden Klick auf Write Solver File GruppeX.def Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 41

42 CFX-Pre - Schließen Um Lizenzen zu sparen: CFX-Pre jetzt schließen Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 42

44 CFX-Solver Rechnung starten (1) Klick auf Define a new CFX solver run Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 44

45 CFX-Solver Rechnung starten (2) Klick auf Öffnen und das Definition-file von vorher laden Run Mode: Platform MPI Local Parallel Zum Schluss: Start Run Mit dem ^ 4 Partitionen auswählen Dies sollte der Anzahl verfügbarer Prozessoren entsprechen. Der Solver teilt die Berechnung somit auf mehrere Prozessoren gleichzeitig auf Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 45

46 CFX-Solver Rechnung überwachen (1) Konvergenzverlauf Out-File Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 46

47 CFX-Solver Rechnung überwachen (2) Nachlaufschwingungen beobachten Workspace» New Monitor

48 CFX-Solver Rechnung überwachen (3) Y-Impulsfluss auf der Zylinderoberfläche auswählen» FLOW BOUNDARY Zylinder V-Moment Simulationszeit auf x-achse Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 48

49 CFX-Solver Rechnung überwachen (4) Vorarbeit der Auswertung: Periodendauer T Und damit Frequenz Tipp: Durch einen Klick auf die Linie werden die genauen Werte der Variable und der Simulationszeit angezeigt. Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 49

50 CFX-Solver - Simulationsende Sind die Abbruchkriterien erreicht (Gesamtsimulationszeit), wird der CFX-Solver beendet Name der Rechnung Ergebnisdatei hat Endung *.res: G1_002.res Out-Datei hat Endung *.out: G1_002.out Alle transienten Ergebnisse haben Endung *.trn und liegen in Ordner mit dem Rechnungsnamen: G1_002/ Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 50

52 CFX-Post - Starten Postprocessing mit dem CFX-Post Sehr leistungsfähig, um Ergebnisse schnell und übersichtlich einzusehen und zu präsentieren Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 52

53 CFX-Post Simulationsergebnis laden (1) Name der *.res-datei Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 53

54 CFX-Post Ebene (1) Visualisierung der Geschwindigkeit auf einer Schnittebene bei z = 0.05 m Location Name zur Unterscheidung» Plane verschiedener Ebenen Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 54

55 CFX-Post Ebene (2) Lage der Ebene definieren» Geometry Tab Schnittebene XY bei Z = 0.05m Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 55

56 CFX-Post Ebene (3) Erscheinungsbild der Ebene definieren» Color Tab Mode: Variable Contourplot einer Variable anzeigen Variable: Velocity Apply Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 56

57 CFX-Post Ebene (4) Durch Drücken der Taste z Ansicht einstellen Und Ansicht einpassen durch Klick auf Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 57